CAO HỌC CHUYÊN NGHÀNH QUANG HỌC

v?t lý laser

nHA TRANG, TH�NG 5 NAM 2008

Cỏc khỏi ni?m co b?n (tr?ng thỏi, m?c nang lu?ng, d? tớch lu?, cỏc chuy?n d?i quang h?c co b?n...)
N?i dung
B1. Ho?t d?ng laser trờn hai m?c (h?p)
Ho?t d?ng laser trờn 03 m?c
Ho?t d?ng laser trờn 04 m?c
B2. cỏc phuong phỏp bom (kớch thớch v� kh? kớch thớch)
B3. cỏc mụi tru?ng ho?t ch?t. Mụi tru?ng m? r?ng d?ng nh?t v� MT MR khụng DN. khuờch d?i bóo ho�
B4. bu?ng c?ng hu?ng quang h?c
B5. laser ho?t d?ng ? ch? d? phỏt liờn t?c v� phỏt xung. Bi?n di?u d? ph?m ch?t c?a bu?ng c?ng hu?ng (cỏc pp th? d?ng v� tớch c?c)
B6. laser m�ng m?ng
B7. Cỏc phuong phỏp phỏt xung c?c ng?n
Cấu trúc các mức năng lượng và trạng thái
Phân bố Boltzmann: sô phân tử - độ tích lũy (cân bằng nhiệt)

Các chuyển dời quang học cơ bản
Hấp thụ
Phát xạ tự động
Phát xạ cưỡng bức
Các sơ đồ laser có thể
1
2
Hoạt động laser trên 2 mức
2
1
3
τ2 >> τ3
1
2
3
4
τ3 << τ4
n1
n2
n3
n4
Phát xạ laser
Phát xạ laser
Bơm
Bơm
Bơm
Hoạt động laser trên 4 mức
Hoạt động laser trên 3 mức
Laser là gì?
Laser là chữ viết tắt tiếng Anh
L = Light
A = Amplification by
S = Stimulated
E = Emission of
R = Radiation
khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ cưỡng bức

Các quá trình kích thích (bơm)

Bơm quang học (laser: bơm quang học kết hợp; đèn flash: bơm quang học không kết hợp)
Va chạm không đàn hồi với điện tử
Va chạm không đàn hồi với các nguyên tử hoặc phân tử phụ
Bơm hóa học
Bơm do tái hợp
Bơm nhiệt ...


Các quá trình khử kích thích

Bằng phát xạ tự động
Va chạm không đàn hồi với điện tử
Va chạm không đàn hồi với các nguyên tử hoặc phân tử phụ
Va chạm vào thành bình
phản ứng Hóa học
Nhiệt (phonon, dao động)...
Hi?u su?t laser (optical conversion efficiency and slope efficiency)
phát xạ laser
các chyển dời không cho laser
các chuyển dời từ mức cơ bản lên các mức cao hơn
Hình I.2.9. Sơ đồ năng lượng của Nd 3+ trong một nền rắn (các số hiệu của các trạng thái điện tử cũng là các số hạng phổ nguyên tử)
Cấu hình nguyên tắc của laser
Hình 1.2.13: Sơ đồ mức năng lượng của ion Cr3+ trong laser ruby.
Hình 1.2.14: a) Phổ hấp thụ .
b) Phổ phát xạ của Cr3+ trong Al2O3
Hộp phản xạ (reflector) cho các laser rắn bơm bằng đèn chớp flash
1
5
4
H2O
H2O
6

Cấu tạo đầu Laser rắn: 1 - đèn bơm, 3 - hộp phản xạ, 4- gương Laser (buồng cộng hưởng quang học), 5 - hoạt chất, 6 - Chất làm lạnh, 7 – Tia Laser
3

Hình 1.2.17: Các chuyển dời quang học trong laser ion Ar+.
(4)
Hình 1.2.15: Laser khí nguyên tử He-Ne. Các chuyển dời quang học trong laser
Những chuyển dời quang học trong laser hơi đồng (nguyên tử).

Hình 1.2.11. Cấu trúc phân tử màu Pyrromethene 576. Các phổ hấp thụ
(đường liền nét) và phổ huỳnh quang (đường chấm) của Pyrromethene 576
Hình I.2.12a: Các mức năng lượng của phân tử màu hữu cơ dùng làm hoạt chất laser
(4)
S1
Hồi phục dao động
Laser
(3)
Bơm
Hồi phục dao động
(2)
(1)
S0
Hình I.2.12b. Sơ đồ nguyên tắc khuếch đại của chất màu trên các mức điện tử đơn cơ bản S0 và mức kích thích S1. Cấu trúc dao động của các S0 và S1 không biểu diễn.

