BUỒNG CỘNG HƯỞNG QUANG HỌC

Giảng viên hướng dẫn:
Hoàng Hữu Hòa
Đề tài:
I. Giới thiệu chung về cấu tạo của Lazer.
II. Cấu tạo của buồng cộng hưởng.
III. Chức năng của buồng cộng hưởng.
IV. Phân loại buồng cộng hưởng.
V. Các mode trong buồng cộng hưởng.
VI. Hệ số phẩm chất của buồng cộng hưởng.
VII. Chọn lọc mode trong buồng cộng hưởng.
VIII.Kết luận.
NỘI DUNG TRÌNH BÀY:
Cấu tạo của Lazer gồm ba bộ phận chính:
1.Nguồn bơm.
2.Môi trường hoạt chất.
3.Buồng cộng hưởng


Là nguồn năng lượng kích hoạt cho hoạt chất (các nguyên tử, phân tử)
Là nguồn năng lượng kích hoạt cho hoạt chất (các nguyên tử, phân tử)
luôn luôn ở trạng thái nghịch đảo mật độ cư trú (hấp thụ năng lượng bơm).
luôn luôn ở trạng thái nghịch đảo mật độ cư trú (hấp thụ năng lượng bơm).
Là môi trường khuếch đại gồm rất nhiều các nguyên tử hoặc phân tử có
cấu trúc năng lượng sao cho có thể tìm trong đó ít nhất là ba mức năng lượng
(hoặc bốn mức năng lượng) để tạo nghịch đảo mật độ cư trú.




Là bộ phận đảm bảo quá trình phản hồi ngược quang học dương.
Là bộ phận đảm bảo quá trình phản hồi ngược quang học dương.

Ngoài ra còn có thêm một số bộ phận khác nhằm nâng cao tính ưu việt của
Ngoài ra còn có thêm một số bộ phận khác nhằm nâng cao tính ưu việt của
chùm tia Lazer gồm có:
chùm tia Lazer gồm có:
Hộp phản xạ: tập trung năng lượng bơm vào hoạt chất (dùng trong trường
Hộp phản xạ: tập trung năng lượng bơm vào hoạt chất (dùng trong trường
hợp bơm quang học).
hợp bơm quang học).
Khe chắn: lọc mode ngang, tập trung năng lượng trong buồng cộng hưởng
Khe chắn: lọc mode ngang, tập trung năng lượng trong buồng cộng hưởng
cho một mode cơ bản
cho một mode cơ bản
Chất làm lạnh: giảm nhiệt độ của hoạt chất nhằm nâng cao độ ổn định của
Chất làm lạnh: giảm nhiệt độ của hoạt chất nhằm nâng cao độ ổn định của
laser.
laser.


1. Nguồn bơm:
1. Nguồn bơm:
2. Môi trường hoạt chất:


3. Buồng cộng hưởng:
3. Buồng cộng hưởng:
II. Cấu tạo của buồng cộng hưởng.
Buồng cộng hưởng cấu tạo chính gồm có hai gương quang học có hệ số phản xạ
cao đặt đối diện nhau và cách nhau một khoảng trong không gian. Một trong hai
gương là gương phản xạ toàn phần. Sau đây là cấu trúc chi tiết của gương quang học
và buồng công hưởng quang học.

1. Gương quang học:
Gương phản xạ được làm từ tấm kim loại hoặc thủy tinh được mạ một lớp vàng
hoặc bạc có độ phản xạ cao. Tuy nhiên hệ số phản xạ của gương không có tính lọc
lựa các bước sóng. Để có được hệ số phản xạ lọc lựa cao theo từng bước sóng nhất
định ta phải sử dụng các tấm phản xạ cộng hưởng gọi tắt là gương Lazer.
Gương Lazer được chế tạo rất đặc biệt . Nó được phun bởi nhiều lớp điện môi
trong suốt, mỏng song song cách nhau bằng một lớp không khí lên đế. Tính chất
phản xạ lọc lựa của gương Lazer được đặc trưng bởi các tham số đặc trưng của lớp
điện môi như: số lớp, độ dày mỗi lớp, khoảng cách giữa các lớp,chiết suất của chất
làm điện môi. Hiện tượng giao thoa xảy ra nhiều lần giữa các mặt phản xạ dẫn đến
sự phụ thuộc của hệ số phản xạ của gương vào bước sóng bức xạ.
Hệ số phản xạ cực đại của bước sóng của bức xạ quang trong chân không
của gương bao gồm m bản mặt có độ dày bằng nhau, đặt cách nhau một
khoảng bằng nhau, bằng một số lẻ lần một phần tư bước sóng, xác định bằng
công thức:
Trong đó m là số bản mặt hay số lớp điện môi, n là chiết suất của nó. Điều
kiện chiều dày quang học bằng tức là:
Để đảm bảo các tia sáng phản xạ trên các lớp giao thoa đồng pha với nhau.
Khi các tia sáng phản xạ đồng pha thì tổng cường độ phản xạ trên toàn bộ
các lớp sẽ là cực đại.
N
1
>1
N
2
<1
N
3
=N
1

