Tổng quan về laser doc

Tổng quanvề laser Vì trong thực tế ánh sáng dao động tới lui trong hộp laser, nên hiện tượng cộng hưởng trở thành một nhân tố ảnh hưởng tới việc khuếch đại cường độ laser. Phụ thuộc vào bước sóng củabức xạ cưỡng bức và chiều dài hộp,sóng phản xạ từ các gương sẽ hoặc là giao thoa tăng cường và được khuếch đại mạnh, hoặc là giao thoa triệt tiêu và xóa bỏ hoạt động laser. Vì các sóng trong hộp là kết hợp hoàn toàn cùng pha, chũng sẽ vẫnlà cùng phakhi phản xạ từ mộtgương. Cácsóng cũng sẽ cùng pha khi chạm tới gương đối diện, với điều kiện là chiều dài hộp bằng một số nguyên lần bước sóng. Như vậy, sau khi thực hiện một dao động hoàn chỉnh trong hộp, sóngánh sáng đã truyềnđược quãngđườngbằnghai lần chiềudài hộp. Nếukhoảngcáchđó làmộtbộisố nguyêncủabướcsóng,thì cácsóngsẽ tăng thêm biên độ bởi sự giao thoa tăng cường. Khi chiều dài hộp không chính xác là bội số nguyên của bước sóng, giao thoa triệt tiêu sẽ xảy ra, phá hủy hoạt động laser. Phương trình sau đây xác định điều kiện cộng hưởng phải có để sự khuếch đại mạnhxảy ra tronghộp laser: N x l = 2 x (chiều dài hộp) trong đó N là một số nguyên,và l là bướcsóng. Điềukiện cộng hưởng thậtra khôngquan trọng vì nhữngsự chuyển trạng thái laserthực tế trong hộpphân bổ trong một phạmvi bước sóng, gọi là dải thông độ lợi. Bước sóngcủa ánh sángcực kì nhỏ so với chiều dài của một hộplaser điển hình,và nói chungmột quãng đường truyền hoàn chỉnh trong hộp sẽ tương đươngvới vài trăm ngàn bước sóng ánh sáng đượckhuếch đại. Cộnghưởng có thể xảy ra ở mỗi số gia bước sóngnguyên (ví dụ 200 000,200 001,200 002, ),và do bước sóngtươngứng rất gần nhau, chúng rơi trongdải thông độ lợi của laser. Hình 7 minhhọa một ví dụ điển hình, trong đó một vài giá trị cộng hưởng của N,thường được gọi làmode dọccủa laser, vừa khít trongdải thôngđộ lợi. Hình 7. Mode cộng hưởng hộp và dải thông độ lợi Các chùm laser có những đặc điểm chung nhất định, nhưng cũng khác nhau ở mức độ rộng các khía cạnh như kích thước, sự phân kì, và sự phân bố ánh sáng qua đường kính chùm tia. Những đặc điểm này phụ thuộc nhiều vào việc thiết kế hộp laser (hộp cộng hưởng), và hệ thống quang học điều khiển chùm tia, cả bên trong lẫn bên ngoài hộp. Mặc dù laser có thể tạo ra một đốm sáng không đổi khi chiếu lên một bề mặt, nhưng nếu đo cường độ sáng tại những điểm khác nhau trongtiết diệnngangcủachùm,thìsẽ thấysự khácnhauvề cường độ. Việcthiếtkế hộp cộng hưởng cũng ảnh hưởng tới độ phân kì chùm tia, số đo mức độ trải rộng của chùm tia khi khoảng cách tới laser tăng lên. Góc phân kì của chùm tia là một nhân tố quan trọng trong việc tính toán đường kính của chùm tia tại một khoảng cách cho trước. Trong nhiều phần thảo luận trước, chúng ta đã giả định các gương tại hai đầu của hộp cộng hưởng laser là gương hai chiều, hay gương phẳng. Về mặt khái niệm thì đây là một cấu hình đơn giản nhất, nhưng trong thực tế nó có thể rấtkhó được thực hiện. Nếu hai gương không thẳng hàng chính xác với nhau, thì sự mất ánh sáng dư thừa sẽ xảy ra, làm cho laser ngừng hoạt động. Ngay cả khi sự không thẳng hàng chỉ ở mức độ nhỏ, sau một vài phản xạ liên tiếp, kết quả có thể là sự thất