Tieu Luan 1 (Luong)

M C L CỤ ỤI,Gi i thi u chung v Laser:ớ ệ ề ...............................................................................................1

II,C u t o c a Laser Diode:ấ ạ ủ ................................................................................................1

2.1 C u t o chung c a Laser :ấ ạ ủ .......................................................................................1

2.2 C u t o c a Laser diodeấ ạ ủ ..........................................................................................2

2.3 Khoang c ng h ng Fabry-Perot:ộ ưở .......................................................................3

III,Nguyên lý ho t đ ng c a Laser Diode :ạ ộ ủ ..................................................................4

3.1.Nguyên lý h p th , phát x t phát, phát x kích thích ánh sáng :ấ ụ ạ ự ạ ......4

a, Nguyên lý h p th :ấ ụ ....................................................................................................4

b,Nguyên lý phát x t phát :ạ ự .....................................................................................4

c,Nguyên lý phát x kích thích:ạ .................................................................................5

3.2.Môi tr ng đ o l n m t đ :ườ ả ộ ậ ộ ..................................................................................6

3.3 Khu ch đ i trong Laser:ế ạ ..........................................................................................7

3.4. Ch n l c t n s sóng:ọ ọ ầ ố ...............................................................................................8

K T LU NẾ Ậ ...............................................................................................................................10

I,Gi i thi u chung v Laser:ớ ệ ề

Laser ( Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) nghĩa là khu ch đ i ế ạ ánh sáng b ng ằ phát x kích thíchạ là m t trong nh ng ộ ữphát minh khoa h c quan tr ng nh t c a th k XX. T phát minh ra lý ọ ọ ấ ủ ế ỷ ừthuy t b c x kích thích c a Einstein năm 1917, đ n quan sát đ c ế ứ ạ ủ ế ượbawnhf th c nhi m b c x kích thích c a Fabricant, giáo s c a tr ng ự ệ ứ ạ ủ ư ủ ườĐ i h c năng l ng Moskva năm 1940, đã là c s đ Townes,nhà v t lý ạ ọ ượ ơ ở ể ậh c ng i Mỹ phát minh ra máy khu ch đ i sóng đi n t b ng b c x ọ ườ ế ạ ệ ừ ằ ứ ạkích thích.Tháng 2 năm 1960,Maiman đã ch t o ra Laser Rubi, Laser đ u ế ạ ầtiên trên th gi i và 4 tháng sau t c tháng 6 năm 1960,Javan đã ch t o raế ớ ứ ế ạ Laser khí He Ne. T đó b t đ u phát tri n nh ng nghiên c u và ng d ng ừ ắ ầ ể ữ ứ ứ ụLaser. Sau đó đã b t đ u xu t hi n thêm nhi u lo i Laser khác nhau.Tùy ắ ầ ấ ệ ề ạvào môi tr ng ho t ch t mà laser đ c chia làm các lo i :ườ ạ ấ ượ ạ

+Laser ch t l ngấ ỏ

+Laser ch t khíấ

+Laser ch t r nấ ắ

+Laser bán d nẫ

...

Đ n nay Laser đã đ c ng d ng r ng rãi trong h u h t các ngành ế ượ ứ ụ ộ ầ ếkhoa h c, đ i s ng và công ngh . Trong đó ng d ng quan tr ng nh t ọ ờ ố ệ ứ ụ ọ ấph i k đ n là trong thông tin quang. Laser tr thành ngu n phát quang ả ế ế ở ồquan tr ng nh t c a thông tin quangọ ấ ủ

II,C u t o c a Laser Diode:ấ ạ ủ

2.1 C u t o chung c a Laser :ấ ạ ủNguyên lý c u t o chung c a m t máy laser g m có: khoang c ng h ng ấ ạ ủ ộ ồ ộ ưởch a ho t ch t laser, ngu n nuôi và h th ng d n quang. Trong đó ứ ạ ấ ồ ệ ố ẫkhoang c ng h ng v i ho t ch t laser là b ph n ch y u.ộ ưở ớ ạ ấ ộ ậ ủ ế

