Transcript Powerpoint
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN BỘ MÔN VẬT LÝ ỨNG DỤNG VẬT LÝ LASER VẬT LÝ LASER CHẾ ĐỘ HOẠT ĐỘNG LIÊN TỤC VÀ XUNG CỦA LASER GVHD: PGS. TS. Trần Tuấn TS. Phan Bách Thắng HVTH: Phan Trung Vĩnh Mức kích thích Laser rắn QUÁ TRÌNH BƠM Bơm điện BƠM QUANG HỌC Enguồn bơm Mức cơ bản Phổ hấp thu của vật rắn rộng Nguồn bơm có phổ đám Gọi N*: mật độ trạng thái kích thích Ng: mật độ trạng thái cơ bản Wp: vận tốc bơm Nguyên tử hấp thu phần lớn Enguồn bơm Phương trình biểu diễn vận tốc biến đổi số hạt: dN * Wp N g dt p REA (Rate Equation Approximation) Chế độ hoạt động của laser Wp = const Chế độ liên tục (Chế độ dừng) Sơ đồ 3 mức Sơ đồ 4 mức Wp = Wp(t) Chế độ xung (Chế độ không dừng) Bơm xung bậc Sự tạo xung cực lớn Q - Switching Đơn mode Đa mode Đồng bộ mode 1. Laser làm việc ở chế độ dừng (hay chế độ liên tục) Bơm dừng (Bơm quang học) 1.1 Sơ đồ 3 mức Phát dừng (Laser) Mức 3 có dạng đám Dịch chuyển từ mức 3 → mức 2 xảy ra rất nhanh (xác suất lớn) 3, N3 qi q 2, N2 t0 = 0 Laser 1, N1 Hệ cộng hưởng t Gọi qi là có sẵn trong HCH q là số photon có trong HCH sau đó. Đặt Nt = N1 + N2 D.ch 3 → 2 nhanh N3 ≈ 0 Phương trình biểu diễn vận tốc biến đổi số hạt trên mức 2 Tốc độ bức xạ Tỷ lệ nghịch với cưỡng bức tính thời gian sống Vận tốc bơm trên 1 photon ở mức trên Phát Bơm Dịch chuyển nhanh Các phương trình vận tốc: N2 Wp N1 Bq N2 N1 N2 1 Phương trình biểu diễn vận tốc biến đổi số photon phát ra từ mức 2 Thể tích của mode bên trong môi trường hoạt tính q Va Bq N2 N1 c Số hạt do bơm Sự mất đi và tăng Sự giảm đẩy từ mức 1 độ tích lũy lên số hạt ở mức lên mức 2 2 do bức xạ cảm ứng do bức và hấp thu cưỡng bức xạ tự phát Hệ số mất mát Đặt N = N2 – N1: mật độ đảo lộn trong BCH hay hiệu độ tích lũy giữa 2 mức 1 q c c Số photon sản sinh do Sự mất mát bức xạ bức xạ cảm ứng sau khi trong buồng trừ đi số photon bị hấp thu cộng hưởng do các ở mức 1 nguyên nhân khác Nt N N W p N t N 2 BqN 1 q Va BN q c Các phương trình biểu diễn chế độ làm việc dừng và không dừng của laser theo sơ đồ 3 mức N N N W p N t N 2 BqN t 1 q Va BN q c Ở chế độ liên tục: N 0 N = Ndừng = N0 q = qdừng = q0 1 Va BN 0 0 N 0 q0 c Va c q0 2 Đặt: W p W po Khi laser chưa thể phát, q0 ≈ 0 Nt N0 W p N t N 0 q0 Va Nt N 0 c 2 1 1 Va B c Tốc độ bơm tới hạn Điều kiện phát laser: Wp > Wpo Wp = Wpo W po 1 1 N0 Va B c Khi tăng tốc độ bơm Wp: q0 tăng nhưng N0 không Va c N t N 0 tăng Cường độ phát tại q0 Wp Nt N0 2 2 từng thời điểm bị giới hạn Công suất lối ra hay công suất bức xạ phát ra từ 1 gương: q Tốc độ mất mát photon do P truyền qua gương phản xạ u 1 1 Va Nt N 0 c c Thay: q0 u 1 c u 2 Va Nt N0 u Trong chế độ phát liên tục, P 1 2 P > 0 Wp > Wpo c W p Ví dụ: Một laser ruby có: Va = 0,5.10-2cm3 Nt = 1,6.1019 ion Cr+3/cm3s-1 W po 18 +3 3 -1 N0 = 1,1.10 ion Cr /cm s τ = 3.10-3s, γc = 6,9.10-2s-1, γu = 2.10-2s-1. Laser ruby phát ra bức xạ có tần số: λ = 6943,25Ao Giá trị công suất P tìm được vào khoảng: P = 1,1(σ – 