1

Common Lasers

Các Laser thông

dụng

2

Nội dung

• Giới thiệu chung • Các loại laser phổ biến (khí, rắn, lỏng, bán dẫn)

– He-Ne– N2– CO2– Hơi Au, Cu– Excimer– Ruby– Nd– Màu hữu cơ– Điện tử tự do– Bán dẫn

3

Các phương pháp phân loại

• Các tiêu chí phân loại: – Trạng thái của môi trường hoạt tính: solid, liquid,

gas, plasma,..) – Vùng phổ của bước sóng laser: visible spectrum,

Infra-Red (IR) spectrum, etc.

– Phương pháp bơm (kích thích): Optic pumping, Electric pumping, etc.

– Các đặc trưng của bức xạ laser: CW, pulsed,…

– Số mức năng lượng tham gia vào quá trình phát laser: 3-level, 4-level.

4

Các laser khí (Gas Lasers)

• Đặc điểm chung

• Một số hệ laser khí thông dụng– Laser nguyên tử (He-Ne)– Laser phân tử (N2, CO2)– Laser hơi kim loại (Au, Cu)– Laser Excimer

5

Các đặc điểm chung của laser khí

• Hầu hết nguyên tố ở trạng thái khí đều có thể phát laser. • Rất nhiều nguyên tử, phân tử có thể phát laser. • Đa số laser khí là áp suất thấp (vài milli-torr). • Lý do là:

– Để có thể tạo ra sự phóng điện trên một khoảng cách xa giữa các điện cực.

– Để thu được vạch phổ hẹp (không bị mở rộng do va chạm). • Một số laser khí đặc biệt có áp suất cao (hàng trăm torr)• Laser khí đầu tiên (Helium-Neon laser) được chế tạo

năm 1961, một năm sau khi laser đầu tiên trên thế giới ra đời (laser Ruby).

• Laser khí đầu tiên (Helium-Neon laser) phát bước sóng vùng hồng ngoại gần (1152,27 nm, Near Infra-Red).

6

BƯỚC SÓNG MỘT SỐ LOẠI LASER KHÍ

7

BƯỚC SÓNG MỘT SỐ LOẠI LASER KHÍ

8

Các nhóm laser khí

• Nguyên tử (Atoms) - The laser active medium is composed of neutral gas atoms such as Helium-Neon and Copper Vapor.

• Ion (Ions) - The laser active medium is composed of ionized gas such as Argon ion gas or Helium-Cadmium gas.

• Phân tử (Molecules) - The laser active medium is composed of gas molecules, like Carbon Dioxide (CO2), Nitrogen (N2), Excimer laser, Chemical lasers (HF, DF), Far Infra-Red (FIR) laser.

9

Kích thích (bơm)

• Có 2 kỹ thuật chính: – Phóng điện (

Electrical Discharge )– Bơm quang học (

Optical Pumping )

10

He-Ne Laser

• Giới thiệu chung

• Nguyên lý hoạt động

• Đặc điểm

• Ứng dụng

11

Giới thiệu

• Helium-Neon laser là laser phổ biến nhất trong (cho đến gần đây, khi diode laser ra đời).

• Do Ali Javan, William Bennet Jr. và Donald Herriot tại Bell Labs phát minh lần đầu năm 1961.

Ali Javan, William Bennett, and Donald Herriott adjust the helium neon laser, the first laser to generate a continuous beam of light at 1.15 microns and the first of many electrical discharge pumped gas lasers.

12

Nguyên lý hoạt động• Môi trường hoạt tính (

active medium) là khí hiếm Neon (Ne), và là laser 4 mức (khí He là khí đệm)

• Có 2 mức siêu bền có vai trò là các mức laser trên, và 2 hai mức laser dưới. Do đó, có thể phát ra vài bước sóng laser.

• Các bước sóng chính: 0.6328 [µm] (632.8 nm); 1.152 [µm], 3.3913 [µm];

Energy Level Diagram of He-Ne Laser

• Vai trò của khí He: tăng hiệu suất bơm (~200 lần) nhờ hiệu ứng truyền năng lượng:– He hấp thụ tốt sóng bơm– He có mức năng lượng

kích thích tương tự mức kích thích của Ne

13

Đặc điểm

• Thường phát bước sóng 632,8 nm (đỏ)• Có thể phát tại 543,5 nm (xanh lục), hoặc hồng

ngoại• Hoạt động ở chế độ liên tục, 1-100 mW• Điện áp nuôi: ~ 1000 V• Dòng phóng điện qua ống khí ~ 10 mA

14

Cấu tạo

• Cấu trúc của laser He-Ne gồm 3 bộ phận chính:

• Plasma Tube.

• Optical Cavity.

• Power Supply.

15

Plasma Tube of He-Ne Laser

• Ống trong: đường kính ~ 2 mm, dài 10-100 cm.

• Ống ngoài: đường kính 2,5 cm.

• Hỗn hợp khí: tỷ lệ Helium : Neon từ 5:1 đến 20:1.

• Áp suất khí: 0.01 Atmosphere (» 10 [torr]).

• Các điện cực được nối với nguồn cao áp (~1000 V), bảo đảm cho sự phóng điện khí

16

Cấu trúc 1 BCH laser He-Ne

17

Laser He-Ne thương phẩm

• Wavelength: 632.8 (543,5) [nm]• Output Power: 0.5-50 [mW]• Beam Diameter: 0.5-2.0 [mm]• Beam Divergence: 0.5-3 [mRad]• Coherence Length: 0.1-2 [m]• Power Stability: 5 [%/Hr]• Lifetime: >20,000 [Hours]

18

Ứng dụng

• Chuẩn tầm, chuẩn mức

• Ứng dụng y học

• Sử dụng làm nguồn kích thích trong phép đo phổ huỳnh quang

19

CO2 Laser

20

Giới thiệu

• Carbon dioxide laser (CO2 laser) do Kumar Patel tại Bell Labs phát minh năm 1964.

• Là một trong những laser được ứng dụng rộng rãi nhất

• Là một trong những laser liên tục có công suất lớn nhất hiện nay.

• Hiệu suất bơm khá cao: ~ 20%.• Phát vùng hồng ngoại, từ 9.4 đến 10.6 µm.

21

Các mode dao động của phân tử CO2

• Laser CO2 đầu tiên của C. Patel (1964) chỉ có khí CO2 thuần, năng lượng ra thấp.

• Phân tử CO2 là phân tử tạo chuyển dời laser, nhưng các khí phụ có thể trộn thêm để nâng cao hiệu suất.

