Vật lý Laser 2013 - Chương III: Phát xạ Laser

LASER VÀ ỨNG DỤNG

TS. Nguyễn Thanh Phương
Bộ môn Quang học và Quang điện tử

Chương III: Phát xạ laser

Chương III: Phát xạ Laser
Nhắc lại:

LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)
(i)Khuếch đại quang: Biến đổi năng lượng bơm thành “bức xạ kết hợp"

(ii)Buồng cộng hưởng: cung cấp hồi tiếp quang học để duy trì dao dộng
14/11/2013

3


Hai điều kiện để có dao động

- Lượng tăng ích do khuếch đại phải lớn hơn mất mát trong hệ hồi
tiếp để lượng tăng ích tổng cộng đủ đi được một vòng hồi tiếp.
- Độ dịch pha tổng cộng trong một vòng hồi tiếp phải là bội số của 2p

để pha của tín hiệu hồi tiếp trùng pha với tín hiệu vào ban đầu.
14/11/2013

4

Vì khuếch đại và dịch pha là hàm của tần số nên:
chỉ có một (hoặc một số) tần số thỏa mãn 2 điều kiện dao động (những
tần số là tần số cộng hưởng của dao động). Tín hiệu ra hữu ích là một
phần năng lượng lấy ra từ máy phát dao động. Do đó một máy phát dao

động gồm:
- một bộ phận khuếch đại với cơ chế bão hòa
- một hệ hồi tiếp

- một cơ chế lọc lựa tần số
- một hệ thống lấy tín hiệu ra

14/11/2013

5

III.1. Lý thuyết dao động Laser
III.1.1 Khuếch đại quang và hồi tiếp

a) Khuếch đại Laser (nhắc lại)
Một máy khuếch đại laser là một máy khuếch đại kết hợp dải hẹp của ánh
sáng. Khuếch đại đạt được bởi bức xạ cưỡng bức của hệ nguyên tử, phân
tử trong khi đảo mật độ tích lũy đạt được.
Khi mật độ dòng photon vào nhỏ:

Khi mật độ dòng photon vào lớn, xảy ra bão hòa trong môi trường mở rộng
đồng nhất

Khi vạch phổ có dạng Lorentz, pha của tín hiệu khuếch đại dịch đi trên 1
đơn vị độ dài:

14/11/2013

7

b) Hồi tiếp và mất mát: buồng cộng hưởng quang học
Hồi tiếp quang đạt được khi đặt một môi trường hoạt chất vào trong một
buồng cộng hưởng quang học.
Buồng cộng hưởng Fabry-Perot

Pha bị dịch đi một lượng cân bằng với số sóng khi tín hiệu đi qua môi
trường

(3.1)
14/11/2013

8

Các yếu tố không hoàn hảo của buồng cộng hưởng (gương, tự khuếch đại,
và các thành phần quang học khác...) sẽ gây nên mất mát cường độ do tán xạ
hoặc hấp thụ trong mỗi chu trình của ánh sáng trong buồng cộng hưởng. Cụ
thể:
+ tín hiệu bị truyền qua gương

(đặc biệt ở gương ra)
+ tán xạ và hấp thụ trên bề mặt
gương

MEDIUM

+ tán xạ và hấp thụ (do những hấp
thụ kí sinh) trên bề mặt và trong
môi trường khuếch đại
+ tán xạ và hấp thụ ở các thành phần quang học khác trong buồng cộng
hưởng nội như diode quang học, etalon, fill lọc lưỡng chiết, thấu kính,
các loại tinh thể khác.
14/11/2013

9

Buồng cộng hưởng cung cấp hồi tiếp (buồng cộng hưởng nội) trở lại trường
nhờ phản xạ ở bề mặt gương. Do đó laser là một máy phát dao động
Mất mát không tránh được của trường bức xạ được bù bởi khuếch đại
Nếu khuếch đại có thể bù được mất mát trong buồng cộng hưởng thì hệ bắt
đầu dao động.
Hồi tiếp quyết định sự dao động, do đó.
• loại gương (plane, concave, convex)
• khoảng cách giữa các gương

• hướng của các gương liên quan đến nhau
sẽ xác định tính chất của trường quang học gồm:
• Năng lượng quang của laser

• hình dạng chùm tia laser
• hướng chùm tia laser
• tần số, độ ổn định....
14/11/2013

10

- Thông thường một gương có hệ số phản xạ thấp hơn (thường vài %
truyền qua) được sử dụng để lấy tín hiệu ra từ laser. Tính chất của ánh
sáng này (phân bố không gian, thời gian, phổ..) được xác định bởi hồi tiếp,
hay nối cách khác xác định bởi tính chất của buồng cộng hưởng.

MEDIUM
R1
output
coupler

R2

14/11/2013

11

• khuếch đại trong 1 chu trình
Xét một chu trình trong buồng cộng hưởng Fabry-Perot.
- bắt đầu tại A. Tín hiệu đi ngang qua môi trường khuếch đại
Giả thiết khuếch đại trong môi trường giữa 2 gương có thể được
mô tả bởi hệ số khuếch đại 
- Đối với một tín hiệu truyền một
lần qua môi trường có độ dài d,
cường độ tại B lúc này:

I B  GS  I A

d
G e

MEDIUM

(3.2)

A

d

B

S

14/11/2013

12

• khuếch đại trong 1 chu trình (tiếp)...
- phản xạ tại gương 2
trường quang học được phản xạ tại gương 2 có cường độ

IC  R2  I B  R2  GS  I A

(3.3)

R2 là hệ số phản xạ (trong trường hợp này là hệ số phản xạ
cường độ).
Chú ý rằng nếu T là hệ số truyền qua của cường độ, một gương
thực tế sẽ có

RT   1

C
ở đây  là các mất mát
không phải do truyền qua
của gương (tán xạ, hấp thụ).
Thông thường T và  được
tính chung vào mất mát trên
gương.

