Nguyên lý đầu tiên của tia laser, mà vật lý dựa trên định luật bức xạ của Planck, đã được Einstein chứng minh về mặt lý thuyết vào năm 1917. Ông mô tả sự hấp thụ, bức xạ điện từ tự phát và kích thích bằng cách sử dụng hệ số xác suất (hệ số Einstein).
Tiên phong
Theodor Meiman là người đầu tiên chứng minh nguyên lý hoạt động của tia laser hồng ngọc dựa trên sự bơm quang học của hồng ngọc tổng hợp bằng đèn nháy, tạo ra bức xạ kết hợp xung có bước sóng 694 nm.
Năm 1960, các nhà khoa học Iran Javan và Bennett đã tạo ra máy phát lượng tử khí đầu tiên sử dụng hỗn hợp 1:10 của khí He và Ne.
Năm 1962, RN Hall đã trình diễn laser điốt gali arsenide (GaAs) đầu tiên phát ra ở bước sóng 850 nm. Cuối năm đó, Nick Golonyak đã phát triển máy phát lượng tử ánh sáng nhìn thấy bán dẫn đầu tiên.
Thiết kế và nguyên lý hoạt động của tia laze
Mỗi hệ thống laser bao gồm một phương tiện hoạt động được đặtgiữa một cặp gương song song và có độ phản xạ cao về mặt quang học, một trong số đó là gương mờ và là nguồn năng lượng để bơm của nó. Môi trường khuếch đại có thể là chất rắn, lỏng hoặc khí, có đặc tính khuếch đại biên độ của sóng ánh sáng truyền qua nó bằng cách phát xạ kích thích với bơm điện hoặc quang học. Một chất được đặt giữa một cặp gương sao cho ánh sáng phản xạ trong chúng đi qua nó mỗi lần và khi đạt đến độ khuếch đại đáng kể, sẽ xuyên qua một gương mờ.
Môi trường hai tầng
Hãy xem xét nguyên tắc hoạt động của tia laze với môi trường hoạt động, các nguyên tử của chúng chỉ có hai mức năng lượng: kích thích E2và cơ bản E1. Nếu các nguyên tử được kích thích đến trạng thái E2bằng bất kỳ cơ chế bơm nào (quang học, phóng điện, truyền dòng điện hoặc bắn phá điện tử), thì sau một vài nano giây, chúng sẽ quay trở lại vị trí mặt đất, phát ra photon của năng lượng hν=E2- E1. Theo lý thuyết của Einstein, sự phát xạ được tạo ra theo hai cách khác nhau: hoặc là do một photon gây ra, hoặc nó xảy ra một cách tự phát. Trong trường hợp đầu tiên, sự phát xạ kích thích diễn ra, và trong trường hợp thứ hai, sự phát xạ tự phát. Ở trạng thái cân bằng nhiệt, xác suất phát xạ kích thích thấp hơn nhiều so với phát xạ tự phát (1: 1033), vì vậy hầu hết các nguồn sáng thông thường là không mạch lạc và có thể tạo ra tia laze trong các điều kiện khác ngoài nhiệt trạng thái cân bằng.
Ngay cả với rất mạnhbơm, dân số của hệ thống hai cấp chỉ có thể được thực hiện bằng nhau. Do đó, hệ thống ba hoặc bốn cấp được yêu cầu để đạt được sự đảo ngược dân số bằng phương pháp bơm quang học hoặc các phương pháp bơm khác.
Hệ thống đa cấp
Nguyên lý hoạt động của tia laser ba cấp là gì? Chiếu xạ với ánh sáng cường độ cao có tần số ν02bơm một số lượng lớn các nguyên tử từ mức năng lượng thấp nhất E0lên mức năng lượng cao nhất E2. Sự chuyển đổi không theo thứ tự của các nguyên tử từ E2sang E1thiết lập sự nghịch đảo dân số giữa E1và E0, điều này trong thực tế chỉ có thể thực hiện được khi các nguyên tử ở trạng thái bất ổn trong một thời gian dài E1,và sự chuyển đổi từ E2 đến E 1đang diễn ra nhanh chóng. Nguyên tắc hoạt động của laser ba mức là đáp ứng các điều kiện này, do đó giữa E0và E1đạt được sự nghịch đảo quần thể và các photon được khuếch đại bởi năng lượng E1-E0phát xạ cảm ứng. Mức E2rộng hơn có thể làm tăng phạm vi hấp thụ bước sóng để bơm hiệu quả hơn, dẫn đến tăng phát xạ kích thích.