• Laser CO2 tiêu chuẩn: môi trường hoạt tính là hỗn hợp khí CO2 + N2 + He. Tỷ lệ tối ưu giữa các thành phần khí phụ thuộc từng hệ laser riêng và cấu hính kích thích. Nói chung, một laser CO2 liên tục có tỷ lệ khí là

CO2:N2:He - 1:1:8

• CO2 là phân tử thẳng, 3 nguyên tử nằm trên cùng một trục thẳng, nguyên tử Carbon nằm giữa.

• Ba mode dao động của phân tử CO2:

- Co giãn đối xứng (Symmetric stretch mode): (ν1)

- Uốn (Bending mode): (ν2)

- Co giãn phi đối xứng (Asymmetric stretch mode): (ν3)

Oscillation Modes of CO2 Molecule

22

Nguyên lý hoạt động• Các chuyển dời phát laser:

– Chuyển dời từ mức laser trên (co giãn phi đối xứng) xuống mức dưới (mode co giãn đối xứng): 10.6 μm.

– Chuyển dời từ mức laser trên (co giãn phi đối xứng) xuống mức dưới (mode uốn): 9.6 μm.

• Đảo lộn mật độ xảy ra khi: – Các điện tử do dòng phóng điện

khí sinh ra, kích thích chuyển động của N2. Các phân tử N2 có các mức năng lượng kích thích siêu bền.

– Sự va chạm truyền năng lượng giữa N2 và CO2 có hiệu suất đủ cao để các phân tử CO2 được bơm lên các mức kích thích dao động, và tạo ra đảo lộn mật độ giữa các mức laser của CO2.

Energy Level Diagram of N2 and CO2 in Laser- laser 4 mức

Mỗi mức năng lượng dao động có nhiều mức quay. Các chuyển dời có thể xảy ra giữa các mức dao động với các mức quay khác nhau, vì vậy có nhiều vạch laser xung quanh các chuyển dời giữa các mức quay chính.

23

Các đặc điểm của laser CO2

• Công suất cao. Các laser CO2 CW (liên tục) thường có công suất > 10,000 watts.

• Phổ ra: hồng ngoại (Infra-Red, IR): 9-11 mm. • Hiệu suất rất cao: tới 30%. • Có thể hoạt động cả chế độ xung và liên tục. • Công suất trung bình: từ 75 W (khí luân

chuyển chậm) tới ~hàng trăm W (khí chảy nhanh).

• Dễ hoạt động, khí không độc hại.

24

Các loại laser CO2

• Ba loại chính: – Khí lưu chuyển (xả liên tục) (Flowing CO2 laser): công

suất cao hàng trăm W– Khí đóng kín (thỉnh thoảng phải đổi khí mới) (Sealed

off CO2 laser ): công suất thấp (vài trục W)– Loại mới: vỏ bình là kim loại và bơm bằng sóng radio

(RF)

Phóng điện ngang ở áp suất thấp (TE)

Phóng điện ngang ở áp suất khí quyển (TEA)

Phóng điện dọc

25

Cấu tạo

Loại khí chảy:• Các khí thành phần được

trộn với nhau trong BCH trong khi chảy qua bình

• Cần bơm chân không

Loại khí đóng:• Các khí thành phần được

trộn sẵn với nhau trong bình

• Không có bơm chân không

26

Ứng dụng• Laser CO2 năng lượng cao

được ứng dụng nhiều trong công nghiệp cắt, hàn.

• Laser CO2 năng lượng thấp được dùng trong quang khắc.

• Đặc biệt được ứng dụng rộng rãi trong y học (bởi vì hơi nước trong tế bào sinh học hấp thụ tốt bước sóng của laser CO2. – laser surgery – skin resurfacing ("laser

facelifts") – dermabrasion

• Được ứng dụng nhiều trong quân sự và LIDAR (do khí quyển hầu như truyền qua tòan bộ ánh sáng laser CO2).

27

Nitrogen Laser

Laser khí Nitơ

28

Nội dung

• Giới thiệu

• Nguyên lý hoạt động

• Đặc điểm cấu tạo

• Các ứng dụng

29

Giới thiệu

• Laser Nitơ (Nitrogen laser) do H.G. Heard phát minh lần đầu năm 1963 và trở thành thương phẩm từ 1972

30

Nguyên lý hoạt động

• Môi trường hoạt tính: khí Nitơ áp suất từ 20 ÷ 760 torr (1At).

• Cấu hình ống khí: lưu chảy (gas flows), bình kín (sealed tube).

• Cơ sở hoạt động: chuyển dời giữa các mức năng lượng dao động của phân tử Nitơ, được kích thích nhờ phóng điện qua thể tích khí.

Energy level diagram of Nitrogen

Transitions between vibration energy levelsElectrically excited

Cần bơm (kích thích) cho mức laser trên với tốc độ rất nhanh: bơm xung (sườn lên < 20ns)

31

Đặc điểm

• Bức xạ vùng tử ngoại (UV region): 337.1 nm. • Rất dễ hoạt động, không đắt tiền.• Độ khuếch đại một lần truyền cực lớn, không cần

gương phản xạ tạo BCH• Laser phát siêu bức xạ (superradiant laser)• Công suất xung rất cao, có thể tới vài Mega-Watts. • Tần số xung: tới kHz - bị giới hạn bởi hiệu ứng nhiệt. • Chiều dài xung: tới 10 ns. • Năng lượng một xung: vài mJ. • Phổ tương đối rộng: ~ 0,1 nm (do chuyển dời từ các

mức điện tử - dao động xuống các mức điện tử - dao động của N2)

• Hiệu suất : khoảng 0.1 %.

32

Cấu tạo laser TE N2

• Loại áp suất thấp:– Cần bơm chân không. – Độ rộng xung từ 5- 10ns– Tiết diện ngang từ 10mm - 2mm.

• Loại áp suất khí quyển (TEA-Transverse Electrical-discharge at Atmospheric pressure, 760 Torr): – không cần bơm chân không – Tiết diện ngang từ 1,5 mm – 3 mm– Thời gian phóng điện: nhỏ hơn 10 lần so với loại 1.

33

Cấu tạo

Cấu tạo của một laser nitơ phóng điện ngang (TE-Nitrogen-laser)

34

Hình ảnh kênh phóng điện

35

Cấu tạo của một bản tụ mỏng

36

Ứng dụng của laser Nitơ

• Bơm laser màu• Đo độ ô nhiễm khí• Quang phổ UV• Đo huỳnh quang vật liệu• Kiểm tra mẫu không phá hủy• Đo các quá trình cực nhan

(Chuẩn thời gian cực nhanh và ion hóa trong buồng nhấp nháy đếm hạt cơ bản trong các máy gia tốc)

• Y học

37

Laser Hơi Kim Loại• Laser hơi kim loại: môi trường hoạt tính là hơi của

các nguyên tử kim loại.