N
4
=N
2
N
5
=N
1
Thủy tinh
Không khí N =1
4
λ
4
λ
r
1
n
1
= r
1


n
2
=
2
2
ax
2
1

1
m
m
m
n
r
n
 
−
=
 ÷
+
 
II. Cấu tạo của buồng cộng hưởng.
a. Sự phụ thuộc của hệ số phản xạ vào chiều dày của lớp điện môi.
( )
( )
( ) ( )
2
2
2
4 sin 2
1 4sin 2
f
r nDf
R
r nDf
π
π
=

− +
Trong đó f là tần số bức xạ, D là độ dày của bản mặt, r là độ dày của lớp
điện môi.
Đối với từng Lazer nhất định thì hệ số phản xạ của nó đạt cực đại ở một
bước sóng(tần số) nhất định. Còn với các bước sóng khác thì hệ số phản xạ
sẽ nhỏ hơn.
Dựa vào hai điều này mà ta chế tạo nên gương phản xạ toàn phần hay bán
phần. Về nguyên tắc chúng ta cũng có thể chế tạo gương Lazer gồm nhiều
mặt có độ dày khác nhau song điều này khó thực hiện được gây khó khăn
trong thiết kế và gia công nên ít được sử dụng trong thực tế. Tuy nhiên nhằm
để sử dụng cho Lazer có phân bố nghịch đảo không đều theo tiết diện ngang
của hoạt chất hoặc cần lọc các MODE ngang thì người ta chế tạo gương
Lazer có nhiều bản mặt có độ dày bằng nhau nhưng bán kính khác nhau.
II. Cấu tạo của buồng cộng hưởng.
b. Sự phụ thuộc của hệ số phản xạ theo tần số bức xạ :
2. Lăng kính:
Trong nhiều trường hợp lăng kính phản xạ thay cho gương phản xạ toàn phần
100% của buồng cộng hưởng Lazer. Nhờ lăng kính này mà các tia phân kỳ nhỏ được
phản xạ trở lại hoạt chất. Ngoài ra cũng nhờ lăng kính mà quá trình khuếch đại trong
hoạt chất được phân bố đều. Nên lăng kính được sử dụng trong Lazer biến điệu xung.
Đối với buồng cộng hưởng có tính lọc lựa ngoài việc thay cho gương ra lăng kính còn
có tác dụng giống như cách tử nhiễu xạ nhằm lọc những bước sóng thích hợp.
Hệ một lăng kính
II. Cấu tạo của buồng cộng hưởng.
Hệ hai lăng kính
Hoạt chất
Lăng kính
3. Khe chắn:
Bức xạ Lazer phát ra có thể có rất nhiều sóng có tần số khác nhau. Tuy nhiên
thông thường việc sử dụng Lazer ta chỉ sử dụng ở một vài sóng có tần số nhất