Lê Đình L ng - M12CQDT01-bươ Page 1

Dòng phân cực thuận

Bề mặt nhám

Vùng lớp phủ

Vùng hoạt tính

Vùng lớp phủ

Ánh sáng phát ra

Ánh sáng phát ra

Hình 2.1 : C u t o chung c a Laserấ ạ ủ

Hình 2.1 là c u t o chung c a Laser, bao g m :ấ ạ ủ ồ

(1).Khoang c ng h ngộ ưở

(2).Ngu n nuôiồ

(3).G ng ph n x toàn ph nươ ả ạ ầ

(4).G ng bán mươ ạ

(5).Tia Laser

2.2 C u t o c a Laser diodeấ ạ ủ

Hình 2.2 C u t o c a Laser diodeấ ạ ủ

Laser diode là lo i Laser đ c ng d ng r ng rãi nh t trong công ngh ạ ượ ứ ụ ộ ấ ệthông tin quang


Laser diode có c u t o bao g m nhi u l p bán d n không đ ng nh t đ ấ ạ ồ ề ớ ẫ ồ ấ ểt o thành c u trúc d th kép và đ c c u t o d i d ng khoang c ng ạ ấ ị ể ượ ấ ạ ướ ạ ộh ng Fabry-Perot.ưở

Khoang c ng h ng là m t hình h p ch nh t sáu m t có kh năng giam ộ ưở ộ ộ ữ ậ ặ ảhãm photon và các h t t i đi n. Khoang c ng h ng có kích th c r t ạ ả ệ ộ ưở ướ ấnh , dài t 250 đ n 500ỏ ừ ế μm, r ng t 5 đ n 15ộ ừ ế μm và dày t 0.1 đ n ừ ế0.2μm.(Theo Tài li u thông tin quang nâng cao - TS.Hoàng Văn Võ)ệ

2.3 Khoang c ng h ng Fabry-Perot:ộ ưởKhoang c ng h ng ch a ho t ch t laser, đó là m t ch t đ c bi t ộ ưở ứ ạ ấ ộ ấ ặ ệ

có kh năng khuy ch đ i ánh sáng b ng phát x kích thích đ t o ra laser.ả ế ạ ằ ạ ể ạ Khi 1 photon t i va ch m vào ho t ch t này thì kéo theo đó là 1 photon ớ ạ ạ ấkhác b t ra bay theo cùng h ng v i photon t i. M t khác khoang công ậ ướ ớ ớ ặh ng có 2 m t ch n hai đ u, m t m t ph n x toàn ph n các photon ưở ặ ắ ở ầ ộ ặ ả ạ ầkhi bay t i, m t kia cho m t ph n photon qua m t ph n ph n x l i làm ớ ặ ộ ầ ộ ầ ả ạ ạcho các h t photon va ch m liên t c vào ho t ch t laser nhi u l n t o ạ ạ ụ ạ ấ ề ầ ạm t đ photon l n. Vì th c ng đ chùm laser đ c khu ch đ i lên ậ ộ ớ ế ườ ộ ượ ế ạnhi u l n. Tính ch t c a laser ph thu c vào ho t ch t đó, do đó ng i taề ầ ấ ủ ụ ộ ạ ấ ườ căn c vào ho t ch t đ phân lo i laser.ứ ạ ấ ể ạ

Trong đó khoang c ng h ng Fabry-Perot có các m t ph n x là các ộ ưở ặ ả ạg ng ph ng.ươ ẳ

Đ sóng ánh sáng ch y theo ph ng d c c a khoang c ng h ng thì ph i ể ạ ươ ọ ủ ộ ưở ảth a mãn đi u ki n :ỏ ề ệ

L=qλ02n

Trong đó :

L: Chi u dài c a khoang c ng h ngề ủ ộ ưở

n: Chi t su t c a vùng tích c cế ấ ủ ự

λ0: B c sóng c a sóng ánh sáng ng t n s c ng h ngướ ủ ứ ầ ố ộ ưở

q: H s sóng (q là m t s nguyên)ệ ố ộ ố

Khoang c ng h ng có hai ch c năng là:ộ ưở ứ


+Th c hi n h i ti p d ng: ch c năng này giúp cho chúng ta thu ự ệ ồ ế ươ ứđ c dòng b c x có năng l ng l n.ượ ứ ạ ượ ớ