thoát đáng kể ánh sáng từ các mặt của hộp. Nếu một hoặc cả hai gương có bề mặtcầu,thì sự thất thoátánhsángdosự không thẳnghàngcóthể giảmbớt hoặc bị loại trừ. Do tính hội tụ của gương cầu, ánh sáng bị giới hạn trong hộp ngay cả khi các gương không chính xác thẳng hàng với nhau, hoặc nếu ánh sáng không được phát ra chính xác dọc theo trục của hộp. Có một số biến tấu thiết kế sử dụng kết hợp cả gương phẳng và gương cầu để đảm bảo ánh sáng luôn luôn hội tụ trở lại phía gươngđốidiện.Mộtcấu hình thuộcloạinàycótênlàhộpcộnghưởng bền,do ánh sáng phản xạ từ một gương đitới gương kia sẽ tiếptục dao động mãi mãi nếu như khôngcó ánh sáng nào bị thất thoát. Trong môitrường laser cóđộ lợithấp,hộpcộnghưởng rấtquan trọngtrong việc tối đa hóa việc sử dụng bức xạ cưỡng bức.Trong laser độ lợi cao, sự mất mát mức thấp từ các mặt của hộp không có tính quyết định. Thật ra, các thiết kế hộp cộng hưởng không bền có thể được ưa chuộng hơn vì chúng thường dễ thu năng lượng từ một thể tích lớnhơn trongmôitrường laser,mặcdù chúng chophép ánh sáng thất thoát. Các gương trong laser độ lợi cao thường thường trong suốt hơn cácgươngtrong lasercóđộ lợithấphơn,chonênmộttiasángchotrước chỉ cóthể truyền một lần qua hộp trước khi xuất hiện trong chùm tia. Do đó, sự sắp thẳng hàng của các gương không có tính quyết định như trong laser độ lợi thấp, nơi mà hệ số phản xạ của gương ra làm cho ánh sáng phản xạ nhiều lần trước khi xuất hiện rangoài. Chiềudàihộplaser vàbước sóngánhsángtácđộng lẫn nhauđể tạo ramode dọccủasự phânbố nănglượngtrongchùm tia, cònthiếtkế hộpcộnghưởnglàmột nhân tố then chốt trong việc xác định sự phân bố cường độ theo chiều rộng của chùmtia, vàtỉ lệ mà chùmtiaphân kì.Cường độ cắtngang chùm tiađược xácđịnh bằng modengang củachùm.Những phânbố cókhả năng trongcường độ chùm tia được giới hạn bởi cái gọi là các điều kiện biên nhất định, nhưng thường thì một chùm tia biểu hiện một, hai, hoặc hơn hai đỉnh ở giữa, với cường độ không ở các rìa ngoài. Các mode khác nhau này được gọi là mode TEM(mn), viết tắt của các từ mode ngang (Tranverse), mode điện (Electric) và mode từ (Magnetic), trong đó m và n là các số nguyên. Các số nguyên cho biết số cực tiểu, hay số điểm cường độ bằng không, giữa các rìa của chùm theohai hướng vuông gócnhau (m chomode E và n chomode M). Một chùmlaser điển hình sáng nhất tại trung tâmvà giảm dần cường độ về phía ngoài rìa.Đây là mode bậc nhất đơn giản nhất,kí hiệu là TEM(00) và có cường độ cắt ngangchùm tuân theohàmGauss.Hình 8 minh họa mộtvài trongsố nhiều mode TEM(mn) khả dĩ. Mặc dù một số laser hộp cộng hưởngbền, đặcbiệt là những laserđược thiết kế cho công suất racực đại, hoạt độngở một hoặc nhiều mode bậc cao, nhưng người ta thườngmuốn loại bỏ những daođộng này.Mode bậc nhất có thể thu đượcdễ dàngtrong các laserđộ lợi thấp hộp cộng hưởng bền, và là modeđược ưa chuộng vì chùm tia trải rộng do sự nhiễu xạ có thể tiến đến một giá trị cựctiểu lí thuyết. Hình 8. Mode ngang của chùm laser Nhiễu xạ đóng một vai trò quan trọng trong việc xác định kích thước của đốm laser có thể chiếu tới một khoảng cách cho trước. Dao động của chùm tia tronghộpcộnghưởngtạoramộtchùm hẹp