Laser là gì? Có những loại tia Laser nào? Ứng dụng của Laser?

Laser là gì? Các loại laser? Nguyên lý phát sinh và ứng dụng của tia laser? – Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật tia laser đã được ứng dụng vào rất nhiều các hạng mục quan trọng trong đời sống của chúng ta như y học, thông tin liên lạc, công nghiệp, khoa học và công nghệ và quân đội. Đọc ngay bài viết dưới đây được IEEC Việt Nam tổng hợp toàn bộ những thông tin, kiến thức chi tiết và đầy đủ nhất về tia laser.

Mục Lục

LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) là viết tắt của sự khuếch đại ánh sáng bằng sự phát xạ kích thích. Laser là một thiết bị tạo ra ánh sáng định hướng cao. Nó phát ra ánh sáng thông qua một quá trình gọi là phát xạ kích thích làm tăng cường độ ánh sáng.

Một tia laser khác với các nguồn sáng thông thường theo bốn cách: sự kết hợp, hướng, độ đơn sắc và cường độ cao.

Các sóng ánh sáng của các nguồn sáng thông thường có nhiều bước sóng. Do đó, các photon phát ra từ các nguồn sáng thông thường lệch pha nhau. Do đó, ánh sáng thông thường là không mạch lạc.

Mặt khác, sóng ánh sáng của ánh sáng laser chỉ có một bước sóng. Do đó, tất cả các photon phát ra từ ánh sáng laser đều cùng pha. Do đó, ánh sáng laser được kết hợp.

Các sóng ánh sáng từ laser chỉ chứa một bước sóng hoặc màu sắc nên được gọi là ánh sáng đơn sắc.

Các tia laser rất hẹp và có thể tập trung trên một khu vực rất nhỏ. Điều này làm cho ánh sáng laser có tính định hướng cao.

Ánh sáng laser lan tỏa trong một vùng nhỏ của không gian. Do đó, tất cả năng lượng tập trung vào một vùng hẹp. Do đó, ánh sáng laser có cường độ lớn hơn ánh sáng thông thường.

Nguyên lý phát sinh tia laser

Trong laser, các photon được tương tác theo ba cách với các nguyên tử:

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

Hấp thụ bức xạ

Hấp thụ bức xạ là quá trình các electron ở trạng thái cơ bản hấp thụ năng lượng từ các photon để nhảy lên mức năng lượng cao hơn.

Các electron quay quanh rất gần hạt nhân ở mức năng lượng thấp hơn hoặc trạng thái năng lượng thấp hơn trong khi các electron quay quanh xa hạt nhân hơn ở mức năng lượng cao hơn. Các electron ở mức năng lượng thấp hơn cần một số năng lượng bổ sung để nhảy vào mức năng lượng cao hơn. Năng lượng bổ sung này được cung cấp từ nhiều nguồn năng lượng khác nhau như nhiệt, điện trường hoặc ánh sáng.

Chúng ta hãy xem xét hai mức năng lượng (E 1 và E 2 ) của các điện tử. E 1 là trạng thái cơ bản hoặc trạng thái năng lượng thấp hơn của electron và E 2 là trạng thái kích thích hoặc trạng thái năng lượng cao hơn của electron. Các electron ở trạng thái cơ bản được gọi là electron năng lượng thấp hơn hoặc electron trạng thái mặt đất trong khi các electron ở trạng thái kích thích được gọi là electron năng lượng cao hơn hoặc electron kích thích.

Nói chung, các electron ở trạng thái năng lượng thấp hơn không thể nhảy sang trạng thái năng lượng cao hơn. Họ cần đủ năng lượng để nhảy vào trạng thái năng lượng cao hơn.

Khi các photon hoặc năng lượng ánh sáng bằng hiệu số năng lượng của hai mức năng lượng (E 2 – E 1 ) xảy ra trên nguyên tử , các electron trạng thái mặt đất thu được đủ năng lượng và nhảy từ trạng thái cơ bản (E 1 ) sang trạng thái kích thích (E 2 ).

Sự hấp thụ bức xạ hoặc ánh sáng chỉ xảy ra nếu năng lượng của photon tới hoàn toàn khớp với chênh lệch năng lượng của hai mức năng lượng (E 2 – E 1 ).

