Tài liệu Laser

I. Khái niệm Laser
Laser là tên viết tắt của từ “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”
(nghĩa là khuếch đại ánh sáng phát xạ kích thích bởi bức xạ).Electrons tồn tại ở các tầng
năng lượng riêng biệt trong một nguyên tử.Các tầng năng lượng này có hình dạng như vòng
tròn hay quỹ đạo, xung quanh hạt nhân
Electrons ở bên ngoài sẽ có tầng năng lượng cao hơn những electrons ở phía trong.Khi
có sự tác động hoá-lý ở bên ngoài ,các hạt electrons này cũng có thể nhảy tử tầng năng
lượng thấp ,lên tầng năng lượng cao(bumped up to higher energy levels by the injection of
energy),và ngược lại ,quá trình này đều sẽ tạo ra các tia sáng.Bước sóng và màu sắc của tia
sáng phụ thuộc vào năng lương tạo ra ,cũng như thiết bị ,nguyên tố hoá học ta sử dụng.
Tia laser hồng ngọc (ruby laser) được tạo ra lần đầu tiên vào năm 1960 ,bởi nhà vật lý
Maiman tại Hughes Laboratory in Malibu ,California .Ruby là thành phần của oxit nhôm
,kết hợp với nguyên tử nhôm ,được đặt trong Chromium.Chromium hấp thụ tia sáng màng
xanh lá cây và xanh lục ,để lại duy nhất tia sáng màu hồng.
Có nhiều loại laser khác nhau, có thể ở dạng hỗn hợp khí, ví dụ He-Ne, hay dạng chất lỏng,
song có độ bức xạ lớn nhất vẫn là tia laser tạo bởi các thành phần từ trạng thái chất rắn.
II. Nguyên lý hoạt động
1. Quá trình hấp thụ, phát xạ tự nhiên và phát xạ cưỡng bức
Quá trình hấp thụ, phát xạ tự nhiên và phát xạ cưỡng bức của môi trường các nguyên tử,
phân tử được Abert Einstein phát hiện năm 1917
Giả sử ra có một tập hợp các nguyên tử hoặc phân tử với hai mức năng lượng, trong đó một
mức gọi là mức cơ bản (mức 1) và mức kia gọi là mức kích thích. Mật độ cư trú trên các
mức đó được xác định là
1 2
,N N
(số nguyên tử trên một đơn vị thể tích)
Theo định luật phân bố Boltzmann thì
1 2
1 0 2 0
E E
kT kT

N N e N N e
− −
= > =
Khi một chùm ánh sáng, bao gồm các photon với năng lượng
2 1
h E E
υ
= −
, có mật độ photon
ρ
chiếu vào tập hợp các nguyên tử đó thì các quá trình sau đây sẽ xảy ra:
a. Quá trình phát xạ tự phát: là quá trình các nguyên tử ở mức năng lượng cao tự nhảy xuống
mức năng lượng thấp hơn (không do ánh sáng gây nên). Nếu xác suất phát xạ tự phát của
photon trên một đơn vị thời gian (s) được kí hiệu là
nm
P
hoặc
mn
P
, còn
m
P
và
n
P
là xác suất
tìm nguyên tử ở trạng thái m hoặc n, thì khi đó theo định luật Boltzmann, P
i
được xác định
như sau

Sơ đồ tương tác giữa photon và nguyên tử hai mức năng lượng
1
E
2
E
2
N
1
N
h
υ
12
B
ρ
, 1,2
E
kT
i
P Ce i
−
= =
12
A
21
B
ρ
Trong đó,
1
E
và

2
E
là năng lượng tương ứng với mức 1, mức 2. Khi không có sự tác
động của trường ánh sáng ngoài thì
21
21
TN
dP
A
dt
=
Với
21
A
là hằng số (
21
A
còn được gọi là hằng số Einstein). Hệ số này phụ thuộc vào bản
chất của các nguyên tử và chỉ xác định được bằng thực nghiệm
b. Quá trình hấp thụ: là quá trình khi có tác động của trường ánh sáng ngoài, các nguyên tử ở
mức cơ bản nhận năng lượng photon của ánh sáng để nhảy lên mức kích thích. Xác suất hấp
thụ trên một đơn vị thời gian được tính như sau
12
HT
dP
B
dt
ρ
=
Trong đó

12
B
gọi là hệ số Einstein của chuyển dịch hấp thụ
Ta có thể thấy xác suất chuyển dịch hấp thụ của nguyên tử hay phân tử lên mức trên sẽ tỉ
lệ thuận với mật độ photon và xác suất chuyển dịch. Mật độ photon tương tác với môi trường
các nguyên tử hay phân tử càng lớn thì khả năng chuyển dịch lên trạng thái trên của chúng
càng lớn
c. Quá trình phát xạ cưỡng bức: là quá trình khi có tác động của trường ánh sáng ngoài, các
nguyên tử nhảy từ mức kích thích xuống mức cơ bản do cưỡng bức bởi photon ánh sáng.
Xác suất số nguyên tử nhảy xuống mức cơ bản trên một đơn vị thời gian được xác định như
sau
21
CB
dP
B
dt
ρ
=
Với
21
B
là hệ số Einstein của chuyển dịch cưỡng bức
Einstein đã chứng minh rằng, trong trạng thái cân bằng nhiệt động số photon bị hấp thụ
và số photon được phát xạ bằng nhau và tìm được quan hệ giữa các hệ số như sau
21
21 12
3
8
A
B B

