Laser đề cập đến quá trình và thiết bị tạo ra các chùm tia sáng đơn sắc, kết hợp, hội tụ thông qua khuếch đại bức xạ kích thích và phản hồi cần thiết. Về cơ bản, việc tạo ra laser cần ba yếu tố: một "bộ cộng hưởng", một "môi trường khuếch đại" và một "nguồn bơm".
A. Nguyên tắc
Trạng thái chuyển động của nguyên tử có thể được chia thành các mức năng lượng khác nhau, và khi nguyên tử chuyển từ mức năng lượng cao xuống mức năng lượng thấp, nó sẽ phát ra các photon có năng lượng tương ứng (gọi là bức xạ tự phát). Tương tự, khi một photon chiếu vào một hệ mức năng lượng và được hấp thụ bởi nó, nó sẽ khiến nguyên tử chuyển từ mức năng lượng thấp lên mức năng lượng cao (gọi là hấp thụ kích thích); sau đó, một số nguyên tử chuyển lên mức năng lượng cao hơn sẽ chuyển xuống mức năng lượng thấp hơn và phát ra photon (gọi là bức xạ kích thích). Những chuyển động này không xảy ra riêng lẻ mà thường song song với nhau. Khi ta tạo ra điều kiện, chẳng hạn như sử dụng môi trường thích hợp, bộ cộng hưởng, điện trường ngoài đủ mạnh, bức xạ kích thích sẽ được khuếch đại sao cho mạnh hơn so với hấp thụ kích thích, thì nói chung sẽ có photon được phát ra, tạo ra ánh sáng laser.
B. Phân loại
Dựa trên môi trường tạo ra tia laser, laser có thể được chia thành laser lỏng, laser khí và laser rắn. Hiện nay, laser bán dẫn phổ biến nhất là một loại laser trạng thái rắn.
C. Thành phần
Hầu hết các laser đều bao gồm ba phần: hệ thống kích thích, vật liệu laser và bộ cộng hưởng quang học. Hệ thống kích thích là các thiết bị tạo ra năng lượng ánh sáng, điện hoặc hóa học. Hiện nay, các phương tiện kích thích chính được sử dụng là ánh sáng, điện hoặc phản ứng hóa học. Vật liệu laser là các chất có thể tạo ra ánh sáng laser, chẳng hạn như hồng ngọc, thủy tinh berili, khí neon, chất bán dẫn, thuốc nhuộm hữu cơ, v.v. Vai trò của điều khiển cộng hưởng quang học là tăng cường độ sáng của laser đầu ra, điều chỉnh và lựa chọn bước sóng và hướng của laser.
D. Ứng dụng
Công nghệ laser được sử dụng rộng rãi, chủ yếu trong truyền thông cáp quang, đo khoảng cách bằng laser, cắt laser, vũ khí laser, đĩa laser, v.v.
E. Lịch sử
Năm 1958, các nhà khoa học người Mỹ Xiaoluo và Townes đã phát hiện ra một hiện tượng kỳ diệu: khi họ chiếu ánh sáng phát ra từ bóng đèn bên trong lên một tinh thể đất hiếm, các phân tử của tinh thể sẽ phát ra ánh sáng mạnh, luôn luôn hội tụ. Dựa trên hiện tượng này, họ đã đề xuất "nguyên lý laser", tức là, khi một chất được kích thích bởi cùng một năng lượng với tần số dao động tự nhiên của các phân tử của nó, nó sẽ tạo ra ánh sáng mạnh không phân kỳ - laser. Họ đã tìm thấy những bài báo quan trọng về điều này.
Sau khi kết quả nghiên cứu của Sciolo và Townes được công bố, các nhà khoa học từ nhiều quốc gia đã đề xuất nhiều phương án thí nghiệm khác nhau, nhưng đều không thành công. Vào ngày 15 tháng 5 năm 1960, Mayman, một nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm Hughes ở California, tuyên bố rằng ông đã thu được một tia laser có bước sóng 0,6943 micromet, đây là tia laser đầu tiên do con người chế tạo được, và Mayman trở thành nhà khoa học đầu tiên trên thế giới đưa laser vào ứng dụng thực tiễn.
