Laser (Laser)

Nguyên lý hoạt động

Laser hoạt động dựa trên nguyên lý phát xạ kích thích, một khái niệm được Albert Einstein đưa ra vào năm 1917. Nguyên lý này mô tả quá trình một photon tương tác với một nguyên tử đang ở trạng thái kích thích, khiến nguyên tử đó phát ra một photon khác giống hệt photon ban đầu về tần số, pha, hướng và phân cực.

Quá trình tạo ra tia laser bao gồm các bước sau:

1. Bơm năng lượng (Pumping): Một nguồn năng lượng bên ngoài (như dòng điện, ánh sáng đèn flash, phản ứng hóa học) được sử dụng để đưa các nguyên tử trong môi trường hoạt tính lên trạng thái kích thích năng lượng cao hơn.
2. Phát xạ tự phát (Spontaneous Emission): Một số nguyên tử ở trạng thái kích thích sẽ tự phát trở về trạng thái năng lượng thấp hơn và phát ra photon ngẫu nhiên theo mọi hướng.
3. Phát xạ kích thích (Stimulated Emission): Khi một photon tự phát gặp một nguyên tử đang ở trạng thái kích thích, nó sẽ kích thích nguyên tử đó phát ra một photon giống hệt mình. Quá trình này tạo ra sự khuếch đại ánh sáng.
4. Khuếch đại ánh sáng (Light Amplification): Môi trường hoạt tính được đặt giữa hai gương phản xạ. Các photon được phát xạ kích thích sẽ phản xạ qua lại giữa hai gương, tiếp tục kích thích các nguyên tử khác và tạo ra ngày càng nhiều photon giống hệt nhau. Quá trình này khuếch đại cường độ ánh sáng.
5. Phát xạ laser (Laser Emission): Một trong hai gương được thiết kế để phản xạ một phần ánh sáng, cho phép một chùm tia laser kết hợp thoát ra ngoài.

Đặc điểm của tia laser

Tia laser sở hữu những đặc điểm độc đáo khiến chúng trở nên hữu ích trong nhiều ứng dụng:

• Kết hợp (Coherence): Các photon trong chùm tia laser có cùng pha, tạo nên sự đồng nhất về sóng ánh sáng.
• Đơn sắc (Monochromatic): Tia laser có tần số (và do đó bước sóng) rất hẹp, tức là gần như chỉ có một màu duy nhất. Điều này cho phép tập trung năng lượng ở một bước sóng cụ thể.
• Định hướng (Directional): Tia laser phát ra theo một hướng rất hẹp, tạo thành một chùm tia collimated (hội tụ). Tính chất này cho phép laser truyền đi xa với độ phân tán tối thiểu.
• Cường độ cao (High Intensity): Tia laser có thể đạt cường độ rất cao do năng lượng tập trung trong một chùm tia hẹp.

Các loại laser

Có nhiều loại laser khác nhau, được phân loại dựa trên môi trường hoạt tính, bao gồm:

• Laser rắn (ví dụ: laser ruby, laser Nd:YAG): Sử dụng chất rắn pha tạp làm môi trường hoạt tính.
• Laser khí (ví dụ: laser He-Ne, laser CO₂): Sử dụng hỗn hợp khí làm môi trường hoạt tính.
• Laser lỏng (ví dụ: laser dye): Sử dụng dung dịch chất nhuộm hữu cơ làm môi trường hoạt tính.
• Laser bán dẫn (ví dụ: laser diode): Sử dụng chất bán dẫn làm môi trường hoạt tính, thường nhỏ gọn và hiệu quả.

Ứng dụng của laser

Laser có rất nhiều ứng dụng trong khoa học, công nghiệp, y tế, quân sự và đời sống hàng ngày, bao gồm:

• Y tế: phẫu thuật, điều trị da, nha khoa. Laser được sử dụng để cắt, đốt, và kích thích mô.
• Công nghiệp: cắt, hàn, khắc laser. Độ chính xác và cường độ cao của laser rất hữu ích trong gia công vật liệu.
• Thông tin liên lạc: truyền dữ liệu qua cáp quang. Laser cho phép truyền dữ liệu với tốc độ cao và băng thông rộng.
• Quân sự: hệ thống dẫn đường, vũ khí laser.
• Đo lường: đo khoảng cách, tốc độ. Laser được sử dụng trong các thiết bị đo đạc chính xác.
• Giải trí: trình chiếu laser, máy quét mã vạch.

Lưu ý

Công thức $E = h\nu$ (trong đó $E$ là năng lượng của photon, $h$ là hằng số Planck, $\nu$ là tần số) mô tả mối quan hệ giữa năng lượng và tần số của photon ánh sáng, là cơ sở cho sự hiểu biết về phát xạ kích thích.

