Tìm hiểu cấu tạo laser, nguyên lý hoạt động và tính ứng dụng của tia laser

Ứng dụng tia laser vào các ngành công nghệ, nhất là công nghệ cao đã trở nên rất phổ biến trong thời buổi 4.0 hiện nay. Vậy bạn đã biết chính xác laser là gì? Cấu tạo laser như thế nào? Nguyên lý hoạt động ra sao mà được áp dụng phổ biến đến vậy hay chưa? Chỉ cần 2 phút là bạn đã có thể cùng Tktech tìm  hiểu hết những vấn đề nêu trên!

1/ Trước khi tìm hiểu cấu tạo laser bạn cần biết: Laser là gì?

Chắc chắn rằng bạn không còn xa lạ gì với tên gọi laser.

• Vậy Laser là gì?

Thực chất, laser là tên gọi tắt của cụm từ “Light Amplificcation by Stimulatedd Emission of Radiation” – Được hiểu là sự khuếch đại ánh sáng bằng bức xạ kích hoạt.

⇒ Như vậy: Tia laser mà chúng ta thường thấy là một nguồn ánh sáng nhân tạo thu được nhờ vào sự khuếch đại ánh sáng bằng bức xạ phát ra trong điều kiện kích hoạt cao độ các phần tử của môi trường vật chất.

2/ Cấu tạo laser: Laser là một loại ánh sáng đặc biệt..

Laser thuộc loại ánh sáng đặc biệt

Ta có thể khẳng định điều này bởi nó có nhiều tính chất khác biệt so với ánh sáng tự nhiên hay nhân tạo khác.

Nhờ vào điều này mà tính ứng dụng của laser rất cao, được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khoa học cũng như trong đời sống thường ngày.

Có thể bạn chưa biết!

Sự ra đời của tia Laser có khởi nguồn từ Thuyết lượng tử của nhà Bác học Albert Einstein (1916). Đến năm 1954, một số nhà bác học người Anh & Mỹ đồng thời sáng chế ra máy phát tia laser ứng dụng vào thực tiễn đầu tiên trên thế giới.

Đến năm 1960, các thử nghiệm về laser bắt đầu được áp dụng ở người, năm 1964, các ca trị liệu về Da bằng tia laser lần đầu tiên được tiến hành.

Cho đến nay, tia laser còn được ứng dụng trong công nghiệp gia công, cắt khắc vật liệu, y học (nội soi), làm máy in, máy quét mã vạch,…

3/ Cấu trúc/ cấu tạo laser, nguyên tắc phát tia laser

→ Cấu tạo tia laser

Cấu tạo đèn laser thường có 3 phần, đó là:

• • • Nguồn bơm (hay còn gọi là nguồn năng lượng
    • Môi trường kích thích, hay còn gọi là môi trường laser
    • Gương hoặc hệ thống gương dùng để tạo hệ thống khuếch đại ánh sáng

Trong đó:

♦ Nguồn bơm: Có chức năng cung cấp năng lượng cho hệ thống cấu tạo laser. Việc lựa chọn loại nguồn bơm nào để dùng chủ yếu phụ thuộc vào môi trường kích thích là loại gì. Đây cũng là yếu tố quyết định cách mà năng lượng truyền vào trong môi trường.

♦ Môi trường kích thích: Quyết định đến bước sóng & các tính chất khác của ánh sáng laser. Có thể tạo ra hàng trăm môi trường kích thích khác nhau. Vai trò của chún là tạo sự kích thích đồng đều giữa các electron để phát xạ kích thích các hạt photon, dẫn đến hiện tượng khuếch đại ánh sáng cần thiết.

→ Có các loại laser nào?

Có nhiều dạng laser khác nhau, nhưng thường thấy là:

• Laser lỏng, vd: laser sử dụng chất nhuộm, dùng các dung môi như metan, etan… cho vào chất nhuộm hữu cơ chiết xuất từ thực vật. Đối với loại này, cấu trúc của chất nhuộm quyết định đến bước sóng hoạt động của laser
• Laser khí: Dùng argon, cacbonicc, krypton hay hỗn hợp Heli-Neon với nguồn bơm là ác quy
• Laser rắn, vd: Tinh thể, gương, được tạo thành từ chất rắn pha với một số tạp chất như crom, neodymium hoặc titan.
• Laser bán dẫn: Tạo thành nhờ sự chuyển động của  hạt electron giữa vật chất với tầng điện tích khác nhau. Loại này thường gọn nhẹ,  ứng dụng nhiều trong các thiết bị cho đĩa hát…

→ Nguyên tắc phát sinh tia laser là gì?

Nguyên tắc phát sinh tia laser diễn ra như sau:

• Khi chiếu 1 chùm ánh sáng vào 01 môi trường vật chất (hệ vạt lý lượng tử) à chùm ánh sáng sẽ yếu dần do bị hấp thu bởi môi trường vật chất này.
• Bản chất của quá trình bị hấp thhu này là do: Các hạt photon (hạt ánh sáng) đã truyền năng lượng kích hoạt các phân tử vật chất nhảy từ trạng thái ỔN ĐỊNH A à trạng thái B với mức năng lượng cao hơn, và KHÔNG ỔN ĐỊNH..
• Sau một thời gian nhất định, các phân tử ở mức B sẽ tiếp tục nhảy về mức A, đồng thời phát ra 1 photon có năng lượng bằng chính năng lượng mà nó đã hấp thu. Hiện tượng này còn được gọi là Bức xạ.

Lưu ý về cấu tạo laser và nguyên lý!

#1. Các hạt photon bức xạ không nhiều và TỈ LỆ VỚI SỐ PHÂN TỬ Ở MỨC B. Trong khi các phân tử này luôn ít hơn phân tử ở trạng thái A.

#2. Có các loại bức xạ sau:

• +++ a/ Các photon bức xạ phát ra mọi hướng một cách tự do, không có quy luật nhất định nên còn được gọi là bức xạ tự do.
• +++ b/  Khi các phân tử ở mức cao B bị bắt trở về mức A sớm hơn và sinh ra photon, thì các photon này sẽ có đồng mức năng lượng, và bằng đúng mức năng lượng các photon của nguồn chiếu đã truyền cho nó à Còn gọi là bức xạ kích hoạt.

Như vậy, nguyên lý tạo ra laser là: Làm cho nguồn sáng chiếu vào môi trường mà hoạt chất laser không bị yếu đi để có thể kích hoạt liên tục các phần tử vật chất cho đảm bảo số phân tử ở mức B luôn nhiều hơn so với mức A à số photon bức xạ được phát sinh tối đa. Để thực hiện điều này ta cần sử dụng các thiết bị đặc biệt, nguồn sáng bức xạ được chọn lọc  & khuyếch đại quang học để phát ra một chùm sáng đơn sắc, cùng hướng, bước sóng tương đương, độ tập trung cao. Đó chính là ánh sáng tia laser.