sau đó phânkìở mộtsố gócphụ thuộc vào thiếtkế hộp cộnghưởng, kích thướccủa lỗ hở ra, và gâyracáchiệu ứng nhiễu xạ trên chùm tia. Sự nhiễu xạ thường được mô tả là hiệu ứng trải rộng chùm tia, hình thành nên các vòng nhiễu xạ (gọi là vòng Airy) bao quanh chùm tia khi sóng ánhsángtruyềnquamộtlỗ nhỏ.Hiệntượngnhiễuxạ này đặtragiớihạnvề đường kính tối thiểu của đốm sáng sau khi truyền qua một hệ quang học. Đối với laser, chùm trải rộng từ gương ra cóthể được xem làqua một lỗ nhỏ, vàhiệu ứng nhiễu xạ trên chùm tia do gương gây ra sẽ giới hạn độ phân kì tối thiểu và kích thước đốm sáng của chùm. Đối vớicác chùm mode TEM(00), nhiễu xạ thường lànhân tố giớihạn sự phânkìcủachùm. Giátrị danh nghĩacủasự phân kìchùmtiađược cho bởi mối quanhệ đơngiản sau: Độ phân kì (radian) = Hằng số x Bước sóng / Đường kính chùm tia Nếu chùm tia laser truyền qua một hệ quang học, giá trị đường kính thích hợp trong phương trình trên là đường kính của thành phần cuối mà chùm tia truyền qua.Hằng số trongphươngtrình phụ thuộcvàosự phânbố cường độ trong chùm, và có giá trị rất gần thống nhất với nhau. Mỗi quan hệ rõ ràng cho thấy độ phân kì chùm tia tăng theo bước sóng, và giảm khi đường kính chùm (hoặc thấu kính ra) tăng. Nói cách khác, đường kính chùm càng nhỏ thì chùm càng bị phân kì nhiều và càngtrải rộngra theo khoảngcách so với chùm lớn. Giá trị của độ phân kìchùm tiađối với một laser cho trước cóthể có ý nghĩa thực hành rất lớn. Laser helium-neon và laser bán dẫn trở thành những công cụ chuẩn trong lĩnh vực trắc địa. Người ta gởi một xung laser nhanh tới một gương phản xạ góc đặt tại nơi cần lập bản đồ, và độ trễ của xung laser phản xạ lại có thể được đo chính xác để thu được khoảng cách tới nơi đặt laser. Trên những khoảng cách ngắn thông thường, độ phân kì chùm tia không phải là vấn đề quan trọng, nhữngđối vớinhững phép đokhoảngcáchxa,sự phânkìquámứccóthể làmgiảm cường độ chùm tiaphản xạ, và cản trở việc đođạc. Cácnhà duhành người Mĩ trên sứ mệnh Apollo 11và Apollo 14đã đặtmột cáigương phản xạ góctrênMặtTrăng, nó sẽ phản xạ ánh sáng từ một laser ruby xung công suất lớn đặt tại đài quan sát MacDonald, ở Texas. Mặc dù chùm tia trải ra trong bán kính 3km trên bề mặt Mặt Trăng,ánhsáng phảnxạ vẫn có cườngđộ đủ mạnhđể thu nhận được trênTráiĐất. Khoảng cáchtừ Mặt Trăng đến đài quan sát Texas được đovới độ chính xác 15cm trong thí nghiệm này, nhưng kể từ thập niên 1980, những tiến bộ kĩ thuật đã tăng độ chính xác lên dưới 2cm. Những cố gắng hiện nay đang được thực hiện sử dụng các kính thiên văn công suất lớn để truyền và nhận các xung ánh sáng từ một vài gương phản xạ đặt trên Mặt Trăng để làm giảm hơn nữa sai số đo, có thể chỉ khoảng 1mm. Docơ chế tạo rahoạtđộng laserliên quan tới việclàm tăngsố nguyêntử hay phân tử lên trạng thái kích thích cao nhằm tạo ra sự nghịch đảo dân cư cần thiết, nênhiểnnhiênmộtsố dạngnănglượngphảiđượcđưa vào hệ laser.Cácphoton có thể đượcápdụng để cungcấpnănglượng cầnthiếttrongmộtquátrìnhgọilà bơm quang học. Bằng cách chiếu sáng vật liệu laser với ánh sáng có bước sóng thích hợp, nguyên tử hay phân tử phát xạ có thể được đưa lên mức năng lượng cao, từ đó nó rơi xuống mức