Nguyên Tắc Phát Tia Laser

     

Nguyên lý hoạt động, Ứng dụng và phân loại Laser

Một số thông tin cơ bản về Laser bao gồm: Nguyên lý hoạt động, các phân loại của Laser và những đặc điểm cụ thể, so sánh giữa các loại của Laser,…


Laser là tên viết tắt của Light Amplification Stimulated Emision R adiation. Nó là một thiết bị tạo ra chùm ánh sáng kết hợp hẹp và phân kỳ thấp, trong khi hầu hết các nguồn sáng khác phát ra ánh sáng không kết hợp, có pha thay đổi ngẫu nhiên theo thời gian và vị trí. Hầu hết các tia laser phát ra ánh sáng gần như “đơn sắc” với phổ bước sóng hẹp. Hình 1 là quang phổ của laser neon heli, cho thấy độ tinh khiết của quang phổ rất cao.

Bạn đang xem: Nguyên tắc phát tia laser


*

Hình 1 . Quang phổ của tia laser neon heli

Nguyên lý của Laser

Nguyên tắc của laser dựa trên ba đặc điểm riêng biệt:

a) phát xạ kích thích trong môi trường khuếch đại

b) nghịch đảo dân số của điện tử

c) bộ cộng hưởng quang học.

Phát thải: tự phát và kích thích

Theo cơ học lượng tử, một electron trong nguyên tử hoặc mạng tinh thể chỉ có thể có một số giá trị năng lượng hoặc mức năng lượng nhất định. Có nhiều mức năng lượng mà một electron có thể chiếm, nhưng ở đây chúng ta sẽ chỉ xem xét hai mức. Nếu một electron ở trạng thái kích thích với năng lượng E 2, nó có thể tự phát phân rã về trạng thái cơ bản, với năng lượng E 1 , giải phóng sự chênh lệch về năng lượng giữa hai trạng thái dưới dạng một photon (xem Hình 2a) .

Quá trình này được gọi là phát xạ tự phát , tạo ra ánh sáng huỳnh quang. Pha và hướng của photon trong phát xạ tự phát là hoàn toàn ngẫu nhiên do Nguyên lý bất định. Tần số góc ω và năng lượng của phôtôn là: E2–E1= ℏω (1) , trong đó ћ là hằng số ván giảm.

Ngược lại, một photon có tần số cụ thể thỏa mãn eq (1) sẽ bị hấp thụ bởi một điện tử ở trạng thái cơ bản. Electron vẫn ở trạng thái kích thích này trong một khoảng thời gian thường nhỏ hơn 10-6 giây. Sau đó, nó trở về trạng thái thấp hơn một cách tự nhiên bởi một photon hoặc một phonon. Các quá trình hấp thụ và phát xạ tự phát thông thường này không thể làm phát sinh sự khuếch đại ánh sáng. Điều tốt nhất có thể đạt được là cứ mỗi photon được hấp thụ thì một photon khác được phát ra.


(a)

*
(b)


*

Hình 2 Sơ đồ (a) Phát xạ tự phát; (b) Sự phát xạ kích thích

Ngoài ra, nếu nguyên tử ở trạng thái kích thích bị nhiễu bởi điện trường của một photon có tần số ω, thì nó có thể giải phóng một photon thứ hai có cùng tần số, cùng pha với photon thứ nhất. Nguyên tử sẽ lại phân rã về trạng thái cơ bản. Quá trình này được gọi là phát xạ kích thích. (xem Hình 2b)

Phôtôn phát ra giống với phôtôn kích thích có cùng tần số, phân cực và hướng lan truyền. Và có một mối quan hệ pha cố định giữa ánh sáng phát ra từ các nguyên tử khác nhau. Kết quả là các photon hoàn toàn gắn kết với nhau. Đây là đặc tính quan trọng cho phép khuếch đại quang học.

Tất cả ba quá trình xảy ra đồng thời trong một môi trường. Tuy nhiên, ở trạng thái cân bằng nhiệt, sự phát xạ kích thích không chiếm một mức độ đáng kể. Lý do là có nhiều electron ở trạng thái cơ bản hơn nhiều so với trạng thái kích thích. Và tốc độ hấp thụ và phát xạ tỷ lệ thuận với số lượng electron ở trạng thái cơ bản và trạng thái kích thích, tương ứng. <2,3> Vì vậy quá trình hấp thụ chiếm ưu thế.

Bộ cộng hưởng quang học

*

Mặc dù với sự nghịch đảo quần thể, chúng ta có khả năng khuếch đại tín hiệu thông qua phát xạ kích thích, nhưng độ lợi một đoạn tổng thể là khá nhỏ, và hầu hết các nguyên tử được kích thích trong tổng thể phát ra một cách tự phát và không đóng góp vào sản lượng tổng thể. Sau đó, bộ cộng hưởng được áp dụng để tạo ra một cơ chế phản hồi tích cực.

Một bộ cộng hưởng quang học thường có hai gương phẳng hoặc gương lõm, một ở hai đầu, phản xạ các photon qua lại để phát xạ kích thích tiếp tục tạo ra ngày càng nhiều ánh sáng laze. Các photon được tạo ra bởi sự phân rã tự phát theo các hướng khác nằm ngoài trục nên chúng sẽ không được khuếch đại để cạnh tranh với phát xạ kích thích trên trục.

