Nguyên lý hoạt động 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.

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.

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.

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.

• Nguyên lý hoạt động của động cơ hơi nước
• Nguyên lý hoạt động của bếp từ
• Nguyên lý hoạt động của máy bay [ Cách động cơ hoạt động ]
• Nguyên lý hoạt động thang máy [Nguyên tắc làm việc thang máy]
• Nguyên lý hoạt động của ô tô [ Các hoạt động để ô tô di chuyển ]

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 khí

Laser trạng thái rắn

Laser hơi kim loại

Các loại laser khác