R2

R1
MEDIUM
A

d

B
14/11/2013

13

- tín hiệu lần thứ 2 đi qua khuếch đại, phản xạ một phần ở gương 1:
cường độ quang học sau lần thứ 2 qua khuếch đại tại vị trí D là
2
I D  GS  IC  R2  GS  I A

(3.4)

và sau khi phản xạ tại gương 1, nói cách khác là đi được 1 vòng
trong buồng cộng hưởng
(3.5)
2

I A  R1  I D  R1  R2  GS  I A

- hiển nhiên, khuếch đại tổng cộng:

G

2
R1  R2  GS

 R1R2e

2d

(3.6)

R1

D

mô tả khuếch đại trong 1
chu trình của laser.

d

C

R2

MEDIUM
A

d

B
14/11/2013

14

Gọi hệ số mất mát tổng cộng của tín hiệu trong buồng cộng hưởng là r.
Tương tự tính toán cho khuếch đại sau một chu trình ta có:
(3.7)
Như vậy, hệ số mất mát trong 1 chu trình:

(3.8)

s là mất mát do tán xạ và hấp thụ trong môi trường khuếch đại. m1, m2 là
mất mát bởi gương 1 và 2, như vậy mất mát trên cả 2 gương:
14/11/2013

15


2
I A  R1  I D  R1  R2  GS  I A


(3.9)
Sau một chu trình khuếch đại tổng cộng (bao gồm cả mất mát)

G R1R2e

(  s ) 2 d

(3.10)

vì r là mất mát tổng cộng của cường độ trường (hoặc mật độ dòng
photon) trên một đơn vị độ dài buồng cộng hưởng, do đó rc là mất mát
của dòng photon trong thời gian 1s.

(3.11)
gọi là thời gian sống của photon
14/11/2013

16

Cộng hưởng chỉ chấp nhận những tần số mà sau khi đi được 1 chu trình
trong buồng cộng hưởng pha dịch đi một lượng là bội của 2p.

Biên độ của hàm sóng tại P là Uo, sau khi đi được 1 chu trình trong buồng

cộng hưởng biên độ lúc này là U1. Biên độ suy giảm 1 lượng
mất mát do phản xạ ở 2 gương và hấp thụ trong môi trường (tương ứng với

mất mát cường độ là |r2| với |r| < 1). Như vậy:
U = Uo + U1 + U2 +... = Uo + hUo + h2 Uo + .... = Uo(1+ h + h2 +....) = Uo/(1-h)
14/11/2013

17

Pha sau 1 chu trình dịch đi một lượng là bội của 2p
(3.12)

Cường độ của sóng có giá trị:

(3.13)

(3.14)

14/11/2013

18

trong đó
(3.15)
Trong trường hợp này cường độ của sóng là hàm điều hòa của pha với chu

kì 2p, (3.14) có thể thay thế bằng:
(3.16)

trong đó nF = c/2d, I = Imax khi
Giá trị cường độ nhỏ nhất
(3.17)
14/11/2013

19

Khi F >>1, buồng cộng hưởng Fabry Perot được đặc trưng bởi 2 thông số:
khoảng cách giữa các mode:
(3.18)
Độ rộng của mode

(3.19)
Lúc này

(3.20)

14/11/2013

20

III.1.1. Khuếch đại quang và hồi tiếp
III.1.2. Các điều kiện dao động laser

a) điều kiện khuếch đại: ngưỡng phát laser
Lượng tăng ích do khuếch đại phải lớn hơn mất mát trong hệ hồi tiếp để
lượng tăng ích tổng cộng đủ đi được một vòng hồi tiếp.
Hệ số khuếch đại tín hiệu nhỏ phải lớn hơn hệ số mất mát tổng cộng:

(3.21)
ta đã biết:

Do đó:
trong đó

N o (n )   r

No  Nt
r
Nt 
 (n )
hay

(3.22)

(3.23)

là ngưỡng chênh lệch mật độ tích lũy

14/11/2013

22

Thay thế r bằng thời gian sống của photon
(3.24)
Ngưỡng của chênh lệch mật độ tích lũy: tỉ lệ thuận với mất mát tổng cộng
trong buồng cộng hưởng (tỉ lệ nghịch với thời gian sống của photon).

thay thế biểu thức tính (n) ta được:
(3.25)
Nt là hàm của tần số, Nt nhỏ nhất khi g(n) lớn nhất tại n = no.
Nếu hàm hình dạng phổ có dạng Lorentz thì g(no) = 2/pDn. Lúc này ngưỡng
Nt đối với dao động ở tần số trung tâm

(3.26)
14/11/2013

23

Với giả thiết Dn  1/2ptsp

(3.27)
Ngưỡng chênh lệch mật độ tích lũy là hàm của thời gian sống của photon
và bước sóng. Ngưỡng dao động của laser khó đạt được hơn ở bước sóng

ngắn hơn.

14/11/2013

24

b) điều kiện pha: tần số laser – hiện tượng co tần số
Độ dịch pha tổng cộng trong một vòng hồi tiếp phải là bội số của 2p
(3.30)
Dịch pha do

buồng cộng hưởng

- Nếu 2(n)d nhỏ:

Dịch pha do môi

trường khuếch đại

 c 
n  n q  q 
 2d 

(3.31)

“cold resonator``

- Nếu không thể bỏ qua 2(n)d: giải (3.30) ta được một tần số n‘q dịch đi một

đoạn so với nq về phía tần số trung tâm của các nguyên tử trong buồng
cộng hưởng.
14/11/2013

28

ta có

và

Thay vào (3.30) ta được:

(3.32)

14/11/2013

29

Biến đổi ta có

Khi
nq.

(3.33)

thì số hạng thứ 2 rất nhỏ do đó ta có thể thay n bằng

(3.34)
Tần số của laser được biểu diễn như là hàm của tần số của „buồng cộng
hưởng lạnh“
ở điều kiện trạng thái dừng (lượng tăng ích cân bằng với mất mát)

dn là độ rộng mode của „buồng cộng hưởng lạnh“
14/11/2013

30

khi đó (3.34) có dạng:

(3.35)

Tần số của „buồng cộng hưởng lạnh“ nq bị dịch về phía tần số cộng hưởng
no. Độ dịch tỉ lệ với độ rộng mode của buồng cộng hưởng dn và tỉ lệ nghịch
với độ bán rộng của phổ các nguyên tử Dn.
‚

q

dn

14/11/2013

31

III.2.1. Các đặc trưng của laser

III.2. Các đặc trưng của laser
Đặc trưng công suất
2.5

L = 1.5 mm

200

40

2.0

150

1.5

100

1.0

50

0.5

0

0

50

100

150 200 250
current I / mA

300

350

400

0.0

voltage U / V

power P / mW

30

20

10

conversion efficiency  / %

250

0

14/11/2013

33


782.0

0
-10
-20

L = 1500 m
T = 25°C
wavelength  / nm

normalized power P / dBm

Phân bố phổ

P = 200mW

50 dBm

-30
-40

781.5

T = 25°C
L = 1500 m
w = 3 m

-70.00
-60.00
-50.00
-40.00
-30.00

781.0

-20.00
-10.00

dBm

780.5

-50
-60
781

782

wavelength  / nm

783

780.0
100

200
300
current I / mA

400

14/11/2013

34

Phân bố không gian

1,0

1,0

0,5

0,0

-20

0
20
vert. FF / degree

300

11°

lat.FFrel

21.7°

power / norm.

power / norm.