Các thông số quan trọng của laser

Ngoài các đặc điểm đã nêu, một số thông số quan trọng khác của laser bao gồm:

• Bước sóng (Wavelength, $\lambda$): Xác định màu sắc của tia laser và được đo bằng đơn vị nanomet (nm) hoặc micromet (µm).
• Công suất (Power, $P$): Lượng năng lượng phát ra trên một đơn vị thời gian, thường được đo bằng milliwatt (mW) hoặc watt (W).
• Độ phân kỳ chùm tia (Beam Divergence, $\theta$): Góc mở rộng của chùm tia laser khi lan truyền, thường được đo bằng milliradian (mrad). Độ phân kỳ nhỏ cho biết chùm tia hội tụ tốt.
• Độ rộng đường phổ (Spectral Linewidth, $\Delta\lambda$ hoặc $\Delta\nu$): Phạm vi bước sóng hoặc tần số mà laser phát ra. Laser lý tưởng có độ rộng đường phổ bằng 0, tức là hoàn toàn đơn sắc. Trong thực tế, độ rộng đường phổ luôn lớn hơn 0.
• Độ phân cực (Polarization): Hướng dao động của điện trường của sóng ánh sáng. Laser có thể có phân cực tuyến tính, phân cực tròn hoặc phân cực elip.

An toàn laser

Tia laser, đặc biệt là laser công suất cao, có thể gây nguy hiểm cho mắt và da. Cần tuân thủ các quy định an toàn khi làm việc với laser, bao gồm:

• Không nhìn trực tiếp vào chùm tia laser.
• Sử dụng kính bảo hộ mắt phù hợp.
• Không hướng chùm tia laser vào người khác.
• Đảm bảo khu vực làm việc được dán nhãn cảnh báo laser.

Sự phát triển của laser

Laser đầu tiên được chế tạo bởi Theodore Maiman vào năm 1960, sử dụng ruby làm môi trường hoạt tính. Kể từ đó, công nghệ laser đã phát triển nhanh chóng, dẫn đến sự ra đời của nhiều loại laser khác nhau với các ứng dụng đa dạng.

Xu hướng tương lai

Nghiên cứu và phát triển laser vẫn đang tiếp tục, tập trung vào việc tạo ra các laser có hiệu suất cao hơn, kích thước nhỏ gọn hơn và bước sóng mới. Một số hướng nghiên cứu tiềm năng bao gồm:

• Laser tia X
• Laser attosecond (phát ra xung ánh sáng cực ngắn)
• Laser lượng tử cascade

• Svelto, O. (2010). Principles of Lasers. Springer.
• Siegman, A. E. (1986). Lasers. University Science Books.
• Saleh, B. E. A., & Teich, M. C. (2007). Fundamentals of Photonics. Wiley.
• Hecht, E. (2017). Optics. Pearson.

Câu hỏi và Giải đáp

Ngoài phát xạ kích thích, còn có những loại phát xạ nào khác, và chúng khác nhau như thế nào?

Trả lời: Ngoài phát xạ kích thích, còn có hai loại phát xạ khác là phát xạ tự phát và phát xạ không bức xạ.

• Phát xạ tự phát: Xảy ra khi một nguyên tử ở trạng thái kích thích tự phát trở về trạng thái năng lượng thấp hơn và phát ra một photon. Hướng và pha của photon phát ra là ngẫu nhiên.
• Phát xạ không bức xạ: Năng lượng của nguyên tử ở trạng thái kích thích được giải phóng dưới dạng nhiệt, chứ không phải dưới dạng photon.
• Phát xạ kích thích: Một photon tương tác với một nguyên tử ở trạng thái kích thích, kích thích nguyên tử phát ra một photon giống hệt photon ban đầu về tần số, pha, hướng và phân cực.

Độ rộng đường phổ của laser ảnh hưởng đến ứng dụng của nó như thế nào?

Trả lời: Độ rộng đường phổ ($Δλ$ hoặc $Δν$) của laser càng hẹp, tính đơn sắc càng cao. Điều này quan trọng trong các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác cao về bước sóng, ví dụ như quang phổ học, đo lường giao thoa và viễn thám. Ngược lại, một số ứng dụng như cắt laser có thể sử dụng laser có độ rộng đường phổ rộng hơn.

Làm thế nào để tạo ra laser có bước sóng khác nhau?

Trả lời: Bước sóng của laser được xác định bởi sự chênh lệch năng lượng giữa các mức năng lượng của nguyên tử trong môi trường hoạt tính. Để tạo ra laser có bước sóng khác nhau, ta cần sử dụng các môi trường hoạt tính khác nhau hoặc thay đổi cấu trúc của môi trường hoạt tính (ví dụ: thay đổi thành phần, áp suất, nhiệt độ).

Laser bán dẫn hoạt động như thế nào?

Trả lời: Laser bán dẫn sử dụng môi trường hoạt tính là một lớp tiếp giáp p-n trong vật liệu bán dẫn. Khi dòng điện chạy qua tiếp giáp, các electron và lỗ trống tái hợp và phát ra photon. Hai mặt đối diện của tiếp giáp được đánh bóng để hoạt động như gương phản xạ, tạo ra buồng cộng hưởng quang học và khuếch đại ánh sáng.

Tại sao tia laser có thể cắt được vật liệu?

Trả lời: Tia laser có thể cắt vật liệu do mật độ năng lượng cao tập trung trong một chùm tia hẹp. Năng lượng này được hấp thụ bởi vật liệu, làm nóng chảy, bốc hơi hoặc đốt cháy vật liệu tại điểm hội tụ của chùm tia, tạo ra đường cắt.