Tổng quanvề laser Cơ chế làm cho phát xạ cưỡngbức có thể lấn át là phải có số nguyên tử ở trạngthái kích thích nhiều hơn số nguyên tử ở trạng thái năng lượngthấp hơn,sao cho các photon phát xạ có khả năng gây kích thích phát xạ nhiều hơn là bị hấp thụ. Do điều kiện này là nghịch đảotrạng thái cân bằng banđầunên nó được gọi là sự nghịch đảo dân cư. Miễnlà cónhiều nguyêntử ở trạng tháinăng lượng cao hơn so với ở trạngthái năng lượng thấp hơn, thì phát xạ cưỡngbức sẽ lấn át và ta thu được dòng thácphoton.Photonphátxạ ban đầu sẽ kích thích sự phát xạ của nhiều photonhơn, nhữngphoton này sau đó lại kích thích sự phát xạ ra nhiềuphoton hơnnữa, vàcứ thế tiếp diễn.Kết quả là dòngthác photontănglên, ánh sáng phát xạ được khuếch đại. Nếu sự nghịch đảo dâncư chấm dứt(dân cư ở trạng thái cơ bản trở nên lấn át) thì phátxạ tự phátsẽ trở lại là quátrình chủ yếu. Vào khoảng thời gian Einstein đề xuất ý tưởng, đa số các nhà vật lí tinrằng bất cứ điều kiện nào không phải ở trạng thái cân bằngnhiệt động lựchọcđều khôngbềnvà không thể được duytrì liên tục. Mãi đến sauThế chiến thứ hai, người ta mới xem xétđến các phương pháp tạo ra sự nghịch đảo dân cư cần thiết để duy trì phát xạ cưỡng bức. Các nguyên tử và phân tử có thể chiếm giữ nhiều mức năng lượng, và mặcdù một số sự chuyển trạng thái có khả năng xảy rahơn sovới một số sự chuyển trạng thái khác (do các quy luậtcủa cơ học lượng tử và vì những lído khác), nhưng sự chuyển trạngthái có thể xảy ra giữa bấtkì hai mức năng lượng nào. Yêucầutối thiểu chosự phátxạ cưỡng bứcvà khuếch đại, hayhoạt độnglaser, là ít nhất phải có một trạng thái năng lượng cao hơn có dân cư nhiều hơn một trạngthái năng lượngthấp hơn. Sự nghịch đảo dân cư có thể được tạo ra qua hai cơ chế cơ bản: hoặclà tạora dư thừa số nguyên tử hay phân tử ở một trạngthái năng lượngcao, hoặc là làm giảm dân số ở một trạngthái nănglượngthấp. Cũng có thể chọnmộthệ không bền ở mức nănglượng thấp, nhưng đối với hoạtđộng laserliên tục, phải chú ý vừa làm tăng dân cư ở mức cao vừa làm giảm dâncư ở mức thấp. Nếu quá nhiều nguyên tử hay phân tử tích tụ ở mức năng lượngthấp thì sự nghịch đảo dân cư sẽ không còn và hoạtđộng laserdừng lại. Phương pháp thông dụngnhấttạora sự nghịch đảo dân cư trong môi trường laser là cấpthêm năng lượngchohệ để kích thích cácnguyên tử hay phân tử lên mức nănglượng cao.Cách cấp năng lượng đơn giảnbằng cách dùngnhiệt khuấy độngmôi trườngkhông đủ (dưới điều kiện cân bằng nhiệt động lựchọc)để tạo ra sự nghịch đảo dân cư, do nhiệt chỉ làm tăngnăng lượng trungbình củacáchạt, chứ khônglàmtăng số loại trạng thái kích thích tươngđối sovới trạng thái thấp. Tỉ số của số nguyêntử ở hai mức năng lượng(1 và2) dưới trạng thái cân bằng nhiệt độnglực học được chobởiphương trìnhsau: N 2 /N 1 = exp[- (E 2 - E 1 ) / kT] trong đó N 1 và N 2 tương ứnglàsố nguyêntử ở mức 1 và mức2, E 1 và E 2 là năng lượngcủa hai mức, k làhằngsố Boltzmann,T lànhiệt độ kelvin.Như đã được chỉ rõ trong phương trình, ở trạng thái cân bằng nhiệt động lựchọc, N 2 chỉ có thể lớn N 1 nếu như nhiệtđộ là một số âm. Trước khi nghiêncứu mô tả hoạt động maservà laserđược công bố, cácnhà vật lí thường xemsự nghịch đảodân cư là nhiệt độ âm,đó là từ chỉ những điều kiện khôngở trạng thái cânbằng nhiệt động lực học khôngđượcmong đợi là sẽ được duytrì liên tục. Để tạo ra sự nghịch đảo dân cư cần thiết cho hoạt độnglaser,các nguyêntử hay phân tử phải bị kích thích có chọnlọc lên những mứcnănglượng đặc biệt. Ánh sáng và dòng điện là cơ chế kích thích được chọn của đa số laser. Ánhsánghoặc các electroncó thể cung cấpnănglượng cần thiết để kích thích các nguyên tử hay phân tử lên các mức năng lượng cao được chọn, và sự truyềnnănglượng không đòi hỏi đưa các electron trực tiếp lên mứcnănglượngcao nào đó củasự chuyển trạngthái laser.Mộtsố phương pháp khác cóthể phức tạp hơn,nhưngchúng thường tạo ra hoạt độnglasertốthơn. Một phương pháp thường được sử dụnglà kíchthích nguyên tử hay phân tử lên mứcnăng lượng cao hơncần thiết, sau đó nó sẽ rơi xuống mức laser cao. Kiểu kích thích gián tiếp có thể được sử dụng để kích thích các nguyên tử tronghỗn hợp khí xungquanh,sauđó chúng sẽ truyền năng lượng của chúngchocác nguyên tử hay phân tử đảm nhận việc tạo rahoạt động laser. Hình 4.Biểu đồ năng lượnglaser 3mức và 4 mức Như đã nóitớiở phần trước,lượngthời gian mà một nguyêntử hay phântử trảiqua ở mộttrạng tháikíchthíchlàyếutố quyếtđịnh trongviệcxácđịnh xemnó sẽ bị cưỡng bức phát xạ và tham gia vào dòng thác photon, hay là sẽ mất đi năng lượng qua việc phát xạ tự phát. Các trạng thái kích thích thường có thời gian sống chỉ vài nanogiâytrướckhi chúng giảiphóngnăng lượngcủa mình bằngphátxạ tự phát, một khoảng thời gian không đủ lâu để có thể chịu sự kích thích bởi một photon khác. Do đó, yêu cầu tối cần thiết cho hoạt động laser là mức năng lượng cao phải có thời gian sống lâu hơn. Các trạng thái như vậy thật sự tồn tại trong nhữngchấtnhấtđịnh,vàthườngđượcgọilà trạngtháisiêubền (xemhình 4).Thời gian sốngtrung bình trướckhi phát xạ tự phátxảyra đối với trạngtháisiêu bềnlà vào bậc micro giây đến mili giây, một khoảng thời gian khá dài ở thế giới nguyên tử. Với thờigian sống lâu này, cácnguyên tử và phân tử bị kích thích có thể tạo ra một lượng đáng kể phát xạ cưỡng bức. Hoạt động laser chỉ xảy ra nếu như dân cư ở mức cao được tạo ra nhanh hơn sự phân hủy của nó, duy trì được dân cư ở mức cao nhiều hơn ở mức thấp. Thời gian sống củaphát xạ tự phát cànglâu thì nguyên tử hay phân tử càngthích hợp chocác ứng dụng laser. Maser mà Charles Townes chứng minh trong bước tiến tới laser đầu tiên thật có ý nghĩa, vì nó yêu cầu tạo ra sự nghịch đảo dân cử để hoạt động, và do đó chứng minh với nhiều nhà vật lí còn hoài nghi rằng sự nghịchđảo dân cư như vậy làcóthể thựchiện được.Hệ của ông làmaser hai mức,chỉ sử dụngcácmứccaovà thấp. Townes đã tiến hành một phương pháp mới lạ trong hệ nguyên tử amoniac của ông để tạo ra sự nghịch đảo dân cư – kĩ thuật chùm phân tử tách các phân tử amoniac bị kích thích khỏi các phân tử ở trạng thái cơ bản. Các phân tử ở trạng thái cơ bản bị loại bỏ,và các phân tử bị kích thích được tách ra thiết lập sự nghịch đảo dân cư cần thiết. Các phương pháp khác, hiệu quả hơn, hiện nay được phát triển cho maser và laser thực tế, yêu cầu sử dụng ba, bốn mức năng lượng hoặc nhiều hơn. Cấu trúcmức năng lượng thiết thựcđơngiản nhất đốivới hoạt động laser là hệ ba mức, được minh họa trong hình 4a. Trong hệ này, trạng thái cơ bản