Những chuyển dời quang học trong laser khí phân tử Ni tơ


Hình 1.2.16: a) Cơ chế hoạt động và các chuyển dời quang học giữa các mức dao động – quay trong trạng thái điện tử cơ bản ( laser khí phân tử CO2)


Hình 1.2.16: b) Vài cấu trúc ống phóng điện của laser CO2

Các mức năng lượng điện tử của một phân tử khí hiếm hai nguyên tử (laser excimer)

Các đặc điểm cơ bản của tia laser
Tính đơn sắc (Monochromaticity)

+ độ rộng vạch 0 = (E2 – E1)/h (linewidth hẹp)
+ BCH chỉ khuếch đại các tần số cộng hưởng

Tính kết hợp (Coherence)

+ kết hợp không gian (spatial coherence )
+ kết hợp thời gian (temporal coherence )

Tính định hướng (Directionality)

+ góc phân kỳ (giới hạn nhiễu xạ): d= /D

Độ chói (Brightness)

B=4P/( D  )2 (P: công suất laser)
Bmax=4P/( ) d (khi có độ kết hợp không gian cao nhất)
Trong trường hợp giới hạn nhiễu xạ: (d= /D, D= / d, d =  )

Hình 1.2.23: Các công-tua phát xạ của các môi trường
mở rộng đồng nhất (F1) và không đồng nhất (F2)

Hình 1.2.24: Các khuếch đại bão hòa của các môi trường mở rộng không đồng nhất
Hình 1.2.25: Hiệu ứng Hole-Burning không có ở trong môi trường mở rộng đồng nhất
Hình 1.2. 26: Sự phụ thuộc của chiết suất môi trường vào tần số

BUỒNG CỘNG HƯỞNG QUANG HỌC
Hình I.2.18. Nguyên lý Huyghen và hình học để tính tích phân Huyghen
trong gần đúng Fresnel.

Hình I.2.19. Sự lan truyền của một cấu trúc ngang cơ bản Gauss.
Hình 1.2.20. Sự thích ứng của sóng cơ bản Gauss trong buồng cộng hưởng được tạo bởi hai gương có bán kính cong R1 và R2 đặt cách nhau khoảng L.

Hình I.2.21: Sơ đồ vùng ổn định của các buồng cộng hưởng quang học có hai gương. C và F là tâm điểm chính khúc và điểm tiêu cự của các gương M.

Hình I.2.22: Các đặc điểm quang học của một tia sáng trước khi và sau khi đi qua một yếu tố quang (không chỉ rõ trên hình vẽ)

Hình I.2.27: a) Cấu trúc phân bố cường độ trên một gương tròn của các mode ngang thấp nhất. b) Việc thay đổi dấu biên độ của trường trên gương


Hình I.2.27: c) Các tần số cộng hưởng của buồng cộng hưởng;
d) Công tua khuếch đại của môi trường hoạt chất;
e) Hoạt động của laser bức xạ đa mode.

BUỒNG CỘNG HƯỞNG dẫn sóng. Laser màng mỏng
Hình 1.2.28: a) Buồng cộng hưởng dẫn sóng theo mặt cắt dọc môi trường hoạt chất

Hình 1.2.28: b) Phản xạ nội toàn phần m lần tại các mặt biên
và đi ra khỏi môi trường hoạt chất ở cùng một góc góc tới m

Hình 1.2.29: Các mode dẫn sóng trong buồng cộng hưởng với các giá trị m khác nhau
(m có thể là âm, dương và một nửa).

