ĐỒ ÁN CHẾ TẠO MÁY KHẮC LASER MINI

Các nước phát triển trên thế giới, sự đột phá về khoa học kỹ thuật đã giúp họ tìm ra những kỹ thuật tiên tiến áp dụng trong sản xuất, chế tạo. Nhằm tạo ra những công cụ giảm sức lao động của con người mà năng suất, hiệu quả kinh tế đạt ở mức độ cao. Trong ngành chế tạo máy thì không ngừng đổi mới những tính năng của máy, quá trình tự động hóa, các phần mềm ứng dụng tin học được đưa vào trong kỹ thuật chế tạo. Do vậy các thiết bị sản xuất được tự động hóa cao nhờ sự hỗ trợ của hệ thống điều khiển số bằng máy tính đã có mặt ở các nhà máy, xí nghiệp…Với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học và công nghệ, cùng với những diễn biến phức tạp của cuộc cạnh tranh thị trường hàng hóa thế giới, CNC đóng vai trò rất quan trọng đối với sự phát triển nền kinh tế của xã hội.Chúng ta đang sống trong một thời đại mới, thời đại phát triển rực rỡ của công nghệ thông tin (CNTT). CNTT đã ở một bước phát triển cao đó là số hóa tất cả các dữ liệu thông tin, luân chuyển mạnh mẽ và kết nối tất cả chúng ta lại với nhau. Mọi loại thông tin, số liệu âm thanh, hình ảnh có thể được đưa về dạng kỹ thuật số để bất kỳ máy tính nào cũng có thể lưu trữ, xử lý và chuyển tiếp cho nhiều người.Những công cụ và sự kết nối của thời đại kỹ thuật số cho phép chúng ta dễ dàng thu thập, chia sẻ thông tin và hành động trên cơ sở những thông tin này theo phương thức hoàn toàn mới, kéo theo hàng loạt sự thay đổi về các quan niệm, các tập tục, các thói quen truyền thống, và thậm chí cả cách nhìn các giá trị trong cuộc sống.Đến thời điểm hiện nay, việc ứng dụng CNTT trong cuộc sống, công việc cũng như nhiều lĩnh vực khác đã và đang được áp dụng phổ biến rộng rãi hơn.Xu hướng công nghệ dù đi tới đâu cũng đều nhằm phục vụ và cải thiện đời sống con người, trong đó, sẽ có những công nghệ và phát minh có thể thay đổi toàn diện cuộc sống con người.Những xu hướng công nghệ sẽ thay đổi cuộc sống tương lai:1. Trí tuệ nhân tạo Robot.2. Công nghệ CNC.3. Smart home.4. Điện toán đám mây.5. Thương mại điện tử.6. Thực tế ảo.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP PHƯƠNG ĐÔNG

KHOA ĐIỆN – CƠ ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Đề tài:

CHẾ TẠO MÁY KHẮC LASER MINI

Giáo viên hướng dẫn: Ths.Trần Quý Cao

Sinh viên thực hiện: Lý Đình Tiến Long 513122014

Hà Nội – 2017

LỜI CẢM ƠN

Qua thời gian thực hiện đồ án tại Xưởng thực hành cơ khí của Trường Đại Học Phương Đông em đã rút ra được rất nhiều kinh nghiệm thực tế em chưa được biết Để có kiến thức thực tế ngày hôm nay, trước hết em xin chân thành cảm ơn các thầy côgiáo trong khoa Điện – Cơ điện tử trường ĐHDL Phương Đông đãgiảng dạy và trang bị cho em những kiến thức cơ bản, đồng thờitận tình hướng dẫn và giúp đỡ em trong quá trình học tập Bên cạnh đó, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến NCS.Ths Trần Quý Cao đã giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi để em hoàn thành tốt mọi nhiệm vụ trong quá trình làm đồ án

Trong thời gian thực hiện đồ án tại xưởng, em đã học được rất nhiều kiến thức thực tế Như cách tổ chức làm việc các phòng ban, cách làm việc và tác phong làm việc, máy móc về cơ khí, điện tử Đây là những kiến thức bổ ích cho công việc trong

tương lai của em

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến các bạn sinh viên trong tập thể lớp 513, đã cho tôi những ý kiến đóng góp giá trị khi thực hiện

TRƯỜNG ĐHDL PHƯƠNG

ĐÔNG

KHOA ĐIỆN – CƠ ĐIỆN TỬ

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

4 Các bản vẽ, đồ thị (ghi rõ các loại bản vẽ, kích thước bản vẽ)

(ký và ghi rõ họ tên) (ký và ghi rõ họ tên)

SINH VIÊN THỰC HIỆN

đã hoàn thành và nộp toàn bộ bản thiết kế cho Khoa

(ký và ghi rõ họ tên)

TRƯỜNG ĐHDL PHƯƠNG

ĐÔNG

KHOA ĐIỆN – CƠ ĐIỆN TỬ

TIẾN ĐỘ THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

………

STT NGÀY NỘI DUNG CÔNG VIỆC

% CÔNG VIỆC

GVHD

(ký)

KIỂM TRA

KHOA ĐIỆN – CƠ ĐIỆN TỬ

Ghi chú: Sinh viên chỉ được bảo vệ ĐATN sau khi đã có đầy đủ chữ ký của Giáo viên kiểm tra tiến độ, Giáo viên hướng dẫn và Ban chủ nhiệm Khoa.

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Hà Nội, ngày ………… tháng ………… năm

2017

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

(ký và ghi rõ họ tên)

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Hà Nội, ngày ………… tháng ………… năm

2017

GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

(ký và ghi rõ họ tên)

1.1 TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT LASER.

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ THIẾT BỊ LASER.

2.1 Tìm hiểu lý thuyết và giới thiệu về đầu phát laser

2.1.1 Phân loại laser ………31

2.1.2 So sánh các loại laser trong công nghiệp

ngoại

2.2.1 Cấu tạo ……….………39

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN ĐỘNG, LỰC HỌC, THIẾT KẾ CƠ KHÍ.

3.1 Tính toán động học và động lực học thiết bị

3.1.1 Chọn động cơ ………41

3.1.2 Chọn công suất động cơ động cơ

……… 43

3.1.3 Chọn số vòng quay của động

3.1.4 Tính toán chọn trục………44

3.1.5 Chọn ổ bi ……… …45

Chương 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN.