định. Và để cho Lazer phát bức xạ đơn sắc ta có thể dùng 2 cách:
Cách 1: Sử dụng Lazer có kích thước nhỏ.
Cách 2: Dùng cách khe chắn.
Dùng cách thứ nhất gặp khó khăn trong việc gia công, lắp ghép, khó chỉnh sửa
và công suất bé nên trong thực tế ta thường sử dụng cách thứ hai đó là dùng khe
chắn bằng cách tử nhiễu xạ.
II. Cấu tạo của buồng cộng hưởng.
II. Cấu tạo của buồng cộng hưởng.
3. Khe chắn:
Khe chắn cơ học thường dùng trong buồng cộng hưởng Lazer có công suất nhỏ. Đó
là một lỗ tròn nhỏ trên mặt kim loại không trong suốt.
Đối với Lazer có công suất lớn thường xảy ra sự phá hủy trên đường biên của lỗ
chắn. Để tránh sự phá hủy này phần mặt biên của lỗ được gia công dưới dạng mặt
cầu hoặc mặt vuông góc và được đánh bóng sao cho bức xạ phản xạ mạnh nhất ở
vùng này. Tuy nhiên muốn có độ bền cao dưới tác dụng của bức xạ Lazer mạnh
nên khe chắn được thay bằng thủy tinh hoặc thạch anh
Khi đặt khe chắn trên trục của buồng cộng hưởng lọc lựa thì những tia có tần số
phù hợp sẽ được đi qua khe chắn nhiều lần và đươch khuếch đại. Những tia nào
không được đi qua sẽ bị phản xạ ra ngoài và không được khuếch đại.
1. Thực hiện hồi tiếp dương:
Môi trường hoạt chất đặt trong buồng cộng hưởng tuy có khả năng khuếch đại tín
hiệu đi qua nó theo quy luật hàm mũ nhưng độ khuếch đại này không lớn do chiều
dài của buồng công hưởng có hạn. Chẳng hạn nếu dùng CO
2
có hệ số khuếch đại
tương đối lớn trong các hoạt chất thông thường thì để có được công suất 1 Wat cần
phải sử dụng một ống chứa khí dài khoảng 10
4
m điều này là không thể thực hiện
đươc. Vì vậy chiều dài của hoạt chất phải được giải quyết theo cách khác. Chính nhờ

buồng cộng hưởng mà chiều dài của hoạt chất được giải quyết một cách đơn giản.
Trong buồng cộng hưởng tia sáng được phản xạ rất nhiều lần và đây chính là biện
pháp tăng quảng đường đi của tia. Cụ thể diễn ra như sau:
Giả sử sự dịch chuyển tự phát của nguyên tử nào đó trong buồng cộng hưởng xuất
hiện một sóng ánh sánh. Sóng sẽ được khuếch đại lên do dịch chuyển cưỡng bức khi
nó đi qua lớp hoạt chất. Khi tới mặt phản xạ một phần sóng ánh sáng có thể bị mất do
hiện tượng hấp thụ hoặc truyền qua, nhưng phần chủ yếu được phản xạ trở lại và được
khuếch đại lên trên đường đi tới mặt phản xạ kia. Tại đây xảy ra quá trình tương tự và
cứ như vậy sau nhiều lần phản xạ sẽ thu được dòng bức xạ có cường độ rất lớn.
Giả sử sự dịch chuyển tự phát của nguyên tử nào đó trong buồng cộng hưởng xuất
hiện một sóng ánh sánh. Sóng sẽ được khuếch đại lên do dịch chuyển cưỡng bức khi
nó đi qua lớp hoạt chất. Khi tới mặt phản xạ một phần sóng ánh sang có thể bị mất do
hiện tượng hấp thụ hoặc truyền qua, nhưng phần chủ yếu được phản xạ trở lại và được
khuếch đại lên trên đường đi tới mặt phản xạ kia. Tại đây xảy ra quá trình tương tự và
cứ như vậy sau nhiều lần phản xạ sẽ thu được dòng bức xạ có cường độ rất lớn.
1. Thực hiện hồi tiếp dương:
Sự hình thành hồi tiếp dương trong BCH.
Khuếch đại không thể lớn vô cùng được nó bị giới hạn bởi công suất của nguồn bơm
Do buồng cộng hưởng mở nên những sóng truyền dọc theo trục của buồng cộng
hưởng sẽ đi qua hoạt chất nhiều lần và được khuếch đại lên. Những sóng ánh sáng
này xác định công suất ra của Lazer. Còn những sóng nào truyền với góc tương đối
lớn so với trục của buồng cộng hưởng thì sau một vài lần phản xạ sẽ bị thoát ra ngoài.
Vì vậy bức xạ hình thành ở của ra của buồng cộng hưởng có tính định hướng rất cao.
Trong quá trình phản xạ nhiều lần giữa hai gương pha của sóng ánh sánh luôn bảo
toàn và quan hệ giữa các pha đó cũng không đổi do đó bức xạ ra là bức xạ kết hợp.
Nhờ có buồng cộng hưởng có thể thực hiện được các phương pháp dao động khác
nhau để thu được bức xạ trong một dải phổ rất hẹp gần như đơn sắc. Như vậy có thể
nói rằng buồng cộng hưởng quang học có vai trò quyết định trong việc hình thành các
tính chất cơ bản của bức xạ Lazer.
2. Tạo ra bức xạ định hướng, đơn sắc, kết hợp.

