LASER VÀ ỨNG DỤNG (TS. Nguyễn Thanh Phương) - CHƯƠNG 2

Chia sẻ: Doan Quang Vinh | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:62

Thêm vào BST

Báo xấu

130
lượt xem 36
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nhắc lại: in short: a LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) consists of two units: (i) (ii) the optical amplifier converts pump energy into "coherent radiation" the optical resonator provides optical feedback which is mandatory for sustaining optical oscillation 07/09/2011 3 .Chương 2: Khuếch đại Laser Đặt vấn đề: - Ta biết: Không có đảo mật độ tích lũy - không có khuếch đại - Ta biết: Không có đảo mật độ tích lũy ở trạng thái cân bằng nhiệt ( Phân bố Boltzmann ) Câu hỏi: Có thể đạt được trạng thái đảo mật độ tích lũy ở hệ 2, 3,...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: LASER VÀ ỨNG DỤNG (TS. Nguyễn Thanh Phương) - CHƯƠNG 2

LASER VÀ ỨNG DỤNG TS. Nguyễn Thanh Phương Bộ môn Quang học và Quang điện tử
Chương II: Khuếch đại laser
Chương 2: Khuếch đại Laser Nhắc lại: in short: a LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) consists of two units: (i) the optical amplifier converts pump energy into "coherent radiation" (ii) the optical resonator provides optical feedback which is mandatory for sustaining optical oscillation 07/09/2011 3
Chương 2: Khuếch đại Laser Đặt vấn đề: - Ta biết: Không có đảo mật độ tích lũy -> không có khuếch đại - Ta biết: Không có đảo mật độ tích lũy ở trạng thái cân bằng nhiệt ( Phân bố Boltzmann ) Câu hỏi: Có thể đạt được trạng thái đảo mật độ tích lũy ở hệ 2, 3, 4 mức năng lượng hay không nếu trạng thái cân bằng nhiệt bị phá vỡ??? 07/09/2011 4
Chương II: Khuếch đại laser II.1. Giới thiệu khuếch đại Laser
II.1. Giới thiệu khuếch đại Laser Khuếch đại Laser phụ thuộc: - Hệ số khuếch đại - Độ rộng phổ - Dịch pha khuếch đại - Nguồn bơm - Tính phi tuyến và tính bão hòa của khuếch đại - Nhiễu khuếch đại 07/09/2011 6
Chương II: Khuếch đại laser II.1. Giới thiệu khuếch đại Laser II.1. 1. Hệ số khuếch đại Laser
II.1. 1. Hệ số khuếch đại Laser Ta có 1 sóng phẳng đơn sắc truyền theo hướng z với tần số ν, có điện trường biên độ phức E(z), cường độ I(z) = |E(z)|2/2η và mật độ dòng photon φ(z) = I(z)/hν, tương tác với một môi trường các nguyên tử có 2 mức năng lượng cách nhau 1 khoảng hν. Số lượng nguyên tử trong 1 đơn vị thể tích ở mức trên và dưới tương ứng là N2 và N1. Sóng được khuếch đại với hệ số khuếch đại γ(ν) (trên 1 đơn vị độ dài) và dịch chuyển pha 1 lượng ϕ(ν) (trên 1 đơn vị độ dài). Ta phải xác định γ(ν) và ϕ(ν). Một nguyên tử không bị kích thích hấp thụ 1 photon với xác xuất (2.1) Trong đó tiết diện chuyển dời: 07/09/2011 8
II.1. 1. Hệ số khuếch đại Laser Như vậy mật độ trung bình photon bị hấp thụ (trên 1 đơn vị thể tích trong 1 đơn vị thời gian) là N1Wi, tương tự mật độ photon được kích thích trong quá trình bức xạ là N2Wi Như vậy số photon trung bình chênh lệch ở mức trên là NWi = N2Wi – N1Wi N > 0: Đảo độ tích lũy, môi trường có khả năng khuếch đại và mật độ dòng photon tăng N < 0: môi trường có khả năng suy giảm và mật độ dòng photon giảm N = 0: môi trường trong suốt 07/09/2011 9