400

0,5

200
100

0,0

-20

0
lat. FF / degree

20

100

200

300

400

I /mA

14/11/2013

35

III.2.1. Công suất phát laser

a) Mật độ dòng photon nội

- khi điều kiện khuếch
đại và điều kiện pha
thỏa mãn laser bắt đầu

hoạt động
- hệ số khuếch đại tín

hiệu nhỏ lớn hơn hệ số
mất mát tổng cộng
- tiếp tục tăng mật độ

dòng photon thì hệ số
dẫn đến bão hòa
14/11/2013

37

khi lượng tăng ích bằng mất mát (N = Nt) thì mật độ dòng photon không
tăng nữa và dao động chạm tới điều kiện cân bằng. Khuếch đại bị „giữ“ lại
giá trị đúng bằng mất mát mặc dù ta tăng tốc độ bơm (gain clamping).
Hệ số khuếch đại được xác định bằng hệ số khuếch đại với mật độ dòng
photon lớn:

 0 (n )
 r
1   /  s (n )
Từ đó mật độ dòng photon nội được tính:

(3.36)

14/11/2013

38

Ta có

 0 (n )  N 0 (n )

và

 r  N t (n )


 N0

 s (n )
 N  1 , N 0  N t


 t


0,
N0  Nt


(3.37)

là mật độ dòng photon nội ở trạng thái cân bằng

14/11/2013

39

b) Mật độ dòng photon thoát
Chỉ một phần dòng photon nội thoát ra ngoài bằng cơ chế lấy tín hiệu dưới
dạng tín hiệu hữu ích.
Gọi mật độ dòng photon thoát 0 là phần dòng photon nội truyền về phía
gương 1 và thoát ra khỏi buồng cộng hưởng bằng cách truyền qua gương
1. Gọi hệ số truyền qua của gương 1 là T, ta có:

T
0 
2

(3.38)

Cường độ quang của dòng laser thoát là:

T
I 0  hn
2

(3.39)

và công suất quang của tín hiệu ra sẽ là

(3.40)
A là tiết diện của chùm tia laser.
14/11/2013

40

c) Tối ưu hóa mật độ dòng photon thoát

photon thoát
(laser)

Mất mát trong buồng
cộng hưởng

Mật độ dòng
photon nội giảm

Dòng photon thoát phụ thuộc vào hệ số truyền qua của gương T:
- Nếu T = 0:

r nhỏ nhất

- Nếu T = 1:

r > 0(n)
(Nt > N0)

Không có laser 0 = 0

=0

Như vậy giá trị tối ưu của T phải nằm trong khoảng: 0 < T < 1

14/11/2013

41

R1 là hệ số phản xạ của gương 1, do đó T = 1 – R1 và mất mát trên
gương 1:
T)

(3.41)

Mất mát trong buồng cộng hưởng:

T)

(3.42)

Mất mát trên gương 2:

(3.43)

14/11/2013

42


Từ:

và

và

T)
g0 = 0.5 và L = 0.02

Ta có
T

(3.44)
T)

trong đó

Top  g0 L  L

(3.45)
14/11/2013

43

d) Mật độ photon nội
Mật độ photon trong buồng cộng hưởng liên hệ với mật độ dòng photon:
Xét một hình trụ có tiết diện A, chiều dài c (vận tốc của photon chuyển động
song song với trục hình trụ), như vậy nếu buồng cộng hưởng có mật độ

photon nin thì số photon trong buồng cộng hưởng là cAnin
Các photon này chuyển động về cả 2 hướng, như vậy trong 1s có một nửa

số photon đi qua mặt cắt hình trụ. Một nửa số photon đi theo chiều ngược
lại. Tuy nhiên mật độ dòng photon lại tính cả 2 hướng, do đó:

  2( 1 cAnin ) / A  cnin
2

nin   / c

(3.46)

14/11/2013

44

Từ công thức (3.36) tính mật độ dòng photon nội ta có

 N0

nin  ns 
 1 , N 0  N t
N

 t


(3.47)

ns = s(n)/c là mật độ photon bão hòa
Sử dụng các công thức:

Mật độ photon nội ở (3.47) có thể tính:

p
nin  ( N 0  N t ) , N 0  N t
s

(3.48)

Mật độ photon trong buồng cộng hưởng ở trạng thái cân bằng
14/11/2013

46

(N0 – Nt)/s biểu diễn tốc độ mà ở đó photon bức xạ, cân bằng với tốc độ
nin/ p ở đó photon mất mát. Tỉ số p/ s biểu diễn tỉ số giữa tốc độ photon
bức xạ và photon mất mát.

Dưới điều kiện bơm lý tưởng của hệ 4 mức:

nin

p

 ( R  Rt ), R  Rt

(3.49)

là ngưỡng bơm của hệ 4 mức
ở trạng thái cân bằng, tốc độ mất mát mật độ photon tổng cộng bằng tốc độ
bơm vượt trội so với ngưỡng bơm

14/11/2013

47

e) Dòng photon thoát và hiệu suất
Nếu mất mát trong buồng cộng hưởng (được tính trong thời gian p) chỉ do
truyền qua gương tạo thành nguồn laser và V là thể tích môi trường hoạt
chất:
(3.50)

Nếu cơ chế mất mát do các nguyên nhân khác:
(3.51)

e là tỉ số giữa mất mát do truyền qua gương trên tổng mất mát của buồng
cộng hưởng

Nếu laser chỉ là duy nhất tín hiệu truyền qua gương 1:
(3.52)
14/11/2013

48

Nếu T = 1 – R1 << 1:

e 

p
TF

T

(3.52)

Là hiệu suất lấy ra
1/TF = c/2d là thời gian photon đi được 1 chu trình trong buồng cộng
hưởng.
Công suất laser phát ra là:

(3.53)
Tất cả các mất mát năng lượng trong quá trình bơm như: làm lạnh, điều
khiển, công suất tiêu thụ...gây ra mất mát năng lượng tổng cộng. Hiệu suất
biến đổi công suất c (hiệu suất tổng cộng) là tỉ số giữa công suất quang ra
của laser P0 và công suất của nguồn bơm cung cấp Pp.

