Laser là gì? – Cấu tạo – Nguyên tắc phát tia laser – Ứng dụng

Laser là gì?

Laser là cụm từ viết tắt của Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Nó được hiểu là sự khuếch đại ánh sáng bằng bức xạ kích thích. Có thể hiểu đơn giản, nó là một nguồn ánh sáng nhân tạo thu được nhờ sự khuếch đại ánh sáng bằng bức xạ phát ra trong điều kiện kích thích hoạt cao độ của các phần từ của môi trường vật chất.

Cấu tạo tia laser là gì?

Trong cuộc sống chúng ta có thể bắt gặp đèn laser hoặc những thiết bị phát ra loại tia này. Vậy có bao giờ bạn tự hỏi, cấu tạo của nó gồm những gì hay chưa?

• Vật liệu laser hoặc môi trường hoạt chất: Đây chính là môi trường để các hoạt chất được kích thích bởi các nguồn năng lượng bên ngoài, để tạo ra sự đảo ngược dòng điện chuyển động electron. Trong môi trường khuếch đại, sự phát xạ tự phát và kích thích của các hạt lượng tử photon diễn ra, dẫn đến hiện tượng khuếch đại quang học. Một số chất như: chất bán dẫn, thuốc nhuộm hữu cơ khí, vật liệu rắn…Môi trường hoạt chất quyết định đến bước sóng cũng như các tính chất khác của tia laser phát ra.
• Nguồn năng lượng bên ngoài (ánh sáng, điện): Là nguồn năng lượng đủ lớn để có thể cung cấp tác động đến các hạt điện tích trong môi trường hoạt chất và phát xạ để kích thích vào hệ thống.
• Buồng cộng hưởng quang: Bộ phận này chứa gương phản xạ và bán phản xạ ở 2 đầu, khiến cho các hạt photon va chạm liên tục vào hoạt chất nhiều lần, từ đó tạo ra mật độ hạt photon lớn.

Nguyên tắc phát tia laser

Muốn tìm hiểu laser là gì chúng ta không thể bỏ qua nguyên tắc của nó. Trong loại tia này, các photon sẽ được tương tác theo 3 cách với các nguyên tử:

• Hấp thụ bức xạ.
• Phát xạ tự phát.
• Phát xạ kích thích.

Cụ thể nguyên lý này ra sao? Chúng ta cùng tìm hiểu ngay nhé:

Hấp thụ bức xạ

Đây là quá trình các electron ở trạng thái cơ bản hấp thụ năng lượng từ photon để có thể lên mức năng lượng cao hơn.

Electron sẽ quay quanh hạt nhân ở mức năng lượng thấp hơn, hoặc ở trạng thái năng lượng thấp hơn trong khi các electron quay quanh xa hạt nhân hơn ở mức năng lượng cao hơn. Những hạt electron ở mức năng lượng thấp hơn cần một số năng lượng bổ sung để có thể nâng lên mức năng lượng cao hơn. Năng lượng bổ sung này được cấp từ nhiều nguồn năng lượng khác nhau, ví dụ như: nhiệt, điện trường, ánh sáng…

Đối với các điện tử, chúng ta sẽ xem xét 2 mức năng lượng là E1 và E2. Trong đó E1 là trạng thái cơ bản hoặc trạng thái năng lượng thấp hơn của electron. E2 là trạng thái kích thích hoặc trạng thái năng lượng cao hơn của electron. Các hạt electron ở trạng thái cơ bản sẽ được gọi là electron năng lượng thấp hơn hoặc electron trạng thái mặt đất. Electron ở trạng thái kích thích được gọi là electron năng lượng cao hơn hoặc electron kích thích.

Khi các photon hoặc năng lượng ánh sáng bằng hiệu số năng lượng của 2 mức năng lượng (E2-E1) xảy ra trên nguyên tử, các electron trạng thái mặt đất thu được đủ năng lượng và nhảy từ trạng thái cơ bản E1 sang trạng thái kích thích E2.

Việc hấp thụ bức xạ hoặc ánh sáng chỉ xảy ra trong trường hợp năng lượng của photon tới hoàn toàn khớp với chênh lệch năng lượng của 2 mức năng lượng E2-E1.

Phát xạ tự phát

Là quá trình các electron ở trạng thái kích thích trở về trạng thái cơ bản bằng cách phát ra các photon.