II.1. 1. Hệ số khuếch đại Laser (2.2) Từ (2.1) và (2.2): (2.3) Trong đó: (2.4) Là hệ số khuếch đại: lượng tăng ích của dòng photon trên một đơn vị độ dài. 07/09/2011 10
II.1. 1. Hệ số khuếch đại Laser Giải (2.3): (2.5) (2.6) hệ số khuếch đại γ(ν) : lượng tăng ích của cường độ dòng trên một đơn vị độ dài. γ(ν) tỉ lệ với N, nếu N < 0 (N2 < N1) (2.7) Trong đó: (2.8) Là hệ số suy giảm 07/09/2011 11
II.1. 1. Hệ số khuếch đại Laser Trong môi trường tương tác có chiều dài d thì khuếch đại được tính bằng tỉ lệ giữa mật độ dòng photon ra và mật độ dòng photon vào: (2.9) Thay (2.5) vào (2.9) (2.10) - Xét độ rộng phổ trong trường hợp khuếch đại: từ (2.4) ta thấy γ(ν) là hàm của ν và tỉ lệ với g(ν), do đó cũng là hàm của Δν với tần số trung tâm νο = (E2-E1)/h. Như vậy khuếch đại laser là một linh kiện cộng hưởng với tần số cộng hưởng và độ rộng vạch phổ xác định bởi hàm g(ν), 07/09/2011 12
II.1. 1. Hệ số khuếch đại Laser Nếu phổ có dạng Lorentz: (2.11) Ta có: (2.12) trong đó (2.13) là hệ số khuếch đại ở tần số trung tâm 07/09/2011 13
Chương II: Khuếch đại laser II.1. Giới thiệu khuếch đại Laser II.1. 1. Hệ số khuếch đại Laser II.1. 2. Sự dịch pha khuếch đại
II.1.2. Sự dịch pha khuếch đại Bởi vì khuếch đại phụ thuộc tần số, nên môi trường khuếch đại là môi trường tán xạ và sự dịch chuyển pha phụ thuộc tần số liên quan đến khuếch đại. Xét một môi trường mở rộng đồng nhất, có I(z) = |E(z)|2/2η, theo (2.6) ta có I(z) = I(0)exp{γ(ν)z} (2.14) ϕ(ν) là hệ số dịch pha. Tại z + Δz, biên độ của trường điện là: = E (0) exp[1 γ (ν ) z ]exp[1 γ (ν )Δz ]exp[− jϕ (ν ) z ]exp[− jϕ (ν )Δz ] 2 2 07/09/2011 15
II.1.2. Sự dịch pha khuếch đại Sử dụng gần đúng của chuỗi Taylor đối với hàm mũ ∞ xn x 2 x3 e x = ∑ = 1 + x + + + ... n = 0 n! 2! 3! ta có: (2.15) (2.16) 07/09/2011 16
II.1.2. Sự dịch pha khuếch đại (2.16) xem như một hệ tuyến tính mà toàn bộ trường vào là E(z) ra là ΔE(z)/Δz, và hàm dịch chuyển là: (2.17) Theo dịch chuyển Hilbert (xem phụ lục B phần B1) thì ϕ(ν) là dịch chuyển Hilbert của γ(ν) do đó hàm dịch chuyển pha được xác định bởi hệ số khuếch đại Ví dụ phổ có dạng Lorentz và Δν
Chương II: Khuếch đại laser II.1. Giới thiệu khuếch đại Laser II.2. Nguồn năng lượng khuếch đại
II.2. Nguồn năng lượng khuếch đại Đặt vấn đề: - Ta biết: Khuếch đại laser cần có năng lượng kích thích từ bên ngoài để kích thích các nguyên tử từ mức thấp lên mức cao và phải đạt được đảo mật độ tích lũy (N = N2-N1 > 0). Để bơm laser có nhiều cách: quang, điện, hóa học.... Phương trình biểu diễn sự thay đổi mật độ tích lũy như một kết quả của việc bơm, cũng như dịch chuyển có bức xạ và không bức xạ được gọi là phương trình tốc độ. Phương trình đó biểu diễn như thế nào???? 07/09/2011 19
Chương II: Khuếch đại laser II.1. Giới thiệu khuếch đại Laser II.2. Nguồn năng lượng khuếch đại II.2.1. Các phương trình tốc độ