Tổng quan về laser

Vì trong thực tế ánh sáng dao động tới lui trong hộp laser, nên hiện tượng cộng hưởng trở thành một nhân tố ảnh hưởng tới việc khuếch đại cường độ laser.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Tổng quan về laser Tổng quan về laser Vì trong thực tế ánh sáng dao động tới lui trong hộp laser, nên hiện tượngcộng hưởng trở thành một nhân tố ảnh hưởng tới việc khuếch đại cường độ laser.Phụ thuộc vào bước sóng của bức xạ cưỡng bức và chiều dài hộp, sóng phản xạ từcác gương sẽ hoặc là giao thoa tăng cường và được khuếch đại mạnh, hoặc là giaothoa triệt tiêu và xóa bỏ hoạt động laser. Vì các sóng trong hộp là kết hợp hoàntoàn cùng pha, chũng sẽ vẫn là cùng pha khi phản xạ từ một gương. Các sóng cũngsẽ cùng pha khi chạm tới gương đối diện, với điều kiện là chiều dài hộp bằng mộtsố nguyên lần bước sóng. Như vậy, sau khi thực hiện một dao động hoàn chỉnhtrong hộp, sóng ánh sáng đã truyền được quãng đường bằng hai lần chiều dài hộp.Nếu khoảng cách đó là một bội số nguyên của bước sóng, thì các sóng sẽ tăng thêmbiên độ bởi sự giao thoa tăng cường. Khi chiều dài hộp không chính xác là bội sốnguyên của bước sóng, giao thoa triệt tiêu sẽ xảy ra, phá hủy hoạt động laser.Phương trình sau đây xác định điều kiện cộng hưởng phải có để sự khuếch đạimạnh xảy ra trong hộp laser: N x l = 2 x (chiều dài hộp) trong đó N là một số nguyên, và l là bước sóng. Điều kiện cộng hưởng thật rakhông quan trọng vì những sự chuyển trạng thái laser thực tế trong hộp phân bổtrong một phạm vi bước sóng, gọi là dải thông độ lợi. Bước sóng của ánh sáng cựckì nhỏ so với chiều dài của một hộp laser điển hình, và nói chung một quãng đườngtruyền hoàn chỉnh trong hộp sẽ tương đương với vài trăm ngàn bước sóng ánhsáng được khuếch đại. Cộng hưởng có thể xảy ra ở mỗi số gia bước sóng nguy ên(ví dụ 200 000, 200 001, 200 002,...), và do bước sóng tương ứng rất gần nhau,chúng rơi trong dải thông độ lợi của laser. Hình 7 minh họa một ví dụ điển hình,trong đó một vài giá trị cộng hưởng của N, thường được gọi là mode dọc của laser,vừa khít trong dải thông độ lợi. Hình 7. Mode cộng hưởng hộp và dải thông độ lợi Các chùm laser có những đặc điểm chung nhất định, nhưng cũng khác nhauở mức độ rộng các khía cạnh như kích thước, sự phân kì, và sự phân bố ánh sángqua đường kính chùm tia. Những đặc điểm này phụ thuộc nhiều vào việc thiết kếhộp laser (hộp cộng hưởng), và hệ thống quang học điều khiển chùm tia, cả bêntrong lẫn bên ngoài hộp. Mặc dù laser có thể tạo ra một đốm sáng không đổi khichiếu lên một bề mặt, nhưng nếu đo cường độ sáng tại những điểm khác nhautrong tiết diện ngang của chùm, thì sẽ thấy sự khác nhau về cường độ. Việc thiết kếhộp cộng hưởng cũng ảnh hưởng tới độ phân kì chùm tia, số đo mức độ trải rộngcủa chùm tia khi khoảng cách tới laser tăng lên. Góc phân kì của chùm tia là mộtnhân tố quan trọng trong việc tính toán đường kính của chùm tia tại một khoảngcách cho trước. Trong nhiều phần thảo luận trước, chúng ta đã giả định các gương tại haiđầu của hộp cộng hưởng laser là gương hai chiều, hay gương phẳng. Về mặt kháiniệm thì đây là một cấu hình đơn giản nhất, nhưng trong thực tế nó có thể rất khóđược thực hiện. Nếu hai gương không thẳng hàng chính xác với nhau, thì sự mấtánh sáng dư thừa sẽ xảy ra, làm cho laser ngừng hoạt động. Ngay cả khi sự khôngthẳng hàng chỉ ở mức độ nhỏ, sau một vài phản xạ liên tiếp, kết quả có thể là sựthất thoát đáng kể ánh sáng từ các mặt của hộp. Nếu một hoặc cả hai gương có bềmặt cầu, thì sự thất thoát ánh sáng do sự không thẳng hàng có thể giảm bớt hoặc bịloại trừ. Do tính hội tụ của gương cầu, ánh sáng bị giới hạn trong hộp ngay cả khicác gương không chính xác thẳng hàng với nhau, hoặc nếu ánh sáng không đượcphát ra chính xác dọc theo trục của hộp. Có một số biến tấu thiết kế sử dụng kếthợp cả gương phẳng và gương cầu để đảm bảo ánh sáng luôn luôn hội tụ trở lạiphía gương đối diện. Một cấu hình thuộc loại này có tên là hộp cộng hưởng bền, doánh sáng phản xạ từ một gương đi tới gương kia sẽ tiếp tục dao động mãi mãi nếunhư không có ánh sáng nào bị thất thoát. Trong môi trường laser có độ lợi thấp, hộp cộng hưởng rất quan trọng trongviệc tối đa hóa việc sử dụng bức xạ cưỡng bức. Trong laser độ lợi cao, sự mất mátmức thấp từ các mặt của hộp không có tính quyết định. Thật ra, các thiết kế hộpcộng hưởng không bền có thể được ưa chuộng hơn vì chúng thường dễ thu nănglượng từ một thể tích lớn hơn trong môi trường laser, mặc dù chúng cho phép ánhsáng thất thoát. Các gương trong laser độ lợi cao thường thường trong suốt hơncác gương trong laser có độ lợi thấp hơn, cho nên một tia sáng cho trước chỉ có thểtruyền một lần qua hộp trước khi xuất hiện trong chùm tia. Do đó, sự sắp thẳnghàng của các gương không có tính quyết định như trong laser độ lợi thấp, nơi màhệ số phản xạ của gương ra làm cho ánh sáng phản xạ nhiều lần trước khi xuấthiện ra ngoài. Chiều dài hộp laser và bước sóng ánh sáng tác động lẫn nhau để tạo ra modedọc của sự phân bố năng lượng trong chùm tia, còn thiết kế hộp cộng hưởng là mộtnhân tố then ch ...