14. TƯƠNG TÁC CUA BUC XA VOI MOI TRƯỜNG
1.5. NGUYEN LY HOAT DONG CUA MAY PHAT LASER, MAY KHUẾCH ĐẠI LƯỢNG TỬ
Để đơn giản ta hãy coi hoạt chất có phổ năng lượng E,< E¿< B;
được đặt trong buồng cộng hưởng, năng lượng bơm có tần số 0), để tạo nghịch đảo nồng độ, tức hạt ở mức 1 dịch chuyển lên mức 3. Giả sử mật độ phổ khối của tín hiệu bợm đủ lớn để tạo nghịch đảo nồng độ ở dịch chuyển bức xạ Laser (;;.
to ta
Hình 1.8. Nguyên lý máy phát Laser.
Nếu đưa vào trong buồng cộng hưởng tín hiệu cẩn khuếch đại có tần số œ¿; thì trong buồng cộng hưởng sẽ hình thành sóng đứng do sóng phản xạ. Dưới tác dụng của sóng đứng, trong hoạt chất sẽ phát sinh và phát triển quá trình bức xạ cảm ứng. Những lượng tử năng lượng được sinh ra do bạt dịch chuyển từ mức 3 xuống mức 2 sẽ kết hợp với sóng điện từ kích thích (tín hiệu vào) và sẽ duy trì dao động sinh ra trong buồng cộng hưởng. Nói một cách khác, năng lượng điện từ trong buồng cộng hưởng được bức xạ cảm ứng khuếch đại lên.
Nhưng chúng ta cân phải kể đến tiêu hao gồm tiêu hao trong buồng cộng hưởng, tiêu hao trong hoạt chất và tiêu hao do bức xạ đưa ra ngoài qua cửa ra.
Đo đó, chế độ công tác của Laser là phát xa hay khuếch đại sẽ phụ thuộc vào quan hệ giữa năng lượng bức xạ cảm ting P,, va tiêu hao tổng cộng Pạ. Trong đó tiêu hao tổng cộng bằng :
Py Ppt Pact Ph
Với P, là công suất đưa ra tải ; Pạ, là công suất tiêu hao trong hoạt chất và P„ là công suất tiêu hao trong buồng cộng hưởng.
Néu P,, + Py < Py thi năng lượng tín hiệu vào bị hệ thống hấp thụ mà không khuếch đại lên, tức là biên độ tín hiệu ra nhỏ hơn biên độ tín hiệu vào.
3-GTCS 33
on S 33 Ns Be!
Chế độ khuếch đại sẽ được đảm bảo khi công suất bức xạ của tin hiệu vào lớn hơn công suất tiêu hao trong buồng cộng hưởng và trong
hoạt chất nhưng nhỏ hơn công suất tiêu hao tổng cộng, tức là :
Py, > P+ Py > Pat Pr (1-61)
Chế độ tự kích của máy phát lượng tử sẽ tồn tại nếu :
Poxa > Pos (1-62)
Điều kiện kích thích của máy phát lượng tử sẽ được thỏa mãn nếu hệ số khuếch đại của môi trường k(œ) lớn hơn giá trị ngưỡng nào đó.
Ta có mô hình khảo sát như hình 1.9.
G, L G,
4 | ed
2 ——_——., B
Ag ———.=
⁄4—?*_ __—_— —. Laser
n=l + rạ<l
Hình 1.9. Buông cộng hưởng.
Để đơn giản ta coi : gương vào G, c6 hệ số phản xạ rị = ẽ và gương ra G, có hệ số phản xạ r;<1. Quá trình hình thành tự kích trong Laser được thực hiện khi tia bức xạ phản xạ đi lại qua hoạt chất khoảng 200-300 lần, tất nhiên sau mỗi chu kỳ phản xạ qua hoạt chất, công suất bức xạ phải tăng lên. Dựa vào khái niệm đó ta thiết lập điều kiện tự kích của máy phát Laser. Khi ánh sáng đập vào gương G, thi mot phân công suất sé truyển qua t%, một phần sé phản xạ trở lại trong buồng cộng hưởng r% và một phần mất mát tiêu hao đi q%. Như vậy
điều kiện bảo toàn năng lượng là :
: r+t+qe=l
Vì gương có phản xạ lớn, ta có thé coi q = 0, đo đó :
34
r+t=l (1-63) Giả sử tia sáng có công suất P,=P, bat đầu truyền trong BCH từ điểm A tới điểm B tức qua chiéu đài L của môi trường ánh sáng đã được khuếch đại lên : Pạ.e', Khi từ B phản xạ trở lại, mật độ công suất chùm tia sẽ là r;.Pạ.e*U, Khi trở lại tới A, tức tới gương G¡, thì mật độ công suất sẽ là r,.P„e**'. Sau khi phản xạ từ gương 2 trở lại tới A và phản xạ tiếp, tức sau một chu kỳ, thì mật độ công suất của chùm tia là:
P 4= nir¿.P.e””, Nhưng vì rị = 1 nén P lA=1zPạe”“, Điều kiện tự kích được viết :
P'//PA>1 tức là : rạ.e2“t >ị (1-64
vi <1 nén ta gọi y = -In(r,)va r, = e7 khi dé (1-64) sé thanh c?“7 >1, Muốn vậy 2KL-y >0 và 2KL>y và thay K bằng biểu thức của nó ta sẽ có :
ho_ ¥
= (BN; - BN). — > h:
K, (By kiN). COL ay
B, +
N.—-#N)>_—~— 1-65
| " B ằ) imtea| (1-65)
Như vậy, điều kiện tự kích của máy phát Laser phụ thuộc vào hệ số phản xạ của gương, chiều dai thanh hoạt chất và tham số địch chuyển của môi trường. Đó là một vấn đề rất quan trọng trong lý thuyết cũng như trong thực hành. Tuy nhiên, muốn Laser phat thì công suất bơm phải đủ lớn để đảm bảo được điều kiện nghịch đảo ngưỡng đó.