1) (Watt) 1.2 Sơ đồ 4 mức Mức 3 có dạng đám 3, N3 Dịch chuyển từ mức 3 → 2, 1 → 0 xảy ra rất nhanh (xác suất lớn) N3 ≈ N1 ≈ 0. Đặt Nt = Ng + N2 Các phương trình vận tốc: 2, N2 Phương trình biểu diễn vận tốc biến đổi số hạt trên mức 2 N2 N 2 W p N g BqN 2 Laser 1, N1 P. trình biểu diễn vận tốc biến đổi số photon trên mức 2 0, Ng 1 q Va BN 2 q c Đặt N = N2 – N1: mật độ đảo lộn hay hiệu độ tích lũy giữa 2 mức. Vì N1 ≈ 0 N ≈ N2 N N N 2 W p N t N BqN 1 q Va BN q c Các phương trình biểu diễn chế độ làm việc dừng và không dừng của laser theo sơ đồ 4 mức N N N 2 W p N t N BqN 1 q Va BN q c Tương tự chế độ làm việc của laser theo sơ đồ 3 mức, ở sơ đồ 4 mức, ta có công thức tính tốc độ bơm tới hạn N c 1 Nc = Ndừng ≈ N2; Nt = Ng + N2 > Nc W po Nt Điều kiện phát laser: Wp > Wpo 1 ( 3) W po So sánh tốc độ bơm tới hạn ở 3 mức và 4 mức: ( 4 ) N c 1 W po Nt (3) (4) W >W po po Công suất lối ra hay công suất bức xạ phát ra từ 1 gương: P So sánh với công suất phát ở sơ đồ 3 mức 4 Va N 0 u 1 c Va Nt N 0 u 1 P 2 c 3 Nt N0 N0 2 P(3) > P(4) Như vậy: Wpo(3) > Wpo(4) P(3) > P(4) 2. Laser làm việc ở chế độ không dừng (hay chế độ xung) Sơ đồ 3 mức Sơ đồ 4 mức Nt N N W p N t N 2 BqN N N N 2 W p N t N BqN 1 q Va BN q c 1 q Va BN q c Không thể giải tổng quát bằng giải tích, trừ một số trường hợp đặc biệt Giả thiết: Bơm là xung dạng bậc PP gần đúng dao động nhỏ (Small Vibration Approximation) 1 N N W p 2 B q0 N N 0 q q Bq0Va N N t N0 N q t q0 q t0 Wp 0 W p const t 0 Với δN << N0 và δq << q0 1 q Wp 2 Bq0 q 2 B 2 N 0 q0Va q 0 1 q Wp 2 Bq0 q 2 B 2 N 0 q0Va q 0 Phương trình vi phân cấp 2 1 N N W p 2 B q0 N N 0 q q Bq0Va N Nghiệm tổng quát có dạng t t0 q C exp sin t 1 W 2 Bq p 0 1 t0 2 N q Bq 0Va t exp cost Bq 0Va t0 C 2B 2 N0 q0Va N C exp t sin t t Bq 0Va 2 0 So sánh δq và δN Sự tăng của bức xạ (số photon) đi sau sự tăng về hiệu độ tích lũy Giải hệ 2 pt trên bằng phương pháp số Nhóm tác giả Dunsmuir R δN(t) sớm pha hơn δq(t) một góc π/2 Nhận xét: 4 ≤ t ≤ 12(μs): bức xạ lối ra là dải xung ánh sáng, điều hòa theo t, biên độ giảm dần t > 12(μs): dao động bé quanh VTCB, khuynh hướng tiến tới trạng thái dừng Hình 1: Sự phụ thuộc thời gian của độ tích lũy toàn phần N(t)Va và số photon q(t) trong laser 3 mức SỰ TẠO XUNG CỰC LỚN Phát xung công suất lớn trong Δt hay độ rộng xung cực bé Nhu cầu ứng dụng Bơm liên tục → Laser phát liên tục Bơm xung → Laser phát xung nguyên tắc cơ bản tạo xung cực lớn Q-Switching (Điều biến độ phẩm chất) Đồng bộ mode (Mode Synchronism) Phương pháp Q-Switching (Điều biến độ phẩm chất) Hellwarth, 1960, laser ruby Buồng cộng hưởng (BCH) Ở một mặt gương phản xạ có 1 màn có thể đóng/mở Ban đầu: màn đóng Khi độ tích lũy N đủ lớn → Màn mở Phát xung cực lớn Màn đóng → Giảm phẩm chất BCH 1 lượng 1/Q, Q: độ phẩm chất Q cao Hao phí trong BCH thấp. Màn đóng→mở: Q thấp→cao Cơ sở lý thuyết của phương pháp Q-Switching Xuất phát từ hệ pt biểu diễn chế độ làm việc dừng và không dừng của laser (xét sơ đồ 3 mức) Nt