Các electron ở trạng thái kích thích chỉ tồn tại trong một thời gian ngắn. Thời gian mà một electron bị kích thích có thể ở trạng thái năng lượng cao hơn E2 sẽ được gọi là thời gian tồn tại của các electron bị kích thích. Tuổi thọ của các electron ở trạng thái kích thích này sẽ là 10 mũ -8 giây. Chính vì vậy sau thời gian tồn tại ngắn, các electron bị kích thích sẽ trở về trạng thái năng lượng thấp hoăn hoặc trạng thái cơ bản thông qua việc giải phóng năng lượng dưới dạng photon.

Trong phát xạ tự phát, các electron sẽ di chuyển tự nhiên hoặc cũng có thể là di chuyển tự phát từ trạng thái này (tức trạng thái năng lượng cao hơn) sang trạng thái khác (trạng thái năng lượng thấp hơn). Do đó sự phát xạ photon cũng xảy ra một cách tự nhiên. Đây cũng chính là lý do vì sao mà chúng ta không thể kiểm soát được khi một electron bị kích thích sẽ mất năng lượng dưới dạng ánh sáng.

Những photon phát ra trong quá trình phát xạ tự phát sẽ tạo thành ánh sáng không liên tục thông thường. Loại ánh sáng này là một chùm photon có sự thay đổi pha thường xuyên và ngẫu nhiên.

Phát xạ kích thích

Đây là quá trình mà photon đến tương tác với electron bị kích thích và buộc nó phải trở về trạng thái cơ bản. Trong quá trình này, năng lượng ánh sáng được cung cấp trực tiếp cho electron bị kích thích. Quá trình này không phải là quá trình tự nhiên mà là quá trình nhân tạo. Tại đây các electron ở trạng thái kích thích sẽ ở đó cho đến khi hết tuổi thọ. Sau đó sẽ trở về trạng thái cơ bản bằng cách giải phóng năng lượng dưới dạng ánh sáng.

Tuy nhiên các electron ở trạng thái kích thích cần phải đợi cho đến khi hoàn thành vòng đời của nó. Sau đó một kỹ thuật sẽ được sử dụng để đưa nó về trạng thái cơ bản, kỹ thuật đó được gọi là phát xạ kích thích.

Khi photon đến tương tác với electron bị kích thích, nó buộc electron bị kích thích trở về trạng thái cơ bản. Electron phấn khích khi đó sẽ giải phóng năng lượng dưới dạng ánh sáng trong khi rơi xuống trạng thái mặt đất.

Trong phát xạ kích thích, 2 photon được phát ra sẽ bao gồm 1 là do photon, một là do sự giải phóng năng lượng của electron bị kích thích. Những photon phát ra trong phát xạ kích thích sẽ có cùng năng lượng, cùng tần số, cùng pha vì vậy mà những photon trong phát xạ kích thích sẽ truyền đi cùng một hướng.

Số lượng photon phát ra tùy thuộc vào số lượng electron ở mức năng lượng cao hơn hay trạng thái kích thích và cường độ ánh sáng tới.

Đặc điểm của laser là gì?

Một trong những nội dung tiếp theo mà chúng ta sẽ tìm hiểu trong bài viết về laser là gì hôm nay, chính là đặc điểm của loại tia này. Loại ánh sáng này hiện có 4 đặc điểm chính như sau:

• Sự gắn kết.
• Định hướng.
• Đơn sắc.
• Cường độ cao.

Sự gắn kết

Ánh sáng khả kiến được phát ra khi các electron bị kích thích nhảy xuống mức năng lượng thấp hơn. Các electron chuyển từ mức năng lượng cao hơn sang mức năng lượng thấp hơn, hoặc mức năng lượng thấp hơn đến mức năng lượng cao hơn và được gọi là quá trình chuyển đổi điện tử.

Trong nguồn sáng thông thường, quá trình chuyển đổi điện tử diễn ra tự nhiên, các photon phát ra từ các nguồn sáng thông thường có năng lượng, tần số, bước sóng hoặc màu sắc khác nhau. Chính vì vậy sóng ánh sáng của những nguồn sáng thông thường sẽ có nhiều bước sóng hơn và các photon lúc này thường nằm ngoài pha.

Trong laser, quá trình chuyển đổi điện tử xảy ra không tự nhiên. Chính vì vậy các bước sóng của ánh sáng laser cùng pha trong không gian và thời gian. Trong laser, kỹ thuật phát xạ kích thích được sử dụng để tạo ra ánh sáng.