P0
c 
Pp

(3.54)
14/11/2013

49

Vì công suất quang của laser trên ngưỡng tăng tuyến tính với tốc độ bơm,
vi phân của hiệu suất biến đổi năng lượng là một đại lượng thường được
dùng gọi là hiệu suất độ dốc

dP0
s 
dPp
2.5

L = 1.5 mm

200

40

2.0

150

1.5

100

1.0

50

0.5

0

0

50

100

150 200 250
current I / mA

300

350

400

0.0

voltage U / V

power P / mW

30

20

10

conversion efficiency  / %

250

(3.55)

0

14/11/2013

50

III.2.2. Phân bố phổ laser

Phân bố phổ của laser bao gồm cả hình dạng phổ của các nguyên tử trong
môi trường khuếch đại (gồm cả mở rộng vạch đồng nhất và không đồng
nhất) và mode của buồng cộng hưởng. Thể hiện trong 2 điều kiện dao
động:
- điều kiện khuếch đại:
thỏa mãn tất cả những tần số dao
động nằm bên trong dải phổ có độ
rộng B, tần số trung tâm trùng với
tần số cộng hưởng của nguyên tử
trong buồng cộng hưởng n0.
- điều kiện pha: chỉ những mode có
tần số trùng với mode của buồng
cộng hưởng nq (giả thiết không có
hiện tượng co tần số) với độ bán
rộng:

14/11/2013

52

Do đó chỉ một số giới hạn các tần số thỏa mãn cả 2 điều kiện (n1, n2, ....nM),
như vậy số lượng mode laser có thể, thỏa mãn điều kiện dao động:

M

B

(3.56)

nF

nF = c/2d là khoảng cách gần đúng giữa các mode của buồng cộng hưởng.

Tuy nhiên số lượng mode M phụ thuộc vào độ rộng vạch phổ tự nhiên của
các nguyên tử. Độ rộng vạch phổ của nguyên tử tuân theo một cơ chế nở
rộng vạch.
(giới hạn độ rộng vạch phổ của laser tuân theo công thức SchawlowTownes:

Δn ST

4phn ( Δn c )

Pout

2

Dn ST

Rsp

4pI

Thực tế độ rộng vạch phổ lớn hơn nhiều do các yếu tố làm nở rộng vạch)
14/11/2013

53

a) Môi trường mở rộng đồng nhất – hiện tượng „giữ khuếch đại“
Ngay khi laser hoạt động (khuếch đại tín hiệu
nhỏ lớn hơn mất mát), tất cả các mode bắt
đầu phát triển với các mật độ dòng photon
tương ứng (1, 2, ... M). Những mode có tần
số gần n0 có tốc độ phát triển nhanh nhất và
đạt được mật độ dòng photon lớn nhất.
Đến khi dòng mật độ photon lớn. Hệ số
khuếch đại:
(3.57)

s(nj) là mật độ dòng photon bão hòa tương

ứng với mode thứ j
Các mode gần trung tâm vẫn phát triển trong
khi các mode xa bị bão hòa
14/11/2013

54

Cuối cùng chỉ còn 1 mode ở tần số trung tâm
(hoặc 2 mode trong trường hợp đối xứng) còn
tồn tại khuếch đại cân bằng với mất mát (gain
clamping).
Trong môi trường mở rộng đồng nhất lý tưởng
laser hoạt động đơn mode nhờ hiện tượng
bão hòa khuếch đại, tất cả các mode (trừ
mode trung tâm) bị giữ bên dưới ngưỡng)
Trong môi trường mở rộng đồng nhất thực tế, nhiễu của các cơ chế quang,
của bơm... ảnh hưởng đến khuếch đại và mất mát, dẫn đến các mode lân
cận với khuếch đại lớn nhất sẽ biểu hiện như mode „mạnh nhất“. Laser sẽ
có hiện tượng „nhảy mode“ (mode-hopping) giữa các mode này.
Sự chênh lệch khuếch đại giữa các mode lân cận mode trung tâm càng
nhỏ thì khả năng „giữ khuếch đại“ càng thấp và hiện tượng „nhảy mode“
càng dễ xảy ra.
Để lựa chọn bước sóng, phải làm tăng mất mát ở tất cả các tần số trừ tần
số trung tâm.
14/11/2013

55

a) Môi trường mở rộng không đồng nhất – hiện tượng hole-burning

Hệ số khuếch đại tín hiệu nhỏ trung bình là tập hợp hệ số khuếch đại của
tất cả các nguyên tử có tính chất khác nhau trong môi trường.

14/11/2013

56

Tương tự môi trường mở rộng đồng nhất,
khi laser bắt đầu hoạt động thì các mode
bắt đầu khuếch đại. Sau đó bị bão hòa và
hiện tượng „giữ khuếch đại“ xảy ra.
Tuy nhiên vì môi trường mở rộng không
đồng nhất nên hiện tượng „giữ khuếch
đại“ xảy ra với mỗi mode là độc lập không
ảnh hưởng đến các mode khác. Dẫn đến
hiện tượng hole-burning với độ rộng „lỗ“
là:
Laser dao động ở tất cả các mode thỏa
mãn hệ số khuếch đại tín hiệu nhỏ lớn
hơn mất mát.
Laser mở rộng không đồng nhất hoạt
động ở trạng thái đa mode
Để laser hoạt động đơn mode phải đưa 1
bộ phận lọc lựa tần số vào trong buồng
cộng hưởng

14/11/2013

57


14/11/2013

60

III.2.3. Phân bố không gian và sự phân cực

a) Phân bố không gian
Phân bố không gian của laser phụ thuộc vào dạng hình học của buồng cộng
hưởng và hình dạng phổ của môi trường hoạt chất.
Trong lý thuyết về laser từ trước tới giờ ta bỏ qua ảnh hưởng của không
gian theo chiều ngang vì giả thiết buồng cộng hưởng đơn giản gồm 2 gương
phẳng, ở giữa là môi trường hoạt chất. Do đó laser là một sóng phẳng
truyền dọc theo trục buồng cộng hưởng.
Tuy nhiên buồng cộng hưởng với 2 gương phẳng rất dễ bị sai lệch.
=> Buồng cộng hưởng thường dùng 2 gương cầu.
=> Chùm tia laser ra có xu hướng dạng Gauss

14/11/2013

62

Mỗi mode riêng được kí hiệu là TEMmnq (Transverse Electric and Magnetic), q
là chỉ số mode dọc; n, m là các chỉ số mode ngang. Mỗi mode ngang được đặc
trưng bởi một phân bố cường độ ở trên mặt phẳng vuông góc với quang trục
buồng cộng hưởng và đặc biệt trên bề mặt của gương.
q xác định số mode dọc là những mode có phân bố không gian giống nhau
nhưng khác nhau về tần số và cách nhau 1 khoảng nF = c/2d (m = n = 0).
Mỗi mode ngang có n, m khác nhau, và cho ta phân bố không gian khác nhau
m tương ứng với số lần đổi dấu của cường độ theo hướng dao động của điện
trường
n tương ứng với số lần đổi dấu của cường độ theo hướng dao động của từ
trường
Dạng bậc cao của Gauss là Hermite-Gauss

14/11/2013

63


y
TEM00

x

TEM10

TEM01

14/11/2013

64


y

TEM20
x

TEM02

TEM12

14/11/2013

65

Trong môi trường mở rộng đồng nhất , mode mạnh nhất sẽ lấn át các mode
bên, tuy nhiên hiện tượng hole-burning sẽ gây ra một số mode dọc. Phân bố
không gian của các mode này không trùng nhau dẫn đến hiện tượng so
sánh mode.
Các laser thường được thiết kế để chỉ bức xạ 1 mode ngang, chủ yếu dạng
Gauss để đảm bảo chùm tia có phân bố không gian nhỏ nhất, và các bậc
cao hơn mục đích công suất bức xạ lớn.
1,0

1,0

0,5

0,0

300
11°
0,5

0
20
vert. FF / degree

200
100

0,0

-20

lat.FFrel

21.7°

power / norm.

power / norm.