+T o ra b c x đ nh h ng,đ n s c,k t h p ạ ứ ạ ị ướ ơ ắ ế ợ

III,Nguyên lý ho t đ ng c a Laser Diode :ạ ộ ủ

3.1.Nguyên lý h p th , phát x t phát, phát x kích thích ánh sáng :ấ ụ ạ ự ạ

a, Nguyên lý h p th :ấ ụQuá trình h p th là quá trình mà nguyên t chuy n t tr ng thái ấ ụ ử ể ừ ạ

năng l ng th p sang tr ng thái năng l ng cao h n khi h p th m t ượ ấ ạ ượ ơ ấ ụ ộphoton có năng l ng đúng b ng hi u năng l ng gi a hai m c.ượ ằ ệ ượ ữ ứ

Ta có công th c c a quá trình h p th :ứ ủ ấ ụ

Eht=E2−E1 (3.1)

V i : Eớ 1 là m c năng l ng th p và Eứ ượ ấ 2 là m c năng l ng cao h nứ ượ ơ

Eht là năng l ng h p th t photon bên ngoài.ượ ấ ụ ừ

Nh công th c 3.1 ta th y,khi nguyên t h p th m t năng l ng c n ư ứ ấ ử ấ ụ ộ ượ ầthi t đ chuy n t tr ng thái c b n lên tr ng thái kích thích.ế ể ể ừ ạ ơ ả ạ

Hình 3.1: Quá trình h p thấ ụ

b,Nguyên lý phát x t phát :ạ ựB c x t phát là quá trình nguyên t chuy n t tr ng thái kích thícứ ạ ự ử ể ừ ạ

có năng l ng Eượ 2 v tr ng thái c b n có năng l ng Eề ạ ơ ả ượ 1 m t cách t phát ộ ựvà b c x ra photon có năng l ng Eứ ạ ượ ht. Chuy n d i này x y ra m t cách tể ờ ả ộ ự


Eht

nhiên không ch u nh h ng c a các kích thích bên ngoài vì nguyên t ị ả ưở ủ ử ởtr ng thái năng l ng Eạ ượ 2 là tr ng thái năng l ng không b n v ng c a ạ ượ ề ữ ủnguyên t . Do đó nguy n t b c x các photon đ c l p v i nhau, m c dù ử ể ử ứ ạ ộ ậ ớ ặcùng t n s nhuwbg khác pha và h ng truy n h ng phân c c khác ầ ố ườ ề ươ ựnhau. Vì v y, b c x t phát không đ ng b , không đ nh h ng và đ c l pậ ứ ạ ự ồ ộ ị ướ ộ ậ v i b c x bên ngoài.ớ ứ ạ

Hình 3.2 : Quá trình phát x t phátạ ự

c,Nguyên lý phát x kích thích:ạQuá trình phát x kích thích là quá trình các nguyên t chuy n d i ạ ử ể ờ

t tr ng thái kích thích có năng l ng Eừ ạ ượ 2 v tr ng thái c b n có năng ề ạ ơ ảl ng Eượ 1 d i tác d ng c a photon c a tr ng b c x bên ngoài có năng ướ ụ ủ ủ ườ ứ ạl ng là Eượ kt làm b c x m t photon có t n s , có dao đ ng và h ng ứ ạ ộ ầ ố ộ ướchuy n đ ng gi ng v i photon kích thích.Do đó, ánh sáng do hi n t ng ể ộ ố ớ ệ ượphát x kích thích t o ra có tính k t h p. Nh đ c đi m này mà hi n ạ ạ ế ợ ờ ặ ể ệt ng phát x kích thích di n ra theo ki u dây chuy n k ti p nhau sẽ có ượ ạ ễ ể ề ế ếnhi u photon đ c thoát ra (Đây là c s đ khu ch đ i các phát x kích ề ượ ơ ở ể ế ạ ạthích t o ra chùm tia laser).Nh v y,quá trình phát x kích thích khác v i ạ ư ậ ạ ớquá trình phát x t phát vì nguyên t còn ch u kích c a tr ng ngoài.ạ ự ử ị ủ ườ


