Nguyên lý laze

Nguyên lý của laser dựa trên sự phát xạ kích thích, một khái niệm được Einstein đề xuất lần đầu tiên vào đầu thế kỷ 20. Quá trình chính như sau:

- Chuyển tiếp điện tử: Các nguyên tử hoặc phân tử trong môi trường làm việc thu năng lượng dưới tác dụng của nguồn bơm (như điện năng, năng lượng ánh sáng…), chuyển từ mức năng lượng thấp lên mức năng lượng cao, đi vào trạng thái kích thích. Do mức năng lượng cao không ổn định nên các nguyên tử hoặc phân tử tự động chuyển trở lại mức năng lượng thấp, giải phóng các photon trong quá trình này.

- Phản xạ khoang cộng hưởng: Các photon này phản xạ tới lui trong khoang cộng hưởng, tương tác với các nguyên tử hoặc phân tử ở trạng thái kích thích khác trong môi trường làm việc, gây ra nhiều phát xạ kích thích hơn. Điều này làm cho số lượng photon tăng đột ngột, dẫn đến ánh sáng laser có cường độ cao, đơn sắc cao và có tính định hướng cực cao.

Linh kiện laze

Laser chủ yếu bao gồm ba phần: môi trường làm việc, nguồn bơm và khoang cộng hưởng.

- Môi trường làm việc: Đây là nền tảng của việc tạo ra tia laser. Nó bao gồm một môi trường hoạt động cho phép đảo ngược mật độ, chẳng hạn như hồng ngọc, thủy tinh neodymium hoặc khí carbon dioxide.

- Nguồn bơm: Cung cấp năng lượng cho môi trường làm việc, tạo ra phát xạ kích thích. Các phương pháp phổ biến bao gồm kích thích điện và kích thích quang học.

- Khoang cộng hưởng: Bao gồm gương phản xạ toàn phần và gương phản xạ nội một phần, nó cung cấp phản hồi và môi trường dao động cho các photon, cho phép chúng di chuyển qua lại nhiều lần trong khoang, tăng cường hiệu ứng phát xạ kích thích và cuối cùng hình thành đầu ra tia laser.

Sự khác biệt giữa laser đơn chế độ và đa chế độ

Sự khác biệt chính giữa laser đơn chế độ và đa chế độ nằm ở số lượng chế độ trong chùm tia đầu ra.

- Laser đơn chế độ: Chỉ hỗ trợ một chế độ truyền ánh sáng. Nó có chất lượng chùm tia cao, tính định hướng và kết hợp tốt, vệt tia hình tròn tiêu chuẩn và góc phân kỳ nhỏ. Nó phù hợp cho các ứng dụng có độ chính xác cao như giao thoa kế laser và truyền thông cáp quang.

- Laser đa chế độ: Hỗ trợ nhiều chế độ truyền ánh sáng. Nó có góc phân kỳ chùm tia đầu ra lớn, hình dạng và phân bố cường độ chùm tia phức tạp, chiều dài kết hợp ngắn hơn nhưng công suất đầu ra cao. Nó phù hợp cho các ứng dụng ít đòi hỏi hơn như xử lý vật liệu và chiếu sáng bằng laser.

Laser – Tia Gaussian

Laser được gọi là chùm Gaussian vì sự phân bố cường độ của chúng trên mặt cắt ngang của chúng gần như tuân theo hàm Gaussian, nghĩa là cường độ cao ở trung tâm và giảm dần về phía các cạnh, biểu hiện một đường cong hình chuông.

Đặc tính phân bố này bắt nguồn từ khả năng tự tái tạo của tia laser trong quá trình hình thành nó trong khoang cộng hưởng; ngay cả sau khi nhiễu xạ và truyền lan, phân bố cường độ của nó vẫn duy trì dạng Gaussian. Chùm Gaussian có hiệu suất lấy nét và tính đơn sắc tuyệt vời, giảm hiệu quả sự cạnh tranh chế độ và cải thiện chất lượng chùm tia, khiến chúng được sử dụng rộng rãi trong thiết kế hệ thống quang học, xử lý laser và các lĩnh vực khác.

Phân loại laser Laser có thể được phân loại theo nhiều cách, một trong số đó là theo môi trường làm việc:

- Laser trạng thái rắn: Chúng sử dụng vật liệu rắn làm môi trường hoạt động, chẳng hạn như laser garnet nhôm pha tạp neodymium (Nd:YAG). Những tia laser này thường có công suất cao và độ ổn định tốt, được sử dụng rộng rãi trong chế biến công nghiệp, y học và nghiên cứu khoa học.

- Laser khí: Chúng sử dụng khí làm môi trường làm việc, chẳng hạn như laser helium-neon (He-Ne) và laser carbon dioxide (CO2). Laser khí có ứng dụng rộng rãi trong vùng quang phổ khả kiến ​​và hồng ngoại.

- Laser lỏng: Còn được gọi là laser nhuộm, chúng sử dụng dung dịch thuốc nhuộm hữu cơ làm môi trường hoạt động. Khả năng điều chỉnh bước sóng của chúng mang lại cho chúng những lợi thế độc đáo trong nghiên cứu khoa học và y sinh.

- Laser bán dẫn: Chúng sử dụng vật liệu bán dẫn làm môi trường làm việc, chẳng hạn như điốt laser. Những tia laser này mang lại lợi thế trong việc thu nhỏ và tích hợp, đồng thời được sử dụng rộng rãi trong truyền thông quang học, in laser và các lĩnh vực khác.

- Laser điện tử tự do: Chúng sử dụng chùm electron tự do tốc độ cao làm môi trường hoạt động. Chúng cung cấp nhiều loại công suất đầu ra và bước sóng, khiến chúng phù hợp với vật lý năng lượng cao và quang phổ tia X.