Nguyên lý hoạt động cơ bản của laser (Khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ cảm ứng) dựa trên hiện tượng phát xạ cảm ứng. Thông qua một loạt các thiết kế và cấu trúc chính xác, laser tạo ra các chùm tia có độ kết hợp, độ đơn sắc và độ sáng cao. Laser được sử dụng rộng rãi trong công nghệ hiện đại, bao gồm 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 laser và cơ chế của các loại laser khác nhau.
1. Phát xạ kích thích
Phát xạ kích thíchlà nguyên lý cơ bản đằng sau sự phát ra laser, được Einstein đề xuất lần đầu tiên vào năm 1917. Hiện tượng này mô tả cách các photon kết hợp hơn được tạo ra thông qua tương tác giữa ánh sáng và vật chất ở trạng thái kích thích. Để hiểu rõ hơn về phát xạ kích thích, chúng ta hãy bắt đầu với phát xạ tự phát:
Phát xạ tự phát: Trong nguyên tử, phân tử hoặc các hạt vi mô khác, electron có thể hấp thụ năng lượng bên ngoài (chẳng hạn như năng lượng điện hoặc quang) và chuyển lên mức năng lượng cao hơn, được gọi là trạng thái kích thích. Tuy nhiên, 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 khoảng thời gian ngắn. Trong quá trình này, electron giải phóng một photon, đây là hiện tượng phát xạ tự phát. Các photon này có tần số, pha và hướng ngẫu nhiên, do đó thiếu tính kết hợp.
Phát xạ kích thích: Chìa khóa của phát xạ kích thích là khi một electron ở trạng thái kích thích gặp một photon có năng lượng bằng năng lượng chuyển tiếp của nó, photon có thể thúc đẩy electron trở về 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, tạo ra ánh sáng kết hợp. Hiện tượng này khuếch đại đáng kể số lượng và năng lượng của các photon và là cơ chế cốt lõi của laser.
Hiệu ứng phản hồi tích cực của phát xạ kích thích: Trong thiết kế laser, quá trình phát xạ kích thích được lặp lại nhiều lần, và hiệu ứng phản hồi tích cực này có thể làm tăng số lượng photon theo cấp số nhân. Với sự trợ giúp của buồng cộng hưởng, tính kết hợp của các photon được duy trì và cường độ chùm sáng liên tục được tăng lên.
2. Tăng mức trung bình
Cáctăng trung bìnhVật liệu lõi trong laser quyết định sự khuếch đại photon và công suất laser đầu ra. Nó là cơ sở vật lý của phát xạ kích thích, và các đặc tính của nó quyết định tần số, bước sóng và công suất đầu ra của laser. Loại và đặc tính của môi trường khuếch đại ảnh hưởng trực tiếp đến ứng dụng và hiệu suất của 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 được thực hiện bằng các 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 sử dụng dòng điện.
Bơm quang học: Kích thích môi trường bằng nguồn sáng (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 cấpTrong một hệ hai mức đơn giản, electron chuyển từ trạng thái cơ bản lên trạng thái kích thích và sau đó trở về trạng thái cơ bản thông qua phát xạ kích thích. Trong một hệ bốn mức, electron trải qua các quá trình chuyển đổi phức tạp hơn giữa các mức năng lượng khác nhau, thường dẫn đến hiệu suất cao hơn.
Các loại phương tiện khuếch đại:
Gas Gain Medium: Ví dụ, laser heli-neon (He-Ne). Môi trường khuếch đại khí được biết đến với công suất 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 nhiều bước sóng khác nhau, khiến chúng trở nên lý tưởng cho laser có thể điều chỉnh.
Mức tăng cường rắn trung bìnhVí dụ, laser Nd (yttrium nhôm garnet pha tạp neodymium). Những loại laser này có hiệu suất và công suất cao, được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng cắt, hàn công nghiệp và y tế.
Môi trường khuếch đại bán dẫn: 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 cho phản hồi và khuếch đại. Chức năng cốt lõi của nó là tăng số lượng photon được tạo ra thông qua phát xạ kích thích bằng cách phản xạ và khuếch đại chúng bên trong khoang, do đó tạo ra đầu ra laser mạnh và tập trung.
Cấu trúc của khoang cộng hưởng: Nó thường bao gồm hai gương song song. Một là gương phản xạ 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 khoang và được khuếch đại thông qua tương tác với môi trường khuếch đại.
Điều kiện cộng hưởng: Thiết kế khoang cộng hưởng phải đáp ứng một số điều kiện nhất định, chẳng hạn như đảm bảo các photon tạo 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 các điều kiện này mới có thể được khuếch đại hiệu quả bên trong khoang.
Chùm tia đầu ra: Gương phản xạ một phần cho phép một phần chùm sáng khuếch đại đi qua, tạo thành chùm tia laser đầu ra. Chùm tia này có tính định hướng, tính kết hợp và tính đơn sắc cao..
Nếu bạn muốn tìm hiểu thêm hoặc quan tâm đến tia laser, vui lòng liên hệ với chúng tôi:
Lumispot
Địa chỉ: Tòa nhà số 4, số 99 Đường Furong 3, Quận Xishan, Vô Tích, 214000, Trung Quốc
Điện thoại: + 86-0510 87381808.
Di động: + 86-15072320922
Email: sales@lumispot.cn
Trang web: www.lumispot-tech.com
Thời gian đăng: 18-09-2024