Eht

E

EE

E EE

E

Hình 3.3 : Qúa trình phát x kích thích.ạ

3.2.Môi tr ng đ o l n m t đ :ườ ả ộ ậ ộN u m t môi tr ng ho t tính có hai m c năng l ng Eế ộ ườ ạ ứ ượ 1 và E2, ta có

th kích thích đ m t s nguyên t chuy n t tr ng thái có m c năngể ể ộ ố ử ể ừ ạ ứ l ng Eượ 1 sang m c năng l ng Eứ ượ 2, k t qu là s l ng nguyên t mangế ả ố ượ ử năng l ng Eượ 1 (G i s nguyên t này là Nọ ố ử 1) sẽ gi m và s l ng nguyên tả ố ượ ử mang năng l ng Eượ 2 (N2) tăng d n. Tuy nhiên, khi Nầ 2 tăng thì xác su t x yấ ả ra quá trình phát x t phát và phát x kích thích cũng tăng, nghĩa là quáạ ự ạ trình nguyên t chuy n t tr ng thái kích thích v tr ng thái c b n tăngử ể ừ ạ ề ạ ơ ả và làm gi m Nả 2. Cu i cùng h sẽ đ t t i tr ng thái cân b ng và không thố ệ ạ ớ ạ ằ ể t o ra môi tr ng Nạ ườ 2 > N1, hay h l ng t v i hai m c năng l ng Eệ ượ ử ớ ứ ượ 1 và E2 không th t o ra môi tr ng m t đ đ o l n.ể ạ ườ ậ ộ ả ộ


Ekt

Hình 3.4 : S đ và các d ch chuy n đ i v i môi tr ng có hai m cơ ồ ị ể ố ớ ườ ứ năng l ngượ

Đ t o m t đ đ o l n, khi đó ng i ta t o ra môi tr ng ho t tính trong ể ạ ậ ộ ả ộ ườ ạ ườ ạđó nguyên t sẽ có 3 (ho c 4) m c năng l ng Eử ặ ứ ượ 1, E2 và E3 sao cho th i ờgian s ng c a nguyên t m c Eố ủ ử ở ứ 3 r t nh so v i th i gian s ng m c Eấ ỏ ớ ờ ố ở ứ 2. B ng ph ng pháp b m quang h c ho c b m đi n, ng i ta kích thích ằ ươ ơ ọ ặ ơ ệ ườcác nguyên t chuy n t tr ng thái có năng l ng Eử ể ừ ạ ượ 1 lên m c năng l ng ứ ượE3. Vì th i gian s ng c a nguyên t m c Eờ ố ủ ử ở ứ 3 nh h n nhi u so v i th i ỏ ơ ề ớ ờgian s ng m c Eố ở ứ 2 nên nguyên t nhanh chóng chuy n v m c Eử ể ề ứ 2. K t ếqu là ta đ t đ c tr ng thái m t đ đ o l n v i Nả ạ ượ ạ ậ ộ ả ộ ớ 2 > N1.

Hình 3.5: S đ và các d ch chuy n trong h l ng t 3 m cơ ồ ị ể ệ ượ ử ứ

T ng t ,ta cũng có hi n t ng đ o l n m t đ trong môi tr ng ươ ự ệ ượ ả ộ ậ ộ ườho t tính có 4 m c năng l ng nh sau:ạ ứ ượ ư


Hình 3.5: S đ và các d ch chuy n trong h l ng t 4 m cơ ồ ị ể ệ ượ ử ứ

3.3 Khu ch đ i trong Laser:ế ạNh ta bi t laser - khu ch đ iư ế ế ạ ánh sáng b ngằ phát x kích thíchạ

ho t đ ng d a trên hai hi n t ng:ạ ộ ư ệ ượ

- Hi n t ng phát x kích thích : T o ra s khu ch đ i ánh sáng ệ ượ ạ ạ ự ế ạtrong laser