là mức laser thấp, và sự nghịch đảo dân cư có thể được tạo ra giữa mức này vàmột trạng tháisiêubền nănglượngcaohơn. Đa số cácnguyên tử hayphântử ban đầubị kích thích lên trạng thái nănglượng caocó thờigian sống ngắnnhiều hơnlên mức siêu bền.Từ trạngthái này,chúngnhanhchóngphân hủysangmức siêu bềntrunggian, mức có thời gian sống dàihơn nhiều so với trạng thái năng lượng cao (thường dài hơn cỡ 1000 lần). Do thời gian cư trú của mỗi nguyên tử ở trạng thái siêu bền tương đối lâu, nên dân số có xuhướng tăngvà đưa đến sự nghịch đảo dân cư giữa trạngtháisiêubềnvàtrạngtháicơ bảnthấphơn (dân số giảmliêntụcđối vớimức cao nhất). Phát xạ cưỡng bức thu được từ thực tế số nguyên tử có sẵnở trạng thái bị kích thích (siêu bền) nhiều hơn so với ở trạng thái thấp, trạng thái mà sự hấp thụ ánh sáng có khả năngxảyra nhất. Mặc dù laser ba mức hoạt động đối với mọi mục đích thực tế, như đã được minh chứng bằng laser đầu tiên của Maiman, nhưng có một số vấn đề đã hạn chế hiệu quả của phương pháp này. Vấn đề trọng tâm xuất hiện do mức laser thấp là mứccơ bản, làtrạng tháibình thường đối với đa số các nguyên tử hay phântử.Để tạo ra sự nghịch đảo dân cư, phần lớn electron ở trạng thái cơ bản phải được đưa lênmức nănglượng bị kíchthíchcao, đòi hỏiphải cungcấpđáng kể nănglượngtừ bênngoài. Ngoàira,sự nghịch đảodâncư khócóthể duy trì trongmộtkhoảng thời gian đáng kể, vàdođó, laserba mức hoạt động theokiểu xungchứ không liên tục. Laser sử dụng bốn mức năng lượnghay nhiều hơntránhđượcmột số vấn đề đề cập ở trên, và dođó được sử dụng phổ biến hơn. Hình 4bminhhọakịch bản bốn mức năng lượng. Cấu trúc mức nănglượng tươngtự như tronghệ ba mức, trừ vấn đề saukhi nguyên tử rơi từ mứccao nhất xuốngtrạngthái cao siêubền,chúng khôngrơi hết xuốngtrạngthái cơ bản qua mộtbước. Do sự nghịch đảo dâncư khôngđược tạo ra giữa trạngthái cơ bảnvà mức cao, nên số nguyên tử hay phân tử phải được đưa lên đột ngộtgiảmxuống trong mô hìnhnày. Trong mộthệ laser bốn mức điển hình, nếu chỉ 1 hoặc 2%số nguyên tử hay phân tử cư trú ở mức laser thấp (mức nằm trên trạngthái cơ bản)thì chỉ cần kích thích 2 đến 4%trong tổng số nguyên tử hayphântử lên mức cao là sẽ thu đượcsự nghịchđảo dân cư cần thiết. Mộtthuậnlợi nữa của việc táchmức laserthấpkhỏi mức cơ bản là các nguyêntử mức thấp sẽ tự độngrơi xuốngtrạng tháicơ bản. Nếu như mức laser thấpcó thời gian sống ngắn hơn nhiều so với mức cao thìcác nguyên tử sẽ phân hủy sang mức cơ bản ở tốc độ đủ để tránh việc tích tụ ở mức laserthấp. Nhiều laser đượcthiết kế dưới những ràng buộcnày có thể hoạt động theomode liên tục tạo ra chùm tia không đứt quãng. Hình 5.Phát hiện maservũ trụ Các laser hoạtđộngthựctế thường phứctạphơnmôhình môtả ở trên. Mức laser cao thường không phải là một mức đơn, mà là một nhóm mức năng lượng cho phép năng lượng kích thích cần thiết biến đổi trong một phạm vi rộng trong khi hoạt động.Mức thấpcũng gồmnhiều mức, vànếu mỗi mứccao gầnnhau phân hủy sang một mức thấp khác, một laser có thể hoạt động ở nhiều sự chuyển trạng thái, tạo ra nhiều hơn một bước sóng. Ví dụ, laser helium-neon được dùng phổ biến nhất để phát ra bước sóng đỏ, nhưng nó cũng có thể hoạt động ở những sự chuyển trạng thái khác để phát ra bức xạ cam, vàng, xanh lá