Trong nguồn ánh sáng thông thường, ví dụ như đèn, đèn natri, đèn pin, các photon sẽ truyền theo hướng ngẫu nhiên. Do đó, các nguồn sáng này sẽ phát ra theo mọi hướng.

Mặt khác trong laser, tất cả các photon sẽ truyền theo cùng một hướng, vì vậy nó chỉ phát ra ánh sáng theo một hướng. Điều này được gọi là hướng của ánh sáng laser. Chiều rộng của chùm tia laser rất hẹp, vì vậy một chùm tia này có thể di chuyển đến khoảng cách xa mà không lan rộng.

Với một ánh sáng bình thường có thể đi được quãng đường 2km, nó sẽ lan ra khoảng 2km đường kính. Nhưng đối với loại ánh sáng mà chúng ta đang tìm hiểu, khi đi được quãng đường khoảng 2km, nó chỉ lan ra đường kính khoảng 2cm.

Đơn sắc

Ánh sáng đơn sắc được hiểu là ánh sáng chứa một màu, hoặc bước sóng. Các photon phát ra từ những nguồn ánh sáng thường có năng lượng, tần số, bước sóng hoặc màu sắc khác nhau. Vì vậy mà sóng ánh sáng của các nguồn sáng thông thường có nhiều bước sóng hoặc màu sắc. Chính vì vậy ánh sáng thông thường là hỗn hợp các sóng có tần số hoặc bước sóng khác nhau.

Mặt khác đối với laser, tất cả các photon phát ra sẽ có cùng năng lượng, tần số, bước sóng. Do đó sóng ánh sáng của laser có bước sóng hoặc màu đơn. Do đó ánh sáng laser bao phủ một phạm vi tần số hoặc bước sóng rất hẹp.

Cường độ cao

Cường độ của sóng là năng lượng trên một đơn vị thời gian chảy qua một đơn vị diện tích bình thường. Trong một nguồn sáng thông thường, ánh sáng sẽ trải đều theo mọi hướng.

Nếu bạn nhìn vào dây tóc bóng đèn 100W từ khoảng cách 30cm, công suất đi vào mắt của bạn chưa đến 1/1000 của 1W. Do đó khi so sánh với ánh sáng laser cường độ của loại ánh sáng này mạnh hơn ánh sáng thường.

Nếu bạn nhìn dọc theo chùm tia từ tia laser (LƯU Ý ĐỂ ĐẢM BẢO AN TOÀN CÁC BẠN KHÔNG THỬ LÀM ĐIỀU NÀY), thì tất cả năng lượng trong tia đó sẽ đi vào mắt của bạn. Chính vì vậy mà đối với 1 tia laser 1W sẽ có cường độ mạnh gấp hàng nghìn lần so với đèn thường 100W.

Cũng chính nhờ đặc tính này, mà chùm tia laser được dùng để cắt một khối thép khổng lồ thông qua việc nung chảy. Ngoài ra chúng cũng được sử dụng để ghi và tái tạo thông tin lớn trên đĩa CD.

Các loại tia laser

Trong bài viết về: “Laser là gì?” cùng tìm hiểu chi tiết về phân loại các tia laze này nhé! Việc phân chia tia laser phụ thuộc vào môi trường hoạt chất. Ngay sau đây chúng ta sẽ cùng tìm hiểu cụ thể về chúng nhé:

• Laser rắn: Hiện nay có khoảng 200 chất rắn có thể sử dụng để làm môi trường hoạt chất laser, chẳng hạn như: vật liệu thủy tinh, thủy tinh thể…Loại này có tính ứng dụng cao, phổ biến hiện nay và được tìm ra đầu tiên là laser ruby.

• Laser lỏng: Chất lỏng được sử dụng để làm môi trường hoạt chất sẽ gọi là laser lỏng. Trong đó laser xung nhuộm là ví dụ điển hình của loại này, chúng sử dụng thuốc nhuộm để làm môi trường hoạt chất.
• Laser khí: Với loại này, dòng điện được phóng qua trong một môi trường chất khí được sử dụng làm môi trường hoạt chất. Loại này sẽ được sử dụng phổ biến trong trường hợp đòi hỏi ánh sáng laser có độ kết dính và chùm sáng cao.