h
c
υ
π
≈ =
 
 ÷
 
Trong vùng quang học, tần số ánh sáng
14
10 Hz
υ
=
, ta tính được
15
21 21
1,66.10A B
−
=
Đối với mỗi một loại nguyên tử có hệ số Einstein của phát xạ tự nhiên và đo được bằng
thực nghiệm. Trong khi đó hệ số Einstein của hấp thụ và bức xạ cưỡng bức k những phụ
thuộc vào bản chất nguyên tử
21
( )A
mà còn phụ thuộc tỉ lệ nghịch với tần số của photon
tương tác hay chênh lệch năng lượng giữa hai mức. Tức là quá trình phát xạ cưỡng bức và
hấp thụ sẽ xảy ra mạnh hơn ở vùng năng lượng thấp, hay nói cách khác, nếu khoảng cách
giữa hai mức năng lượng gần nhau thì xác suất hấp thụ và phát xạ sẽ lớn hơn (dễ xảy ra hơn)
Để hiểu rõ hơn về quá trình bức xạ cưỡng bức và ý nghĩa của nó ta cấn phải nghiên cứu
quá trình khuếch đại ánh sáng

2. Hiện tượng khuếch đại
Ta giả sử có một hệ các nguyên tử hay phân tử có hai mức năng lượng. Bằng một cách
nào đó, số nguyên tử năng lượng ở mức năng lượng cao lớn hơn số nguyên tử nằm ở mức năng
lượng thấp (
2 1
N N>
) – gọi là môi trường nghịch đảo mật độ. Trạng thái này được gọi là trạng
thái “nhiệt độ âm”, vì theo phân bố Boltztmann với nhiệt độ dương số nguyên tử ở trạng thái
năng lượng thấp bao giờ cũng lớn hơn số nguyên tử ở trạng thái năng lượng cao, tức
1 2
N N
>
2
E
1
E
1
N
2
N
3h
υ
Khuếch đại dòng photon trong hệ nguyên tử có hai mức năng lượng
Nếu ta chiếu vào môi trường này một chùm ánh sáng với 3 photon có năng lượng tuân theo hệ
thức
2 1
h E E
υ
= −
Khi đó một photon bị hấp thụ và làm cho một nguyên tử từ mức

1
E
lên mức
2
E
, đồng
thời hai photon còn lại sẽ kích thích cưỡng bức làm cho hai nguyên tử đang ở trạng thái
2
E

chuyển về trạng thái
1
E
và sinh ra thêm hai photon. Như vậy với 3 pho ton vào ta sẽ có 4 photon
ra (số photon vào lớn hơn số photon ra 1 đơn vị) – đây chính là quá trình khuếch đại ánh sáng
trong môi trường nghịch đảo mật độ cư trú
Hệ số khuếch đại của môi trường được xác định bằng
r
v
W
g
W
=
Trong đó,
r
W
và
v
W
lần lượt là năng lượng tín hiệu ra và năng lượng tín hiệu vào tương

ứng. Môi trường nguyên tử, phân tử có
1g >
gọi là môi trường khuếch đại. Trường hợp hệ số
1g
<
thì lúc này môi trường là môi trường hấp thụ chứ không phải là môi trường khuếch đại
3. Cơ chế tạo ra laser
Quá trình khuếch đại chỉ xảy ra một lần khi các photon đi ra khỏi môi trường nghịch đảo
mật độ. Chúng ta cần phải tìm hiểu xem trong trường hợp nào thì quá trình này lặp đi lặp lại và
xảy ra liên tục
Muốn có quá trình khuếch đại liên tục các photon ánh sáng ta tìm cách tạo ra tín hiệu
phản hồi ngược, tức là làm cách nào đó để một phần trong số các photon sau khi đi qua môi
trường khuếch đại sẽ quay trở lại đóng vai trò tín hiệu vào
Câu hỏi đặt ra là: Tín hiệu quang cần khuếch đại (tín hiệu vào) xuất hiện như thế nào
trong máy phát laser
Môi trường khuếch đại
Môi trường khuếc đại (môi trường nghịch đảo mật độ cư trú) được đặt giữa hai gương phản xạ
(gọi là buồng cộng hưởng quang học).
- Bước thứ nhất: một số nguyên tử thực hiện quá trình bức xạ tự nhiên từ mức laser trên (
2
E
)
và phát ra photon theo nhiều hướng khác nhau. Trong số các photon đó có photon truyền
theo phương vuông góc với gương phản xạ. Trong số các photon truyền vuông góc với hai
gương, một số sẽ truyền qua gương (phụ thuộc vào hệ số truyền qua của gương) và một số
sẽ quay trở lại môi trường (phụ thuộc vào hệ số phản xạ của gương). Chính photon này
đóng vai trò tín hiệu quang ban đầu. Quá trình các photon quay lại môi trường khuếch đại
chính là quá trình phản hồi quang học dương.
- Bước thứ hai: Photon này sẽ kích thích phát xạ cưỡng bức từ mức laser trên và một photon
thứ hai sẽ được phát ra. Hai photon này sẽ truyền cùng pha với nhau và hướng tới gương