400

-20

0
lat. FF / degree

20

100

200

300

400

I /mA

14/11/2013

66

b) Sự phân cực
• Sự phân cực của sóng được quy ước là phụ thuộc vào vector điện trường E
• Sự phân cực của sóng đóng vai trò quan trọng trong tương tác của ánh
sáng với vật chất:
- độ lớn ánh sáng phản xạ tại mặt phân cách giữa 2 môi trường phụ thuộc
vào tính chất phân cực của ánh sáng tới.

- độ lớn ánh sáng bị hấp thụ tại một môi truờng phụ thuộc vào tính chất phân
cực của ánh sáng truyền qua.
- độ lớn ánh sáng bị tán xạ tại một môi truờng nói chung phụ thuộc vào tính
chất phân cực của ánh sáng truyền qua.
- chiết suất của một môi trường không đẳng hướng phụ thuộc vào tính chất
phân cực.

14/11/2013

67

Xét 1 sóng đơn sắc:

(3.58)
ở đây:

và

ax,y là số phức, do đó:
(3.59)
y

14/11/2013

68

Hoặc

Là phương trình tham số của 1 hình elip

trong đó

14/11/2013

69

Ánh sáng phân cực thẳng khi

ax hoặc ay = 0 và  = 0, p
Ey

Ex
phân cực tròn khi

ax = ay và  =  p/2
Ey
Ex
14/11/2013

70

Laser nhìn chung phân cực theo cả 2 hướng, cho kết quả 2 mode ngang độc
lập.
Đối với BCH gương cầu do tính đối xứng nên 2 mode phân cực có m, n
giống nhau có phân bố giống nhau.
Nếu 2 mode phân cực có khuếch đại và mất mát giống nhau, chúng sẽ dao
động với 2 mode độc lập nhưng có cùng cường độ, và khi đó bức xạ laser là
ánh sáng không phân cực.

14/11/2013

71

III.2.4. Lựa chọn mode

III.2.4. Lựa chọn mode
Đặt vấn đề

Khi hoạt động laser bức xạ ra nhiều mode có tần số khác
nhau và phân bố không gian khác nhau
Chế độ đa mode của laser làm giảm tính kết hợp và tính
đơn sắc của bức xạ.
Chế độ đa mode của laser làm nở rộng vạch phổ (độ rộng
vạch phổ tỉ lệ thuận với số mode dọc)

Mục tiêu

Một laser bức xạ đa mode có thể hoạt động như một laser
đơn mode bằng cách đưa vào buồng cộng hưởng thành phần
ngăn chặn (triệt tiêu) dao động của các mode không mong
muốn.
- Lựa chọn bước sóng
- Lựa chọn mode ngang
- Lựa chọn phân cực

- Lựa chọn mode dọc
14/11/2013

73

III.2.4. Tính lựa chọn mode
a) lựa chọn bước sóng
Laser bức xạ ra nhiều bước sóng có thể lọc lựa bước sóng bằng cách đặt 1
lăng kính vào trong buồng cộng hưởng.

Phương pháp này chỉ lựa chọn được bước sóng khi nó tách biệt với các
bước sóng khác. Không thể sử dụng lọc lựa mode dọc hoặc các bước sóng
quá gần vì phản xạ nhiễu xạ của lăng kính không tách biệt được.

b) lựa chọn mode ngang
Sử dụng 1 màn chắn đặc biệt trong BCH làm hạn chế các mode không
mong muốn
Tuy nhiên màn chắn sẽ gây ra mất mát do hấp thụ, tán xạ và làm giảm công
suất bức xạ.
14/11/2013

74


Laser Argon với 6 chùm bức xạ
14/11/2013

75

c) lựa chọn phân cực
Một bản phân cực có thể sử dụng để biến đổi ánh sáng không phân cực
thành ánh sáng phân cực. Nếu đặt bản phân cực bên ngoài buồng cộng
hưởng thì một nửa năng lượng laser sẽ bị tiêu hao ngoài ra còn chịu ảnh
hưởng của nhiễu khi công suất của 2 nguồn phân cực thay đổi.
Một bản phân cực đặt bên trong BCH sẽ làm triệt tiêu 1 mode phân cực và
tập trung năng lượng cho mode còn lại

14/11/2013

76

d) lựa chọn mode dọc
Trong môi trường mở rộng không đồng
nhất chỉ những mode của BCH nằm trong
vùng mà khuếch đại lớn hơn hoặc bằng
mất mát mới bức xạ.
Để laser hoạt động đơn mode dọc có 2
phương pháp cơ bản:

- Tăng mất mát cần thiết làm triệt tiêu các
mode không mong muốn. Tuy nhiên mode
còn lại sẽ bị yếu đi.
- Tăng khoảng cách giữa các mode
nF = c/2d, do đó ta làm giảm chiều dài BCH
Thể tích vùng hoạt chất giảm
Năng lượng bức xạ giảm

Một số kỹ thuật lựa chọn tần số trong BCH
14/11/2013

77

Ví dụ:
Laser Argon có độ rộng phổ DnD = 3.5 GHz, để bức xạ đơn mode (môi
trường có chiết suất n=1) thì DnD = B. Mà số mode của laser:

Trong đó nF là khoảng cách
mode = c/2d.