• Laser bán dẫn: Nó còn được gọi là laser diot và giữ vai trò quan trọng trong cuộc sống như: đọc đĩa Compact, máy in laser, làm bút chỉ bảng , máy chống trộm,…Loại laser này sử dụng nguồn điện làm nguồn bơm.

Ứng dụng trong đời sống của tia laser là gì?

Sau khi đã hiểu laser là gì, nó đã được các chuyên gia đánh giá và ứng dụng vào nhiều lĩnh vực của đời sống. Trên thực tế, tia laser có tính ứng dụng cao trong đời sống. Nó được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, ngay sau đây chúng ta sẽ cùng tìm hiểu ngay nhé:

Trong y học

Nó được sử dụng với vai trò là dao mổ trong phẫu thuật vì dễ điều khiển, có thể kiểm soát độ sâu và diện tích tiếp xúc nhỏ. Chính vì vậy, loại tia này có thể được dùng để phục hồi thị giác cho những trường hợp cận thị, kết hợp với sợi quang học để điều trị một số bệnh liên quan đến võng mạc, chẩn đoán ung thư…

Trong lĩnh vực thông tin liên lạc

Một số ứng dụng của loại ánh sáng này trong lĩnh vực thông tin liên lạc được thể hiện như sau:

• Nó được dùng để gửi thông tin qua khoảng cách lớn với tổn thất thấp.
• Loại ánh sáng này cũng được sử dụng trong các mạng truyền thông dưới nước.
• Nó cũng được sử dụng trong thông tin liên lạc không gian, radar và vệ tinh.

Trong công nghiệp

Đối với lĩnh vực công nghiệp, loại ánh sáng này được ứng dụng như thế nào?

• Dùng để cắt thủy tinh và thạch anh.
• Dùng trong các ngành công nghiệp điện tử để cắt tỉa các thành phần của mạch tích hợp IC.
• Nó được sử dụng để xử lý nhiệt trong ngành công nghiệp ô tô.
• Thu thập thông tin về giá tiền tố của các sản phẩm khác nhau trong các cửa hàng và cơ sở kinh doanh dựa vào mã vạch được in trên sản phẩm.
• Laser cực tím được sử dụng trong các ngành công nghiệp bán dẫn cho quang khắc.
• Dùng để khoan vòi phun khí dung và các lỗ điều khiển trong độ chính xác cần thiết.

Trong khoa học công nghệ

Trong lĩnh vực khoa học công nghệ, loại ánh sáng này cũng được ứng dụng trong nhiều trường hợp. Cụ thể như sau:

• Hỗ trợ nghiên cứu chuyển động Brown của các hạt.
• Với sự hỗ trợ của loại ánh sáng này, người ta có thể chứng minh vận tốc ánh sáng là như nhau theo mọi hướng.
• Có thể đếm số lượng nguyên tử trong một chất nhờ sự hỗ trợ của loại tia này.
• Nó được sử dụng trong máy tính nhằm mục đích lấy thông tin được lưu trữ từ đĩa CD.
• Nó được dùng để lưu trữ lượng lớn thông tin hoặc dữ liệu trong CD-Rom…

Trong quân đội

Trong quân đội, tia laze cũng được sử dụng vào nhiều mục đích khác nhau. Cụ thể:

• Nó được dùng để xác định khoảng cách đến một đối tượng.
• Được dùng để cảm biến và đo góc quay rất nhỏ của các vật thể chuyển động.
• Nó được sử dụng như một đèn trinh sát bí mật vào ban đêm với độ chính xác cao.

Tác hại của tia laze

Mặc dù mang đến nhiều tác dụng, tuy nhiên khi sử dụng tia laze cũng cần lưu ý để tránh một số tác hại sau:

• Trong trường hợp sử dụng loại tia này để chiếu thẳng vào mắt, có thể làm hỏng võng mạc và ảnh hưởng lớn đến mắt.
• Không cho trẻ em chơi những đồ chơi có tia laze.
• Kiểm tra thông tin sản phẩm chi tiết để đánh giá chất lượng sản phẩm nếu có dự định mua hoặc sử dụng sản phẩm.

Như vậy với những thông tin mà AME Group chia sẻ, chắc hẳn các bạn cũng đã biết laser là gì cũng như những thông tin xoay quanh loại ánh sáng này rồi đúng không nào. Đừng quên liên hệ đến chúng tôi nếu bạn cần tư vấn thêm về vấn đề này nhé.