và hồng ngoại. Nhiều nhân tố khác tồntại trong việcthiết kế laser thực tế, như bảnchất của môi trường hoạt tính. Hỗn hợp khí hay những kết hợp khác của các loại phân tử thường được dùngđể cảithiện hiệuquả bắtvà truyềnnăng lượng,hoặc hỗ trợ sự giảmdânsố ở mức laserthấp. Trước khi có bằng chứng mang tính bước ngoặt chứng tỏ maser và laser thực sự có thể tạo ra được, các nhà khoa học đã thấy thực tế là maser xuất hiện trong tự nhiên tồn tại trong không gian vũ trụ bên ngoài (hình 5). Ngay cả sau khi Einstein tiên đoán sự phát xạ cưỡng bức, đa số các nhà vật lí vẫn tin rằng việc tạo ra sự nghịch đảo dân cư là quá khó nên nó không thể xảy ra trong tự nhiên. Thực ra mà nói thì hình như các nhà khoa học đã không xem xét đúng đắn liệu vật chất có tồn tại trong tự nhiên ở trạng thái khác, ngoài trạng thái cân bằng nhiệt động lực học hay không. Cái gọi là maser vũ trụ gồm các nguồn như các lớp vỏ khí bao bọc quanh các sao kềnh đỏ, sao chổi, tàn dư của sao siêu mới, và những đám mây phân tử đang hình thành sao khác. Trong đám mây khí bao quanh một ngôi sao nóng,bứcxạ phátratừ ngôi sao có thể kích thíchcácphântử khílêncácmứcnăng lượng cao, rồi phân hủy xuống trạng thái siêu bền. Chỉ cần tồn tại mức laser thấp thích hợp, sự nghịch đảo dân cư có thể xảy ra và sẽ thu được hoạt động laser. Mặc dù quá trình đó không giống với các maser và laser nhân tạo, và một lượng lớn năng lượng có thể được phát ra, nhưng sự phát xạ của năng lượng maser hoặc laser sao không bị giới hạn trong một chùm. Bức xạ phát ra bởi maser vũ trụ truyền đi xa theo mọi hướng giống như năng lượng phát ra từ đám mây khí nóng giống saonào khác. Ngoài việc tạo ra sự nghịch đảo dân cư, cũng cần một vài nhân tố khác nữa để khuếchđại và tập trung ánhsángthànhmột chùm. Ánhsángphát ra từ sự phát xạ cưỡng bức được tạo ra trong môitrường laser thường có một bước sóngriêng, nhưng phải được trích ra có hiệu quả từ môi trường bằng một số cơ chế bao gồm sự khuếchđại.Côngviệc nàyđược hoànthànhtrongmột hộp cộnghưởng,nóphản xạ một số ánh sáng phát xạ trở lại môi trường laser, và qua nhiều lần tương tác, hình thành hay khuếch đại cường độ ánh sáng. Ví dụ, sau sự phát xạ cưỡng bức ban đầu, hai photon có cùng năng lượng và cùng pha mỗi hạt có thể bắt gặp các nguyên tử bị kích thích, rồithì sẽ phátra nhiều photon hơncó cùng năng lượng và cùng pha. Số photon được tạo ra bởi phát xạ cưỡng bức tăng lên nhanh chóng, và sự tăng này tỉ lệ trực tiếp với khoảng cách mà ánh sáng truyền trong môi trường laser. Hình 6 minh họa sự thu lợi, hay khuếch đại, xảy ra với chiều dài đường truyền tăng lên trong hộp cộng hưởng do các gương đặt ở hai đầu mang lại. Hình 6a cho thấy sự bắt đầu của phát xạ cưỡng bức, ánh sáng được khuếch đại trong hình 6b đến hình 6g khi nó bị phản xạ từ các gương đặt ở hai đầu hộp. Một phần ánh sáng truyền xuyên qua gương phản xạ một phần ở phía bên phải của hộp trong mỗi lần truyền (hình 6b, d và f). Cuối cùng, ở trạng thái cân bằng (hình 6h), hộp bão hòa bứcxạ cưỡngbức. Mức độ khuếch đại thu được trong một laser, biểu diễnbằngthuậtngữ độ lợi, chỉ lượng phát xạ cưỡngbức mà một photon có thể tạo ra khinó truyền đi một khoảng cách chotrước. Ví dụ, độ lợi 1,5 /cmnghĩalà mộtphoton sinh rathêm 1,5 photonnữa trên mỗi cm mà nó truyền đi. Hệ số khuếch đại này tăng lên theo chiều dài đường truyền của hộp laser.