Chiều dài buồng cộng hưởng = ?
d = cM/2DnD
 4,3 cm

14/11/2013

78

• Sử dụng etalon trong BCH: nlaser = nq + điều kiện khuếch đại + nEtalon

14/11/2013

79

• Buồng cộng hưởng kép
Tạo thành 2 BCH có chiều dài
khác nhau. Mode laser là mode
thỏa mãn cả 2 BCH và điều
kiện khuếch đại.
2 BCH với 2 môi trường khuếch
đại có chiều dài khác nhau.
Mode laser là mode thỏa mãn cả
2 BCH và điều kiện khuếch đại
của 2 môi trường.
Tạo ra giao thoa trong BCH.
Mode laser là mode thỏa mãn
mode BCH, điều kiện giao thoa
và điều kiện khuếch đại.
14/11/2013

80

• Dùng cách tử tạo phản xạ Bragg tạo hồi tiếp chọn lọc tần số
Mode laser là mode thỏa mãn
mode BCH và điều kiện Bragg
và điều kiện khuếch đại.

mB

2neff
B là bước sóng Bragg,  là chu
kì cách tử, neff là chiết suất hiệu
dụng, m là bậc của phản xạ
Bragg.

14/11/2013

81

III.3. Laser xung

III.3. Laser xung

Đặt vấn đề - Nhiều ứng dụng yêu cầu laser xung ngắn và xung cực
ngắn (xung ngắn hơn fs, <10-15 s), yêu cầu công suất
cao
• các hiện tượng vật lý cần cường độ năng lượng cao
(Laser-plasma, bơm laser UV và laser tia X, gia tốc các
hạt tích điện)
• các quá trình khoan, cắt, hàn vật liệu đòi hỏi tập trung
năng lượng nhưng yêu cầu giảm thiểu truyền nhiệt.
Mục tiêu

Làm thế nào để tạo ra laser xung ngắn và cực ngắn?

14/11/2013

83

III.3. Laser xung

14/11/2013

84

III.3. Laser xung
III.3.1. Các phương pháp tạo laser xung

• Các phương pháp trực tiếp tạo laser xung từ laser liên tục (CW laser)
hầu hết sử dụng 1 công tắc hoặc biến điệu đặt bên ngoài BCH.
Nhược điểm của phương pháp này:
- hiệu suất thấp vì công suất bị chặn lại
trong quá trình tắt của xung.
- Công suất của đỉnh không thể lớn
hơn năng lượng của nguồn liên tục
• Phương pháp hiệu quả hơn dựa trên
chế độ bật tắt của chính laser bằng quá
trình biến điệu trong BCH
Ưu điểm:

- hiệu suất cao do công suất được trữ
lại trong thời gian tắt và giải phóng
trong thời gian phát xung
- Công suất của đỉnh lớn hơn công
suất của nguồn liên tục

14/11/2013

86

Một số phương pháp phổ biến sử dụng biến điệu bên trong BCH để tạo
laser xung: gain switching, Q-switching, cavity dumping và mode-locking.
a) Gain switching

Tạo laser xung bằng cách trực tiếp tác
động vào quá trình khuếch đại của
laser bởi nguồn bơm không liên tục.
VD: Nguồn bơm là đèn flash, được tạo
xung ngắn bởi một chuỗi các xung điện
cung cấp cho đèn.
Trong thời gian nguồn bơm phát xung,
khuếch đại lớn hơn mất mát nên laser
hoạt động:
Thời gian xung của laser phụ thuộc vào
thời gian phát xung của nguồn bơm.
14/11/2013

87

b) Q-switching
Đại lượng đặc trưng cho độ mất mát của BCH
gọi là độ phẩm chất của BCH : Q = 2pn0p.
- Q giảm mạnh khi ta đưa thêm nguồn
gây mất mát vào trong BCH
 ngưỡng của laser tăng, kéo theo
năng lượng được trữ lại trong vùng hoạt
chất nhiều hơn

 Khi ta ngắt nguồn gây mất mát nhanh
chóng, Q được chuyển sang trạng thái
có giá trị cao hơn
 khuếch đại tổng cộng lớn hơn
ngưỡng rất nhiều
 một xung laser mạnh xuất hiện
14/11/2013

88


Có thể điều biến độ phẩm chất chủ động: đưa vào BCH một bộ điều biến
dựa trên nguyên lý cơ-quang, điện-quang, âm-quang  Chủ động được
thời gian phát xung
Hoặc có thể điều biến độ phẩm chất thụ động: đưa vào BCH một chất hấp
thụ có tính bão hòa  chỉ phù hợp với laser có thời gian sống của mức
năng lượng laser trên tương đối dài, tốc độ biến điệu chậm, xung laser
dài, không chủ động được tần số lặp lại và độ rộng xung.
14/11/2013

89

c) Cavity dumping

Kỹ thuật này dựa trên việc trữ photon trong BCH trong khoảng thời gian
không phát xung và giải phóng chúng khi phát xung.
BCH dùng các gương có hệ số phản xạ 100%  mất mát thấp, Q cao 
năng lượng trong BCH cao, đến khi đủ lớn thì được giải phóng ra ngoài
bằng cách đổi gương có hệ số phản xạ thấp.
14/11/2013

91

Ba phương pháp tạo xung trên dựa vào quá trình chuyển tiếp của môi
trường laser. Gain switching tạo xung cỡ ps (10-12s), Q-switching và cavity
dumping tạo ra các xung cực lớn và có chiều dài xung cỡ ns (10-9s) .

Một phương pháp khác 3 phương pháp trên, dựa vào quá trình cân bằng
động lực học của laser tạo ra các xung cực ngắn fs (10-15s) . Phương pháp
này can thiệp trực tiếp vào pha của các mode dọc, gọi là khóa mode dọc
(mode-locking).

14/11/2013

92

III.3. Laser xung
III.3.2. Phân tích các hiệu ứng chuyển tiếp

Quá trình phát laser liên quan đến 2 đại lượng: mật độ photon n(t) và chênh
lệch mật độ tích lũy N(t) = N2(t) – N1(t), cả 2 đại lượng đều là hàm của thời
gian.
a) Phương trình tốc độ cho mật độ photon

Photon mất mát
trong BCH với
tốc độ 1/p

dn
n
   NWi
dt
p

Photon tăng lên
bức xạ kích thích
và hấp thụ

Giả thiết bức xạ tự phát là có thể bỏ qua, ta có :Wi

N t   r /  (n )  1 / c p (n )

(3.60)

  (n )  cn (n ) và

do đó:

n
Wi 
N t p

(3.61)
14/11/2013

94

Thay (3.61) vào (3.60) ta được:

dn
n N n
 
dt
 p Nt  p

(3.62)

Là phương trình tốc độ cho mật độ photon
Khi N = Nt thì dn/dt = 0 trạng thái cân bằng xảy ra
Khi N > Nt thì dn/dt > 0, n bắt đầu tăng

14/11/2013

95

b) Phương trình tốc độ cho chênh lệch độ tích lũy
Chênh lệch độ tích lũy phụ thuộc vào cấu hình bơm của laser. xét hệ ba
mức năng lượng, phương trình tốc độ cho mức năng lượng trên của laser:

dN 2
N2
 R
 Wi ( N 2  N 1 )
dt
t sp

(3.66)