Có 2 loại khác nhau: • Laser hơi nguyên tử kim loại trung hòa (Neutral

metal vapor lasers), gồm có: – Laser hơi Đồng Copper vapor laser (CVL). – Laser hơi Vàng Gold Vapor Laser (GVL).

• Laser hơi nguyên tử kim loại bị ion hóa: – Laser Helium-Cadmium (He-Cd) Laser.

Các laser hơi kim loại đều hoạt động vùng khả kiến ở chế độ xung nhanh, hiệu suất cao

38

Laser hơi Đồng

39

Laser Hơi Đồng• Laser hơi đồng (CVL) được phát minh

năm 1966 và thương mại hóa từ 1980. • Là một laser có sức hấp dẫn lớn do:

Hiệu suất tương đối cao (up to 1%) trong vùng khả kiến, và công suất xung cao.

• Cấu trúc: – Ống phóng chứa một khí trơ (Ne,

25-50 torr) và một lượng nhỏ đồng tinh khiết.

– Để làm cho đồng bay thành hơi: kim loại cần được nung tới nhiệt độ rất cao (vỏ ống thường chế từ Alumina or Zirkonia là loại vật liệu chịu nhiệt).

40

Nguyên lý hoạt động-Nhiệt độ hóa hơi của Cu là 10830C. Hơi đồng được tạo ra trên điểm hóa hơi có nồng độ đủ cho hoạt động laser.

- Khi có đánh thủng điện tích do điện áp cao giữa các điện cực, nhiệt độ tăng làm nóng chảy và bay hơi đồng trong ống. Khi đó áp suất hơi đồng khoảng 0.1 Torr và nhiệt độ thành ống cỡ 1400-15000C.

- Các điện tử chuyển động với gia tốc lớn giữa 2 điện cực cao áp, va đập vào các nguyên tử Cu, kích thích chúng lên các mức (2) năng lượng laser trên.

- Khi laser hoạt động, chỉ một tỷ lệ nhỏ các nguyên tử đồng được ion hóa, chúng chuyển động giữa các đầu ống và do va chạm với thành ống, nhiệt độ hơi đồng giảm đi, và đồng lại trở về trạng thái kim loại (rắn). Như vậy, thể tích hơi đồng giảm. Để duy trì, sau vài trăm giờ hoạt động phải được lượng đồng mới vào.

Sơ đồ 3 mức

41

Đặc điểm• Laser hơi đồng phát 2 bước sóng:

λ1 = 510.6 [nm] (Green),λ2 = 578.2 [nm] (Yellow)

• Laser hơi đồng chỉ hoạt động ở chế độ xung. vì:– Cả mức laser trên và dưới đều là siêu bền (meta-stable ) với

thời gian sống tới hàng trăm micro-seconds. – Do mật độ các mức năng lượng này tăng nhanh, laser sẽ dừng

hoạt động chỉ trong một thời gian ngắn (khi điều kiện đảo lộn không còn).

– Sau khi ngừng phát laser, các nguyên tử ở mức năng lượng bên dưới hồi phục về trạng thái cơ bản do va chạm với thành bình.

– Khi đó laser lại có thể phát xung mới– Thời gian mỗi xung laser cỡ < 100 ns - 0.1 msec.

• Có độ khuếch đại rất cao, có thể phát laser không cần BCH• Hiện nay đang có những nghiên cứu về laser hơi đồng nhiệt độ thấp

hơn 4000C nhờ sử dụng muối Đồng (ví dụ như CuCl).

42

Ứng dụng của CVL

1. Nguồn bơm cho các laser màu Dye lasers (xung) 2. Nguồn sáng trong kỹ thuật chụp ảnh tốc độ cao (do

bước sóng khả kiến, xung cực ngắn, tần số rất cao) 3. Giám định pháp y (hiện vân tay, dấu vết đặc biệt

nhờ huỳnh quang)4. Trị liệu Quang động học (Photo-Dynamic-Therapy,

PDT) )– Phá hủy chọn lọc các tế bào nhờ dùng các thuốc đặc

hiệu hấp thụ bước sóng laser hơi đồng. 5. Làm giàu Uran (Enrichment of Uranium, U235)

43

Laser Hơi vàng

William T. Silfvast, “Laser fundamental” 2nd edition, Cambridge

44

Giới thiệu

• Laser hơi vàng (Gold Vapor Lasers) tương tự như laser hơi đồng (Copper Vapor laser) cả về nguyên lý cũng như cấu trúc.

• Hai loại laser này có thể dùng chung một hệ thống ống phóng và nguồn điện, chỉ cần thay các kim loại đưa vào (đồng hay vàng).

• Bước sóng laser (đỏ): 628 [nm]. • Ứng dụng:

– điều trị ung thư bằng liệu pháp quang động học (Photo-Dynamic Therapy - PDT).

– Phân tách đồng vị, làm giàu uranium

45

PDT-Quang động học trị liệu• Shown is close up of surgeons' hands

in an operating room with a "beam of light" traveling along fiber optics for photodynamic therapy. Its source is a laser beam which is split at two different stages to create the proper "therapeutic wavelength". A patient would be given a photo sensitive drug (photofrin) containing cancer killing substances which are absorbed by cancer cells. During the surgery, the light beam is positioned at the tumor site, which then activates the drug that kills the cancer cells, thus photodynamic therapy (PDT).

from cancer.gov http://visualsonline.cancer.gov/details.cfm?imageid=2340

46

Laser Eximer

Laser excimer hoạt động ở chế độ áp suất cao và kích thích bằng xung, trục quang học của laser vuông góc với hướng dòng chảy và dòng điện

47

Giới thiệu

• Laser Excimer: một loại laser có môi trường hoạt tính đặc biệt

• Excimer: là một loại phân tử chỉ tồn tại ở trạng thái kích thích.

• Trong trạng thái cơ bản: các phân tử này bị phân ly thành các nguyên tử thành phần.

• Trạng thái kích thích có thời gian sống cực ngắn, < 10 ns.

• Excimer là viết tắt từ exited dimer, tức là phân tử gồm 2 nguyên tử chỉ tồn tại ở trạng thái kích thích.

• Đôi khi còn gọi là laser "Exiplex“ (laser phức).

48

Historic Development of Eximer Lasers

• Do các nhà bác học Liên Xô cũ phát minh năm 1971 (Basov, Danilychev, và Popov).

• Laser đầu tiên đó phát bức xạ cưỡng bức tại bước sóng 172 [nm] từ khí Xe2 (dimer) ở nhiệt độ thấp, bơm bằng chùm điện tử.

• Laser Excimer khí hiếm đầu tiên là dùng halogen (XeBr) năm 1975 do Searl và Hart phát minh.