Độ lợi thựctế phức tạp hơn nhiều, vàngoài những nhântố khác, nó phụ thuộc vào nhữngdao động trong sự phânbố dân cư giữa các mức nănglượng lasercaovà thấp. Điềuquantrọnglà lượngkhuếch đại tăng rõrệt với khoảng cách truyền trong môi trườnglaser. Hình 6.Sự phát xạ cưỡng bứctrong hộp laser Tronglasercó hộp cộnghưởngdọc,như thỏirubyhayốngchứađầykhí,ánh sáng truyền dọc theo chiều dài của môi trường laser làm phát sinh nhiều phát xạ cưỡng bứchơnánhsáng truyền vuông gócvớitrục của hộp cộng hưởng. Do đó,sự phát xạ ánh sáng tập trung dọc theo chiều dài của hộp, ngay cả khi không dùng gương để giới hạn đường truyền của nó theo hướng dọc. Việc đặt các gương ở hai đầu của hộp laser cho phép chùm tia truyền tới lui, làm tăng thêm sự khuếch đại do đường truyền qua môi trường dài hơn. Sự phản xạ nhiều lần cũng tạo ra chùm tậptrung cao (một đặc trưng quan trọngcủalaser),do chỉ cónhữngphoton truyền song song với thành hộp là bị phản xạ bởi hai gương. Sự xắp xếp này được gọi là dao động tử, và nó cần thiết, vì đa số vật liệu laser có độ lợi rất thấp và sự khuếch đại đầy đủ chỉ có thể thu được với đườngtruyềndàiqua môi trường. Đa số laser hiện nay được thiết kế có các gương ở cả hai đầu của hộp cộng hưởng để làm tăng quãng đường ánh sáng truyền trong môi trường laser. Cường độ phát xạ tăng lên theo mỗi lượt truyền của ánh sáng cho tới khi nó đạt tới mức cân bằng, mức này do cấu tạo hộp và gương thiết đặt. Một gương của hộp phản xạ gần như toàn bộ ánh sáng tới, còn gương kia (gương ra) phản xạ một số ánh sáng vàtruyềnmộtphầnrangoàidưới dạng chùm laser.Trong mộtlaser cóđộ lợithấp, gương ra được chọn sao cho chỉ truyền một phần nhỏ ánh sáng ra ngoài (có lẽ chỉ vài phần trăm) và phản xạ đa phần ánh sáng trở lại hộp. Ở trạng thái cân bằng, công suất laser ở trong hộp cao hơn bên ngoài, và thay đổi theo phần trăm ánh sáng truyềnquagương ra.Bằngcách làmtănghệ số truyền củagươngra, sự chênh lệch công suất giữa bên trong và bên ngoài hộp có thể được làm giảm xuống. Tuy nhiên, chỉ cần gươngra phảnxạ một số phầnánhsángtrở lại hộp,công suấtở bên trong vẫn cao hơn bênngoàitrong chùm tia xuất hiện. Một nhận thứcsai lầm về laserlà ý tưởngchorằngtất cả ánh sáng phátxạ bị phản xạ tới lui trong hộp cho tới khi cường độ của nó đạt tới giới hạn, rồi thì một số “thoát ra” ngoài quagươngradướidạng chùmtia.Trong thựctế,gươngra luôn luôn truyền một phần không đổi ánh sáng dưới dạng chùm, phản xạ phần còn lại trở vào hộp. Chức năngnàyquan trọng trong việc cho phép laser đạttớitrạng thái cân bằng, với các mức công suất laser cả bên trong lẫn bên ngoài đều trở nên khôngđổi. . Tổng quanvề laser Cơ chế làm cho phát xạ cưỡngbức có thể lấn át là phải có số nguyên tử ở trạngthái kích. trong môi trườnglaser. Hình 6.Sự phát xạ cưỡng bứctrong hộp laser Tronglasercó hộp cộnghưởngdọc,như thỏirubyhayốngchứađầykhí,ánh sáng truyền dọc theo chiều dài của môi trường laser làm phát sinh. việc tích tụ ở mức laserthấp. Nhiều laser đượcthiết kế dưới những ràng buộcnày có thể hoạt động theomode liên tục tạo ra chùm tia không đứt quãng. Hình 5.Phát hiện maservũ trụ Các laser hoạtđộngthựctế