Vào ngày 7 tháng 7 năm 1960, Mayman tuyên bố sự ra đời của tia laser đầu tiên trên thế giới. Phương pháp của Mayman là sử dụng một ống đèn flash cường độ cao để kích thích các nguyên tử crom trong tinh thể hồng ngọc, từ đó tạo ra một cột ánh sáng đỏ mỏng, tập trung cao độ. Khi được chiếu vào một điểm nhất định, nó có thể đạt đến nhiệt độ cao hơn bề mặt mặt trời.
Nhà khoa học Liên Xô H.G. Basov đã phát minh ra laser bán dẫn vào năm 1960. Cấu trúc của laser bán dẫn thường bao gồm lớp P, lớp N và lớp hoạt tính tạo thành cấu trúc dị thể kép. Đặc điểm của nó là: kích thước nhỏ, hiệu suất ghép nối cao, tốc độ phản hồi nhanh, bước sóng và kích thước phù hợp với kích thước sợi quang, có thể điều chế trực tiếp, độ kết hợp tốt.
Thứ sáu, một số hướng ứng dụng chính của laser.
F. Truyền thông laser
Việc sử dụng ánh sáng để truyền tải thông tin ngày nay rất phổ biến. Ví dụ, tàu thuyền sử dụng ánh sáng để liên lạc, và đèn giao thông sử dụng màu đỏ, vàng và xanh lá cây. Nhưng tất cả những cách truyền tải thông tin bằng ánh sáng thông thường này đều chỉ có thể giới hạn ở khoảng cách ngắn. Nếu muốn truyền tải thông tin trực tiếp đến những nơi xa bằng ánh sáng, bạn không thể sử dụng ánh sáng thông thường mà chỉ có thể sử dụng tia laser.
Vậy làm thế nào để truyền tia laser? Chúng ta biết rằng điện có thể được truyền dọc theo dây đồng, nhưng ánh sáng không thể được truyền dọc theo dây kim loại thông thường. Vì vậy, các nhà khoa học đã phát triển một sợi dẫn có thể truyền ánh sáng, được gọi là sợi quang. Sợi quang được làm từ vật liệu thủy tinh đặc biệt, đường kính nhỏ hơn sợi tóc người, thường từ 50 đến 150 micron, và rất mềm.
Trên thực tế, lõi bên trong của sợi quang là thủy tinh quang học trong suốt có chiết suất cao, còn lớp phủ bên ngoài được làm bằng thủy tinh hoặc nhựa có chiết suất thấp. Cấu trúc như vậy, một mặt, có thể làm cho ánh sáng bị khúc xạ dọc theo lõi bên trong, giống như nước chảy về phía trước trong ống nước, điện được truyền về phía trước trong dây dẫn, ngay cả khi có hàng nghìn khúc uốn cong cũng không ảnh hưởng gì. Mặt khác, lớp phủ có chiết suất thấp có thể ngăn ánh sáng rò rỉ ra ngoài, giống như ống nước không bị rò rỉ và lớp cách điện của dây dẫn không dẫn điện.
Sự xuất hiện của cáp quang đã giải quyết được vấn đề truyền dẫn ánh sáng, nhưng điều đó không có nghĩa là với nó, bất kỳ ánh sáng nào cũng có thể được truyền đi rất xa. Chỉ có laser có độ sáng cao, màu sắc tinh khiết, định hướng tốt mới là nguồn sáng lý tưởng nhất để truyền tải thông tin, được đưa vào từ một đầu của sợi quang, hầu như không bị suy hao và được xuất ra từ đầu kia. Do đó, truyền thông quang học về bản chất là truyền thông laser, có những ưu điểm như dung lượng lớn, chất lượng cao, nguồn vật liệu đa dạng, tính bảo mật cao, độ bền tốt, v.v., và được các nhà khoa học ca ngợi là một cuộc cách mạng trong lĩnh vực truyền thông, và là một trong những thành tựu rực rỡ nhất trong cuộc cách mạng công nghệ.
Thời gian đăng bài: 29/06/2023