Phát xạ tự phát

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 có thể tồn tại trong một thời gian ngắn. Thời gian mà một electron bị kích thích có thể ở trạng thái năng lượng cao hơn (E 2 ) được gọi là thời gian tồn tại của các electron bị kích thích. Tuổi thọ của các electron ở trạng thái kích thích là 10 -8 giây.

Do đó, sau thời gian tồn tại ngắn của các electron bị kích thích, chúng trở về trạng thái năng lượng thấp hơn hoặc trạng thái cơ bản bằng cách giải phóng năng lượng dưới dạng photon.

Trong phát xạ tự phát, các electron di chuyển tự nhiên hoặc tự phát từ trạng thái này (trạng thái năng lượng cao hơn) sang trạng thái khác (trạng thái năng lượng thấp hơn) nên sự phát xạ của photon cũng xảy ra một cách tự nhiên. Do đó, chúng ta không kiểm soát được khi một electron bị kích thích sẽ mất năng lượng dưới dạng ánh sáng.

Các photon phát ra trong quá trình phát xạ tự phát tạo thành ánh sáng không liên tục thông thường. Ánh sáng không liên tục là một chùm photon có sự thay đổi pha thường xuyên và ngẫu nhiên giữa chúng. Nói cách khác, các photon phát ra trong quá trình phát xạ tự phát không chảy chính xác theo cùng hướng của các photon tới.

Phát xạ kích thích

Phát xạ kích thích là quá trình mà photon tới tương tác với electron bị kích thích và buộc nó trở về trạng thái cơ bản.

Trong phát xạ kích thích, năng lượng ánh sáng được cung cấp trực tiếp cho electron bị kích thích thay vì cung cấp năng lượng ánh sáng cho các electron trạng thái cơ bản.

Không giống như phát xạ tự phát, phát xạ kích thích không phải là một quá trình tự nhiên mà nó là một quá trình nhân tạo.

Trong phát xạ tự phát, các electron ở trạng thái kích thích sẽ ở đó cho đến khi hết tuổi thọ. Sau khi hoàn thành cuộc sống, họ trở về trạng thái cơ bản bằng cách giải phóng năng lượng dưới dạng ánh sáng.

Tuy nhiên, trong phát xạ kích thích, các electron ở trạng thái kích thích không cần phải đợi đến khi hoàn thành vòng đời của chúng. Một kỹ thuật thay thế được sử dụng để mạnh mẽ đưa electron bị kích thích về trạng thái cơ bản trước khi hoàn thành vòng đời của chúng. Kỹ thuật này được gọi là phát xạ kích thích.

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

Trong phát xạ kích thích, hai photon được phát ra (một photon bổ sung được phát ra) , một là do photon tới và một photon khác là do sự giải phóng năng lượng của electron bị kích thích. Do đó, hai photon được phát ra.

Quá trình phát xạ kích thích rất nhanh so với quá trình phát xạ tự phát.

Tất cả các photon phát ra trong phát xạ kích thích có cùng năng lượng, cùng tần số và cùng pha. Do đó, tất cả các photon trong phát xạ kích thích truyền theo cùng một hướng.

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

Nó có thể được viết là:

Số lượng photon phát ra α Số electron ở trạng thái kích thích + cường độ ánh sáng tới.

Đặc điểm của Laser

Ánh sáng laser có bốn đặc điểm độc đáo khác biệt với ánh sáng thông thường: đó là

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

Sự gắn kết

Chúng ta biết rằng ánh sáng khả kiến ​​được phát ra khi các electron bị kích thích (các electron ở mức năng lượng cao hơn) nhảy xuống mức năng lượng thấp hơn (trạng thái mặt đất). Quá trình 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 được gọi là quá trình chuyển đổi điện tử.

Trong các nguồn sáng thông thường (đèn, đèn natri và đèn khò), quá trình chuyển đổi điện tử diễn ra tự nhiên. Nói cách khác, quá trình chuyển đổi electron trong các nguồn sáng thông thường là ngẫu nhiên theo thời gian. Các photon phát ra từ các nguồn sáng thông thường có năng lượng, tần số, bước sóng hoặc màu sắc khác nhau. Do đó, sóng ánh sáng của các nguồn sáng thông thường có nhiều bước sóng. Do đó, các photon phát ra từ một nguồn sáng thông thường nằm ngoài pha.