Đây là loại thông dụng nhất và đơn giản nhất gồm hai gương phẳng bán phản xạ
có độ phản xạ cao
khoảng 95% quay mặt phản xạ vào nhau đặt song song với nhau.
Buồng cộng hưởng này đòi hỏi khắt khe về độ song song của hai gương vì thế rất
khó chỉnh nhưng lại có được bức xạ có độ định hướng cao. Loại này thường được
sử dụng trong Lazer rắn và bán dẫn.
IV. Phân loại buồng cộng hưởng:
1. Giao thoa kế Fabri-perot.
Buồng cộng hưởng gồm hai gương cầu có bán kính cong bằng nhau và được phân
bố trên khoảng đúng bằng bán kính cong đó, do đó tiêu điểm của chúng trùng
nhau.
Loại này có ưu điểm là: dễ chỉnh và tổn hao do nhiễu xạ ở trong buồng cộng
hưởng coi như không đáng kể. Chúng được sủ dụng nhiều trong Lazer khí.
2. Buồng cộng hưởng đồng tiêu:
3. Buồng cộng hưởng gồm một gương phẳng và một gương cầu:
Loại này được dùng trong các Lazer khí và một số Lazer rắn.
Ngoài ra để thu được các xung Lazer có độ rộng xung nhỏ và có công suất lớn thì ta
thay một trong 2 gương hoặc cả hai gương bằng lăng kính quay với vận tốc lớn.
IV. Phân loại buồng cộng hưởng:
Mặc dù cấu tạo của buồng cộng hưởng tương đối đơn giản nhưng quá
trình xảy ra trong đó lại tương đối phức tạp. Trước hết ta xét sự hình
thành các dao động riêng của buồng cộng hưởng: trong kỹ thuật Lazer
các dao động riêng được gọi là các mode. Trong gần đúng bậc nhất các
mode có thể coi như kết quả giao thoa của các sóng phẳng lan truyền
theo hướng ngược chiều nhau giữa hai gương phản xạ. Mỗi một mode
được đặc trưng bởi cấu hình tương ứng của trường trên bề mặt các
gương và số nửa bước sóng được sắp xếp giữa hai gương tức là trên trục
của buồng cộng hưởng. Các mode dọc được hình thành bởi sóng phẳng
lan truyền ngược chiều nhau. Như vậy mỗi mode là một sóng đứng.
V. Các mode trong BCH:

1. MODE dọc:
Khi một sóng cơ học lan truyền dọc theo một sợi dây và đến gặp một bức tường
rồi phản xạ lại gặp sóng ban đầu truyền tới thì trên sợi dây sẽ hình thành một sóng
dừng. Mối liên hệ giữa bước sóng và chiều dài sợi dây là:
2
λ
nL =
trong đó n là một số nguyên
Tương tự, trong buồng cộng hưởng quang học, khi sóng điện từ truyền dọc theo
trục của buồng cộng hưởng và phản xạ qua lại giữa hai gương cũng sẽ hình thành nên
sóng dừng. Chỉ những dao động điện từ nào mà một số nguyên lần nửa bước sóng
của nó bằng chiều dài buồng cộng hưởng mới có thể tồn tại. Về mặt toán học, ta viết
là:
2
λ
qL =
Như vậy sẽ có nhiều bước sóng thỏa mãn được điều kiện này, nghĩa là trong
buồng cộng hưởng sẽ đồng thời có các mode sóng dừng bước sóng khác nhau , ,
… cùng tồn tại. Độ chênh lệch tần số của các mode dọc liên tiếp nhau là: ở đây c
là vận tốc ánh sáng.
λ
1
λ
2
λ
L
c
2
V. Các mode trong BCH:
V. Các mode trong BCH:

2. MODE ngang:
Trong khi xét mode dọc, ta xét các sóng mà phương truyền của nó nằm dọc theo
trục của buồng cộng hưởng. Nếu phương lan truyền của sóng tạo với trục của buồng
cộng hưởng một góc khá nhỏ thì sóng dừng cũng được hình thành. Các sóng dừng
được hình thành trong trường hợp này được gọi là các mode ngang vì phân bố
trường (hoặc phân bố năng lượng) của nó thay đổi theo phương ngang.
Khi sóng tới truyền đến gặp gương của buồng cộng hưởng thì một sóng phản xạ sẽ
hình thành và chuyển động theo hướng ngược lại và chúng gặp nhau tạo nên sóng
dừng. Điều này chỉ đúng khi các sóng này là sóng cầu (Kích thướt của buồng cộng
hưởng là hữu hạn nên buồng cộng hưởng không chỉ có sóng phẳng mà còn có sóng
cầu). Theo tính toán, chỉ các sóng dừng có bước sóng thõa mãn hệ thức sau đây mới
tồn tại:
)1(2
4
+++=
nmq
L
λ
Ở đây q là số thứ tự mode dọc, còn m và n là số thứ tự mode ngang.
Độ chênh lệch tần số giữa hai mode ngang lân cận nhau nhỏ hơn nhiều so với các
mode dọc.
Tóm lai trong buồng cộng hưởng kín. Ngoài các mode dọc thuần túy đặc trương bởi
m=n=0 và q#0, trong BCH tồn tại các mode ngang hình thành bởi các sóng phẳng lan
truyền dưới một góc tương đối nhỏ so với trục của BCH. Khác với mode dọc phân bố
trường của các mode ngang không phải là đồng nhất mà mang tính tuần hoàn theo
không gian giảm dần về 0 ở mép gương. Như vậy trong BCH có 2 loại mode khác
nhau: các mode dọc chỉ phân biệt nhau bởi tần số phát,các mode ngang phân biệt nhau
bằng sự phân bố biên độ và pha trên bề mặt gương.
Nếu bây giờ bỏ đi các mặt dẫn bên thì sẽ thu được BCH hở và khi đó xuất hiện yếu tố
mới ảnh hưởng đến quá tình vật lý xảy ra trong gương là: tổn hao nhiễu xạ trên các

gương.Tuy nhiên do góc khá nhỏ so với trục của BCH nên tổn hao do nhiễu xạ coi
như không đáng kể. Vì khi m,n nhỏ thì và trường của tất cả các dao động hầu như chỉ
tập trong ở trung tâm của gương và giảm dần về mép gương
Như vậy,trong buồng cộng hưởng kín có thể tồn tại các mode ngang với các giá trị
m,n lớn. Trong buồng cộng hưởng hở các dao dộng không xuất hiện được do tổn hao
là rất lớn mà chúng phải chịu trên mép gương. Các tổn hao đóng vai trò quan trọng
trong BCH quang học, nó cho phép giảm đi một cách đáng kể số mode ngang được
kích thích trong BCH và chỉ giữ lại những mode ngang nào ứng với các tia sáng lan
truyền gần như song song với trục của buồng cộng hưởng. Chính điều này quyết
định đến tính định hướng của bức xạ Lazer.
V. Các mode trong BCH:
Để đánh giá chất lượng của BCH quang học theo quan điểm năng lượng, người ta sử
dụng khái niệm hệ số phẩm chất. Hệ số phẩm chất được xác định theo công thức:
0
2
d
E
Q f
p
π
=
Với E
d
là năng lượng dự trữ trong BCH.
P
0
là năng lượng trung bình bị tiêu hao trong một giây.
Theo công thức này ta thấy hệ số phẩm chất tỷ lệ nghịch với tổn hao trong BCH. Các
tổn hao trong buồng cộng hưởng trước hết được xác định bởi chất lượng phản xạ của
các gương. Nếu coi các gưong là hoàn toàn giống nhau và có cùng hệ số phản xạ r thì