4.1.1 Sơ đồ khối và nguyên lý hoạt động của phần điều

khiển ……53

4.1.2 Các khối điều khiển ……… …

54 4.1.3 Sơ đồ kết nối các khối điều khiển ……… 60

Chương 5: PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN, THỬ NGHIỆM, KIỂM TRA ĐỘ CHÍNH XÁC 5.1 Lập trình điều khiển máy khắc laser cho 1 số đối tượng điển hình 5.1.1 Phần mềm tạo G-code (Inkscape……… 62

5.1.2 Phần mềm điều khiển máy khắc laser (Grbl Controller……… 63

5.1.3 Hướng dẫn vận hành cho 1 đối tượng điển hình………… … 64

5.2 Kiểm tra độ chính xác của máy khắc laser……….

……… 69

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ………

1 Kết luận………

2 Kiến nghị……….

TÀI LIỆU THAM KHẢO……….

DANH MỤC HÌNH ẢNH:

Hình 1.1: Sơ đồ phân bố ánh sang

Hình 1.2: Một số loại laser thông dụng

Hình 1.3: Các quá trình tự phát và cưỡng bức

Hình 1.4: Biểu đồ năng lượng laser 3 mức và 4 mức

Hình 1.5: Phát hiện maser vũ trụ

Hình 1.6 Sự phát xạ cưỡng bức trong hộp laser

Hình 1.7: Mode cộng hưởng hộp và dải thông độ lợi

Hình 1.8: Mode ngang của chùm laser

Hình 1.9: Diode laser bán dẫn

Hình 1.10: sơ đồ năng lượng của laser bán dẫn

Hình 2.1: Sơ đồ phân loại laser

Hình 2.2: Ống laser CO2

Hình 2.3: Các thanh tinh thể laser Nd:YAG và đèn flash

Hình 2.4: khối phát laser Nd:YAG được kích bằng laser bán dẫnHình 2.5: Nguồn phát laser sợi quang

Hình 2.6: các khối laser bán dẫn công suất cao

Hình 2.7.Đầu Laser Diode 405nm + Driver

Hình 3.1 Động cơ bước

Hình 3.2: Động cơ servo

Hình 3.3 : Module arduino

Hình 3.4: Module điều khiển động cơ bước

Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lý cơ cấu di chuyển

Hình 3.6: Nhôm định hình làm khung máy laser

Hình 3.7: Mica bắt giữ động cơ trục X

Hình 3.8: Ke nhôm bắt giữ các khớp khung

Hình 3.9: Mica bắt, giữ cân bằng động cơ

Hình 3.10: Mica bắt giữ động cơ trục Y

Hình 3.11: Động cơ bước

Hình 3.12: Bản vẽ lắp máy khắc laser hoàn thiện

Hình 4.1: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển

Hình 4.2: Khối nguồn

Hình 4.3: Khối điều khiển trung tâm

Hình 4.4: Nguyên lí mạch Arduino uno R3

Hình 4.11: Sơ đồ kết nối cnc shield với arduino UNO

Hình 4.12: Sơ đồ kết nối cnc shield với các modul và thiết bị laser

Hình 5.1: giao diện của phần mềm Inkscape

Hình 5.2: Khung cài đặt thông số

Hình 5.3: giao diện của phần mềm Grbl Controller

Hình 5.4: Khung làm việc Inkscape

Hình 5.5: Tạo đối tượng cần khắc

PHẦN 1: ĐẶT VẤN ĐỀ

Các nước phát triển trên thế giới, sự đột phá về khoa học

kỹ thuật đã giúp họ tìm ra những kỹ thuật tiên tiến áp dụngtrong sản xuất, chế tạo Nhằm tạo ra những công cụ giảm sứclao động của con người mà năng suất, hiệu quả kinh tế đạt ởmức độ cao Trong ngành chế tạo máy thì không ngừng đổi mớinhững tính năng của máy, quá trình tự động hóa, các phầnmềm ứng dụng tin học được đưa vào trong kỹ thuật chế tạo Dovậy các thiết bị sản xuất được tự động hóa cao nhờ sự hỗ trợcủa hệ thống điều khiển số bằng máy tính đã có mặt ở các nhàmáy, xí nghiệp…

Với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học và công nghệ,cùng với những diễn biến phức tạp của cuộc cạnh tranh thịtrường hàng hóa thế giới, CNC đóng vai trò rất quan trọng đốivới sự phát triển nền kinh tế của xã hội

Chúng ta đang sống trong một thời đại mới, thời đại pháttriển rực rỡ của công nghệ thông tin (CNTT) CNTT đã ở mộtbước phát triển cao đó là số hóa tất cả các dữ liệu thông tin,luân chuyển mạnh mẽ và kết nối tất cả chúng ta lại với nhau.Mọi loại thông tin, số liệu âm thanh, hình ảnh có thể được đưa

về dạng kỹ thuật số để bất kỳ máy tính nào cũng có thể lưu trữ,

xử lý và chuyển tiếp cho nhiều người

Những công cụ và sự kết nối của thời đại kỹ thuật số chophép chúng ta dễ dàng thu thập, chia sẻ thông tin và hànhđộng trên cơ sở những thông tin này theo phương thức hoàntoàn mới, kéo theo hàng loạt sự thay đổi về các quan niệm, cáctập tục, các thói quen truyền thống, và thậm chí cả cách nhìncác giá trị trong cuộc sống.Đến thời điểm hiện nay, việc ứngdụng CNTT trong cuộc sống, công việc cũng như nhiều lĩnh vựckhác đã và đang được áp dụng phổ biến rộng rãi hơn.Xu hướngcông nghệ dù đi tới đâu cũng đều nhằm phục vụ và cải thiện đờisống con người, trong đó, sẽ có những công nghệ và phát minh

có thể thay đổi toàn diện cuộc sống con người

Những xu hướng công nghệ sẽ thay đổi cuộc sống tương lai:

1 Trí tuệ nhân tạo- Robot

2 Công nghệ CNC

4 Điện toán đám mây.

5 Thương mại điện tử

6 Thực tế ảo

PHẦN 2: NỘI DUNG ĐỀ TÀI

10-15s

Ánh sáng vừa có tính chất sóng (có bước sóng) vừa mangtính chất hạt mang năng lượng (chuyển động có vận tốc, giatốc, động năng và thế năng)

Sóng ánh sáng được chia làm 3 miền

 Ánh sáng không nhìn thấy được: dải vũ trụ, tia γ, tia X, tia

tử ngoại Có bước sóng λ<0,355 µ m Trong đó:

 Ánh sáng không nhìn thấy được:

- Dải hồng ngoại: λ=0,78 ÷ 1,0 µm

Sơ đồ phân bố ánh sáng theo bước sóng:

Hình 1.1: Sơ đồ phân bố ánh sáng

E là năng lượng (eV)

h là hằng số Planck (h6, 625.1034j s )

v là tần số (1/s)

Ánh sáng tạo nên một áp lực (áp lực ánh sáng) Trong đờisống hằng ngày hiệu ứng này quá nhỏ và ít được quan tâm đến.