Trong laser, quá trình chuyển đổi điện tử xảy ra một cách giả tạo. Nói cách khác, trong laser, quá trình chuyển đổi điện tử xảy ra trong thời gian cụ thể. Tất cả các photon phát ra trong laser có cùng năng lượng, tần số hoặc bước sóng. Do đó, sóng ánh sáng của ánh sáng laser có bước sóng hoặc màu đơn. Do đó, các bước sóng của ánh sáng laser cùng pha trong không gian và thời gian. Trong laser, một kỹ thuật gọi là phát xạ kích thích được sử dụng để tạo ra ánh sáng.

Do đó, ánh sáng được tạo ra bởi laser rất kết hợp. Vì sự gắn kết này, một lượng lớn năng lượng có thể được tập trung trong một không gian hẹp.

Định hướng

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

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

Nếu một ánh sáng bình thường đi được quãng đường 2 km, nó sẽ lan ra khoảng 2 km đường kính. Mặt khác, nếu một ánh sáng laser đi được quãng đường 2 km, nó sẽ lan ra đường kính nhỏ hơn 2 cm.

Đơn sắc

Ánh sáng đơn sắc có nghĩa là ánh sáng chứa một màu hoặc bước sóng. Các photon phát ra từ các nguồn sáng thông thường có năng lượng, tần số, bước sóng hoặc màu sắc khác nhau. Do đó, sóng ánh sáng của các nguồn sáng thông thường có nhiều bước sóng hoặc màu sắc. Do đó, ánh sáng thông thường là hỗn hợp các sóng có tần số hoặc bước sóng khác nhau.

Mặt khác, trong laser, tất cả các photon phát ra có cùng năng lượng, tần số hoặc 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

Bạn biết rằng 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 trải đều theo mọi hướng.

Nếu bạn nhìn vào dây tóc đèn 100 watt từ khoảng cách 30 cm, công suất đi vào mắt bạn chưa đến 1/1000 của một watt.

Trong laser, ánh sáng lan truyền trong vùng không gian nhỏ và trong một phạm vi bước sóng nhỏ. Do đó, ánh sáng laser có cường độ lớn hơn khi so với ánh sáng thông thường.

Nếu bạn nhìn trực tiếp dọc theo chùm tia từ tia laser (chú ý: không làm điều đó), thì tất cả năng lượng trong tia laser sẽ đi vào mắt bạn.  Do đó, ngay cả một tia laser 1 watt sẽ xuất hiện mạnh gấp hàng nghìn lần so với đèn thường 100 watt.

Do đó, bốn tính chất của chùm tia laser này cho phép chúng ta cắt một khối thép khổng lồ bằng cách nung chảy. Chúng cũng được sử dụng để ghi và tái tạo thông tin lớn trên đĩa compact (CD).

Có những loại tia Laser nào?

Laser được phân thành 4 loại dựa trên loại môi trường laser được sử dụng:

• Laser trạng thái rắn
• Laser khí
• Laser lỏng
• Laser bán dẫn

Laser trạng thái rắn

Laser trạng thái rắn là laser sử dụng chất rắn làm môi trường laser. Trong các laser này, vật liệu thủy tinh hoặc tinh thể được sử dụng.

Các ion được đưa vào dưới dạng tạp chất vào vật liệu chủ có thể là thủy tinh hoặc tinh thể. Quá trình thêm tạp chất vào chất được gọi là doping. Các nguyên tố đất hiếm như cerium (Ce), erbium (Eu), terbium (Tb) v.v … được sử dụng phổ biến nhất làm chất khử trùng.

Các vật liệu như sapphire (Al 2 O 3 ), garnet nhôm pha tạp neodymium (Nd: YAG), thủy tinh pha tạp Neodymium (Nd: thủy tinh) và thủy tinh pha tạp ytterbium được sử dụng làm vật liệu chủ cho môi trường laser. Trong số này, garnet nhôm yttri pha tạp neodymium (Nd: YAG) được sử dụng phổ biến nhất.

