Nguyên lý hoạt động cơ bản của laser (Khuếch đại ánh sáng bằng 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, laser tạo ra các chùm tia có độ kết dính cao, 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
Sự phát xạ kích thíchĐây là nguyên lý cơ bản đằng sau sự tạo ra tia laser, được Einstein đề xuất lần đầu tiên vào năm 1917. Hiện tượng này mô tả cách các photon có độ kết dính cao hơn được tạo ra 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, chúng ta hãy bắt đầu với phát xạ tự phát:
Phát xạ tự phátTrong nguyên tử, phân tử hoặc các hạt vi mô khác, electron có thể hấp thụ năng lượng từ bên ngoài (như năng lượng điện hoặc quang học) 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 lại 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, đó là sự phát xạ tự phát. Các photon này có tính ngẫu nhiên về tần số, pha và hướng, do đó thiếu tính mạch lạc.
Phát xạ kích thíchĐiểm mấu chốt của hiện tượng phát xạ kích thích là khi một electron ở trạng thái kích thích gặp một photon có năng lượng trùng với năng lượng chuyển tiếp của nó, photon này có thể kích thích electron trở về trạng thái cơ bản đồng thời giải phóng một photon mới. Photon mới này 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 photon và là cơ chế cốt lõi của laser.
Hiệu ứng phản hồi tích cực của sự phát xạ kích thíchTrong thiết kế laser, quá trình phát xạ kích thích được lặp đi lặp lại nhiều lần, và hiệu ứng phản hồi tích cực này có thể làm tăng số lượng photon theo cấp số nhân. Nhờ có khoang cộng hưởng, tính mạch lạc của photon được duy trì, và cường độ chùm tia sáng liên tục tăng lên.
2. Tăng mức trung bình
Cáiđạt mức trung bìnhVật liệu khuếch đại là thành phần cốt lõi trong laser, quyết định sự khuếch đại photon và công suất đầu 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 laser. Loại và đặc điểm của môi trường khuếch đại ảnh hưởng trực tiếp đến ứng dụng và hiệu suất của laser.
Cơ chế kích thíchCác 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 cấp 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 hệ hai mức năng lượng đơn giản, electron chuyển từ trạng thái cơ bản lên trạng thái kích thích rồi trở lại trạng thái cơ bản thông qua phát xạ kích thích. Trong hệ bốn mức năng lượng, 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:
Trung bình tăng khíVí dụ, laser heli-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 các phòng thí nghiệm.
Chất lỏng tăng cân trung bìnhVí dụ, laser nhuộm. Các phân tử thuốc nhuộm có đặc tính kích thích tốt trên nhiều bước sóng khác nhau, khiến chúng trở nên lý tưởng cho laser có thể điều chỉnh bước sóng.
Độ khuếch đại trung bình ổn địnhVí dụ, laser Nd (yttrium nhôm garnet pha tạp neodymium). Loại laser này có hiệu suất và công suất cao, được sử dụng rộng rãi trong cắt, hàn công nghiệp và các ứng dụng y tế.
Môi trường khuếch đại bán dẫnVí dụ, vật liệu gali arsenua (GaAs) được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị truyền thông và quang điện tử như điốt laser.
3. Khoang cộng hưởng
Cáikhoang cộng hưởngĐây là một thành phần cấu trúc trong laser được sử dụng để 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 cộng hưởng, do đó tạo ra đầu ra laser mạnh và tập trung.
Cấu trúc của khoang cộng hưởngNó thường bao gồm hai gương song song. Một trong hai là gương phản xạ toàn phần, được gọi là gương đối xứng.gương chiếu hậuvà cái còn lại là gương phản xạ một phần, được gọi làgương đầu raCác photon phản xạ qua lại bên trong khoang cộng hưởng và được khuếch đại thông qua tương tác với môi trường khuếch đại.
Điều kiện cộng hưởngThiết 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 raGương phản xạ một phần cho phép một phần chùm tia sáng được khuếch đại đi qua, tạo thành chùm tia đầu ra của laser. Chùm tia này có độ định hướng, độ kết hợp và tính đơn sắc cao..
Nếu bạn muốn tìm hiểu thêm hoặc quan tâm đến 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 bài: 18/09/2024