49

Nguyên lý hoạt động

Energy levels in the Excimer Laser

R là nguyên tử khí hiếm (Ar, Kr, Xe)

H là halogen (F2, Cl2, Br2, HCl, NF3)

Chỉ trong giếng thế (potential well) ở trạng thái kích thích mới tồn tại các phân tử RH* (thời gian sống~10 ns)

Ở trạng thái cơ bản: các nguyên tử R và H* phân ly.

Các điện tử được gia tốc trong buồng phóng khí: truyền năng lượng cho các phân tử khí bằng va chạm.

Các phân tử khí hiếm và halogen bị phá vỡ và tạo ra các phân tử phức ở trạng thái kích thích.

50

Nguyên lý hoạt động

Cơ chế hoạt động của Laser excimer

e + Kr = Kr* + e hoặc e + Kr = Kr+ + 2e

Các điện tử e va chạm với các nguyên tử Kr truyền năng lượng

Hiện tượng tương tự đối với phân tử Flo

e + F2 = F + F- + eKết quả là

Kr+ + F- + buffer = KrF* +buffer

Nhận xét: loại laser này dễ dàng tạo được nghịch đảo độ tích lũy vì không tường minh trạng thái laser dưới nhưng sự mất mát năng lượng khá lớn vì thời gian tồn tại của phân tử là rất ngắn → yêu cầu tốc độ bơm cao

51

Nguyên lý hoạt độngHệ số tăng trưởng của môi trường

[ ] )()/()( ϖσϖα kkii NggN −=Trong đó s(w) là tiết diện hấp thụ liên quan đến hệ số chuyển

dời tự phát Aik

kikAd

τλλϖϖσ

ϖ

ϖ

22 )2/()2/()(

2

1

==∫

52

Đặc điểm

• Thành phần hỗn hợp khí:– Rất ít halogen (0.1-0.2%).

– Ít khí hiếm (Argon, Krypton hoặc Xenon). – Nhiều khí đệm (Ne, hoặc Helium): 90%

Các nguyên tử halogen có thể hình thành từ các đơn phân tử (F2, Cl2, Br2) hoặc đa phân tử (HCl, NF3.) Ưu điểm của việc sử dụng các halogen hỗn hợp: chúng có hoạt tính hóa học mạnh (nhất là các Fluorine): hiệu suất laser cao.

Hiệu suất cao: không cần BCH, hay chỉ cần 1 gương 100%

Cần kích thích nhanh và mạnh (100 kW - MW/cm3): cấu trúc TEA

Lưu ý: chú ý an tòan vì hoạt động với các khí độc

53

Đặc điểm (tiếp)

• Laser Excimer lasers phát vùng tử ngoại.

• Bức xạ chỉ phát trong thời gian xung ngắn.

• Độ rộng xung: pico-giây đến micro-giây (10-12-10-6 se]).

• Áp suất khí trong buồng: cao, 1-5 At.

• Hiệu suất laser trung bình: ~vài %.

54

Các laser Excimer phổ biếnExcimer Laser Wavelengths [nm]

ArCl 175

ArF 193

KrF 248, (275)

Xef 351, 353, (460)

KrCl 222, (240)

XeCl 308, 351

XeBr 282, (300)

55

Ứng dụng

• Do có năng lượng photon lớn, laser Excimer là công cụ tuyệt vời để cắt các loại vật liệu (cutting)

• Photolithography (chính xác tới micron)

• Vi phẫu tế bào sinh học

• Y học: khoa mắt (sửa khuyết tật thị giác)

• Đánh dấu bề mặt (quang khắc)

56

PRK (Photorefractive Keratectomy)- chữa tật khúc xạ mắt bằng laser

• Photorefractive keratectomy (PRK) is a procedure in which the surface of the cornea is reshaped by an ophthalmologist using an Excimer laser. PRK may be used to treat myopia (nearsightedness), hyperopia (farsightedness), or astigmatism. PRK does not involve creation of a corneal flap utilizing the microkeratome, and therefore, the protective superficial layers of the cornea must heal post-operatively. This generally means that patients who undergo PRK will require significantly more time than LASIK patients to achieve their best vision.

57

LASIK (Laser Assisted In-Situ Keratomileusis) – phẫu thuật giác mạc

• LASIK (Laser assisted in-situ keratomileusis) is a refractive surgical procedure that results in rapid recovery of vision and has the capability to benefit patients with nearsightedness, farsightedness, and astigmatism by reducing dependence on eyeglasses and contact lenses.

• Millions of people worldwide have already undergone this exciting and marvelous procedure. Nearly a million people in the U.S. underwent LASIK in 1999 and approximately 1.3 million underwent the procedure in 2000.

• The great majority of individuals who wear glasses or contacts may now benefit from LASIK. Candidates must be at least 18 years of age.

58

Solid State Lasers

Laser Rắn

59

Giới thiệu• Laser rắn:

– môi trường hoạt tính là chất rắn– Bơm quang học (Optical Pumping)– Các phân tử, nguyên tử trong chất rắn nằm sát nhau (so với chất khí)

nên tương tác với nhau mạnh, do đó, vùng phổ hấp thụ và bức xạ rộng hơn nhiều so với chất khí. Như vậy, có thể dùng các nguồn sáng phổ biến làm nguồn bơm có phổ bức xạ rộng .

• Bơm quang học (Optical Pumping): các photon từ nguồn sáng chiếu vào môi trường hoạt tính, truyền năng lượng kích thích cho các tâm hoạt tính.

• Hai loại nguồn sáng phổ biến trong bơm quang học laser rắn: – Phổ điện từ băng rộng (đèn Flash lamps, đèn hồ quang,…) – Phổ điện từ băng hẹp (các laser khác).

60

Cấu trúc của môi trường hoạt tính trong Laser rắn

• Các ion tạp được đưa vào mạng (thay thế các nguyên tử nền), các mức năng lượng tham gia vào quá trình phát laser là của các ion pha tạp. Nền không ảnh hưởng nhiều lên cấu trúc mức năng lượng. Do đó, cùng loại ion pha tạp trong những nền khác nhau nói chung đều phát bước sóng gần như nhau.

• Các đặc tính quang học của laser về cơ bản do ion pha tạp quyết định.

• Nói cách khác, các đặc tính vật lý của môi trường hoạt tính (như độ dẫn nhiệt, độ giãn nở nhiệt) là do nền rắn quyết định.

• Như vậy, nền rắn sẽ xác định mức công suất cực đại mà laser có thể phát được, còn ion pha tạp quyết định bước sóng bức xạ laser phát ra.

61

Bố trí đèn bơm và thanh hoạt tính

Methods of Optical Pumping of Solid State Lasers

62

Phổ hấp thụ của môi trường hoạt tính

Absorption spectrum of Ruby Absorption spectrum of Nd:YAG

Hai vùng hấp thụ (để bơm) quan trọng nhất: 730-760nm và 790-820nm.