N N W p N t N 2 BqN 1 q Va BN q c Nt = N1 + N2 Giả thiết: t ≤ 0: màn đóng q 0 N Ni Nt W p 1 W p 1 N 0 Nếu Wp >> 1/τ thì Ni ≈ Nt Mật độ đảo lộn hoàn toàn Tại t = 0: màn chắn mở Laser: điều biến độ phẩm chất Tại t > 0: màn chắn mở N(t) và q(t) Biến đổi nhanh Giá trị lớn N 2 Bq t N t 1 q Va BN t q t c N 2 Bq t N t Điều kiện ban đầu: t = 0 → N(0) = Ni, q(0) = qi 1 q Va BN t q t Dùng các biến không thứ c nguyên t ' t q c N pVa Np: hiệu độ tích lũy khi q 0 Np Giải bằng phương pháp số N 1 Np Va B c d 2 dt ' d 1 dt ' Điều kiện ban đầu: t = 0 N i i , 0 Np Độ tích lũy N giảm dần theo thời gian → giá trị bão hòa Nf Số photon q đạt cực đại tại thời điểm mở màn chắn, sau đó giảm dần Tại đỉnh cực đại q(t): q (t ) 0 N max 0 Hình 2: Sự phụ thuộc thời gian của mật độ đảo lộn N(t) và số photon toàn phần trong hệ cộng hưởng q(t) khi điều biến độ phẩm chất 1 Np Va B c Độ tích lũy tới hạn (Laser phát liên tục) Năng lượng thoát toàn phần qua gương Ni N f u E Va 2 0 E lớn Ni ↑ và Nf ↓ Sau khi mở màn Hiệu độ tích lũy Bức xạ photon Ni: hiệu độ tích lũy (MĐĐL) ban đầu Nf: hiệu độ tích lũy (MĐĐL) ở mức ½ xung q(t), cũng là giá trị bão hòa của MĐĐL sau khi mở màn chắn Lý tưởng!!! Phương pháp đồng bộ mode (Synchronism of Mode) Phức tạp!!! Laser phát đơn mode (bức xạ với 1f nhất định) Laser phát đa mode (bức xạ với 2f ↑ nhất định) → Giao thoa q(t) Chế độ phát không dừng đơn mode t q(t) Chế độ phát không dừng đa mode t q(t) Chế độ phát không dừng đơn mode Chế độ phát không dừng đa mode q(t) t Q-Switching Đóng/mở màn chắn → Điều biến độ phẩm chất t TẠO XUNG CỰC LỚN Đồng bộ mode q(t) Giữ các mode phát có cùng biên độ và cùng pha t Giả sử laser phát 2N + 1 mode với cùng biên độ E0 Gọi pha của mode thứ n là n Điều kiện đồng bộ mode: n1 n n n1 const Trường toàn phần trong BCH: E t N m N Chênh lệch pha giữa 2 mode liên tiếp E0 exp i 0 m t m Tần số mode ở tâm vạch khuyếch đại E t N m N E0 exp i 0 m t m E t A t exp i0t Với: 2 N 1 t sin 2 A t E0 t sin 2 Biên độ trường toàn phần Điều kiện đồng bộ pha → Laser phát các xung lớn Hình 3: Đường biểu diễn cường độ trường I = |A(t)|2 trong trường hợp số mode phát là 7 (2N + 1 = 7) c L Khoảng cách giữa các xung ' 2 2 L L: khoảng cách 2 gương 2 xung cách nhau = tás đi 1 vòng BCH BCH c hay chiều dài BCH Thời khoảng xung ' L 2L 4L 2 N 1 c Δτ’ nhỏ (xung cực ngắn, công suất cực lớn L nhỏ hoặc N lớn Laser màu dễ dàng thực hiện đồng bộ mode TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Nguyễn Hữu Chí – Trần Tuấn, Vật lý laser, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia TP.HCM, 2002 2. Đinh Văn Hoàng – Trịnh Đình Chiến, Vật lý laser và ứng dụng, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia Hà Nội, 2004 3. Trần Đức Hân – Nguyễn Minh Hiển, Cơ sở kỹ thuật laser, Nhà xuất bản giáo dục, 1999 4. O. Svelto, Principles of laser, Plenum Press Co. USA, 1976 5. W. Miloni, H. Eberty, Lasers, John Wiley and sons, NewYork, 1990 Cám ơn Thầy và các bạn đã quan tâm theo dõi