siêu bền, và rồi bị cưỡng bức phát xạ ra ánh sáng. Thật may mắn, trong đasố laser, ánh sáng dùng để bơm không nhất thiết phảicó bước sóng đặc biệt, chủ yếu do laser có thể có nhiều mức cao có thể phân hủy hoàn toàn xuống mức siêu bền. Do đó, một nguồn ánh sáng không đắt tiền phát ra một ngưỡng rộng bước sóng, như đèn nóng sáng hay đèn flash, thường có thể được dùng làm bơm quang học cho laser. Một nhân tố quan trọng giới hạn hiệu suất laser làphoton của ánh sáng bơm phải có năng lượng cao (hay cóbước sóng ngắn hơn) so với ánh sáng laser. Bơmđiệnlàmộtcơ chế kíchthíchkhácthườngđượcdùngtronglaserkhívà laserbándẫn.Tronglaserkhí,dòngđiệntruyền qua chấtkhíkích thíchcácnguyên tử và phân tử vào mức năng lượng cao cần thiết để bắt đầu phân hủy, hoặc phân hủy một loạt, tạo ra phát xạ laser. Một số laser khí dẫn một dòng không đổi qua chất khí để tạo sự phát ra laser liên tục, còn những laser dùng xung điện thì tạo ánhsánglaserradạngxung.Mộtsố laser côngsuấtlớncònsử dụngchùmelectron đưa trựctiếp vào chất khí để kích thích. Laser bán dẫn hoạt động theo kiểu rấtkhác, nhưng cũng dựa trêndòng điện để tạora sự nghịch đảo dân cư cần thiết. Trong những dụng cụ này, sự nghịch đảo được tạo ra giữa dân cư của các hạt mang điện (electron và cặp electron-lỗ trống) trong mặt phẳng tiếp giáp giữa các vùng chất bán dẫn khác nhau. Sự phát xạ ánh sáng trong laser bán dẫn tập trung trong mặt phẳng tiếp giáp bởi sự phản hồi từ các đầu chẻ của tinh thể (hình 9). Vật liệu lát mỏng có hệ số phản xạ cao, và phản xạ đủ ánh sáng trở lại tinh thể để thu được độ lợi. Bề mặt chẻ cũng có thể được đánh bóng để điều chỉnh hệ số phản xạ. Đầu chẻ điển hình của tinh thể được phủ một vật liệu phản xạ sao cho sự phát xạ chỉ có thể xảy ra ở một đầu, như được minhhọa trênhình9.Điệnthế và dòngđiệncần thiết tronglaserbándẫnthấphơn nhiều so với laser khí. Hình 9.Diode laser bán dẫn Các dạng truyền năng lượng khác ít được sử dụng hơn để tạo ra sự chuyển trạng thái laser mạnh. Các phản ứng hạt nhân và hóa học có thể được dùng để tạo ra sự kích thích trong một số loại laser. Các laser khí có thể dùng những hỗn hợp khí khác nhau để thực hiện quá trình laser. Trong laser helium-neon, các nguyên tử helium bắt năng lượng từ sự phóng điện khí do một dòng điện vào gây ra, rồi truyền sang các mức năng lượng rất gần nhau tồn tại trong khí neon. Sau đó sự chuyển trạng thái laser xảy ratrong khí neonđể tạora phát xạ laser. Laser vốn dĩ không hiệu quả. Năng lượng phải được cung cấp cho laser, và một số bị thất thoát trong quá trình biến đổi sang loại năng lượng có trật tự cao hơn là dạng ánh sáng laser. Như đã nói ở phần trên, đối với laser bơm quang học, ánhsáng laserraluônluôn cóbướcsóngdài hơn bướcsóngánhsángbơm.Những mất mát năng lượng khác xảy ra trong các quá trình chuyển mức năng lượng xảy ra trong laser ba mức và bốn mức. Sau kích thích ban đầu lên mức cao, sự chuyển trạng thái laser tự nó chỉ có thể giải phóng một phần năng lượng đó, đáng nói là phần còn lại bị mất trong những quá trình khác. Trong một số hệ thống, với sự chuyển trạngtháilaser năng lượngcao, đaphầnnăng lượngđượcdùng chỉ để đưa các loại laser lên mức thích