ở đây giả thiết 2 = tsp và tốc độ bơm R không phụ thuộc vào N (N = N2 –
N1), Na là tổng độ tích lũy ở tất cả các mức, do đó: N1 = (Na – N)/2 và N2 =
(Na + N)/2. Như vậy

dN N 0 N


 2Wi N
dt
t sp t sp

(3.67)

trong đó N0 = 2Rtsp – Na. Thay W i từ (3.61) vào ta được:
14/11/2013

96


dN N 0 N
N n

 2
dt
t sp t sp
Nt  p

(3.68)

Là phương trình tốc độ cho chênh lệch mật độ tích lũy (đối với hệ 3 mức)
So sánh với phương trình tốc độ của photon

dn
n N n
 
dt
 p Nt  p

Ta thấy rõ ràng khi mức 2 giảm đi 1 nguyên tử thì mức 1 sẽ tăng thêm 1
nguyên tử do đó chênh lệch giữa 2 mức sẽ là 2 nguyên tử

Khi dN/dt = 0 và dn/dt = 0 thì N = Nt và n = (N0 – Nt)(p/2tsp). Chính là giá trị
N và n ở trạng thái cân bằng của hệ 3 mức năng lượng.

14/11/2013

97

c) Gain switching
- Khi t < 0: N(t) = N0a < Nt
 Không xảy ra dao động
- Khi t = 0: bắt đầu bơm

N0 = N0b > Nt, N(t) bắt đầu
tăng. Mặc dù N(t) > Nt
nhưng ở thời điểm này n =
0.
 dN/dt = (N0 – N)/tsp
 N(t) tăng về phía cân bằng với N0b trong thời gian tsp
- Khi t = t1: N(t) = Nt, N(t) Laser bắt đầu dao động và n(t) bắt đầu tăng

 sau đó đảo mật độ tích lũy bắt đầu giảm với tốc độ chậm
 Khi n(t) tăng mạnh thì N(t) giảm mạnh hơn và có xu hướng giảm về
ngưỡng Nt  Cuối cùng N(t) = Nt khi n(t) chạm tới giá trị cân bằng.
- Khi t = t2: quá trình bơm ngừng N0 giảm về N0a, N(t) và n(t) giảm về N0a và 0
14/11/2013

98

III.3. Laser xung
III.3.3. Biến điệu độ phẩm chất (Q-switching)

III.3.3. Q-switching
Quá trình Q-switching xung laser đạt được bằng biến điệu mất mát r
trong BCH. Nt tỉ lệ với r, do đó biến điệu r làm giảm chênh lệch tích lũy
từ giá trị lớn nhất Nta đến giá trị nhỏ nhất Ntb

- Khi t = 0: bắt đầu bơm N0 tăng theo hàm bậc thang, mất mát tồn tại ở mức cao
(do đó Nt = Nta > N0),  chưa có dao động laser mặc dù N(t) tăng (trong thời gian tsp)
- Khi t = t1: mất mát bất ngờ giảm  Nt giảm tới Ntb < N0, dao động bắt đầu và n(t)
tăng nhanh chóng. Bức xạ làm giảm đảo mật độ tích lũy (bão hòa khuếch đại) 
N(t) giảm. Khi N(t) giảm xuống dưới Ntb, mất mát lớn hơn khuếch đại  n(t) giảm
- Khi t = t2: mất mát được phục hồi, đảm bảo thời gian để tạo đảo mật độ tích lũy
chuẩn bị cho xung tiếp theo
14/11/2013

100

Xét 2 phương trình tốc độ đối với mật độ photon và chênh lệch độ tích lũy
cho qua trình Q-switching trongg thời gian phát xung từ ti tới tf. Giả thiết bỏ
qua 2 số hạng đầu trong PT (3.68) (thời gian bơm và bức xạ tự phát rất
dài so với thời gian phát xung). Khi đó 2 PT tốc độ có dạng:

 n
dn  N

 N  1 

dt  t
 p
dN
N n
 2
dt
Nt  p

(3.69)

(3.70)

Tại t = ti: n(t) = 0 và N(t) = Ni, và nửa sau khoảng thời gian từ ti tới tf N(t) <
Ntb. Chia (3.69) cho (3.70) ta được:


dn 1  N
 
 N  1

dN 2  t


(3.71)
14/11/2013

101

lấy tích phân ta có:

n  1 N t ln( N )  1 N  constant
2
2

(3.72)

sử dụng điều kiện n = 0, N = Ni thay vào (3.72) ta có:

0  1 N t ln( N i )  1 N i  constant
2
2

(3.73)

Trừ (3.72) cho (3.73):

N 1
n  N t ln
 2 (N  Ni )
Ni
1
2

(3.74)

14/11/2013

102

a) Công suất xung
Ta biết mật độ dòng photon nội (theo cả 2 hướng truyền)  = nc, mật độ
dòng photon thoát qua gương 1 (có hệ số truyền qua T) 0 = Tnc/2. Giả
thiết mật độ photon là đồng nhất trên thiết diện ngang A của chùm tia, khi
đó công suất quang ra:

c
P0  hnA0  hncTAn  hnT Vn
2d
1
2

(3.75)

trong đó V = Ad là thể tích BCH. Nếu T << 1, thì e = T(c/2d)p ta có:

P0  e hn
b) Công suất đỉnh xung

Vn

p

(3.76)

Khi n = np, N = Nt = Ntb (theo PT tốc độ (3.62) tại đỉnh dn/dt = 0 ta cũng có N
= Nt ). Thay vào (3.74), ta được mật độ photon tại đỉnh:
14/11/2013

103



Nt Nt Nt 

np  N i 1 
ln


Ni Ni Ni 


1
2

Công suất đỉnh:

c
Pp  hnT Vnp
2d

Khi Ni >> Nt xung có công xuất đỉnh lớn, Nt/Ni << 1, do đó: n p

(3.77)

(3.78)

 1 Ni
2

Khi đó công xuất đỉnh xung:

c
P  hnT VN i
2d
1
2

(3.79)

14/11/2013

104

c) Năng lượng xung

E   P0 dt
tf

(3.80)

ti

Theo công thức (3.76) tính công suất quang ra ta có:
tf
Nf
c
c
dt
E  hnT
V  n(t )dt  hnT
V  n(t )
dN
2d ti
2d N i
dN

mà theo (3.70)

dN
N n
 2
dt
Nt  p

(3.81)

ta có

N i dN
c
E  hnT
VNt p 
Nf N
2d

(3.82)

Ni
c
E  hnT
VNt p ln
2d
Nf

(3.83)