Trong đó:

F là lực do ánh sáng tạo nên

γ là hệ số vật liệu (vật thể màu đen γ=1)

W là công suất nguồn sáng

C là tốc độ truyền sóng ánh sáng (c3.1010cm s/ )

1.1.3 Tổng quan về gia công bằng tia Laser

Ánh sáng tự nhiên và ánh sáng nhân tạo thông thườngđược phát ra bởi sự thay đổi năng lượng ở các mức nguyên tử vàphân tử xảy ra mà không cần có sự can thiệp từ bên ngoài Tuynhiên, loại ánh sáng thứ hai tồn tại và xảy ra khi nguyên tử hayphân tử vẫn giữ năng lượng dư thừa của nó cho đến khi bịcưỡng bức phải phát ra năng lượng dưới dạng ánh sáng Laserđược chế tạo để tạo ra và khuếch đại dạng ánh sáng cưỡng bứcnày thành các chùm cường độ mạnh và tập trung Laser là từviết tắt của Light Amplification by theStimulated Emission

of Radiation (Khuếch đại ánh sáng bằng sự phát bức xạ cưỡngbức) Tính chất đặc biệt của ánh sáng laser khiến cho kĩ thuậtlaser trở thành một công cụ thiết yếu trong hầu như mọi mặt

đời sống hàng ngày, như viễn thông, giải trí, sản xuất và ykhoa Albert Einstein đã tình cờ đặt bước đầu tiên trong sự pháttriển laser với việc nhận thấy có khả năng có hai loại phát xạ.Trong một bài báo công bố năm 1917, ông là người đầu tiên đềxuất sự tồn tại của phát xạ cưỡng bức Trong nhiều năm, cácnhà vật lí cho rằng sự phát xạ tự phát của ánh sáng là hình thứckhả dĩ và trội nhất, và bất cứ sự phát xạ cưỡng bức nào cũngđều phải yếu hơn nhiều lần Mãi đến sau Thế chiến thứ hai,người ta mới bằt đầu tìm kiếm những điều kiện cần thiết cho sựphát xạ cưỡng bức chiếm ưu thế, và làm cho một nguyên tử hayphân tử kích thích nguyên tử hay phân tử khác, tạo ra hiệu ứngkhuếch đại ánh sáng phát xạ.

Một nhà khoa học tại trường đại học Columbia , Charles H.Townes, là người đầu tiên thành công trong việc khuếch đại bức

xạ cưỡng bức hồi đầu thập niên 1950, nhưng nghiên cứu củaông tập trung vào các sóng viba (có bước sóng dài hơn nhiều sovới bước sóng ánh sáng khả kiến), và ông đặt tên cho dụng cụcủa mình là maser Các nhà khoa học khác theo chân ông chếtạo maser thành công, và một lượng đáng kể các nỗ lực tậptrung vào cố gắng tạo ra bức xạ cưỡng bức ở các bước sóngngắn hơn Nhiều khái niệm cơ sở cho sự ra đời của laser đượcphát triển cũng khoảng thời gian đó, cuối thập niên 1950, bởiTownes và Arthur Schawlow (thuộc Phòng thí nghiệm Bell ) vàbởi Gordon Gould ở trường đại học Columbia Gould đi thẳng tớiviệc đăng kí bằng sáng chế chứ không công bố ý tưởng củamình, và mặc dù ông được công nhận là người đặt ra từ “laser”,nhưng cũng phải mất gần 30 năm sau ông mới nhận được mộtvài bằng sáng chế Vẫn có sự bất đồng về người xứng đángđược công nhận cho khái niệm laser Hai người Xô Viết, NikolaiBasov và Aleksander Prokhorov, cùng chia giải Nobel vật lí năm

1964 với Townes cho nghiên cứu tiên phong của họ về cácnguyên lí nền tảng cho maser và laser Schawlow thì chia giảiNobel vật lí năm 1981 cho nghiên cứu của ông về laser.

Việc công bố công trình của Schawlow và Townes kíchthích một nỗ lực to lớn nhằm chế tạo một hệ laser hoạt độngđược Tháng 5/1960, Theodore Maiman, làm việc tại Phòngnghiên cứu Hughes, chế tạo được một dụng cụ bằng thỏi rubytổng hợp, được công nhận là laser đầu tiên Laser ruby củaMaiman phát ra các xung ánh sáng đỏ kết hợp cường độ mạnh

có bước sóng 694 nanomet, trong một chùm hẹp có mức độ tậptrung cao, khá tiêu biểu cho những đặc tính biểu hiện bởi nhiềulaser hiện nay Laser đầu tiên dùng một thỏi ruby nhỏ có haiđầu mạ bạc để phản xạ ánh sáng, bao quanh bởi một đèn flashxoắn ốc, và đủ nhỏ để cầm trong tay Điều thú vị là nhà nhiếpảnh được Phòng thí nghiệm Hughes ủy quyền để quảng cáophát minh mới cho rằng laser thực tế quá nhỏ và chụp Maimantrong tư thế với laser lớn hơn mãi đến sau này vẫn không hoạtđộng được Bức ảnh chụp Maiman cùng với laser “hoành tránghơn” đó vẫn được lưu truyền và sử dụng trong nhiều ấn phẩm

Mặc dù laser phát ra ánh sáng khả kiến là phổ biến nhất,nhưng các nguyên lí cơ bản có thể áp dụng được cho nhiềuvùng phổ điện từ Sự phát xạ cưỡng bức đầu tiên thu được trongvùng vi ba của phổ điện từ, nhưng hiện nay laser có mặt trên thịtrường còn phát ra ánh sáng cực tím và hồng ngoại, và tiến bộđang được thực hiện theo hướng tạo ra laser trong vùng phổ tia

X Các laser thực tế được sử dụng hiện nay có công suất phát từdưới 1 miliwatt cho đến nhiều kilowatt, và một số tạo ra cảnghìn tỉ watt trong những xung cực ngắn Hình 2 cho thấy một

số loại laser điển hình, có kích thước đủ cỡ và ứng dụng rộng

rãi Các phòng thí nghiệm thuộc quân đội và phòng thí nghiệmkhác đã chế tạo được những thiết bị laser chiếm cả một tòanhà, trong khi những laser phổ biến nhất sử dụng dụng cụ bándẫn kích thước bằng một hạt cát.