Các vùng hấp thụ khác: nằm gần UV nên nếu bơm bức xạ có bước sóng vùng này có thể làm nóng môi trường khuếch đại. Các hệ KĐ không dùng các bước sóng vùng này để bơm

Hai đám hấp thụ rộng quanh 400nm và 550nm.

Các nguồn bơm có bức xạ trong miền phổ blue-green sẽ bơm laser Ruby hiệu quả nhất.

63

Ruby Laser

64

Giới thiệu• Ruby laser was the first man

made laser, which was build by Theodore Maiman in 1960.

• Ruby is a synthetic crystal of Aluminum Oxide (Al2O3), and is more familiar in daily life as a precious stone for jewel.

• The chemical structure of Ruby is of Al2O3 (which is called Sapphire), with impurity of about 0.05% (by weight) of Chromium Ions (Cr+3).

• The active ion is Cr+3, which replace Al atom in the crystal. This ion causes the red color of the crystal. The impurity ion of Cr+3 is responsible for the energy levels which participate in the process of lasing.

65

Nguyên lý hoạt động• The energy level diagram of a Ruby laser is

described in figure • This system is a three level laser with lasing

transitions between E2 and E1. The excitation of the Chromium ions is done by light pulses from flash lamps (usually Xenon).

• The Chromium ions absorb light at wavelengths around 545 [nm] (500-600 [nm]). As a result the ions are transferred to the excited energy level E3. From this level the ions are going down to the metastable energy level E2 in a non-radiative transition. The energy released in this non-radiative transition is transferred to the crystal vibrations and changed into heat that must be removed away from the system.

• The lifetime of the metastable level (E2) is about 5 [msec].

• Ruby laser has another absorption band which can be used for pumping, in the spectrum range: 350-450 [nm].

• It is difficult to achieve continuous operation of a Ruby laser since it is a three level laser. However, in 1962, by using very intensive pump, using arc lamp with high pressure Mercury vapor, a continuous wave Ruby laser was build.

Energy Level Diagram of Cr3+ in Ruby Laser

66

Ứng dụng

67

Summary of the Ruby Laser According to Classification into Groups

• A solid state laser.

• Emit radiation in the red range of the visible spectrum.

• Optically pumped.

• The radiation is emitted as pulses.

• A three level laser.

68

Nd Laser

69

Giới thiệu• In Nd laser Nd+3 ions (as impurities of up to a few percent by weight) are replacing the

atoms of the solid host in the active medium. • Three known solid hosts are used for Nd-YAG laser where Nd+3 ions are added as

impurities: • Glass. • YAG (Yttrium Aluminum Garnet) Crystal. • YLF (LiYF4) Crystal. • The choice between the three possible hosts is according to the intended use of the

laser: • Glass is used as the host material when a pulsed laser is needed, with each pulse at

high power, and the pulse repetition rate is slow. • The active medium of Nd-Glass Laser can be manufactured in a shape of disk or rod,

with diameters of up to 0.5 meter (!) and length of up to several meters (!). Such dimensions are possible because glass is isotropic material, cheap, and can be easily worked to the right shape. High percentage (up to about 6%) of Nd ions can be added to glass as impurity.

• The problem with glass as a host is its poor thermal conductivity. Thus cooling the laser when it operates continuously or at high repetition rate is difficult.

• YAG crystal is used for high repetition rate pulses (more than one pulse per second). In this case a large amount of heat need to be transferred away from the laser, and the thermal conductivity of the YAG crystal is much higher than that of glass. YAG crystal with the high quality needed for lasers can be made with diameters of 2-15 [mm] and at lengths of 2-30 [cm].

• The price of a YAG laser rod is high, since growing crystals is a slow and complicated process.

• The percentage of Nd ions in the YAG host is 1-4% by weight.

70

Giới thiệuCác laser rắn và ứng dụng

71

Thanh laser

72

Đèn bơm

73

Nguyên lý hoạt động• Laser Nd là laser 4 mức. • Nd ions have two absorption

band, and excitation is done by optical pumping, either by flash lamps for pulsed lasers, or by arc lamps for continuous wave lasers.

• From these excited energy levels, the Nd ions are transferring into the upper laser level by a non radiative transition.

• The stimulated emission is from the upper laser level to the lower laser level, and the wavelengths of the emitted photons are around 1.06 [mm].

• From the lower laser level, a non-radiative transition to the ground level.

Energy Level Diagram of Nd3+ in Nd-YAG Laser

74

Cơ chế bơm

75

Cấu tạo một laser Nd:YAG

76

Các ưu điểm chính

77

Ứng dụng

78

Summary of Nd lasers according to groups:

• Solid state laser.

• Emit in the Near-Infra-Red (NIR) spectrum range.

• Optically pumped.

• Operate in both pulsed and continuous mode.

• Four level laser.

79

Hệ laser Nd (Shiva laser – 20 chùm)

- a powerful 20-beam infrared neodymium glass (silica glass) laser built at Lawrence Livermore National Laboratory in 1977

- the laser's multi-beamed structure used of amplifiers made of Nd:glass slabs

- the beamlines were about 30 m long

80

Hệ laser Nd (NOVA – 10 chùm)

- The NOVA laser at Lawrence Livermore National Laboratory

- The view of 5 beams of the 10 beam NOVA laser are shown shortly after the laser's completion in 1984.

81

Dye Laser

Laser Màu

82

Giới thiệu 1965 Peter P. Sorokin và J. R. Lankard; 1966, F. P. Schapfer, B. I. Stepanov, ..

chế tạo nên các laser màu đầu tiên

môi trường hoạt tính là các vật liệu màu hữu cơ pha trong các dung môi, hoạt động trong vùng từ 311 – 1300 nm, ở chế độ băng rộng hay băng hẹp, xung hay liên tục.

Đặc điểm nổi trội nhất của laser màu - khả năng điều chỉnh bước sóng trong miền phổ rộng với độ đơn sắc cao (cỡ 10-3Å). Là ứng dụng lý tưởng cho kỹ thuật lọc lựa, nghiên cứu cấu trúc vi mô, siêu tinh tế của nguyên tử, phân tử.

• Laser màu được coi là một thiết bị đặc biệt biến đổi bức xạ điện từ từ 1 bước sóng thành các bước sóng khác nhau (có thể thay đổi được).

• Tín hiệu ra của laser màu thường là bức xạ kết hợp có khả năng quét trong 1 vùng phổ nào đó (do chất màu quyết định).

