Home » Nguyên lý tạo tia laser

Nguyên lý tạo tia laser

Laser được sử dụng nhiều trong cuộc sóng như: y học, hàn cắt kim loại, thăm dò, may mặc, truyền thông, in khắc hoa văn, date code….Tuy nhiên nguyên lý tạo ra laser lại ít người biết đến.

Tính chất của laser

Laser là chùm ánh sáng cường độ cao, đơn sắc, mạch lạc và đồng hướng. Bước sóng (màu) của ánh sáng laze là cực kỳ tinh khiết (đơn sắc) khi so sánh với các nguồn ánh sáng khác và tất cả các photon (năng lượng) tạo nên chùm tia laze có mối quan hệ pha cố định (kết hợp) đối với các tia khác. Ánh sáng từ tia laser thường có độ phân kỳ rất thấp. Nó có thể di chuyển trên một khoảng cách rất xa hoặc có thể tập trung vào một điểm rất nhỏ với độ sáng vượt xa ánh nắng mặt trời. Do những đặc tính này, laser được sử dụng trong nhiều ứng dụng xã hội ngày nay.

Đặc tính laser: đơn sắc, định hướng, mạch lạc

Các nguyên tắc hoạt động cơ bản của tia laser được Charles Townes và Arthur Schalow  phát hiện từ Phòng thí nghiệm ra vào năm 1958, và tia laser thực tế đầu tiên, dựa trên một tinh thể hồng ngọc, đã được chứng minh vào năm 1960 bởi Theodor Maiman tại Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Hughes. Kể từ thời điểm đó, hàng nghìn tia laser đã được phát minh (bao gồm cả tia laser “Jello” có thể ăn được), nhưng chỉ một số lượng nhỏ hơn nhiều đã được ứng dụng thực tế trong các ứng dụng khoa học, công nghiệp, thương mại và quân sự.

Laser neon heli (laser sóng liên tục đầu tiên), laser diode bán dẫn và laser ion làm mát bằng không khí đã được ứng dụng sản xuất rộng rãi. Trong những năm gần đây, việc sử dụng laser trạng thái rắn (DPSS) được bơm đi-ốt trong các ứng dụng công nghiệp đang phát triển nhanh chóng.

Ý nghĩa và nguyên lý tạo laser

Laser là chữ viết tắc các đầu chữ cái của cụm từ: (L)ight (A)mplification by (S)timulated (E)mission of (R)adiation. Dich theo tiếng Việt hiểu nôm na là Khuyến Đại Ánh Sáng bởi Sự Phát Xạ Kích Thích của Bức Xạ. Vậy để hiểu rõ laser là gì thì phải tìm hiểu các cụm từ Ánh Sáng, Phát Xạ Kích Thích và Bức Xạ.

Thuật ngữ Ánh Sáng là bức xạ bức xạ điện từ có bước sóng từ 1 nm đến 1000 mm. Quang phổ khả kiến (những gì chúng ta thấy) nằm trong khoảng từ 400 đến 700 nm. Dải bước sóng từ 700 nm đến 10 mm được coi là hồng ngoại gần (NIR), và bất cứ thứ gì xa hơn là hồng ngoại xa (FIR). Ngược lại, 200 đến 400 nm được gọi là tia cực tím (UV) dưới 200 nm là cực tím sâu (DUV).

Bước sóng của các loại ánh sáng: UV, VIS (nhìn thấy), IR (hồng ngoại)…

Để hiểu sự Phát Xạ Kích Thích, chúng ta bắt đầu với nguyên tử Bohr.

Nguyên tử Bohr

Năm 1915, Neils Bohr đề xuất một mô hình nguyên tử giải thích nhiều hiện tượng khiến các nhà khoa học vào cuối thế kỷ 19 bối rối. Mô hình đơn giản này đã trở thành cơ sở cho lĩnh vực cơ học lượng tử và mặc dù không hoàn toàn chính xác theo hiểu biết của ngày nay, nhưng vẫn hữu ích để chứng minh các nguyên lý laser.

Trong mô hình của Bohr, thể hiện trên hình, các electron quay quanh hạt nhân của một nguyên tử. Không giống như các mô hình “hành tinh” trước đó, nguyên tử Bohr có một số quỹ đạo cố định hạn chế dành cho các electron. Trong những trường hợp thích hợp, một electron có thể đi từ trạng thái cơ bản (quỹ đạo năng lượng thấp nhất) lên trạng thái cao hơn (kích thích), hoặc nó có thể phân rã từ trạng thái cao hơn xuống trạng thái thấp hơn, nhưng nó không thể ở giữa các trạng thái này. Các trạng thái năng lượng này được gọi là trạng thái “lượng tử” và được gọi bằng các “số lượng tử” chính 1, 2, 3, v.v…. Các trạng thái lượng tử được biểu diễn bằng biểu đồ mức năng lượng.