Để hiểu được các nguyên lí cơ bản của laser, điều cần thiết

là phải giải thích cách thức bức xạ cưỡng bức được tạo ra vàkhuếch đại Nguyên lí đầu tiên trong số các nguyên lí này là cầnthiết, bởi vì laser vốn dĩ là một dụng cụ cơ lượng tử và bản chấtlượng tử của năng lượng phải được kể đến để giải thích hoạtđộng của laser Vật lí cổ điển cho rằng năng lượng có thể biếnthiên liên tục và đều đặn, và các nguyên tử và phân tử có thể cóbất kì lượng năng lượng nào Công trình nghiên cứu củaEinstein, cáo trở thành chìa khóa cho sự phát triển của cơ họclượng tử, cho rằng năng lượng tồn tại trong từng đơn vị giánđoạn, hay lượng tử, và các nguyên tử và phân tử (và do đó làmọi đối tượng khác) bị hạn chế chỉ có những lượng năng lượnggián đoạn nhất định

Hình 1.2: Một số loại laser thông dụngThêm một vài khái niệm nữa cũng cần thiết để hiểu được hoạt động laser, bắt đầu là photon và mức nguyên tử và xuất phát từ nguyên tắc lượng tử hóa:

 Sự lượng tử hóa năng lượng trong nguyên tử làm cho

nguyên tử có các mức năng lượng gián đoạn

 Sự chuyển từ mức năng lượng này sang mức năng lượng khác phải xảy ra cùng với sự phát xạ ánh sáng

 Một số loại chuyển trạng thái xảy ra và ảnh hưởng đến lượng năng lượng trong sự chuyển đó

 Sự phát xạ tự phát và cưỡng bức có thể xảy ra do sự

chuyển mức năng lượng

 Nghịch đảo dân cư giữa các mức năng lượng phải thu được

để khuếch đại sự phát bức xạ cưỡng bức

Nếu như nguyên tử hay phân tử nằm ở một trạng thái nănglượng cao hơn trạng thái thấp nhất, hay trạng thái cơ bản, nó cóthể tự phát rơi xuống mức năng lượng thấp hơn mà không cầnkích thích từ bên ngoài Một kết quả có thể xảy ra của sự rơi làmgiảm trạng thái năng lượng là giải phóng năng lượng dư thừa(bằng với sự chênh lệch giữa hai mức năng lượng) dưới dạngmột photon ánh sáng Nguyên tử hay phân tử kích thích có mộtthời gian phát xạ đặc trưng, đó là thời gian trung bình mà chúngvẫn giữ được trạng thái năng lượng kích thích cao hơn trước khirơi xuống mức năng lượng thấp hơn và phát ra photon Thờigian phát xạ là một nhân tố quan trọng trong việc tạo ra phát

xạ cưỡng bức, loại phát xạ thứ hai mà Einstein nêu ra

Còn ở trạng thái kích thích, nếu nguyên tử được rọi vớiphoton đến có cùng năng lượng chính xác như năng lượng màsự chuyển trạng thái có thể xảy ra tự phát, nguyên tử có thể bịcưỡng bức bằng photon đến để quay trở lại trạng thái nănglượng thấp hơn và đồng thời phát ra một photon có cùng nănglượng chuyển trạng thái Một photon riêng lẻ tương tác với mộtnguyên tử bị kích thích do đó có thể tạo ra hai photon phát xạ

Nếu các photon phát xạ được xem là sóng, thì sự phát xạ cưỡngbức sẽ dao động cùng tần số với ánh sáng tới, và cùng pha (kếthợp), kết quả là làm khuếch đại cường độ của ánh sáng banđầu Hình 1.15 minh họa sự phát xạ tự phát (a) và cưỡng bức (b)với hai sóng kết hợp như trường hợp thứ hai ở trên.

Hình 1.3: Các quá trình tự phát và cưỡng bứcVấn đề quan trọng nhất trong việc thu được phát xạ lasercưỡng bức là dưới những điều kiện cân bằng nhiệt động lực họcbình thường, dân cư, hay số nguyên tử hoặc phân tử ở mỗi mứcnăng lượng, không thuận lợi cho sự phát xạ cưỡng bức Do cácnguyên tử và phân tử có xu hướng tự rơi xuống các mức nănglượng thấp hơn nên số nguyên tử hay phân tử ở mỗi mức sẽgiảm khi năng lượng tăng Thật vậy, dưới những điều kiện bìnhthường, đối với một sự chuyển mức năng lượng ứng với mộtbước sóng quang điển hình (vào bậc 1 electron-volt), tỉ số của

số nguyên tử hay phân tử ở trạng thái năng lượng cao hơn và sốnguyên tử hay phân tử ở trạng thái cơ bản thấp hơn có lẽ là

1017 Nói cách khác, hầu như tất cả các nguyên tử hay phân tử ởvào trạng thái cơ bản đối với sự chuyển mức năng lượng ánhsáng khả kiến

Một lí do khiến sự phát xạ cưỡng bức khó thu được trở nênhiển nhiên khi xem xét các sự kiện có khả năng xảy ra quanh sự

phân hủy của một electron từ một trạng thái kích thích với sựphát xạ ánh sáng sau đó và tự phát Ánh sáng phát xạ có thể dễdàng kích thích sự phát xạ từ các nguyên tử bị kích thích khác,nhưng một số cỏ thể gặp phải nguyên tử ở trạng thái cơ bản và

bị hấp thụ chứ không gây ra phát xạ (hình 1.15c) Do số nguyên

tử ở trạng thái kích thích ít hơn nhiều so với số nguyên tử ởtrạng thái cơ bản nên photon phát xạ có khả năng bị hấp thụnhiều hơn, bù lại thì số phát xạ cưỡng bức cũng không đáng kể

so với phát xạ tự phát (ở trạng thái cân bằng nhiệt động lựchọc)