• Hiện nay có hàng trăm chất màu đã được tổng hợp, cho phép phát laser trực tiếp từ vùng tử ngoại tới vùng hồng ngoại

83

Phổ hoạt động của một số chất màu laser

Vùng phổ hoạt động của laser màu

Năn

g lư

ợ ng t

ỉ đ ố i

84

85

Phân tử màu hữu cơ

Rhodamin B Acid Blue 120

86

Active Medium and Energy Levels in Dye Laser

• Phân tử màu là phân tử hữu cơ chứa một số lớn các cấu trúc mạch vòng phát quang. Môi trường hoạt chất của laser màu là chất màu hữu cơ đượchòa tan trong dung môi.

• Bởi vì tương tác cấu trúc các mức năng lượng của chất màu hữu cơ là một băng rộng do các mức dao động, phổ huỳnh quang của loại môi trường này là một băng rộng. Absorption Spectrum (solid line) and

Emission Spectrum (dashed line)of Rhodamin 6G in Methanol• Các phân tử màu hữu cơ hấp thụ và bức xạ trong

một vùng phổ rộng. Toàn bộ các dịch chuyển trong dải năng lượng tạo thành một vùng bước sóng liên tục.

• Thực tế là dải năng lượng rộng này do thời gian sống trên trạng thái kích thích rất ngắn gây nên vì hai nguyên nhân:

– Tồn tại một số dịch chuyển laser khả dĩ– Số va chạm giữa các phân tử màu trong dung

dịch là khá lớn nên sự truyền năng lượng do va chạm gây nên sự suy giảm nhanh của trạng thái kích thích.

87

Phân tử màu Pyrromethene 576

- phổ hấp thụ : đường liền nét - phổ huỳnh quang : đường chấm chấm

88

S0

S1

T2

T1

E(eV)

τnr≈ps

S2

Lân quang, τph≈µs

Bức xạτsp≈ns

Hấp thụ

Cấu trúc năng lượng và các chuyển dời quang học của phân tử màu – nguyên lý hoạt động của laser màu

Energy Level Diagram of Dye Laser with Singlet and Triplet levels

89

S0

S1

νe

n2

n4

S00

S0υ

S1υ

S10

r

E

S1

S0

n1

n3

Cơ chế làm việc của laser màu với sơ đồ 4 mức và các dịnh chuyển theo nguyên lý Franck-Kodon

Bức xạ νl

τsp≈nsHấp thụ νP

90

M1M2

Laser màu

M1

M2

M1 M2

Laser bơm

Laser bơm

Laser màu

Laser bơm

Laser bơm

Cuvette

Cuvette

Cuvette

• Bơm quang học cho laser màu:

Đèn xung và các loại laser khác nhau.

Phổ bức xạ nguồn bơm phù hợp với phổ hấp thụ của chất màu.

Sơ đồ bơm dọc

bơm ngang

bơm nghiêng

Laser màu

91

Những yêu cầu của một laser màu phân tử màu

• Độ hấp thụ cao tại bước sóng kích thích.

• Suy giảm từ dải kích thích về dải cơ bản nhanh.

• Xác suất dịch chuyển từ vùng thấp của trạng thái kích thích đến trạng thái kích thích thấp hơn phải nhỏ.

• Hấp thụ kém tại bước sóng phát xạ.

92

Sơ đồ laser màu phát - khuếch đại sử dụng 1 nguồn bơm đồng bộ

93

Laser màu bơm bằng laser N2

94

Tuning a Dye laser

• Lựa chọn bước sóng laser màu mong muốn được thực hiện bằng lăng kính hoặc cách tử tại gương sau của buồng cộng hưởng laser– Fig a: tuning with a

prism.– Fig b: tuning with a

grating.

Tuning a Dye Laser with a Prism

Tuning a Dye Laser with a Grating

95

Advantages of Dye Laser

• Dung dịch màu bản chất là mở rộng đồng nhất, • Dễ dàng thay đổi chất màu dùng làm môi trường

hoạt chất do đó dễ dàng thay đổi bước sóng phát laser.

• Môi trường chất lỏng được luân chuyển liên tục do đó qua trình làm lạnh laser rất dễ dàng.

• Đặc trưng phổ của bức xạ laser màu ra là : – Vạch phổ rất hẹp.

– Xung rất ngắn.

96

Disadvantages of Dye Laser• Most dye lasers use liquid as the active medium, which

complicate maintenance of the laser. • The excitation is done by another laser, which complicate the

system. • Short dye lifetime. Dye quality degrade with time, and need to be

changed. • Continuing operating expenses (laser liên tục khá đắt) • Potentially toxic (poisonous) chemicals (hoá chất khá độc).• Volatile solvents (dung môi dễ bay hơi) • Hazardous waste disposal (chất màu thải loại khá nguy hại).

In recent years, Solid State Dye Lasers are being developed. By embedding the dye molecules in a solid matrix, the

disadvantages of the liquid are eliminated.

97

Applications of Dye Laser• The main use of continuous wave Dye laser is to reduce the

bandwidth (linewidth) of the electromagnetic radiation. It is possible to pump a Dye laser with another laser, and the output linewidth from the Dye laser will be up to 1% of the pump laser, while maintaining about 70% of the original energy. The result is a tunable laser with a very narrow linewidth. Best published results are linewidth of 100[Hz] at a wavelength of 1015 [Hz], a ratio of 1:1013.

• It is very easy to get very short pulses out of a Dye laser. Best result are pulses of 10-14 [sec] for research.

• In medicine - Dye lasers are used for destroying tumors which have selective wavelength dependent absorption.

• In medicine - for Photo-Dynamic Therapy (PDT) • In medicine - for destroying kidney stones by shock waves

created by the short pulses.

98

Một số kiểu phân loại laser màu

• Môi trường hoạt tính: lỏng.

• Vùng phổ hoạt động: hầu hết là khả kiến.

• Bơm (kích thích): thường bằng laser khác.

• Chế độ hoạt động: xung hoặc liên tục (phụ thuộc cơ chế bơnm và cấu trúc laser).

• Laser 4 mức.

• Laser bước sóng điều chỉnh được.

99

Một số hình ảnh laser màu bơm ngang

Rhodamin 6G Rhodamin B

100

Free electron laser

Laser điện tử tự do

101

History of Development of Free Electron Laser

• Laze điện tử tự do (FEL) được phát minh bởi J.M.J. Madey năm 1971

• Đó là nguồn sáng kết hợp rất “uyển chuyển”.• Do khả năng điều chỉnh bước sóng rộng và độ

chói cao, chúng đang có nhiều ứng dụng.• Các hệ laze FEL (ĐTTD) bao gồm một hệ gia

tốc điện tử, một bộ biến điệu trong đó các điện tử có thể phát ra bức xạ gia tốc và một buồng cộng hưởng quang học.