phần năng lượng trong BCH giảm đi trong khoảng thời gian dt do hiện tượng truyền
qua và hấp thụ được xác định như sau:
Khoảng thời gian để sóng đi từ gương này đến gương khác là:
L Ln
t
f c
∆ = =
VI. Hệ số phẩm chất của BCH quang học.
(1 )
2
E
r
− −
Giả sử sóng phẳng mang năng lượng đi từ gương G1 đến gương G2. Tại gương
G2 sóng này phản xạ một phần. Tổn hao lượng bằng :
2
E
Như vậy cứ sau khoảng thời gian thì sóng đi đựơc một lần từ gương này tới
gương kia và bị tiêu hao một lượng năng lượng là:
t
∆
(1 )
2
E
R
− −
Vì vậy tính trung bình trong một đơn vị thời gian sóng bị mất một phần năng lượng là:
(1 )
(1 )
2 2

E E R C
R
t Ln
−
− − = −
∆
Vì mỗi dao động trong BCH được tạo bởi hai sóng phẳng lan truyền theo hai hướng
ngược chiều nhau nên phần năng lượng mà một mode mất đi trong một đơn vị thời
gian là:
(1 )E R C
Ln
−
−
Để tính cho cả khoảng thời gian thì ta có phương trình xác định tổn hao:
t
∆
(1 )
c
dE E R dt
Ln
= − −
VI. Hệ số phẩm chất của BCH quang học.
Mặt khác nếu coi các mode của BCH như các dao động điện từ độc lập
mỗi dao động điện từ này được đặc trưng bởi một tần số cộng hưởng và tốc
độ tán xạ năng lượng có thể biểu diễn qua hệ số phẩm chất Q như sau:
0
.
t
Q
E E e

ω
−
=
E
0
là năng lượng dự trữ ban đầu.
Lấy vi phân ta được :
dE E dt
Q
ω
= −
So Sánh hai biểu thức này ta được:
2
(1 ) (1 )
L n Ln
Q
c R R
ω π
λ
= − =
− −
Ví dụ L= 10cm ,
6
0,6.10 m
λ
−
=
,R=0,9 n=1.5 ta có Q=1,5.10
7
Tức là hệ số phẩm chất có giá trị rất lớn, lớn hơn rất nhiều so với BCH cao

tần
Tuy nhiên, trên thực tế ngoài tổn hao do phản xạ ra còn có rất nhiều
nguyên nhân khác làm giảm hệ số phẩm chất của BCH quang học. Do nhiễu
xạ gây bởi kích thước hữu hạn của các gương, sự không song song của các
gương, độ nhám của các gương
VI. Hệ số phẩm chất của BCH quang học.
VII. Chọn lọc mode.
Trong BCH quang học thông thường có một số lượng rất lớn các mode dọc và các
mode ngang được kích thích đồng thời. Do đó khi làm việc Lazer sẽ bức xạ ra một
tập hợp các tần số rất gần nhau nằm trong phạm vi của đường bao của vạch phổ phát
quang của hoạt chất. Mỗi mode tương ứng với mỗi tần số xác định và phân bố trừng
trên bề mặt gương. Chế độ đa mode của Lazer sẽ làm giảm tính kết hợp và đơn sắc
của bức xạ, làm mở rộng và giản độ định hướng của chùm tia bức xạ. Để sử dụng
được Lazer trong kỹ thuật và trong thông tin việc đầu tiên là phải triệt tiêu được
những dao động không cần thiết và tập trung năng lượng bức xạ cho một vài mode
nhất định tạo điều kiện cho Lazer hoạt động ở chế độ đơn mode. Qúa trình này gọi là
chọn lọc mode.
1. Chọn lọc mode ngang.
Trong quá trình chọn lọc mode ngang việc khử các dao động không cần thiết được
thực hiện bằng cách tăng đột ngột giá trị tổn hao do nhiễu xạ. Để làm được điều này
ta đưa vào BCH một màn chắn thích hợp. Hiện nay màn chắn thường được sử dụng
là thấu kính hội tụ.
Chọn lọc mode xiên dùng màn chắn và hai thấu kính
VII. Chọn lọc mode.