CAO HỌC CHUYÊN NGHÀNH QUANG HỌC

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 nguyê

vẬt lý laser nHA TRANG, THÁNG 5 NĂM 2008

A Các khái niệm cơ bản (trạng thái, mức năng lượng, độ tích luỹ, các

chuyển dời quang học cơ bản )

B Nội dung

B1 Hoạt động laser trên hai mức (hẹp)

Hoạt động laser trên 03 mức

Hoạt động laser trên 04 mức

B2 các phương pháp bơm (kích thích và khử kích thích)

B3 các môi trường hoạt chất Môi trường mở rộng đồng nhất và MT MR không

ĐN khuêch đại bão hoà

B4 buồng cộng hưởng quang học

B5 laser hoạt động ở chế độ phát liên tục và phát xung Biến điệu độ phẩm chất của buồng cộng hưởng (các pp thụ động và tích cực)

B6 laser màng mỏng

B7 Các phương pháp phát xung cực ngắn

Cấu trúc các mức năng lượng và trạng thái

2

1

Phân Tử A

Phân bố Boltzmann: sô phân tử - độ

tích lũy (cân bằng nhiệt)

i

0 i

exp n

~ n

Các chuyển dời quang học cơ bản

Phát xạ cưỡng bức

Hoạt động laser trên 4 mức

Hoạt động laser trên 3 mức

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

• 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)

• Hiệu suất laser (optical conversion efficiency and slope efficiency)

4 I 9/2

4 I 11/2

Bơm

(1)

(3)

(4)

(2)

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

Mặt phản xạ

Hoạt chất

Đèn bơm Hộp phản xạ (reflector) cho các laser rắn bơm bằng đèn chớp flash

54

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 I.2.9 Laser Nd: YVO4 Sơ đồ năng lượng của Nd 3+ trong một nền rắn YVO4 (các số hiệu của các trạng thái điện tử cũng là các số

hạng phổ nguyên tử)

4 I 9/2

4 I 11/2

Bơm

Phát xạ Laser

(1)

(3)

(4)

(2)

2 S 9/2

4 G 9/2

4 S 3/2

2 S 3/2

4 F 3/2

2 G 7/2

Hình 1.2.17: Các chuyển dời quang học trong laser ion Ar+.

(2)Hồi phục(1)

Hình I.2.10 Laser Ti:saphire Cấu trúc của các mức năng lượng của Ti 3+

trong saphire (các số hạng của các trạng thái điện tử được sử dụng từ lý

thuyết nhóm)

(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

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

(eV)

1 1,62

-Siêu bền

337,1 nm

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 CO 2)

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 ν 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): θ d = βλ /D

• Độ chói (Brightness)

B=4P/( π D θ ) 2 (P: công suất laser)

Bmax=4P/( πλβ ) θ d (khi có độ kết hợp không gian cao nhất)

Trong trường hợp giới hạn nhiễu xạ: ( θ d = βλ /D, D= λβ / θ d , θ d = θ )

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

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

1 -1

-1

h1

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

α

y1y

quang học nào đó

Trục chính

α2

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

ν

Buồng cộng hưởng

G

0

P

Bộ khuếch đại

ν

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 d ẫn 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 αm

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

đế

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

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

•

•  

Cách tử

Laser bơm

Chất màu

Cách tử

Lăng kính

Laser bơm

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

Hình III.1.5 Cấu trúc tần số của một phát xạ laser đa mode hồi phục

Các phương pháp phát xung ngắn

N ph Nph max

0

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)

Pumping laser beam

DC

G

Multipass Amplifier MPA

DL

Output Spectral

Filter

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)