102

Đặc điểm chung

Laser gain medium and type

Operation wavelength (s) Pump source Applications and notes

Free electron laser

A broad wavelength range (about 100 nm - several mm); one free electron laser may be tunable over a wavelength range

relativistic electron beam

atmospheric research, material science, medical applications.

103

Sơ đồ cấu tạo một laser ĐTTD

Schematic of a free electron laser

Parts of Free Electron Laser The electromagnetic radiation in a Free Electron laser is created as a result of the interaction of three factors:

1. Beam of high energy electrons, which move at a speed close to the speed of light.

2. Beam of electromagnetic radiation moving in the same direction as the beam of electrons.

3. Magnetic field which is arranged in periodic manner in space (see figure). Such magnetic field is formed by a series of magnets where each neighbors are opposite in direction. Such arrangement is called Wiggler or Undulator .

104

Nguyên lý hoạt động trong FEL

• A beam of free electrons is accelerated in a vacuum in a device called electron accelerator.

• Since these free electrons are not attached to any material (they are free …), they are not limited to specific energy transitions of the atoms or molecules. Thus, they can emit radiation at any wavelength.

105

Nguyên lý hoạt động trong FEL

• Trong một FEL một chùm electron tương đối tính được sinh ra bởi một accelerator truyền ngang qua trường (biến đổi) có chu kỳ bởi một nam châm gọi là undulator và trao đổi năng lượng với một điện từ trường.

• Do kết quả của trao đổi năng lượng: các electron được tăng năng lượng bắt đầu di chuyển nhanh hơn các electron trung bình, trong khi đó các electron bị mất năng lượng bắt đầu tụt hậu lại đằng sau electron trung bình. Chùm tia sau đó trở thành một bó chụm lại xét về quy mô các bước sóng bức xạ và chuyển động tập thể này của bó sóng phát ra một bức xạ gia tốc kết hợp cường độ rất mạnh. Công suất đỉnh tới Giga watt đã được tạo ra.

• Bước sóng của bức xạ phát ra tại chế độ cộng hưởng (trong BCH) phụ thuộc vào năng lượng và cường độ của các electron và phụ thuộc vào chu kỳ biên độ biến đổi của bộ biến điệu (undulator)

106

Principles of Operation of FEL Laser

107

Điều kiện cộng hưởng

λu là chu kỳ của undulator

γ là tham số tương đối

K là tham số biến điệu (tỷ lệ thuận với

từ trường trong undulator)

108

FEL và SASE FEL

109

Một số kiểu laser FEL

110

Applications of Free Electron Laser

• Most of the promised applications of Free Electron laser are military applications. Thus, most of the research on the subject was done in the National Research Laboratories at the US and the Soviet Union.

• Today, the main civilian applications are for medical purposes, because of the tunability of the wavelength, and the adaptability to the wavelength specific interaction of the electromagnetic radiation with the biological tissue.

• To operate a Free Electron laser, an electron beam is accelerated to very high velocities close to the speed of light (relativistic electrons). For this, very high currents (thousands of Amperes) and very high voltage (thousands of Volts) are used.

• Thus, the main disadvantages of the Free Electron laser are: – Big dimensions because of the electron accelerator. – High cost. – Hazards of x-rays created by the accelerated electrons.

111

Examples of achievements with Free Electron Lasers

• Peak power of 2 Mega-Watts at a wavelength of 2.5 [mm] in the university of Columbia.

• Peak power of 70 Mega-Watts at a wavelength of 4 [mm] in the American Navy laboratories.

• Peak power of 1 Giga-Watts at a wavelength of 8 [mm] in the US National laboratory at Livermore, with efficiency of 35% (!).

112

Hệ laser FEL tại Stanford

113

Hệ laser FEL tại Châu Âu

114

Hệ laser FEL tại Nhật

115

Semiconductor Laser(Diode Lasers)

Laser Bán dẫn

(Laser đi-ốt)

116

Giới thiệu• Các laser diode được làm từ vật liệu bán dẫn. Các đặc điểm điện tử của

chúng chính là đặc điểm của một diode điện tử. Do vậy, chúng còn có tên gọi là:

– Semiconductor Lasers - According to the composed materials. – Junction Lasers - Since they are composed of p-n junction. – Injection Lasers - Since the electrons are injected into the junction by the

applied voltage.

• Cả trong nghiên cứu và thương mại, các laser diode đã có những phát triển vượt bậc đáng kinh ngạc trong 20 năm cuối của thế kỷ 20.

• Hàng năm, số laser diode bán được trên thị trường là hàng triệu, trong khi các laser khác chỉ vài chục ngàn.

• Các laser diode được sử dụng vô cùng rộng rãi: Compact Discs, Laser Printers, Bar Code Scanners in retail stores and Optical communication.

• Lịch sử phát triển: – Các laser diode được phát minh một cách độc lập ở ba phóng thí nghiệm khác

nhau tại Mỹ, năm 1962.

– The researchers succeeded in getting a coherent electromagnetic radiation from a forward biased diode (p-n junction) made from the semiconductor GaAs.

117

Laser Action in a Semiconductor Laser

• When type "p" semiconductor is attached to type "n" semiconductor, we get a:

p-n junction• This junction conducts electricity in a

preferred direction (forward biased). This directional increased conductivity is the common mechanism for all the diodes and transistors in electronics.

• Figure displays the energy bands of an ideal p-n junction without any external voltage applied to it.

This arrangement of the energy bands in the junction is the basis for the diode laser action.

• The maximum energy level occupied by electrons is called Fermi Level. When the positive contact of the voltage is connected to the p side of the p-n junction, and the negative voltage is connected to the n side, current is flowing through the p-n junction. This connection is called Forward Biased Voltage. When the reverse polarity is connected, it is called Backward Biased Voltage, and it cause an increase of the potential barrier between the p side and the n side. Thus preventing the current flow through the p-n junction.

Energy levels in a p-n junction which is not attached to a voltage

118

Applying Voltage over p-n junction

• When voltage is applied across the p-n junction, the population of the energy bands changes. Voltage can be applied to the junction in two possible configurations:

1. Forward Biased Voltage - means that the negative pole of the voltage is connected to the "n" side of the junction, and the positive side is connected to the "p" type semiconductor, as shown in figure

• Forward biased voltage creates extra charge carriers in the junction, lowers the potential barrier, and causes injection of charge carriers, through the junction, to the other side. When an electron from the conduction band in the "n" side is injected through the junction to an empty "hole" in the valence band on the "p" side, a process of Recombination of (electron + hole) takes place. As a result of this recombination process, energy is released. For diode lasers we are interested in the specific cases when this energy is released in the form of laser radiation. A sharp increase in conductivity occurs when the forward bias voltage is approximately equal to the semiconductor energy gap.