Hệ thống ba cấp yêu cầu công suất máy bơm rất cao, vì cấp thấp hơn liên quan đến việc phát điện là cấp cơ sở. Trong trường hợp này, để xảy ra sự nghịch đảo dân số, hơn một nửa tổng số nguyên tử phải được bơm đến trạng thái E1. Làm như vậy, năng lượng bị lãng phí. Công suất bơm có thể đáng kểgiảm nếu cấp thế hệ thấp hơn không phải là cấp cơ sở, yêu cầu ít nhất là hệ thống bốn cấp.
Tùy thuộc vào bản chất của hoạt chất, laser được chia thành ba loại chính, đó là chất rắn, chất lỏng và chất khí. Kể từ năm 1958, khi lần đầu tiên quan sát thấy lasing trong một tinh thể ruby, các nhà khoa học và nhà nghiên cứu đã nghiên cứu nhiều loại vật liệu khác nhau trong mỗi loại.
Laser trạng thái rắn
Nguyên tắc hoạt động dựa trên việc sử dụng môi trường hoạt động, được tạo thành bằng cách thêm kim loại nhóm chuyển tiếp vào mạng tinh thể cách điện (Ti+ 3, Cr+ 3, V+ 2, С+ 2, Ni+ 2, Fe+ 2, v.v.), các ion đất hiếm (Ce+ 3, Pr+ 3, Nd + 3, Pm+ 3, Sm+ 2, Eu + 2, +3, Tb+ 3, Dy+ 3, Ho+ 3, Er+ 3, Yb+ 3, v.v.) và các hành động như U+ 3. Mức năng lượng của các ion chỉ chịu trách nhiệm cho việc tạo ra. Các đặc tính vật lý của vật liệu cơ bản, chẳng hạn như tính dẫn nhiệt và giãn nở nhiệt, là điều cần thiết cho hoạt động hiệu quả của laser. Sự sắp xếp của các nguyên tử mạng tinh thể xung quanh một ion pha tạp chất làm thay đổi mức năng lượng của nó. Các bước sóng tạo ra khác nhau trong môi trường hoạt động đạt được bằng cách pha tạp các vật liệu khác nhau với cùng một ion.
Holmium laser
Một ví dụ về laze trạng thái rắn là một máy phát lượng tử, trong đó holmi thay thế một nguyên tử của chất cơ bản của mạng tinh thể. Ho: YAG là một trong những vật liệu thế hệ tốt nhất. Nguyên tắc hoạt động của laser holmium là garnet nhôm yttrium được pha tạp chất với ion holmium, được bơm quang học bằng đèn nháy và phát ra ở bước sóng 2097 nm trong dải hồng ngoại, được các mô hấp thụ tốt. Tia laser này được sử dụng cho các hoạt động trên khớp, điều trị răng, làm bay hơi các tế bào ung thư, thận và sỏi mật.
Máy phát lượng tử bán dẫn
Laser giếng lượng tử không đắt, có thể sản xuất hàng loạt và dễ dàng mở rộng. Nguyên tắc hoạt động của laser bán dẫn dựa trên việc sử dụng một diode tiếp giáp p-n, tạo ra ánh sáng có bước sóng nhất định bằng cách tái kết hợp hạt tải điện ở phân cực dương, tương tự như đèn LED. LED phát ra một cách tự nhiên và điốt laze - bị cưỡng bức. Để đáp ứng điều kiện nghịch đảo dân số, dòng điện hoạt động phải vượt quá giá trị ngưỡng. Môi trường hoạt động trong điốt bán dẫn có dạng vùng kết nối của hai lớp hai chiều.
Nguyên tắc hoạt động của loại laser này là không cần gương ngoài để duy trì dao động. Hệ số phản xạ được tạo ra bởi chiết suất của các lớp và phản xạ bên trong của môi trường hoạt động là đủ cho mục đích này. Các bề mặt cuối của điốt được làm sứt mẻ, điều này đảm bảo rằng các bề mặt phản xạ song song.
Một kết nối được hình thành bởi các vật liệu bán dẫn cùng loại được gọi là kết nối đồng nhất và kết nối được tạo bởi kết nối của hai vật liệu bán dẫn khác nhau được gọi làdị liên kết.
Chất bán dẫn loạiP và n có mật độ hạt tải điện cao tạo thành một tiếp giáp p-n với lớp suy giảm rất mỏng (≈1 µm).
Laser khí
Nguyên lý hoạt động và cách sử dụng loại tia laser này cho phép bạn tạo ra các thiết bị có công suất gần như bất kỳ (từ miliwatt đến megawatt) và bước sóng (từ UV đến IR) và cho phép bạn làm việc ở chế độ xung và liên tục. Dựa trên bản chất của môi trường hoạt động, có ba loại máy phát lượng tử khí, đó là nguyên tử, ion và phân tử.
Hầu hết các tia laser khí đều được bơm phóng điện. Các êlectron trong ống phóng điện được tăng tốc bởi điện trường giữa các điện cực. Chúng va chạm với các nguyên tử, ion hoặc phân tử của môi trường hoạt động và tạo ra sự chuyển đổi lên các mức năng lượng cao hơn để đạt được trạng thái nghịch đảo và phát xạ kích thích.
Laser phân tử
Nguyên tắc hoạt động của laser dựa trên thực tế là, không giống như các nguyên tử và ion cô lập, các phân tử trong máy phát lượng tử nguyên tử và ion có dải năng lượng rộng với các mức năng lượng rời rạc. Hơn nữa, mỗi mức năng lượng điện tử có một số lượng lớn các mức dao động, và những mức đó có một số mức quay.
Năng lượng giữa các mức năng lượng điện tử nằm trong vùng UV và vùng nhìn thấy được của quang phổ, trong khi giữa các mức dao động-quay - trong IR xa và gầnkhu vực. Do đó, hầu hết các máy phát lượng tử phân tử hoạt động ở vùng hồng ngoại xa hoặc gần.
Excimer laser
Excimers là các phân tử như ArF, KrF, XeCl, có trạng thái cơ bản tách biệt và ổn định ở mức đầu tiên. Nguyên lý hoạt động của tia laser như sau. Theo quy luật, số lượng phân tử ở trạng thái cơ bản là nhỏ, vì vậy việc bơm trực tiếp từ trạng thái cơ bản là không thể. Phân tử được hình thành ở trạng thái kích thích điện tử đầu tiên bằng cách kết hợp các halogen năng lượng cao với khí trơ. Dễ dàng đạt được dân số của sự nghịch đảo, vì số lượng phân tử ở mức cơ bản quá nhỏ so với mức kích thích. Tóm lại, nguyên tắc hoạt động của laser là sự chuyển đổi từ trạng thái điện tử bị kích thích liên kết sang trạng thái cơ bản phân ly. Dân số ở trạng thái cơ bản luôn duy trì ở mức thấp, bởi vì các phân tử tại thời điểm này phân ly thành các nguyên tử.
Thiết bị và nguyên lý hoạt động của tia laze là ống phóng điện chứa đầy hỗn hợp halogenua (F2) và khí đất hiếm (Ar). Các electron trong nó phân ly và ion hóa các phân tử halogenua và tạo ra các ion mang điện tích âm. Các ion dương Ar+và âm F-phản ứng và tạo ra các phân tử ArF ở trạng thái liên kết kích thích đầu tiên, sau đó chúng chuyển sang trạng thái cơ bản đẩy và tạo ra bức xạ mạch lạc. Laser excimer, nguyên lý hoạt động và ứng dụng mà chúng ta đang xem xét, có thể được sử dụng để bơmmôi trường hoạt tính trên thuốc nhuộm.
Laser lỏng
So với chất rắn, chất lỏng đồng nhất và có mật độ nguyên tử hoạt động cao hơn chất khí. Thêm vào đó, chúng dễ sản xuất, tản nhiệt dễ dàng và có thể dễ dàng thay thế. Nguyên tắc hoạt động của laser là sử dụng thuốc nhuộm hữu cơ làm môi trường hoạt động, chẳng hạn như DCM (4-dicyanomethylene-2-methyl-6-p-dimethylaminostyryl-4H-pyran), rhodamine, styryl, LDS, coumarin, stilbene, v.v.., được hòa tan trong dung môi thích hợp. Một dung dịch gồm các phân tử thuốc nhuộm bị kích thích bởi bức xạ có bước sóng có hệ số hấp thụ tốt. Nói tóm lại, nguyên lý hoạt động của tia laser là phát ra ở bước sóng dài hơn, gọi là huỳnh quang. Sự khác biệt giữa năng lượng hấp thụ và các photon phát ra được sử dụng bởi quá trình chuyển đổi năng lượng không bức xạ và làm nóng hệ thống.
Dải huỳnh quang rộng hơn của máy phát lượng tử chất lỏng có một tính năng độc đáo - điều chỉnh bước sóng. Nguyên lý hoạt động và việc sử dụng loại tia laser này như một nguồn sáng có thể điều chỉnh được và kết hợp ngày càng trở nên quan trọng trong các ứng dụng quang phổ, ảnh ba chiều và y sinh.
Gần đây, máy phát lượng tử thuốc nhuộm đã được sử dụng để tách đồng vị. Trong trường hợp này, tia laser kích thích một cách chọn lọc một trong số chúng, khiến chúng tham gia vào một phản ứng hóa học.