Laser trạng thái rắn đầu tiên là laser ruby. Nó vẫn được sử dụng trong một số ứng dụng. Trong laser này, một tinh thể ruby ​​được sử dụng làm môi trường laser.

Trong laser trạng thái rắn, năng lượng ánh sáng được sử dụng làm nguồn bơm. Các nguồn ánh sáng như flashTube, đèn flash, đèn hồ quang hoặc điốt laser được sử dụng để đạt được bơm.

Laser bán dẫn không thuộc loại này vì các laser này thường được bơm bằng điện và liên quan đến các quá trình vật lý khác nhau.

Laser khí

Laser khí là một laser trong đó một dòng điện được phóng qua một chất khí bên trong môi trường laser để tạo ra ánh sáng laser. Trong laser khí, môi trường laser ở trạng thái khí.

Laser khí được sử dụng trong các ứng dụng đòi hỏi ánh sáng laser với chất lượng chùm tia rất cao và độ dài kết hợp dài.

Trong laser khí, môi trường laser hoặc môi trường khuếch đại được tạo thành từ hỗn hợp khí. Hỗn hợp này được đóng gói vào một ống thủy tinh. Các ống thủy tinh chứa đầy hỗn hợp khí hoạt động như một môi trường hoạt động hoặc môi trường laser.

Laser khí là loại laser đầu tiên hoạt động theo nguyên tắc chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng ánh sáng. Nó tạo ra một chùm ánh sáng laser trong vùng hồng ngoại của quang phổ tại 1,15 μ m.

Laser khí có nhiều loại khác nhau: chúng là, laser Helium (He) – Laser neon (Ne), laser ion argon, laser carbon dioxide (laser CO 2 ), laser carbon monoxide (laser CO), laser excimer, laser nitơ, laser hydro , v.v … Loại khí được sử dụng để xây dựng môi trường laser có thể xác định bước sóng hoặc hiệu quả của laser.

 Laser lỏng

Laser lỏng là laser sử dụng chất lỏng làm môi trường laser. Trong laser lỏng, ánh sáng cung cấp năng lượng cho môi trường laser.

Laser nhuộm là một ví dụ về laser lỏng. Laser nhuộm là loại laser sử dụng thuốc nhuộm hữu cơ (dung dịch lỏng) làm môi trường laser.

Một laser nhuộm được tạo thành từ một thuốc nhuộm hữu cơ trộn với dung môi. Những tia laser này tạo ra ánh sáng laser từ trạng thái năng lượng kích thích của thuốc nhuộm hữu cơ hòa tan trong dung môi lỏng. Nó tạo ra chùm ánh sáng laser trong vùng tử ngoại gần (UV) đến vùng hồng ngoại gần (IR) của quang phổ.

Laser bán dẫn

Laser bán dẫn đóng một vai trò quan trọng trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta. Những laser này rất rẻ, kích thước nhỏ gọn và tiêu thụ năng lượng thấp. Laser bán dẫn còn được gọi là điốt laser.

Laser bán dẫn khác với laser trạng thái rắn. Trong laser trạng thái rắn, năng lượng ánh sáng được sử dụng làm nguồn bơm trong khi đó, trong laser bán dẫn, năng lượng điện được sử dụng làm nguồn bơm.

Trong laser bán dẫn, một điểm nối pn của diode bán dẫn tạo thành môi trường hoạt động hoặc môi trường laser. Độ lợi quang học được tạo ra trong vật liệu bán dẫn.

Ứng dụng của Laser

Laser là một thiết bị quang học tạo ra chùm ánh sáng đơn sắc cường độ cao bằng cách phát ra bức xạ kích thích.

Ánh sáng laser khác với ánh sáng thông thường. Nó có các thuộc tính độc đáo khác nhau như sự kết hợp, đơn sắc, định hướng và cường độ cao. Do những đặc tính độc đáo này, laser được sử dụng trong các ứng dụng khác nhau.