hợp, nằm trên trạng thái cơ bản. Quá trình kích thích, dùbằng phươngphápđiệnhayphương phápquang,khôngcóhiệusuất100% - và năng lượng chưa bao giờ được hấp thụ hoàn toàn bởi môi trường laser. Tất cả những nhân tố chính này, và một số nhân tố thứ yếu không nói đến ở đây, thật sự giớihạnhiệu suấttổngthể củalaser.Mặcdùnhững laser bándẫnhiệuquả nhấtvà một số laser khí có thể biến đổi gần 10% năng lượng vào thành ánh sáng laser, nhưng laserđiểnhình có hiệu suất chỉ cỡ 1% hoặcthấp hơn. Trong vài thập kỉ kể từ thập niên 1960, laser đã không còn là một ý tưởng khoa học viễn tưởng, một vật hiếm trong phòng nghiên cứu, một thứ đắt tiền nữa, màlàmộtcông cụ quýgiátrong nhữngứngdụngkhoa học nhấtđịnh, nótrở thành một vật thiết yếutrong côngviệc hàng ngày, vàthông dụng đến mứccó thể mua ở những cửa hàng tạphóa, có người dùng nó đo kích thước phòng ở để dán giấy lên tường. Bất kì danh sách nào điểm lại những thành tựu công nghệ chủ yếu của thế kỉ 20 cũng có tên laser nằm ở phần trên đầu. Sự thâm nhập của laser vào mọi mặt đời sống hiện nay có thể được đánh giá đúng nhất bằng phạm vi ứng dụng của công nghệ laser. Ở một phía ngoạn mục của phạm vinày lànhững ứng dụng trong quân sự, kể cả việc sử dụng laser làm vũ khí chống lạisự tấn công bằng tên lửa. Ở một phạm vi khác là những hoạt động thường nhật như nghe nhạc trên đĩa CD, và in ấn hoặc in sao các văn bản giấy. Các thanh laser được bán hàng trăm đô la mỗi thanh được xem lànhững món phụ tùng không đắttiền, cả ngườithợ mộccũng sử dụnglaser, và nhữngdụng cụ đo đạc đơn giản cũng có gắnlaser. Vừa kì lạ vừa bình dị, laser được sử dụng rộng rãi trong điều trị y khoa và phẫu thuật, và trong việc cắt và hàn các giàn khung bằng thép, cao su, và plastic dùng trong xưởng chế tạo ô tô và dụng cụ. Nhiệt từ laser được dùng để hàn điểm cáckim loại,và trongcácthủ thuậtykhoatinh vi như dán lạivõng mạcsau khimổ tách ra trongkĩ thuậtphẩu thuật mắt người.Nhữngthủ thuậtykhoachính xáccao khác như sửa chữacác mạch máu hỏng, cắt và đốt cháy mô, thườngsử dụng laser. Phần lớn mạng viễn thông trên thế giới được truyền dẫn bằng việc gởi những tín hiệu laser dạng xungđihàngdặmđườngtrong cácsợi cápquang, và những đồ tạo tác mang ý nghĩa văn hóa, như những bức tranh thời cổ đại, thường được thẩm định sự rạn nứt, hỏng hóc và phục hồi với sự hỗ trợ của laser. Cùng với máy tính điện tử, mạch tích hợp, và vệ tinh nhân tạo, công nghệ laser phát triển ngày càng trở nên quan trọng trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta, biến những giấc mơ nhiều năm trước đây của loài người thànhsự thật. . Tổng quanvề laser Vì trong thực tế ánh sáng dao động tới lui trong hộp laser, nên hiện tượng cộng hưởng trở thành một nhân tố ảnh hưởng tới việc khuếch đại cường độ laser. Phụ thuộc. được dùng làm bơm quang học cho laser. Một nhân tố quan trọng giới hạn hiệu suất laser làphoton của ánh sáng bơm phải có năng lượng cao (hay cóbước sóng ngắn hơn) so với ánh sáng laser. Bơmđiệnlàmộtcơ. phát xạ laser. Một số laser khí dẫn một dòng không đổi qua chất khí để tạo sự phát ra laser liên tục, còn những laser dùng xung điện thì tạo ánhsánglaserradạngxung.Mộtsố laser côngsuấtlớncònsử