Hình 1.2.30: a) Kích thích các mode của buồng dẫn sóng một nửa cần một gương;
b) Kích thích các mode có chỉ số nguyên cần hai gương
Hình 1.2.31: Trong buồng cộng hưởng dẫn sóng, các tia sáng truyền trong buồngđi qua những quãng đường quang học như nhau

Hình 1.2.32: Đường truyền của ánh sáng trong màng mỏng dẫn sóng.
Hình 1.2.33: Sự phân bố trường của các mode dấn sóng (m=0. 1, 2, 3, 4).
Hình 1.2.34: Phương pháp lăng kính để tiêm và chiết năng lượng

Hình 1.2.35: Nguyên tắc sử dụng hai phương pháp lăng kính và cách tử để tiêm và chiết năng lượng bức xạ

Hình 1.2.36: Nguyên tắc hoạt động của yếu tố lăng kính-màng mỏng


Hình 1.2.37: a) Sự phản xạ sóng trên các mặt phẳng cách nhau bằng
chu kỳ điều biến của chiết suất môi trường hoạt chất.
a
b
Hình 1.2.38: Thể hiện một laser màng mỏng chất màu Rhodamine 6G.
Hình 1.2.39: Một số cách bố trí để điều biến không gian của hệ số khuếch đại
Tính đơn sắc
Monochromatic

 

Hình III.1.3: Các laser sử dụng giãn chùm và các yếu tố tán sắc trong BCH.a) Giãn chùm bằng telescope + tán sắc bằng cách tử Littrow.b) Giãn chùm bằng lăng kính + tán sắc bằng cách tử Littrow.c) Giãn chùm bằng một cách tử góc là.

0

Nph
N
Ns
0
0 ts t1 t2 t3 t
t
Hình III.1.4. Các đặc trưng thời gian của phát xạ hồi phục.
Hình III.1.5. Cấu trúc tần số của một phát xạ laser đa mode hồi phục
Các phương pháp phát xung ngắn
Hình III.1.6. Hoạt động bị biến điệu độ phẩm chất của một buồng cộng hưởng laser

Hình III.1.13: Buồng cộng hưởng “dumping” của laser Argon liên tục với bộ biến điệu âm- quang để phát xung laser.

Cách tử
Chất màu
Hình III.1.14: Sơ đồ bơm laser màu phản hồi phân bố với hai gương phản xạ và một cách tử

Hình III.1.15: Sơ đồ nguyên lý của kỹ thuật kích thích sóng chạy
Hình III.1.16: Sơ đồ một laser màu phát xung ngắn sử dụng bơm kích thích sóng chạy
Hình III.1.17: (a) Động học phổ của bức xạ laser băng rộng của phân tử màu DOTCI từ một buồng cộng hưởng Q thấp, dài 1-cm, được bơm 20 lần trên ngưỡng. Các đường N1 (t) và P (t) biểu diễn độ tích luỹ trên trạng thái kích thích và dạng xung bơm Gauss (10 ns).
Hình III.1.17: Sơ đồ một laser màu xung picô-giây STS
và bộ tiền khuếch đại chất màu với 6 –lần truyền (MPA)
Hình III.1.18: Dao động hồi phục của một laser màu có buồng cộng hưởng 13 mm,
bơm bằng laser 532 nm- năng lượng bơm tăng dần
Hình III.1.19: (từ trái qua phải) a) Bức xạ laser phát từ buồng cộng hưởng 25 m chứa các xung cực ngắn cỡ picô-giây. b) Sự biến dạng chuỗi xung sau khuếch đại bão hoà; c) Xung đơn cực ngắn thu được sau hấp thụ bão hoà (đo bằng streak camera 50 ps/ mm).

Hình III.1.20: Sơ đồ hệ laser màu phát xung 500 fs. Từ trái sang -Tầng 1 là hệ laser màu picô-giây STS. Tầng 2 gồm laser microcavity, bộ khuếch đại bão hoà 6-lần truyền qua (MSA); bộ hấp thụ báo hoà (SA); Tầng 3: Bộ khuếch đại công suất.

1
2
3
5000
5500
6000
6500
7000
7500
8000
8500
9000
9500
10000
0
0.5
1
Thời gian (ps)
Cường độ (t. đ)
1. Xung laser ngắn ra ở BCH Q-thấp
2. Laser ra ở BCH Q-thấp, chưa được Quenching
3. Laser ra ở BCH Q-cao khi có quenchinh
2
1
3
Hình III.1.21: (a) Cấu hình của một Laser màu phát xung ngắn sử dụng buồng cộng hưởng dập tắt (Quenching cavity).(b) Động học của quá trình dập tắt xung trong buồng cộng hưởng Q-thấp.
Laser Applications
Medical applications
Welding and Cutting
Surveying
Garment industry
Laser nuclear fusion
Communication
Laser printing
CDs and optical discs
Spectroscopy
Heat treatment
Barcode scanners
Laser cooling

Liên tưởng các Trạng thái và các Mức năng lượng của phân tử