1
2

Lấy tích phân
1
2

14/11/2013

105

Khi n = 0, thì N = Nf do đó theo (3.74) n 

1
2

N t ln

N 1
 2 ( N  Ni )
Ni

Ni  N f
Ni
ln

Nf
Nt

có:

(3.84)

Cuối cùng ta có năng lượng xung của quá trình Q-switching:

c
E  hnT V p ( N i  N f )
2d
1
2

Khi Ni >> Nf thì

(3.85)

c
E  hnT V p N i
2d
1
2

14/11/2013

106

d) Độ rộng xung
Độ rộng xung được tính bằng tỉ số giữa năng lượng xung và công xuất
đỉnh xung. Từ PT (3.77), (3.78) và (3.85)

 xung

E


Pp

 xung   p

1
c
hnT V p ( N i  N f )
2
2d
Nt Nt Nt 
c 1 

hnT V N i  1 
ln


2d 2 
Ni Ni Ni 


Ni / Nt  N f / Nt
N i / N t  ln( N i / N t )  1

(3.86)

Khi Ni >> Nt và Ni >> Nf thì xung  p
14/11/2013

107

e) Dạng xung
Lấy tích phân PT tốc độ cho mật độ photon và chênh lệch độ tích lũy, Dạng
xung được xác định:

14/11/2013

108

III.3. Laser xung
III.3.3. Biến điệu độ phẩm chất (Q-switching)
III.3.4. Khóa mode dọc (mode locking)

III.3.4. Khóa mode dọc
Khóa mode dọc tạo nên các xung laser cực ngắn ps (10-12s) và fs (10-15s)
dựa trên mối liên hệ giữa các pha trong BCH.
Thông thường laser hoạt động đa mode dọc, các mode này dao động độc
lập với nhau và cách nhau 1 khoảng nF = c/2d với pha bất kì. Người ta
dùng các kỹ thuật làm cho pha của các mode này gần giống nhau, do đó
các mode sau đó liên kết với nhau thành một chuỗi tuần hoàn với chu kì T
= 1/nF = 2d/c.

14/11/2013

110

a) Tính chất của một chuỗi xung mode locking
Nếu mỗi mode laser như một sóng phẳng đồng bộ truyền theo trục z với
vận tốc c = c0/n, lúc này trường sóng của laser:
(3.87)

trong đó

(3.88)

là tần số của mode thứ q, Aq là đường bao phức, |Aq| là biên độ của hàm
sóng. Giả thiết mode ứng với q = 0 trùng với tần số trung tâm n0 của hình
dạng vạch phổ của nguyên tử trong BCH.
Vì mode tương tác với các nhóm nguyên tử khác nhau trong môi trường
mở rộng không đồng nhất, nên pha của Aq là bất kì và độc lập. Thay (3.88)
vào (3.87) ta được:
F

q
14/11/2013

111

(3.89)

trong đó

(3.90)

và
(3.91)

A(t) là hàm tuần hoàn của TF và A(t-z/c) là hàm tuần hoàn của z
Nếu pha và biên độ của Aq được chọn chính xác, A(t) sẽ có dạng của xung
hẹp tuàn hoàn.
Ví dụ: Xét M mode có Aq giống nhau (q = 0, 1, 2,..., S)

14/11/2013

112


(3.92)

trong đó
(3.93)

và cường độ quang

(3.94)

14/11/2013

113


Hình dạng xung phụ thuộc vào số mode M. Nếu
thì độ rộng xung
Cường độ đỉnh gấp M lần cường độ trung bình của mỗi
mode.

Chu kì của chuỗi xung TF = 2d/c chính là thời gian đi hết một chu trình của
ánh sáng trong BCH. Do đó ánh sáng trong 1 laser bị khóa mode được
xem như 1 xung hẹp đơn của photon phản xạ giữa 2 gương. Mỗi lần phản
xạ ở gương ra, 1 phần ánh sáng truyền ra ngoài dưới dạng xung. Các
xung cách nhau 1 khoảng c(2d/c) = 2d và độ rộng xung về mặt không gian
dxung = cxung = 2d/M.
14/11/2013
114


Chu kì phát xung

Độ rộng xung (thời gian)

Khoảng cách xung

Độ rộng xung (không gian)

Cường độ trung bình

Cường độ đỉnh

Làm thế nào để khóa các mode với nhau để chúng có đồng pha???

14/11/2013

115

b) Phương pháp mode locking

• Khóa thụ động (passive mode locking)
- Đưa vào BCH một thiết bị để lựa chọn các mode biên độ và pha
có liên hệ với nhau, những mode này tương ứng với xung có độ
rộng nhỏ nhất.
- thông thường, vật liệu hấp thụ
bão hòa được sử dụng: ở
cường độ cao hệ số hấp thụ bị
bão hòa. Các mode khác nhau
(có biên độ và pha khác nhau)
sẽ cạnh tranh và chỉ có những
mode có pha kết hợp, có mất
mát nhỏ nhất là tồn tại.
- chất hấp thụ bão hòa tạo ra xung ngắn cỡ ps.
14/11/2013

116

… passive mode locking continued

typical pulse duration

14/11/2013

117

… passive mode locking continued
- các xung ngắn nhất (fs) được tạo ra bằng thấu kính Kerr,khóa
mode thụ động laser Ti:Sa
Trong môi trường thấu kính Kerr, hiệu ứng Kerr được sử dụng. Ở
cường độ ánh sáng cao, chiết xuất của thấu kính Kerr bị thay đổi
phụ thuộc cường độ ánh sáng. Khi đó, những mode có cường độ
cao sẽ có pha tương tự nhau và nằm ở gần trục của BCH.

Khi các mode này kết hợp, xung có cường độ cao nhất đạt được.
Trường hợp này khi nào cường độ quang đủ lớn thì xung được
phát ra, ta không kiểm soát được thời điểm xuất hiện của xung.

14/11/2013

118

• Khóa chủ động (active mode-locking)
- Chủ động thay đổi chiều dài
quang học của BCH, mất mát
trong BCH hoặc thay đổi pha
của chu trình.
Thông thường chiều dài một
chu trình được điều chỉnh
chính xác, do đó chu kì phát
xung là cân bằng.

14/11/2013

119

Vật lý Laser 2013 - Chương III: Phát xạ Laser

Recommandé

Recommandé

Contenu connexe

Tendances

Tendances (20)

En vedette

En vedette (20)

Similaire à Vật lý Laser 2013 - Chương III: Phát xạ Laser

Similaire à Vật lý Laser 2013 - Chương III: Phát xạ Laser (20)

Plus de Chien Dang

Plus de Chien Dang (11)

Vật lý Laser 2013 - Chương III: Phát xạ Laser