2, Reverse (Backward) Voltage - which causes an increase in the potential barrier of the junction, and lowers the possibility for an electron to cross the junction to the other side. Increasing the reversed bias voltage to high values (tens of volts), can cause a voltage breakdown (Avalanche) of the junction.

Energy band of a p-n junction which is attached to a forward bias voltage

119

Cấu tạo Laser Diode

• The basic structure of the layers of the simplest laser diode is shown in figure.

• These layers of semiconductor materials are arranged such that at the p-n junction an active region is created, in which photons are created by the recombination process. On the top and bottom layers, a layer of metal allows connecting external voltage to the laser. The voltage is applied to metal contacts above and below the semiconductor layers. The side of the crystalline semiconductor are cut to serve as mirrors at the end of the optical cavity.

Basic structure of a laser diode

120

Bức xạ Laser từ Diode Laser

• Figure describes the shape of the electromagnetic laser radiation for a simple laser diode built of layers

• The radiation comes out of a rectangular shape of a very thin active layer, and spreads at different angles in 2 directions.

Radiation profile out of a simple laser diode

121

I-V Curve of Diode Laser • Khi chưa đạt điều kiện nghịch đảo độ

tích lũy chỉ tồn tại bức xạ tự phát như LED Tăng dòng bơm→ đạt dòng ngưỡng(ví dụ hình bên)

• Dễ dàng nhận thấy độ dốc của bức xạ cưỡng bức nhanh hơn nhiều so với phát xạ tự phát (LED)

• Khi dòng ngưỡng là thấp, sự chuyển đổi năng lượng sang dạng nhiệt ít và sự chuyển đổi năng lượng sang laser lớn hơn (tăng hiệu suất laser). Thực tế thông số mật độ dòng trong laser bán dẫn là quan trọng tính theo đơn vị [A/cm2].

Output power from a diode laser as a function of input current

122

Dependence of diode laser parameters on temperature

• One of the problems of diode lasers is the increase in threshold current for lasing with the increase in temperature (µ T3).

– Operating laser diodes at low temperatures require lower currents.

– As current flows through the diode, heat is created.– If the heat dissipation is not adequate, the diode

temperature increases, and the required threshold current increases as well.

• Changes in temperature cause changes in the wavelength emitted from the diode laser. The change in wavelength with temperature is illustrated in figure. It is composed of 2 parts:

– A gradual increase in wavelength with increased temperature, until:

– A jump to another longitudinal mode occurs. This jump is called "Mode Hope"

• Because of temperature variations, special structures need to be designed for the diode lasers to achieve high power of continuous laser radiation.

Change in the diode laser wavelength with temperature

123

Different Structures of Diode Lasers

• A common construction now is a narrow stripe of the active layer (Stripe Geometry), confined on all sides (the sides as well as on top and bottom) with another material. This family of diode lasers is called Index Guided Lasers.

Examples of different laser structures for confining the laser light to a specific region

124

Diode Laser Packaging • The miniature sizes of diode

lasers, require special packaging to enable people to use them with comfort. There are many kinds of packaging, but the standard is similar to a transistor package, and includes in the package the basic collimating optics to create a useable beam (see figure).

• To get high power from diode lasers, special arrays of diode lasers were developed. These diode arrays emit synchronized radiation together, and output power of tens of watts is available. Although the radiation is emitted from many diode lasers, they are optically coupled such as it is possible to get coherent laser output out of these special lasers.

Packaging of a commercial Diode Laser

Cross Section of Packaging of a commercial Diode Laser

125

Advantages of diode lasers• Very high efficiency (more than 20% of the input energy is emitted as

laser radiation). • High reliability. • Very long lifetime (estimated more than 100 years of continuous

operation !). • Very cheap price - Diode lasers are fabricated using mass production

techniques used in the electronic industry. • Possibility to perform direct modulation of the emitted radiation, by

controlling the electric current through the p-n junction. The emitted radiation is a linear function of the current and can reach a modulation rate of tens of GHz (!).

An experimental system, using single mode optical fibers, transmits information at a rate of 4 [GHz], which is equivalent to a simultaneous transmission of about 50,000 phone calls in one fiber (each call occupies a frequency band of 64 [KB/s]).

• Small volume, and small weight. • Very low threshold current. • Low energy consumption. • Narrow spectrum band which can be a few kilo-Herz in special diode

lasers.

126

Special Optical Cavities in Diode Lasers

• The simplest optical cavity of a diode laser is made by cleaving the semiconductor crystal from which the laser is made at both ends of the laser. Cleavage creates a plane perpendicular to the plane of the active medium, so it is perpendicular to the laser axis.

• Because of the high refractive index (n» 3.6) of the semiconductor materials used for the fabrication of the diode lasers, the reflection from the cleaved edge of the crystal is about 30%. It is possible to change this reflection by using reflection coating on the surface. One type of coating is 100% reflection on one side of the diode laser.

• In some diode lasers the radiation emitted through the rear surface is used to monitor the laser output. A detector can be fabricated from the same semiconductor material as the laser, using the same fabrication process. Thus, the monitoring is direct and in real time, and can be used as feedback to control the laser output.

127

Special Optical Cavities in Diode Lasers (cont.)

• A different and more complicated cavity can be fabricated by using a grating near the active layer of the laser. Two main structures use gratings instead of a mirror at the end of the optical cavity (see figure):

• DFB = Distributed FeedBack Laser - in which the grating is distributed along the entire active medium. The wavelength of the grating determines the wavelength emitted from the laser. This laser emits radiation in a very narrow line spectrum.

• DBR = Distributed Bragg Reflector - in which the grating is outside the region of the active medium, in a place where no current flows (the passive part of the cavity).

Special Optical Cavities used to produce narrow emission Lines in a Diode Laser

128

Coupled Diode Lasers

There are special laser structures in which two lasers are optically connected.

The radiation emitted from one laser is transferred to the other laser, which is separately controlled by another current source.

Such lasers are called: C3 Diode Lasers = Cleaved Coupled Cavity Diode Lasers

Cleaved Coupled Cavity Diode C3 Laser

129

Một số laser bán dẫn thương mại

130

Summary of Diode Lasers

• Charge carriers in a semiconductor laser diode are both the free electrons in the conduction band, and the positive holes in the valence band.

• In a p-n junction, electrons can "fall" to the holes, which are lower energy states.

• Current passing through a p-n junction of a diode laser, causes both kinds of charge carriers (electrons and holes), to "combine" together in the junction, through a process of Recombination. Their energy is released in a form of photons of light. The energy of a photon is approximately equal to the energy of the energy gap.

• The energy gap is determined by the chemical composition of the diode laser, and by the crystal structure