Xem thêm: Sau Khi Ăn Xong Nằm Bụng Có To Không, Lời Khuyên: Ăn Xong Nên Làm Gì Để Bụng Không To

Gương “sau” được chế tạo càng phản xạ càng gần 100% càng tốt, trong khi gương “trước” thường chỉ phản chiếu 95 – 99% để phần còn lại của ánh sáng được gương này truyền qua và rò rỉ ra ngoài tạo nên chùm tia laser thực tế bên ngoài thiết bị laser.

*

Quan trọng hơn, có thể có nhiều quá trình chuyển đổi laser góp phần vào laser, do dải trong chất rắn hoặc mức năng lượng phân tử của các chất hữu cơ. Bộ cộng hưởng quang học cũng có một chức năng của bộ chọn bước sóng. Nó chỉ tạo ra một điều kiện sóng dừng cho các photon: L = n λ / 2 (2)

trong đó L là chiều dài của bộ cộng hưởng, n là một số nguyên và λ là bước sóng. Chỉ những bước sóng thỏa mãn eq (2) mới được cộng hưởng và khuếch đại.

Tóm tắt các Nguyên tắc và Phương thức Hoạt động

Đầu ra của laser có thể là đầu ra biên độ không đổi liên tục (được gọi là CW hoặc sóng liên tục); hoặc xung, bằng cách sử dụng các kỹ thuật chuyển mạch Q, khóa mô hình hoặc chuyển mạch khuếch đại.

Trong nhiều ứng dụng của laser xung, người ta nhằm mục đích tích tụ càng nhiều năng lượng càng tốt tại một nơi nhất định trong thời gian ngắn nhất có thể. Một số laser nhuộm và laser trạng thái rắn rung có thể tạo ra ánh sáng trên một dải bước sóng rộng; đặc tính này làm cho chúng thích hợp để tạo ra các xung ánh sáng cực ngắn, theo thứ tự vài femto giây (10 -15 s). Công suất cực đại của laser xung có thể đạt được 10 12 Watts.

*

3 loại laser chính và ứng dụng

Theo vật liệu khuếch đại, laser có thể được chia thành các loại sau. Một số loại laser được sử dụng phổ biến được liệt kê trong mỗi loại. <1>

Laser khíMức tăng laser trung bìnhBước sóng hoạt độngNguồn bơmỨng dụng và Ghi chú
Laser Heli-neon632,8nmPhóng điệnGiao thoa kế, ảnh ba chiều, quang phổ, quét mã vạch, căn chỉnh, trình diễn quang học
Argon laser454,6 nm, 488,0 nm, 514,5 nmPhóng điệnQuang trị liệu võng mạc (cho bệnh tiểu đường), in thạch bản, kính hiển vi tiêu điểm, quang phổ bơm các tia laser khác
Laser carbon dioxide10,6 μm, (9,4 μm)Phóng điệnXử lý vật liệu (cắt, hàn, v.v.), phẫu thuật
Laser Excimer193 nm (ArF), 248 nm (KrF), 308 nm (XeCl), 353 nm (XeF)Tái tổ hợp Excimer thông qua phóng điệnPhương pháp in thạch bản tia cực tím để sản xuất chất bán dẫn, phẫu thuật laser
Laser trạng thái rắnMức tăng laser trung bìnhBước sóng hoạt độngNguồn bơmỨng dụng và Ghi chú
Ruby laser694,3nmĐèn flashHolography, xóa xăm. Loại laser ánh sáng khả kiến ​​đầu tiên được phát minh; Tháng 5 năm 1960.
Nd: YAG laser1,064 μm, (1,32 μm)Đèn nháy, Diode LaserXử lý vật liệu, chỉ định mục tiêu laser, phẫu thuật, nghiên cứu, bơm laser khác. Một trong những loại laser công suất cao phổ biến nhất.
Tia laser thủy tinh pha tạp Erbium1,53-1,56 μmDiode lasersợi pha tạp um thường được sử dụng làm bộ khuếch đại quang cho viễn thông.
Laser trung tâm FHồng ngoại trung bình đến hồng ngoại xaDòng điệnNghiên cứu
Laser hơi kim loại

*

Mức tăng laser trung bìnhBước sóng hoạt độngNguồn bơmỨng dụng và Ghi chú
Laser hơi kim loại Helium-cadmium (HeCd)441,563 nm, 325 nmSự phóng điện trong hơi kim loại có lẫn khí đệm heli.

Xem thêm: 1 Cây Bằng Bao Nhiêu Chỉ Vàng

Các ứng dụng in ấn và sắp chữ, kiểm tra kích thích huỳnh quang (tức là trong in tiền giấy của Hoa Kỳ)
Laser hơi đồng510,6 nm, 578,2 nmPhóng điệnSử dụng cho da liễu, chụp ảnh tốc độ cao, bơm laser nhuộm
Các loại laser khácMức tăng laser trung bìnhBước sóng hoạt độngNguồn bơmỨng dụng và Ghi chú
Thuốc nhuộm laserTùy thuộc vào vật liệu, thường là phổ rộngLaser, đèn flash khácNghiên cứu, quang phổ, loại bỏ vết bớt, tách đồng vị.
Laser điện tử tự doDải bước sóng rộng (khoảng 100 nm – vài mm)Chùm điện tử tương đối tínhNghiên cứu khí quyển, khoa học vật liệu, ứng dụng y tế