Cơ chế làm cho phát xạ cưỡng bức có thể lấn át là phải có

số nguyên tử ở trạng thái kích thích nhiều hơn số nguyên tử ởtrạng thái năng lượng thấp hơn, sao cho các photon phát xạ cókhả năng gây kích thích phát xạ nhiều hơn là bị hấp thụ Dođiều kiện này là nghịch đảo trạng thái cân bằng ban đầu nên nóđược gọi là sự nghịch đảo dân cư Miễn là có nhiều nguyên tử ởtrạng thái năng lượng cao hơn so với ở trạng thái năng lượngthấp hơn, thì phát xạ cưỡng bức sẽ lấn át và ta thu được dòngthác photon Photon phát xạ ban đầu sẽ kích thích sự phát xạcủa nhiều photon hơn, những photon này sau đó lại kích thíchsự phát xạ ra nhiều photon hơn nữa, và cứ thế tiếp diễn Kếtquả là dòng thác photon tăng lên, ánh sáng phát xạ đượckhuếch đại Nếu sự nghịch đảo dân cư chấm dứt (dân cư ở trạngthái cơ bản trở nên lấn át) thì phát xạ tự phát sẽ trở lại là quátrình chủ yếu

Vào khoảng thời gian Einstein đề xuất ý tưởng, đa số cácnhà vật lí tin rằng bất cứ điều kiện nào không phải ở trạng tháicân bằng nhiệt động lực học đều không bền và không thể đượcduy trì liên tục Mãi đến sau Thế chiến thứ hai, người ta mới

xem xét đến các phương pháp tạo ra sự nghịch đảo dân cư cầnthiết để duy trì phát xạ cưỡng bức Các nguyên tử và phân tử cóthể chiếm giữ nhiều mức năng lượng, và mặc dù một số sựchuyển trạng thái có khả năng xảy ra hơn so với một số sựchuyển trạng thái khác (do các quy luật của cơ học lượng tử và

vì những lí do khác), nhưng sự chuyển trạng thái có thể xảy ragiữa bất kì hai mức năng lượng nào Yêu cầu tối thiểu cho sựphát xạ cưỡng bức và khuếch đại, hay hoạt động laser, là ít nhấtphải có một trạng thái năng lượng cao hơn có dân cư nhiều hơnmột trạng thái năng lượng thấp hơn

Sự nghịch đảo dân cư có thể được tạo ra qua hai cơ chế cơbản: hoặc là tạo ra dư thừa số nguyên tử hay phân tử ở mộttrạng thái năng lượng cao, hoặc là làm giảm dân số ở một trạngthái năng lượng thấp Cũng có thể chọn một hệ không bền ởmức năng lượng thấp, nhưng đối với hoạt động laser liên tục,phải chú ý vừa làm tăng dân cư ở mức cao vừa làm giảm dân cư

ở mức thấp Nếu quá nhiều nguyên tử hay phân tử tích tụ ở mứcnăng lượng thấp thì sự nghịch đảo dân cư sẽ không còn và hoạtđộng laser dừng lại

Phương pháp thông dụng nhất tạo ra sự nghịch đảo dân cưtrong môi trường laser là cấp thêm năng lượng cho hệ để kíchthích các nguyên tử hay phân tử lên mức năng lượng cao Cáchcấp năng lượng đơn giản bằng cách dùng nhiệt khuấy động môitrường không đủ (dưới điều kiện cân bằng nhiệt động lực học)

để tạo ra sự nghịch đảo dân cư, do nhiệt chỉ làm tăng nănglượng trung bình của các hạt, chứ không làm tăng số loại trạngthái kích thích tương đối so với trạng thái thấp Tỉ số của sốnguyên tử ở hai mức năng lượng (1 và 2) dưới trạng thái cânbằng nhiệt động lực học được cho bởi phương trình sau:

N2/N1 = exp[- (E2 - E1) / kT]

Trong đó N1 và N2 tương ứng là số nguyên tử ở mức 1 vàmức 2, E1 và E2 là năng lượng của hai mức, k là hằng sốBoltzmann, T là nhiệt độ kelvin Như đã được chỉ rõ trongphương trình, ở trạng thái cân bằng nhiệt động lực học, N2 chỉ

có thể lớn N1 nếu như nhiệt độ là một số âm Trước khi nghiêncứu mô tả hoạt động maser và laser được công bố, các nhà vật

lí thường xem sự nghịch đảo dân cư là nhiệt độ âm, đó là từ chỉnhững điều kiện không ở trạng thái cân bằng nhiệt động lực họckhông được mong đợi là sẽ được duy trì liên tục

Để tạo ra sự nghịch đảo dân cư cần thiết cho hoạt độnglaser, các nguyên tử hay phân tử phải bị kích thích có chọn lọclên những mức năng lượng đặc biệt Ánh sáng và dòng điện là

cơ chế kích thích được chọn của đa số laser Ánh sáng hoặc cácelectron có thể cung cấp năng lượng cần thiết để kích thích cácnguyên tử hay phân tử lên các mức năng lượng cao được chọn,

và sự truyền năng lượng không đòi hỏi đưa các electron trựctiếp lên mức năng lượng cao nào đó của sự chuyển trạng tháilaser Một số phương pháp khác có thể phức tạp hơn, nhưngchúng thường tạo ra hoạt động laser tốt hơn Một phương phápthường được sử dụng là kích thích nguyên tử hay phân tử lênmức năng lượng cao hơn cần thiết, sau đó nó sẽ rơi xuống mứclaser cao Kiểu kích thích gián tiếp có thể được sử dụng để kíchthích các nguyên tử trong hỗn hợp khí xung quanh, sau đóchúng sẽ truyền năng lượng của chúng cho các nguyên tử hayphân tử đảm nhận việc tạo ra hoạt động laser

Hình 1.4: Biểu đồ năng lượng laser 3 mức và 4 mứcNhư đã nói tới ở phần trước, lượng thời gian mà mộtnguyên tử hay phân tử trải qua ở một trạng thái kích thích làyếu tố quyết định trong việc xác định xem nó sẽ bị cưỡng bứcphát xạ và tham gia vào dòng thác photon, hay là sẽ mất đinăng lượng qua việc phát xạ tự phát Các trạng thái kích thíchthường có thời gian sống chỉ vài nano giây trước khi chúng giảiphóng năng lượng của mình bằng phát xạ tự phát, một khoảngthời gian không đủ lâu để có thể chịu sự kích thích bởi mộtphoton khác Do đó, yêu cầu tối cần thiết cho hoạt động laser làmức năng lượng cao phải có thời gian sống lâu hơn Các trạngthái như vậy thật sự tồn tại trong những chất nhất định, vàthường được gọi là trạng thái siêu bền (xem hình 1.16) Thờigian sống trung bình trước khi phát xạ tự phát xảy ra đối vớitrạng thái siêu bền là vào bậc micro giây đến mili giây, mộtkhoảng thời gian khá dài ở thế giới nguyên tử Với thời giansống lâu này, các nguyên tử và phân tử bị kích thích có thể tạo

ra một lượng đáng kể phát xạ cưỡng bức Hoạt động laser chỉxảy ra nếu như dân cư ở mức cao được tạo ra nhanh hơn sựphân hủy của nó, duy trì được dân cư ở mức cao nhiều hơn ởmức thấp Thời gian sống của phát xạ tự phát càng lâu thìnguyên tử hay phân tử càng thích hợp cho các ứng dụng laser