Các ứng dụng quan trọng nhất của laser bao gồm:

• Laser trong y học
• Laser trong thông tin liên lạc
• Laser trong các ngành công nghiệp
• Laser trong khoa học và công nghệ
• Laser trong quân đội

Laser trong y học

1. Laser được sử dụng để phẫu thuật không đổ máu.
2. Laser được sử dụng để tiêu diệt sỏi thận.
3. Laser được sử dụng trong chẩn đoán và điều trị ung thư.
4. Laser được sử dụng để điều chỉnh độ cong của ống kính mắt.
5. Laser được sử dụng trong nội soi sợi quang để phát hiện các vết loét trong ruột.
6. Các bệnh về gan và phổi có thể được điều trị bằng cách sử dụng tia laser.
7. Laser được sử dụng để nghiên cứu cấu trúc bên trong của vi sinh vật và tế bào.
8. Laser được sử dụng để tạo ra các phản ứng hóa học.
9. Laser được sử dụng để tạo plasma.
10. Laser được sử dụng để loại bỏ các khối u thành công.
11. Laser được sử dụng để loại bỏ sâu răng hoặc phần sâu răng của răng.
12. Laser được sử dụng trong điều trị thẩm mỹ như điều trị mụn trứng cá, cellulite và tẩy lông.

Laser trong truyền thông

1. Ánh sáng laser được sử dụng trong thông tin sợi quang để gửi thông tin qua khoảng cách lớn với tổn thất thấp.
2. Ánh sáng laser được sử dụng trong các mạng truyền thông dưới nước.
3. Laser được sử dụng trong thông tin liên lạc không gian, radar và vệ tinh.

Laser trong các ngành công nghiệp

1. Laser được sử dụng để cắt thủy tinh và thạch anh.
2. Laser được sử dụng trong các ngành công nghiệp điện tử để cắt tỉa các thành phần của Mạch tích hợp (IC).
3. Laser được sử dụng để xử lý nhiệt trong ngành công nghiệp ô tô.
4. Ánh sáng laser được sử dụng để thu thập thông tin về giá tiền tố của các sản phẩm khác nhau trong các cửa hàng và cơ sở kinh doanh từ mã vạch được in trên sản phẩm.
5. Laser cực tím được sử dụng trong các ngành công nghiệp bán dẫn cho quang khắc. Photolithography là phương pháp được sử dụng để sản xuất bảng mạch in (PCB) và bộ vi xử lý bằng cách sử dụng ánh sáng cực tím.
6. Laser được sử dụng để khoan vòi phun khí dung và các lỗ điều khiển trong độ chính xác cần thiết.

Laser trong Khoa học và Công nghệ

1. Một tia laser giúp nghiên cứu chuyển động Brown của các hạt.
2. Với sự trợ giúp của laser helium-neon , người ta đã chứng minh rằng vận tốc ánh sáng là như nhau theo mọi hướng.
3. Với sự trợ giúp của laser, có thể đếm số lượng nguyên tử trong một chất.
4. Laser được sử dụng trong máy tính để lấy thông tin được lưu trữ từ Đĩa compact (CD).
5. Laser được sử dụng để lưu trữ lượng lớn thông tin hoặc dữ liệu trong CD-ROM.
6. Laser được sử dụng để đo các khí ô nhiễm và các chất gây ô nhiễm khác của khí quyển.
7. Laser giúp xác định tốc độ quay của trái đất một cách chính xác.
8. Laser được sử dụng trong máy in máy tính.
9. Laser được sử dụng để tạo ra hình ảnh ba chiều trong không gian mà không cần sử dụng ống kính.
10. Laser được sử dụng để phát hiện động đất và vụ nổ hạt nhân dưới nước.
11. Một laser diode gallium arsenide có thể được sử dụng để thiết lập một hàng rào vô hình để bảo vệ một khu vực.

Laser trong quân đội

1. Công cụ tìm phạm vi laser được sử dụng để xác định khoảng cách đến một đối tượng.
2. Con quay hồi chuyển laser vòng được sử dụng để cảm biến và đo góc quay rất nhỏ của các vật thể chuyển động.
3. Laser có thể được sử dụng như một đèn chiếu sáng bí mật để trinh sát vào ban đêm với độ chính xác cao.
4. Laser được sử dụng để loại bỏ năng lượng của đầu đạn bằng cách làm hỏng tên lửa.
5. Ánh sáng laser được sử dụng trong LIDAR để đo chính xác khoảng cách đến một vật thể.