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

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 oscillation07/09/2011 3.Chương 2: Khuếch đại LaserĐặt 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,...
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
LASER VÀ ỨNG DỤNG (TS. Nguyễn Thanh Phương) - CHƯƠNG 2LASER VÀ ỨNG DỤNG TS. Nguyễn Thanh PhươngBộ môn Quang học và Quang điện tửChương 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 LaserĐặt 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 laserII.1. Giới thiệu khuếch đại Laser II.1. Giới thiệu khuếch đại LaserKhuếch 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 laserII.1. Giới thiệu khuếch đại LaserII.1. 1. Hệ số khuếch đại Laser II.1. 1. Hệ số khuếch đại LaserTa có 1 sóng phẳng đơn sắc truyền theo hướng z với tần số ν, có điệntrường 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 trườngcác nguyên tử có 2 mức năng lượng cách nhau 1 khoảng hν. Số lượngnguyên 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) vàdịch 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 LaserNhư vậy mật độ trung bình photon bị hấp thụ (trên 1 đơn vị thể tích trong 1đơn vị thời gian) là N1Wi,tương tự mật độ photon được kích thích trong quá trình bức xạ là N2WiNhư vậy số photon trung bình chênh lệch ở mức trên là NWi = N2Wi – N1WiN > 0: Đảo độ tích lũy, môi trường có khả năng khuếch đại và mật độ dòngphoton tăngN < 0: môi trường có khả năng suy giảm và mật độ dòng photon giảmN = 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 LaserGiải (2.3): (2.5) (2.6)hệ số khuếch đại γ(ν) : lượng tăng ích của cường độ dòng trên một đơn vịđộ 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 LaserTrong môi trường tương tác có chiều dài d thì khuếch đại được tính bằng tỉlệ 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 hàmcủa 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 sốcộng hưởng và độ rộng vạch phổ xác định bởi hàm g(ν), 07/09/2011 12 II.1. 1. Hệ số khuếch đại LaserNếu phổ có dạng Lorentz: (2.11)Ta có: ...