- Hi n t ng c ng h ng c a sóng ánh sáng khi lan truy n trong ệ ượ ộ ưở ủ ềlaser : quá trình ch n l c t n s (hay b c sóng) ánh sáng.ọ ọ ầ ố ướ

Khi x y ra hi n t ng phát x kích thích,photon ánh sáng kích thích ả ệ ượ ạsẽ làm b c x ra m t photon th hai có t n s , có dao đ ng và h ng ứ ạ ộ ứ ầ ố ộ ướchuy n đ ng gi ng v i photon kích thích. Hai photon này ti p t c quá ể ộ ố ớ ế ụtrình phát x kích thích đ t o ra nhi u photon h n theo c p s nhân.Và ạ ể ạ ề ơ ấ ốcác photon này đ u có tính k t h p do đó sẽ t o ra ánh sáng có m c năng ề ế ợ ạ ứl ng cao.ượ

Ngoài ra khi ánh sáng truy n qua khoang c ng h ng thì c ng đ ề ộ ưở ườ ộchùm laser đ c khu ch đ i lên nhi u l n. Khi ánh sáng truy n qua môi ượ ế ạ ề ầ ềtr ng ho t tính trong bu ng c ng h ng, các va ch m vào ho t ch t nàyườ ạ ồ ộ ưở ạ ạ ấ thì kéo theo đó là 1 photon khác,ngoài ra do các m t ph n x trong ặ ả ạ


khoang c ng h ng nên các photon sẽ va ch m liên t c t o ra m t đ ộ ưở ạ ụ ạ ậ ộphoton l n. Do đó c ng đ chùm laser sẽ đ c khu ch đ i r t nhi u.ớ ườ ộ ượ ế ạ ấ ề

3.4. Ch n l c t n s sóng:ọ ọ ầ ốTa bi t r ng,bu ng c ng h ng c a Laser ch ho t đ ng v i các ế ằ ồ ộ ưở ủ ỉ ạ ộ ớ

sóng th a mãn đi u ki n:ỏ ề ệ

L=qλ02n

Nghĩa là các sóng ph i có b c sóng th a mãn đi u ki n :ả ướ ỏ ề ệ

λ0=2nLq

Thì các sóng này m i đ c lan truy n trong bu ng c ng h ng. V i q là ớ ượ ề ồ ộ ưở ớcác s nguyên khi đó các sóng lan truy n đ c trong bu ng c ng h ng ố ề ượ ồ ộ ưởlà các sóng d ng. Các sóng sau khi đ c ph n x l i sẽ giao thoa nhau và ừ ượ ả ạ ạkhu ch đ i lên nhi u l n và đ c thoát ra qua g ng bán m và tr ế ạ ề ầ ượ ươ ạ ởthành tia laser

Trong laser hi n t ng ch y u là hi n t ng c a quá trình phát xệ ượ ủ ế ệ ượ ủ ạ kích thích, khi các photon va ch m v i các đi n tích c a nguyên t sẽ kích ạ ớ ệ ủ ửthích làm phát ra thêm các photon khác có cùng ph ng,cùng h ng,cùng ươ ướt n s ,cùng pha dao đ ng v i photon kích thích.nh ta bi t,các sóng lan ầ ố ộ ớ ư ếtruy n trong bu ng c ng h ng c a laser là các sóng ngang có ph ng ề ồ ộ ưở ủ ươsong song v i bu ng c ng h ng(n u không th a mãn đi u ki n này thì ớ ồ ộ ưở ế ỏ ề ệsau m t s l n h u h n ph n x qua l i gi a 2 g ng thi sóng sẽ thoát ra ộ ố ầ ữ ạ ả ạ ạ ư ươngoài và không tham gia vào qus trình hình thành tia Laser thoát ra g ngươ bán m ).Do đó,ánh sáng laser có tính đ n s c cao và có kh năng truy n ạ ơ ắ ả ềr t xa.ấ

