Laser là quá trình và thiết bị tạo ra các chùm sáng đồng nhất, đơn sắc, chuẩn trực 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 giải phóng các photon có năng lượng tương ứng (gọi là bức xạ tự phát). Tương tự như vậy, khi một photon chiếu tới một hệ mức năng lượng và bị hấp thụ, 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 các photon (gọi là bức xạ kích thích). Các chuyển động này không xảy ra riêng lẻ mà thường song song. Khi chúng ta tạo ra một điều kiện, chẳng hạn như sử dụng môi trường thích hợp, bộ cộng hưởng, điện trường ngoài đủ lớn, bức xạ kích thích được khuếch đại sao cho lớn hơn sự hấp thụ kích thích, thì nói chung, sẽ có các photon được phát ra, tạo thành ánh sáng laser.
B. Phân loại
Theo môi trường phát 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 laser thể rắn.
C. Thành phần
Hầu hết laser được cấu tạo bởi ba bộ phận: 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 chủ yếu 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
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, hai nhà khoa học 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 vào một tinh thể đất hiếm, các phân tử của tinh thể sẽ phát ra ánh sáng mạnh, luôn sáng cùng nhau. Dựa trên hiện tượng này, họ đã đề xuất "nguyên lý laser", tức là khi vật chất được kích thích bởi cùng một năng lượng với tần số dao động tự nhiên của các phân tử, nó sẽ tạo ra ánh sáng mạnh không phân kỳ - laser. Họ đã tìm thấy những bài báo quan trọng về vấn đề 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 thử nghiệm khác nhau, nhưng đều không thành công. Ngày 15 tháng 5 năm 1960, Mayman, một nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm Hughes ở California, tuyên bố rằng ông đã chế tạo được tia laser có bước sóng 0,6943 micron, đây là tia laser đầu tiên mà con người từng chế tạo được, và Mayman trở thành nhà khoa học đầu tiên trên thế giới đưa laser vào ứng dụng thực tế.
Ngày 7 tháng 7 năm 1960, Mayman tuyên bố sự ra đời của tia laser đầu tiên trên thế giới, kế hoạch của Mayman là sử dụng một ống đèn flash cường độ cao để kích thích các nguyên tử crom trong tinh thể hồng ngọc, do đó tạo ra một cột ánh sáng đỏ mỏng rất tập trung, khi chiếu vào một điểm nhất định, nó có thể đạt đến nhiệt độ cao hơn bề mặt của 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 động tạo thành lớp chuyển tiếp dị thể kép. Đặc điểm của nó là: kích thước nhỏ, hiệu suất ghép nối cao, tốc độ đáp ứng nhanh, bước sóng và kích thước phù hợp với kích thước sợi quang, có thể điều chế trực tiếp, độ kết hợp tốt.
Sáu, một số hướng ứng dụng chính của laser
F. Truyền thông laser
Ngày nay, việc sử dụng ánh sáng để truyền tải thông tin rất phổ biến. Ví dụ, tàu thuyền sử dụng đèn để liên lạc, đèn giao thông sử dụng màu đỏ, vàng và xanh lá cây. Tuy nhiên, tất cả những cách truyền tải thông tin bằng ánh sáng thông thường này chỉ có thể giới hạn ở khoảng cách ngắn. Nếu muốn truyền tải thông tin trực tiếp đến những nơi xa xôi 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 truyền qua dây đồng, nhưng ánh sáng không thể truyền qua dây kim loại thông thường. Vì vậy, các nhà khoa học đã phát triển một loại sợi có thể truyền ánh sáng, được gọi là sợi quang. Sợi quang được làm bằng vật liệu thủy tinh đặc biệt, đường kính mỏng 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, lớp phủ bên ngoài được làm bằng thủy tinh hoặc nhựa có chiết suất thấp. Cấu trúc như vậy, một mặt, có thể khiến ánh sáng khúc xạ dọc theo lõi bên trong, giống như nước chảy trong ống nước, điện năng truyền đi trong dây dẫn, ngay cả khi hàng ngàn vòng xoắn không có tác dụng. Mặt khác, lớp phủ 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 không có nghĩa là bất kỳ ánh sáng nào cũng có thể truyền đi rất xa. Chỉ có độ sáng cao, màu sắc thuần khiết, laser định hướng tốt mới là nguồn sáng lý tưởng nhất để truyền tải thông tin, nó được truyền từ một đầu sợi quang, gần như không có suy hao và đầu ra từ đầu kia. Do đó, truyền thông quang học về cơ bản là truyền thông laser, với những ưu điểm như dung lượng lớn, chất lượng cao, nguồn vật liệu đa dạng, tính bảo mật cao, độ bền, v.v., 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 của cuộc cách mạng công nghệ.
Thời gian đăng: 29-06-2023