Nguyên lý hoạt động cơ bản của tia laser (Khuếch đại ánh sáng bằng sự phát xạ kích thích) dựa trên hiện tượng phát xạ ánh sáng kích thích. Thông qua một loạt các thiết kế và cấu trúc chính xác, tia laser tạo ra các chùm tia có độ kết hợp, đơn sắc và độ sáng cao. Laser được sử dụng rộng rãi trong công nghệ hiện đại, bao gồm cả trong các lĩnh vực như truyền thông, y học, sản xuất, đo lường và nghiên cứu khoa học. Hiệu suất cao và đặc tính điều khiển chính xác khiến chúng trở thành thành phần cốt lõi của nhiều công nghệ. Dưới đây là giải thích chi tiết về nguyên lý hoạt động của tia laser và cơ chế hoạt động của các loại tia laser khác nhau.
1. Phát xạ kích thích
Phát xạ kích thíchlà nguyên lý cơ bản đằng sau sự phát ra tia laser, được Einstein đề xuất lần đầu tiên vào năm 1917. Hiện tượng này mô tả cách tạo ra nhiều photon kết hợp hơn thông qua sự tương tác giữa ánh sáng và vật chất ở trạng thái kích thích. Để hiểu rõ hơn về phát xạ kích thích, hãy bắt đầu với phát xạ tự phát:
Phát xạ tự phát: Trong các nguyên tử, phân tử hoặc các hạt vi mô khác, các electron có thể hấp thụ năng lượng bên ngoài (như năng lượng điện hoặc quang) và chuyển sang mức năng lượng cao hơn, được gọi là trạng thái kích thích. Tuy nhiên, các electron ở trạng thái kích thích không ổn định và cuối cùng sẽ trở về mức năng lượng thấp hơn, được gọi là trạng thái cơ bản, sau một thời gian ngắn. Trong quá trình này, electron giải phóng một photon, đó là sự phát xạ tự phát. Các photon như vậy là ngẫu nhiên về tần số, pha và hướng, do đó thiếu sự kết hợp.
Phát xạ kích thích: Chìa khóa của sự phát xạ kích thích là khi một electron ở trạng thái kích thích gặp một photon có năng lượng phù hợp với năng lượng chuyển tiếp của nó, photon đó có thể thúc đẩy electron quay trở lại trạng thái cơ bản đồng thời giải phóng một photon mới. Photon mới giống hệt photon ban đầu về tần số, pha và hướng truyền, dẫn đến ánh sáng kết hợp. Hiện tượng này khuếch đại đáng kể số lượng và năng lượng của photon và là cơ chế cốt lõi của laser.
Hiệu ứng phản hồi tích cực của phát xạ kích thích: Trong thiết kế tia laser, quá trình phát xạ kích thích được lặp lại nhiều lần và hiệu ứng phản hồi dương này có thể làm tăng số lượng photon theo cấp số nhân. Với sự trợ giúp của khoang cộng hưởng, sự kết hợp của các photon được duy trì và cường độ của chùm sáng liên tục tăng lên.
2. Tăng trung bình
cácđạt được vừalà vật liệu cốt lõi trong laser quyết định độ khuếch đại của photon và công suất phát ra của laser. Nó là cơ sở vật lý cho sự phát xạ kích thích và các đặc tính của nó quyết định tần số, bước sóng và công suất đầu ra của tia laser. Loại và đặc tính của môi trường khuếch đại ảnh hưởng trực tiếp đến ứng dụng và hiệu suất của tia laser.
Cơ chế kích thích: Các electron trong môi trường khuếch đại cần được kích thích lên mức năng lượng cao hơn bằng nguồn năng lượng bên ngoài. Quá trình này thường đạt được nhờ hệ thống cung cấp năng lượng bên ngoài. Các cơ chế kích thích phổ biến bao gồm:
Bơm điện: Kích thích các electron trong môi trường khuếch đại bằng cách đặt một dòng điện.
Bơm quang: Kích thích môi trường bằng nguồn sáng (chẳng hạn như đèn flash hoặc tia laser khác).
Hệ thống mức năng lượng: Các electron trong môi trường khuếch đại thường được phân bố ở các mức năng lượng cụ thể. Phổ biến nhất làhệ thống hai cấpVàhệ thống bốn cấp. Trong một hệ thống hai cấp đơn giản, các electron chuyển từ trạng thái cơ bản sang trạng thái kích thích và sau đó quay trở lại trạng thái cơ bản thông qua sự phát xạ kích thích. Trong hệ thống bốn cấp, các electron trải qua quá trình chuyển đổi phức tạp hơn giữa các mức năng lượng khác nhau, thường mang lại hiệu quả cao hơn.
Các loại phương tiện khuếch đại:
Tăng khí trung bình: Ví dụ, laser helium-neon (He-Ne). Môi trường khuếch đại khí được biết đến với đầu ra ổn định và bước sóng cố định và được sử dụng rộng rãi làm nguồn sáng tiêu chuẩn trong phòng thí nghiệm.
Chất lỏng tăng trung bình: Ví dụ, laser nhuộm. Các phân tử thuốc nhuộm có đặc tính kích thích tốt ở các bước sóng khác nhau, khiến chúng trở nên lý tưởng cho các tia laser có thể điều chỉnh được.
Mức tăng trung bình rắn: Ví dụ, laser Nd(neodymium-doped yttri aluminium garnet). Những tia laser này có hiệu suất cao và mạnh mẽ, được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng cắt, hàn và y tế công nghiệp.
Chất bán dẫn tăng trung bình: Ví dụ, vật liệu gali arsenide (GaAs) được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị truyền thông và quang điện tử như điốt laser.
3. Khoang cộng hưởng
cáckhoang cộng hưởnglà một thành phần cấu trúc trong laser được sử dụng để phản hồi và khuếch đại. Chức năng cốt lõi của nó là tăng cường số lượng photon được tạo ra thông qua phát xạ kích thích bằng cách phản xạ và khuếch đại chúng bên trong hộp, từ đó tạo ra tia laser mạnh và tập trung.
Cấu trúc của khoang cộng hưởng: Nó thường bao gồm hai gương song song. Một là gương phản chiếu toàn phần, được gọi làgương chiếu hậuvà cái còn lại là gương phản chiếu một phần, được gọi làgương đầu ra. Các photon phản xạ qua lại bên trong hộp và được khuếch đại thông qua tương tác với môi trường khuếch đại.
Điều kiện cộng hưởng: Thiết kế của khoang cộng hưởng phải đáp ứng một số điều kiện nhất định, chẳng hạn như đảm bảo rằng các photon hình thành sóng dừng bên trong khoang. Điều này đòi hỏi chiều dài khoang phải là bội số của bước sóng laser. Chỉ những sóng ánh sáng đáp ứng những điều kiện này mới có thể được khuếch đại một cách hiệu quả bên trong khoang.
Tia đầu ra: Gương phản chiếu một phần cho phép một phần chùm ánh sáng được khuếch đại đi qua, tạo thành chùm tia đầu ra của tia laser. Chùm tia này có tính định hướng, kết hợp và đơn sắc cao.
Nếu bạn muốn tìm hiểu thêm hoặc quan tâm đến laser, vui lòng liên hệ với chúng tôi:
điểm sáng
Địa chỉ: Tòa nhà 4 #, số 99 Đường số 3 Phù Dung, Quận Tây Sơn. Vô Tích, 214000, Trung Quốc
ĐT: + 86-0510 87381808.
Di động: + 86-15072320922
Email: sales@lumispot.cn
Trang web: www.lumispot-tech.com
Thời gian đăng: 18-09-2024