Trong môi tr ng đ o l n m t đ ,chúng ta th ng l a ch n m t ườ ả ộ ậ ộ ườ ự ọ ộm c siêu b n cho đi n t đ có th i gian s ng l n do đó có th t o ra ứ ề ệ ử ể ờ ố ớ ể ạhi n t ng đ o l n m t đ . Mà theo nguyên lý b t đ nh Heisenberg, th i ệ ượ ả ộ ậ ộ ấ ị ờgian s ng c a đi n t càng l n thì đ r ng m c năng l ng c a nó càng ố ủ ệ ử ớ ộ ộ ứ ượ ủnh và v ch ph càng h p. Do đó ph c a Laser là r t nh . ỏ ạ ổ ẹ ổ ủ ấ ỏ


K T LU NẾ ẬLaser t lâu đã là m t lĩnh v c h p d n thu hút nhi u s quan tâm ừ ộ ự ấ ẫ ề ự

c a các nhà nghiên c u trên m i lĩnh v c. S ra đ i c a Laser là d u m c ủ ứ ọ ự ự ờ ủ ấ ốđánh d u s bùng n v khoa h c kỹ thu t. ấ ự ổ ề ọ ậ

Laser ho t đ ng ch y u d a vào nguyên lý b c x kích thích đ ạ ộ ủ ế ự ứ ạ ểt o ra ra xung ánh sáng có năng l ng r t l n và đ r ng ph h p. Do có ạ ượ ấ ớ ộ ộ ổ ẹtính đ n s c cao và tính k t h p không gian - th i gian c a tia sáng đ u ơ ắ ế ợ ờ ủ ở ầra nên tia laser có th truy n đi r t xa. Nh các đ c tính đáng quý này mà ể ề ấ ờ ặlaser tr thành ngu n sáng đ c s d ng r t nhi u trong đ i s ng cũng ở ồ ượ ử ụ ấ ề ờ ốnh công nghi p và thí nghi m nh :ư ệ ệ ư


+Y h c : Dao m Laser, kim Laser truy tìm t bào ung th ....ọ ổ ế ư

+Vi n thông : Ngu n quang,khu ch đ i quang....ễ ồ ế ạ

+Quân s : Súng Laser, đèn Laser....ự

....

Ngày nay,không th ph nh n r ng Internet đang phát tri n tr ể ủ ậ ằ ể ởthành 1 ph n không th thi u trong cu c s ng và công ngh m ng ầ ể ế ộ ố ệ ạInternet đang h ng t i m t m ng toàn quang nh m đáp ng yêu c u h iướ ớ ộ ạ ằ ứ ầ ộ t công ngh trên m ng Internet. Trong đó,Laser đóng vai trò r t quan ụ ệ ạ ấtr ng.ọ

TÀI LI U THAM KH OỆ Ả

[1].Tr n Đ c Hân , Nguy n Minh Hi n - C s kỹ thu t Laser -ầ ứ ễ ể ơ ở ậ Nhà xu t b n Giáo d c,2005ấ ả ụ

[2]TS.Hoàng Văn Võ,TS.Vũ Tu n Lâm-Giáo trình thông tin quang nâng cao ấ

[3]Nguy n H u Chí, Tr n Tu n- V t lý Laser- NXB DHQG TPHCM,2002ễ ữ ầ ấ ấ

[4]Đinh Văn Hoàng, Tr nh Đình Chi n- V t lý Laser và ng d ng - NXB ị ế ậ ứ ụĐHQG HN,2003


[5]Nguy n Th Bình-Kỹ thu t Laser - NXB ĐHQG HN,2004ễ ế ậ

[6]Wiliam T.Silfvast-Laser Fundamentals-Cambridge,2004

[7]Govind P.Agrawal - Fiber Optic Communication Systems- Wiley interscience,2002

[8] h ttp://vi.wikipedia.org/wiki/Laser

[9] Internet


http://vi.wikipedia.org/wiki/Laser

Tieu Luan 1 (Luong)

Documents

Transcript of Tieu Luan 1 (Luong)