Maser mà Charles Townes chứng minh trong bước tiến tớilaser đầu tiên thật có ý nghĩa, vì nó yêu cầu tạo ra sự nghịchđảo dân cử để hoạt động, và do đó chứng minh với nhiều nhàvật lí còn hoài nghi rằng sự nghịch đảo dân cư như vậy là có thểthực hiện được Hệ của ông là maser hai mức, chỉ sử dụng cácmức cao và thấp Townes đã tiến hành một phương pháp mới lạtrong hệ nguyên tử amoniac của ông để tạo ra sự nghịch đảodân cư – kĩ thuật chùm phân tử tách các phân tử amoniac bịkích thích khỏi các phân tử ở trạng thái cơ bản Các phân tử ởtrạng thái cơ bản bị loại bỏ, và các phân tử bị kích thích đượctách ra thiết lập sự nghịch đảo dân cư cần thiết Các phươngpháp khác, hiệu quả hơn, hiện nay được phát triển cho maser

và laser thực tế, yêu cầu sử dụng ba, bốn mức năng lượng hoặcnhiều hơn

Cấu trúc mức năng lượng thiết thực đơn giản nhất đối vớihoạt động laser là hệ ba mức, được minh họa trong hình 1.16a.Trong hệ này, trạng thái cơ bản là mức laser thấp, và sự nghịchđảo dân cư có thể được tạo ra giữa mức này và một trạng tháisiêu bền năng lượng cao hơn Đa số các nguyên tử hay phân tửban đầu bị kích thích lên trạng thái năng lượng cao có thời giansống ngắn nhiều hơn lên mức siêu bền Từ trạng thái này,chúng nhanh chóng phân hủy sang mức siêu bền trung gian,mức có thời gian sống dài hơn nhiều so với trạng thái nănglượng cao (thường dài hơn cỡ 1000 lần) Do thời gian cư trú củamỗi nguyên tử ở trạng thái siêu bền tương đối lâu, nên dân số

có xu hướng tăng và đưa đến sự nghịch đảo dân cư giữa trạngthái siêu bền và trạng thái cơ bản thấp hơn (dân số giảm liêntục đối với mức cao nhất) Phát xạ cưỡng bức thu được từ thực

tế số nguyên tử có sẵn ở trạng thái bị kích thích (siêu bền)

nhiều hơn so với ở trạng thái thấp, trạng thái mà sự hấp thụ ánhsáng có khả năng xảy ra 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 phápnày Vấn đề trọng tâm xuất hiện do mức laser thấp là mức cơbản, là trạng thái bình thường đối với đa số các nguyên tử hayphân tử Để tạo ra sự nghịch đảo dân cư, phần lớn electron ởtrạng thái cơ bản phải được đưa lên mức năng lượng bị kíchthích cao, đòi hỏi phải cung cấp đáng kể năng lượng từ bênngoài Ngoài ra, sự nghịch đảo dân cư khó có thể duy trì trongmột khoảng thời gian đáng kể, và do đó, laser ba mức hoạtđộng theo kiểu xung chứ không liên tục

Laser sử dụng bốn mức năng lượng hay nhiều hơn tránhđược một số vấn đề đề cập ở trên, và do đó được sử dụng phổbiến hơn Hình 1.16b minh họa kịch bản bốn mức năng lượng.Cấu trúc mức năng lượng tương tự như trong hệ ba mức, trừ vấn

đề sau khi nguyên tử rơi từ mức cao nhất xuống trạng thái caosiêu bền, chúng không rơi hết xuống trạng thái cơ bản qua mộtbước Do sự nghịch đảo dân cư không được tạo ra giữa trạngthái cơ bản và mức cao, nên số nguyên tử hay phân tử phảiđược đưa lên đột ngột giảm xuống trong mô hình này Trongmột hệ 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 trạng thái

cơ bản) thì chỉ cần kích thích 2 đến 4% trong tổng số nguyên tửhay phân tử lên mức cao là sẽ thu được sự nghịch đảo dân cưcần thiết Một thuận lợi nữa của việc tách mức laser thấp khỏimức cơ bản là các nguyên tử mức thấp sẽ tự động rơi xuốngtrạng thái cơ bản Nếu như mức laser thấp có thời gian sống

ngắn hơn nhiều so với mức cao thì các nguyên tử sẽ phân hủysang mức cơ bản ở tốc độ đủ để tránh việc tích tụ ở mức laserthấp Nhiều laser được thiết kế dưới những ràng buộc này có thểhoạt động theo mode liên tục tạo ra chùm tia không đứt quãng.

Hình 1.5: Phát hiện maser vũ trụCác laser hoạt động thực tế thường phức tạp hơn mô hình

mô tả ở trên Mức laser cao thường không phải là một mức đơn,

mà là một nhóm mức năng lượng cho phép năng lượng kíchthích cần thiết biến đổi trong một phạm vi rộng trong khi hoạtđộng Mức thấp cũng gồm nhiều mức, và nếu mỗi mức cao gầnnhau phân hủy sang một mức thấp khác, một laser có thể hoạtđộng ở nhiều sự chuyển trạng thái, tạo ra nhiều hơn một bướcsóng 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 sựchuyển trạng thái khác để phát ra bức xạ cam, vàng, xanh lá vàhồng ngoại Nhiều nhân tố khác tồn tại trong việc thiết kế laserthực tế, như bản chất của môi trường hoạt tính Hỗn hợp khí haynhững kết hợp khác của các loại phân tử thường được dùng đểcải thiện hiệu quả bắt và truyền năng lượng, hoặc hỗ trợ sựgiảm dân số ở mức laser thấp

Trước khi có bằng chứng mang tính bước ngoặt chứng tỏmaser và laser thực sự có thể tạo ra được, các nhà khoa học đãthấy thực tế là maser xuất hiện trong tự nhiên tồn tại trong

không gian vũ trụ bên ngoài (hình 1.17) Ngay cả sau khiEinstein tiên đoán sự phát xạ cưỡng bức, đa số các nhà vật lívẫn tin rằng việc tạo ra sự nghịch đảo dân cư là quá khó nên nókhông thể xảy ra trong tự nhiên Thực ra mà nói thì hình nhưcác nhà khoa học đã không xem xét đúng đắn liệu vật chất cótồn tại trong tự nhiên ở trạng thái khác, ngoài trạng thái cânbằng nhiệt động lực học hay không Cái gọi là maser vũ trụ gồmcác 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 tửđang hình thành sao khác Trong đám mây khí bao quanh mộtngôi sao nóng, bức xạ phát ra từ ngôi sao có thể kích thích cácphân tử khí lên các mức năng lượng cao, rồi phân hủy xuốngtrạng thái siêu bền Chỉ cần tồn tại mức laser thấp thích hợp, sựnghịch 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 nhântạo, và một lượng lớn năng lượng có thể được phát ra, nhưng sựphát xạ của năng lượng maser hoặc laser sao không bị giới hạntrong một chùm Bức xạ phát ra bởi maser vũ trụ truyền đi xatheo mọi hướng giống như năng lượng phát ra từ đám mây khínóng giống sao nào khác.

Ngoài việc tạo ra sự nghịch đảo dân cư, cũng cần một vàinhân tố khác nữa để khuếch đại và tập trung ánh sáng thànhmột chùm Ánh sáng phát ra từ sự phát xạ cưỡng bức được tạo

ra trong môi trường laser thường có một bước sóng riêng,nhưng phải được trích ra có hiệu quả từ môi trường bằng một số

cơ chế bao gồm sự khuếch đại Công việc này được hoàn thànhtrong một hộp cộng hưởng, nó phản 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 xạcưỡng bức ban đầu, hai photon có cùng năng lượng và cùng phamỗi hạt có thể bắt gặp các nguyên tử bị kích thích, rồi thì sẽphát ra nhiều photon hơn có cùng năng lượng và cùng pha Sốphoton được tạo ra bởi phát xạ cưỡng bức tăng lên nhanhchóng, và sự tăng này tỉ lệ trực tiếp với khoảng cách mà ánhsáng truyền trong môi trường laser.

Hình 1.18 minh họa sự thu lợi, hay khuếch đại, xảy ra vớichiều dài đường truyền tăng lên trong hộp cộng hưởng do cácgương đặt ở hai đầu mang lại Hình 1.18a cho thấy sự bắt đầucủa phát xạ cưỡng bức, ánh sáng được khuếch đại trong hình1.18b đến hình 1.18g khi nó bị phản xạ từ các gương đặt ở haiđầu hộp Một phần ánh sáng truyền xuyên qua gương phản xạmột phần ở phía bên phải của hộp trong mỗi lần truyền (hình1.18b, d và f) Cuối cùng, ở trạng thái cân bằng (hình 1.18h),hộp bão hòa bức xạ cưỡng bức

Mức độ khuếch đại thu được trong một laser, biểu diễnbằng thuật ngữ độ lợi, chỉ lượng phát xạ cưỡng bức mà mộtphoton có thể tạo ra khi nó truyền đi một khoảng cách chotrước Ví dụ, độ lợi 1,5 /cm nghĩa là một photon sinh ra thêm 1,5photon nữa trên mỗi cm mà nó truyền đi Hệ số khuếch đại nàytăng lên theo chiều dài đường truyền của hộp laser Độ lợi thực

tế phức tạp hơn nhiều, và ngoài những nhân tố khác, nó phụthuộc vào những dao động trong sự phân bố dân cư giữa cácmức năng lượng laser cao và thấp Điều quan trọng là lượngkhuếch đại tăng rõ rệt với khoảng cách truyền trong môi trườnglaser

Hình 1.6 Sự phát xạ cưỡng bức trong hộp laserTrong laser có hộp cộng hưởng dọc, như thỏi ruby hay ốngchứa đầy khí, ánh sáng truyền dọc theo chiều dài của môitrường laser làm phát sinh nhiều phát xạ cưỡng bức hơn ánhsáng truyền vuông góc với trục của hộp cộng hưởng Do đó, sựphát xạ ánh sáng tập trung dọc theo chiều dài của hộp, ngay cảkhi không dùng gương để giới hạn đường truyền của nó theohướng dọc Việc đặt các gương ở hai đầu của hộp laser chophép chùm tia truyền tới lui, làm tăng thêm sự khuếch đại dođường truyền qua môi trường dài hơn Sự phản xạ nhiều lầncũng tạo ra chùm tập trung cao (một đặc trưng quan trọng củalaser), do chỉ có những photon truyền song song với thành hộp

là bị phản xạ bởi hai gương Sự xắp xếp này được gọi là daođộng 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 đường truyềndài qua môi trường

Đa số laser hiện nay được thiết kế có các gương ở cả haiđầu của hộp cộng hưởng để làm tăng quãng đường ánh sángtruyền trong môi trường laser Cường độ phát xạ tăng lên theo

mỗi lượt truyền của ánh sáng cho tới khi nó đạt tới mức cânbằng, mức này do cấu tạo hộp và gương thiết đặt Một gươngcủa hộp phản xạ gần như toàn bộ ánh sáng tới, còn gương kia(gương ra) phản xạ một số ánh sáng và truyền một phần rangoài dưới dạng chùm laser Trong một laser có độ lợi thấp,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 sángtrở lại hộp Ở trạng thái cân bằng, công suất laser ở trong hộpcao hơn bên ngoài, và thay đổi theo phần trăm ánh sáng truyềnqua gương ra Bằng cách làm tăng hệ số truyền của gương ra,sự chênh lệch công suất giữa bên trong và bên ngoài hộp có thểđược làm giảm xuống Tuy nhiên, chỉ cần gương ra phản xạ một

số phần ánh sáng trở lại hộp, công suất ở bên trong vẫn caohơn bên ngoài trong chùm tia xuất hiện

Một nhận thức sai lầm về laser là ý tưởng cho rằng tất cảánh sáng phát xạ 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 quagương ra dưới dạng chùm tia Trong thực tế, gương ra luôn luôntruyền một phần không đổi ánh sáng dưới dạng chùm, phản xạphần còn lại trở vào hộp Chức năng này quan trọng trong việccho phép laser đạt tới trạng thái cân bằng, với các mức côngsuất laser cả bên trong lẫn bên ngoài đều trở nên không đổi

Vì trong thực tế ánh sáng dao động tới lui trong hộp laser,nên hiện tượng cộng hưởng trở thành một nhân tố ảnh hưởngtới việc khuếch đại cường độ laser Phụ thuộc vào bước sóngcủa bức xạ cưỡng bức và chiều dài hộp, sóng phản xạ từ cácgương sẽ hoặc là giao thoa tăng cường và được khuếch đạimạnh, hoặc là giao thoa triệt tiêu và xóa bỏ hoạt động laser Vìcác sóng trong hộp là kết hợp hoàn toàn cùng pha, chũng sẽ

vẫn là cùng pha khi phản xạ từ một gương Các sóng cũng sẽcùng pha khi chạm tới gương đối diện, với điều kiện là chiều dàihộp bằng một số nguyên lần bước sóng Như vậy, sau khi thựchiện một dao động hoàn chỉnh trong hộp, sóng ánh sáng đãtruyền được quãng đường bằng hai lần chiều dài hộp Nếukhoảng cách đó là một bội số nguyên của bước sóng, thì cácsóng sẽ tăng thêm biên độ bởi sự giao thoa tăng cường Khichiều dài hộp không chính xác là bội số nguyên của bước sóng,giao thoa triệt tiêu sẽ xảy ra, phá hủy hoạt động laser Phươngtrình sau đây xác định điều kiện cộng hưởng phải có để sựkhuếch đại mạnh xảy ra trong hộp laser:

N x l = 2 x (chiều dài hộp)trong đó N là một số nguyên, và l là bước sóng Điều kiện cộnghưởng thật ra không quan trọng vì những sự chuyển trạng tháilaser thực tế trong hộp phân bổ trong một phạm vi bước sóng,gọi là dải thông độ lợi Bước sóng của ánh sáng cực kì nhỏ sovới chiều dài của một hộp laser điển hình, và nói chung mộtquãng đường truyền hoàn chỉnh trong hộp sẽ tương đương vớivài trăm ngàn bước sóng ánh sáng được khuếch đại Cộnghưởng có thể xảy ra ở mỗi số gia bước sóng nguyên (ví dụ 200

000, 200 001, 200 002, ), và do bước sóng tương ứng rất gầnnhau, chúng rơi trong dải thông độ lợi của laser Hình 7 minhhọa một ví dụ điển hình, trong đó một vài giá trị cộng hưởngcủa N, thường được gọi là mode dọc của laser, vừa khít trongdải thông độ lợi

Hình 1.7: 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 kíchthước, sự phân kì, và sự phân bố ánh sáng qua đường kínhchùm tia Những đặc điểm này phụ thuộc nhiều vào việc thiết

kế hộp laser (hộp cộng hưởng), và hệ thống quang học điềukhiển chùm tia, cả bên trong lẫn bên ngoài hộp Mặc dù laser cóthể 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 diện ngang của chùm, thì sẽ thấy sự khác nhau về cường

độ Việc thiết kế hộp cộng hưởng cũng ảnh hưởng tới độ phân kìchùm tia, số đo mức độ trải rộng của chùm tia khi khoảng cáchtới laser tăng lên Góc phân kì của chùm tia là một nhân tố quantrọng trong việc tính toán đường kính của chùm tia tại mộtkhoảng cách cho trước

Trong nhiều phần thảo luận trước, chúng ta đã giả định cácgương 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 đơngiản nhất, nhưng trong thực tế nó có thể rất khó được thực hiện.Nếu hai gương không thẳng hàng chính xác với nhau, thì sự mấtánh 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 vàiphản 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 thoát ánh sáng do sự không thẳng hàng có thểgiảm bớt hoặc bị loại trừ Do tính hội tụ của gương cầu, ánhsáng bị giới hạn trong hộp ngay cả khi các gương không chínhxác 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 ánhsáng luôn luôn hội tụ trở lại phía gương đối diện Một cấu hìnhthuộc loại này có tên là hộp cộng hưởng bền, do ánh sáng phản

xạ từ một gương đi tới gương kia sẽ tiếp tục dao động mãi mãinếu như không có ánh sáng nào bị thất thoát

Trong môi trường laser có độ lợi thấp, hộp cộng hưởng rấtquan trọng trong 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 hộpkhông có tính quyết định Thật ra, các thiết kế hộp cộng hưởngkhông bền có thể được ưa chuộng hơn vì chúng thường dễ thunăng lượng từ một thể tích lớn hơn trong môi trường laser, mặc

dù chúng cho phép ánh sáng thất thoát Các gương trong laser

độ lợi cao thường thường trong suốt hơn các gương trong laser

có độ lợi thấp hơn, cho nên một tia sáng cho trước chỉ có thểtruyền một lần qua hộp trước khi xuất hiện trong chùm tia Do

đó, sự sắp thẳng hàng của các gương không có tính quyết địnhnhư trong laser độ lợi thấp, nơi mà hệ số phản xạ của gương ralàm cho ánh sáng phản xạ nhiều lần trước khi xuất hiện rangoài

Chiều dài hộp laser và bước sóng ánh sáng tác động lẫnnhau để tạo ra mode dọc của sự phân bố năng lượng trong

chùm tia, còn thiết kế hộp cộng hưởng là một nhân tố then chốttrong việc xác định sự phân bố cường độ theo chiều rộng củachùm tia, và tỉ lệ mà chùm tia phân kì Cường độ cắt ngangchùm tia được xác định bằng mode ngang của chùm Nhữngphân bố có khả năng trong cường độ chùm tia được giới hạn bởicái gọi là các điều kiện biên nhất định, nhưng thường thì mộtchùm 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 làmode TEM(mn), viết tắt của các từ mode ngang (Tranverse),mode điện (Electric) và mode từ (Magnetic), trong đó m và n làcác số nguyên Các số nguyên cho biết số cực tiểu, hay số điểmcường độ bằng không, giữa các rìa của chùm theo hai hướngvuông góc nhau (m cho mode E và n cho mode M)

Một chùm laser điển hình sáng nhất tại trung tâm và 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 ngang chùm tuân theo hàm Gauss Hình 8 minh họa một vài trong số nhiều mode TEM(mn) khả dĩ Mặc dù một số laser hộp cộng hưởng bền, đặc biệt là những laser được thiết kế cho công suất ra cực đại, hoạt động ở một hoặc nhiều mode bậc cao, nhưng người ta thường muốn loại bỏ những dao động này Mode bậc nhất có thể thu được dễ dàng trong các laser độ lợi thấp hộp cộng hưởng bền,

và là mode được ưa chuộng vì chùm tia trải rộng do sự nhiễu xạ

có thể tiến đến một giá trị cực tiểu lí thuyết