Sự hình thành của tia laser

Sự hình thành của tia laser
Việc tạo ra tia laser được Einstein đề xuất vào năm 1916 với lý thuyết về “phát xạ tự phát và kích thích”. Lý thuyết này tạo thành cơ sở vật lý của các hệ thống laser hiện đại. Sự tương tác giữa photon và nguyên tử có thể dẫn đến ba quá trình chuyển tiếp: hấp thụ kích thích, phát xạ tự phát và phát xạ kích thích. Chỉ cần phát xạ kích thích có thể được duy trì và ổn định, tia laser có thể được tạo ra. Do đó, các thiết bị đặc biệt – laser – phải được chế tạo. Cấu tạo của một laser thường bao gồm ba phần chính: chất làm việc, thiết bị kích thích và bộ cộng hưởng quang học.

1. Chất làm việc

Chất có khả năng tạo ra ánh sáng laser trong laser được gọi là chất làm việc. Trong điều kiện bình thường, sự phân bố số nguyên tử trong chất ở mỗi mức năng lượng là phân bố chuẩn. Số lượng nguyên tử ở mức năng lượng thấp hơn luôn lớn hơn số lượng nguyên tử ở mức năng lượng cao hơn. Do đó, khi ánh sáng đi qua chất phát quang ở trạng thái bình thường, quá trình hấp thụ chiếm ưu thế, và ánh sáng luôn bị suy yếu. Để làm cho ánh sáng mạnh hơn sau khi đi qua chất phát quang và đạt được sự khuếch đại ánh sáng, cần phải làm cho quá trình phát xạ kích thích chiếm ưu thế. Để làm cho số lượng nguyên tử ở mức năng lượng cao hơn lớn hơn số lượng nguyên tử ở mức năng lượng thấp hơn, sự phân bố này ngược với phân bố chuẩn và được gọi là sự đảo ngược số lượng hạt.
2. Thiết bị kích thích
Chức năng của thiết bị kích thích là kích thích các nguyên tử ở mức năng lượng thấp hơn lên mức năng lượng cao hơn, cho phép chất làm việc đạt được sự đảo ngược số lượng hạt. Các mức năng lượng của chất bao gồm trạng thái cơ bản và trạng thái kích thích, cũng như trạng thái bán bền. Trạng thái bán bền kém bền hơn trạng thái cơ bản, nhưng bền hơn nhiều so với trạng thái kích thích. Nói một cách tương đối, các nguyên tử có thể tồn tại ở trạng thái bán bền trong một khoảng thời gian dài hơn. Ví dụ, các ion crom (Cr3+) trong hồng ngọc có trạng thái bán bền với thời gian tồn tại khoảng 10-3 giây. Sau khi chất làm việc được kích thích và đạt được sự đảo ngược số lượng hạt, ban đầu, do hướng lan truyền khác nhau của các photon phát ra từ bức xạ tự phát, các photon bức xạ kích thích cũng có hướng lan truyền khác nhau, và có nhiều tổn thất trong đầu ra và hấp thụ; không thể tạo ra đầu ra laser ổn định. Để cho phép bức xạ kích thích tiếp tục tồn tại trong thể tích giới hạn của chất làm việc, cần có một bộ cộng hưởng quang học để thực hiện việc chọn lọc và khuếch đại ánh sáng.
3. Bộ cộng hưởng quang học
Nó bao gồm một cặp gương phản xạ song song với nhau được lắp đặt ở hai đầu của vật cần soi, vuông góc với trục chính. Một đầu là gương phản xạ toàn phần (với hệ số phản xạ 100%), và đầu kia là gương bán trong suốt và bán phản xạ (với hệ số phản xạ từ 90% đến 99%).
Chức năng của bộ cộng hưởng là: ① tạo và duy trì khuếch đại quang học; ② lựa chọn hướng của ánh sáng đầu ra; ③ lựa chọn bước sóng của ánh sáng đầu ra. Đối với một chất làm việc cụ thể, do nhiều yếu tố khác nhau, bước sóng ánh sáng phát ra thực tế không phải là duy nhất, và phổ có một độ rộng nhất định. Bộ cộng hưởng có thể đóng vai trò lựa chọn tần số, giúp cải thiện tính đơn sắc của laser.