Nguyên tử Bohr: Trạng thái cơ bản (ground state), trạng thái kích thích (excited state)

Để một electron có thể nhảy lên một trạng thái lượng tử cao hơn, nguyên tử phải nhận năng lượng từ bên ngoài. Điều này có thể xảy ra thông qua nhiều cơ chế như va chạm không đàn hồi hoặc bán đàn hồi với các nguyên tử khác và sự hấp thụ năng lượng dưới dạng bức xạ điện từ (ví dụ, ánh sáng). Tương tự như vậy, khi một electron giảm từ trạng thái cao hơn xuống trạng thái thấp hơn, nguyên tử phải tỏa ra năng lượng, dưới dạng hoạt động động học (chuyển tiếp không bức xạ) hoặc như bức xạ điện từ (chuyển tiếp bức xạ). Ở đây chúng ta chỉ xem xét các chuyển đổi bức xạ.

Photon và năng lượng

Vào những năm 1600 và 1700, thời kỳ đầu trong nghiên cứu hiện đại về ánh sáng, đã có một cuộc tranh cãi lớn về bản chất của ánh sáng. Một số người nghĩ rằng ánh sáng được tạo thành từ các hạt, trong khi những người khác cho rằng nó được tạo thành từ các sóng. Cả hai khái niệm giải thích một số hành vi của ánh sáng, nhưng không phải tất cả. Cuối cùng người ta đã xác định được rằng ánh sáng được tạo thành từ các hạt gọi là “photon” thể hiện cả đặc tính giống hạt và giống sóng. Mỗi photon có một năng lượng nội tại

Khi một êlectron phân rã xuống mức năng lượng thấp hơn trong quá trình chuyển đổi bức xạ, thì photon ánh sáng do nguyên tử phát ra cũng có năng lượng bằng sự chênh lệch năng lượng giữa hai trạng thái.

Phát xạ tự phát và phát xạ kích thích

Nói chung, khi một electron ở trạng thái năng lượng bị kích thích, cuối cùng nó phải phân rã xuống mức thấp hơn, tạo ra một photon bức xạ. Sự việc này được gọi là “phát xạ tự phát”, và photon được phát ra theo một hướng ngẫu nhiên và một pha ngẫu nhiên. Thời gian trung bình cần để electron phân rã được gọi là hằng số thời gian t cho sự phát xạ liên tục.

Mặt khác, nếu một electron ở trạng thái năng lượng E2 và con đường phân rã của nó là E1, nhưng, trước khi nó có cơ hội tự phân rã, một photon sẽ đi ngang qua có năng lượng xấp xỉ E2 – E1, có một xác suất là photon đi qua sẽ làm cho electron phân rã theo cách mà một photon được phát ra ở cùng một bước sóng, cùng một hướng và chính xác cùng pha với photon đi qua. Quá trình này được gọi là “phát xạ kích thích”. Sự hấp thụ, sự phát xạ tự phát và sự phát xạ kích thích được minh họa trong hình dưới.

Phát xạ tự phát và phát xạ kích thích

Bây giờ hãy xem xét nhóm nguyên tử được chỉ ra trong hình dưới: tất cả đều bắt đầu ở cùng một trạng thái kích thích, và hầu hết đều nằm trong phạm vi kích thích của một photon đi qua. Chúng ta cũng sẽ giả định rằng t là rất dài, và xác suất phát xạ kích thích là 100%. Photon tới (kích thích) tương tác với nguyên tử đầu tiên, gây ra sự phát xạ kích thích của một photon kết hợp; hai photon này sau đó tương tác với hai nguyên tử tiếp theo thẳng hàng, và kết quả là bốn photon kết hợp, nằm trên đường thẳng. Vào cuối quá trình, chúng ta sẽ có 11 photon kết hợp, tất cả đều có các pha giống hệt nhau và tất cả đều di chuyển theo cùng một hướng. Nói cách khác, photon ban đầu đã được “khuếch đại” bởi hệ số 11. Lưu ý rằng năng lượng để đưa các nguyên tử này vào trạng thái kích thích được cung cấp hoàn toàn bởi một số nguồn năng lượng thường được gọi là nguồn “máy bơm”.

Khuếch đại phototo bởi phát xạ kích thích

Khuyến đại photon định hướng của bức xạ nói cách khác là Khuếch Đại Ánh Sáng bởi Phát Xạ Kích Thích của Bức Xạ, là nguyên lý của LASER, (L)ight (A)mplification by (S)timulated (E)mission of (R)adiation.

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *