Cách tạo chùm tia laser

NộI Dung

• Định nghĩa Laser
• Làm thế nào chùm tia laser được thực hiện
• Đảo ngược dân số
• Nguyên lý Laser
• Phân loại các loại Laser
• Các thành phần của Laser
• Laser helium-neon
• Laser Argon, Krypton và Xenon Ion
• Laser Carbon Dioxide
• Laser Excimer

Bằng cách khai thác sức mạnh của ánh sáng thông qua laser, bạn có thể sử dụng laser cho nhiều mục đích khác nhau và hiểu rõ hơn về chúng bằng cách nghiên cứu vật lý và hóa học cơ bản làm cho chúng hoạt động.

Thông thường, laser được sản xuất bởi vật liệu laser, có thể là chất rắn, lỏng hoặc khí, phát ra bức xạ dưới dạng ánh sáng. Là một từ viết tắt của "khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ kích thích", phương pháp phát xạ kích thích cho thấy laser khác với các nguồn bức xạ điện từ khác như thế nào. Biết làm thế nào các tần số ánh sáng này xuất hiện có thể cho phép bạn khai thác tiềm năng của chúng cho các mục đích sử dụng khác nhau.

Định nghĩa Laser

Laser có thể được định nghĩa là một thiết bị kích hoạt các electron để phát ra bức xạ điện từ. Định nghĩa laser này có nghĩa là bức xạ có thể ở bất kỳ dạng nào trên phổ điện từ, từ sóng vô tuyến đến tia gamma.

Nói chung, ánh sáng của laser đi dọc theo một con đường hẹp, nhưng cũng có thể phát ra những tia laser có phạm vi phát sóng rộng. Thông qua những khái niệm về laser, bạn có thể nghĩ về chúng như những con sóng giống như sóng biển trên bờ biển.

Các nhà khoa học đã mô tả các tia laser về sự kết hợp của chúng, một tính năng mô tả xem độ lệch pha giữa hai tín hiệu có ở bước hay không và chúng có cùng tần số và dạng sóng. Nếu bạn tưởng tượng các tia laser là sóng với các đỉnh, thung lũng và đáy, thì độ lệch pha sẽ là bao nhiêu một sóng không hoàn toàn đồng bộ với sóng khác hoặc cách xa hai sóng cách nhau.

Tần số của ánh sáng là có bao nhiêu đỉnh sóng đi qua một điểm nhất định trong một giây và bước sóng là toàn bộ chiều dài của một sóng từ máng đến máng hoặc từ cực đại đến cực đại.

Photon, các hạt lượng tử riêng lẻ, tạo thành bức xạ điện từ của laser. Các gói lượng tử này có nghĩa là ánh sáng của laser luôn có năng lượng là bội số năng lượng của một photon đơn lẻ và nó đi kèm trong các "gói" lượng tử này. Đây là những gì làm cho sóng điện từ giống như hạt.

Làm thế nào chùm tia laser được thực hiện

Nhiều loại thiết bị phát ra tia laser, chẳng hạn như khoang quang học. Đây là những buồng phản xạ ánh sáng từ một vật liệu phát ra bức xạ điện từ trở lại chính nó. Chúng thường được làm bằng hai gương, một gương ở mỗi đầu của vật liệu sao cho khi chúng phản xạ ánh sáng, các chùm ánh sáng trở nên mạnh hơn. Những tín hiệu khuếch đại này thoát ra qua một thấu kính trong suốt ở cuối khoang laser.

Khi có sự hiện diện của một nguồn năng lượng, chẳng hạn như pin bên ngoài cung cấp dòng điện, vật liệu phát ra bức xạ điện từ phát ra ánh sáng của laser ở các trạng thái năng lượng khác nhau. Các mức năng lượng, hoặc mức lượng tử, phụ thuộc vào chính nguyên liệu gốc. Các trạng thái năng lượng cao hơn của các electron trong vật liệu có nhiều khả năng không ổn định hoặc ở trạng thái kích thích và tia laser sẽ phát ra chúng thông qua ánh sáng của nó.

Không giống như các đèn khác, chẳng hạn như ánh sáng từ đèn pin, laser phát ra ánh sáng theo các bước định kỳ với chính nó. Điều đó có nghĩa là đỉnh và đáy của từng sóng laser thẳng hàng với các sóng đến trước và sau, làm cho ánh sáng của chúng kết hợp với nhau.

Laser được thiết kế theo cách này sao cho chúng phát ra ánh sáng có tần số cụ thể của phổ điện từ. Trong nhiều trường hợp, ánh sáng này có dạng các chùm hẹp, rời rạc mà các laser phát ra ở tần số chính xác, nhưng một số laser phát ra các dải ánh sáng rộng, liên tục.

Đảo ngược dân số

Một tính năng của laser được cung cấp bởi nguồn năng lượng bên ngoài có thể xảy ra là đảo ngược dân số. Đây là một dạng phát xạ kích thích và nó xảy ra khi số lượng hạt trong trạng thái kích thích nhiều hơn các hạt ở trạng thái năng lượng thấp hơn.

Khi laser đạt được sự đảo ngược dân số, lượng phát xạ kích thích mà ánh sáng có thể tạo ra sẽ lớn hơn lượng hấp thụ từ gương. Điều này tạo ra một bộ khuếch đại quang học và, nếu bạn đặt một bộ phận bên trong khoang quang cộng hưởng, bạn đã tạo ra một bộ dao động laser.

Nguyên lý Laser

Những phương pháp kích thích và phát ra các electron này tạo cơ sở cho laser là nguồn năng lượng, một nguyên lý laser được tìm thấy trong nhiều mục đích sử dụng. Các mức lượng tử hóa mà các electron có thể chiếm trong phạm vi từ các mức năng lượng thấp không cần nhiều năng lượng để giải phóng và các hạt năng lượng cao ở gần và chặt chẽ với hạt nhân. Khi các electron giải phóng do các nguyên tử va chạm với nhau theo đúng hướng và mức năng lượng, đây là sự phát xạ tự phát.

Khi phát xạ tự phát xảy ra, photon phát ra từ nguyên tử có pha và hướng ngẫu nhiên. Điều này là do Nguyên lý không chắc chắn ngăn cản các nhà khoa học biết cả vị trí và động lượng của hạt với độ chính xác hoàn hảo. Bạn càng biết nhiều về vị trí hạt, bạn càng ít biết về động lượng của nó và ngược lại.

Bạn có thể tính toán năng lượng của các phát thải này bằng phương trình Planck E = hv cho một năng lượng E trong joules, tần số ν của electron trong s^-1 và Plancks không đổi h = 6.63 × 10^-34 m² kg / s. Năng lượng mà một photon có khi được phát ra từ một nguyên tử cũng có thể được tính là sự thay đổi năng lượng. Để tìm tần số liên quan với sự thay đổi năng lượng này, hãy tính toán ν sử dụng các giá trị năng lượng của phát xạ này.

Phân loại các loại Laser

Với phạm vi sử dụng rộng rãi cho laser, laser có thể được phân loại dựa trên mục đích, loại ánh sáng hoặc thậm chí là vật liệu của chính laser. Đến với một cách để phân loại chúng cần phải tính đến tất cả các kích thước của laser này. Một cách để nhóm chúng là theo bước sóng ánh sáng mà chúng sử dụng.

Bước sóng của bức xạ điện từ laser xác định tần số và cường độ năng lượng mà chúng sử dụng. Bước sóng lớn hơn tương quan với một lượng năng lượng nhỏ hơn và tần số nhỏ hơn. Ngược lại, tần số lớn hơn của chùm ánh sáng có nghĩa là nó có nhiều năng lượng hơn.

Bạn cũng có thể nhóm các tia laser theo tính chất của vật liệu laser. Laser trạng thái rắn sử dụng một ma trận rắn của các nguyên tử như neodymium được sử dụng trong tinh thể nhôm Yttri tinh thể chứa các ion neodymium cho các loại laser này. Laser khí sử dụng hỗn hợp khí trong một ống như helium và neon tạo ra màu đỏ. Laser nhuộm được tạo ra bởi các vật liệu nhuộm hữu cơ trong dung dịch hoặc huyền phù

Laser nhuộm sử dụng môi trường laser thường là thuốc nhuộm hữu cơ phức tạp trong dung dịch lỏng hoặc huyền phù. Laser bán dẫn sử dụng hai lớp vật liệu bán dẫn có thể được chế tạo thành các mảng lớn hơn. Chất bán dẫn là vật liệu dẫn điện sử dụng cường độ giữa chất cách điện và chất dẫn điện sử dụng một lượng nhỏ tạp chất, hoặc hóa chất được đưa vào, do hóa chất được đưa vào hoặc thay đổi nhiệt độ.

Các thành phần của Laser

Đối với tất cả các mục đích sử dụng khác nhau, tất cả các laser đều sử dụng hai thành phần này của một nguồn ánh sáng dưới dạng rắn, lỏng hoặc khí phát ra các electron và thứ gì đó để kích thích nguồn này. Đây có thể là một laser khác hoặc sự phát xạ tự phát của chính vật liệu laser.

Một số laser sử dụng hệ thống bơm, phương pháp tăng năng lượng của các hạt trong môi trường laser cho phép chúng đạt đến trạng thái kích thích để làm đảo lộn dân số. Một đèn flash khí có thể được sử dụng trong bơm quang mang năng lượng cho vật liệu laser. Trong trường hợp năng lượng vật liệu laser phụ thuộc vào sự va chạm của các nguyên tử trong vật liệu, hệ thống được gọi là bơm va chạm.

Các thành phần của chùm tia laser cũng khác nhau về thời gian chúng cung cấp năng lượng. Laser sóng liên tục sử dụng công suất chùm tia trung bình ổn định. Với các hệ thống năng lượng cao hơn, bạn thường có thể điều chỉnh công suất, nhưng, với các laser khí công suất thấp hơn như laser helium-neon, mức năng lượng được cố định dựa trên nội dung của khí.

Laser helium-neon

Laser helium-neon là hệ thống sóng liên tục đầu tiên và được biết là phát ra ánh sáng đỏ. Trong lịch sử, họ đã sử dụng tín hiệu tần số vô tuyến để kích thích vật liệu của họ, nhưng ngày nay họ sử dụng một dòng phóng trực tiếp nhỏ giữa các điện cực trong ống laser.

Khi các electron trong helium bị kích thích, chúng sẽ tạo ra năng lượng cho các nguyên tử neon thông qua các va chạm tạo ra sự đảo ngược dân số giữa các nguyên tử neon. Laser helium-neon cũng có thể hoạt động ổn định ở tần số cao. Nó được sử dụng trong việc sắp xếp các đường ống, khảo sát và trong tia X.

Laser Argon, Krypton và Xenon Ion

Ba loại khí quý, argon, krypton và xenon, đã cho thấy việc sử dụng trong các ứng dụng laser trên hàng chục tần số laser trải dài từ tia cực tím đến hồng ngoại. Bạn cũng có thể trộn ba loại khí này với nhau để tạo ra tần số và khí thải cụ thể. Những khí này ở dạng ion của chúng cho phép các electron của chúng bị kích thích bằng cách va chạm với nhau cho đến khi chúng đạt được sự đảo ngược dân số.

Nhiều thiết kế của các loại laser này sẽ cho phép bạn chọn một bước sóng nhất định để khoang phát ra để đạt được tần số mong muốn. Thao tác với cặp gương trong khoang cũng có thể cho phép bạn cách ly tần số ánh sáng đơn lẻ. Ba loại khí, argon, krypton và xenon, cho phép bạn chọn từ nhiều tổ hợp tần số ánh sáng.

Những laser này tạo ra đầu ra rất ổn định và không tạo ra nhiều nhiệt. Những tia laser này cho thấy các nguyên tắc hóa học và vật lý tương tự được sử dụng trong các ngọn hải đăng cũng như các loại đèn điện sáng chói như đèn chớp.

Laser Carbon Dioxide

Laser carbon dioxide là hiệu quả và hiệu quả nhất của laser sóng liên tục. Chúng hoạt động bằng cách sử dụng một dòng điện trong ống plasma có khí carbon dioxide. Các va chạm điện tử kích thích các phân tử khí này sau đó phát ra năng lượng. Bạn cũng có thể thêm nitơ, heli, xenon, carbon dioxide và nước để tạo ra các tần số laser khác nhau.

Khi xem xét các loại laser có thể được sử dụng trong các loại khác nhau, bạn có thể xác định loại nào có thể tạo ra năng lượng lớn vì chúng có tốc độ hiệu quả cao sao cho chúng sử dụng một tỷ lệ năng lượng đáng kể cho chúng mà không cần sử dụng nhiều đi lãng phí Trong khi laser helium-neon có tỷ lệ hiệu suất thấp hơn .1%, thì tỷ lệ của laser carbon dioxide là khoảng 30%, gấp 300 lần so với laser helium-neon. Mặc dù vậy, laser carbon dioxide cần lớp phủ đặc biệt, không giống như laser helium-neon, để phản xạ hoặc truyền tần số thích hợp của chúng.

Laser Excimer

Laser Excimer sử dụng ánh sáng cực tím (UV), khi lần đầu tiên được phát minh vào năm 1975, đã cố gắng tạo ra một chùm tia laser tập trung cho độ chính xác trong vi phẫu thuật và vi mô công nghiệp. Tên của chúng xuất phát từ thuật ngữ "dimer kích thích" trong đó dimer là sản phẩm của các tổ hợp khí được kích thích bằng điện với cấu hình mức năng lượng tạo ra các tần số ánh sáng cụ thể trong dải UV của phổ điện từ.

Những laser này sử dụng các loại khí phản ứng như clo và flo cùng với lượng khí quý hiếm argon, krypton và xenon. Các bác sĩ và các nhà nghiên cứu vẫn đang khám phá việc sử dụng chúng trong các ứng dụng phẫu thuật do chúng có thể được sử dụng mạnh mẽ và hiệu quả như thế nào cho các ứng dụng laser phẫu thuật mắt. Laser Excimer không tạo ra nhiệt trong giác mạc, nhưng năng lượng của chúng có thể phá vỡ các liên kết liên phân tử trong mô giác mạc trong một quá trình gọi là "phân hủy quang hóa" mà không gây tổn thương không cần thiết cho mắt.