thứ hai.
- Bước thứ ba: Hai photon sẽ quay lại môi trường và tiếp tục kích thích bức xạ cưỡng bức
sinh ra 4 photon truyền tới gương thứ nhất. Từ gương thứ nhất một số photon thoát ra khỏi
buồng cộng hưởng, do gương này chỉ phản xạ R%. Các photo được phản xạ lại sẽ tiếp tục
hành trình qua lại trong môi trường và kích thích bức xạ cưỡng bức tiếp
Điều cần chú ý rằng, khi đi qua môi trường và kích thích bức xạ cuỡng bức tiếp. Cần chú ý
rằng, khi đi qua môi trường một số photon cũng bị hấp thụ để kích thích các nguyên tử từ mức
Laser dưới (
1
E
) lên mức laser trên. Đồng thời sau một lần qua lại giữa hai gương của buồng
cộng hưởng một số photon đi ra ngoài. Như vậy có xảy ra quá trình mất mát photon (hay mất
mát năng lượng) trong mỗi lần qua lại buồng cộng hưởng. Hệ số mất mát được tính như sau
mm
ch
W
W
β
=
Trong đó,
mm
W
và
ch
W
lần lượt là năng lượng mất mát (bao gồm số photon bị mất mát do tán xạ
trên biên môi trường và số photon đi ra ngoài buồng cộng hưởng) và năng lượng tích lũy (số photon tồn
tại trong buồng cộng hưởng)
Quá trình khuếch đại trong buồng cộng hưởng và phát photon ra ngoài (bức xạ laser) xảy ra liên
tục khi và chỉ khi hệ số mất mát cân bằng với hệ số khuếch đại:

g
β
=
. Nếu không cân bằng thì xảy ra
trường hợp sau:
- Nếu hệ số mất mát lớn hơn hệ số khuếch đại, thì sau mỗi lần qua lại buồng cộng hưởng, số
photon tích lũy trong buồng cộng hưởng ngày càng giảm đi cho đến khi chúng không còn
đủ dể kích thích cưỡng bức tiếp. Kết quả là quá trình khuếch đại bị dập tắt, số photon phát
ra ngoài không còn
- Nếu hệ số khuếch đại lớn hơn so vói hệ số mất mát, thì sau mỗi lần qua lại buồng cộng
hưởng số photon tích lũy trong buồng cộng hưởng sẽ quá lớn và dẫn đến quá trình cưỡng bức sẽ
cân bằng nhau, môi trường lúc này không còn là môi trường khuếch đại mà là môi trường bão
hòa. Kết quả dẫn đến số photon ra khỏi buồng cộng hưởng không còn nữa – quá trình phát laser
không còn nữa
Để môi trường luôn luôn có nghịch đảo mật độ cư trú, một điều kiện cần ở đây là mật độ mức
laser dưới rất nhỏ (có thể xem là bằng 0). Như vậy quá trình hấp thụ photon trực tiếp từ mức
thấp lên mức laser cao không xảy ra. Muốn có một môi trường như vậy chúng ta cần chọn một
số nguyên tử hay phân tử phù hợp, với mỗi cấu trúc ta có cơ chế bơm khác nhau
- Cơ chế bơm ba mức: Giả sử môi trường khuếch đại gồm các nguyên tử có cấu trúc nhiều
mức năng lượng, sao cho trong đó có ít nhất ba mức năng lượng. Trong cấu trúc này thì,
mức 1 là mức cơ bản, mức 3 là mức kích thích cao có thời gian sống ngắn và mức 2 là mức
siêu bền có thời gian sống lớn hơn nhiều so với mức 3
3
E
2
E
1
E
3
N

2
N
1
N
Sơ đồ bơm ba mức
12
υ
Dịch chuyển không bức xạ
13
υ
+ Quá trình thứ nhất: đưa vào môi trường một bức xạ điện từ có tần số trong vùng quang
học (có thể dùng ánh sáng hoặc bằng kích thích bằng dòng điện ) có tần số
3 1
13
E E
h
υ
−
=
Các photon sẽ tạo dịch chuyển các nguyên tử từ mức năng lượng
1
E
lên mức năng
lượng
3
E
. Sau 1 thời gian nhất định sẽ hình thành trạng thái cân bằng về mật độ cư trú, tức
là
1 3
N N

=
. Quá trình đưa các nguyên tử lên mức
3
E
gọi là quá trình bơm. Trong thời gian
nhất định, vì trạng thái 3 có thời gian sống rất ngắn nên xảy ra sự chuyển dời không bức xạ
từ mức
3
E
xuống mức
2
E
+ Quá trình thứ hai: Tăng mật độ cư trú trên mức
2
E
. Do thời gian sống của mức
2
E
lớn
hơn mức
3
E
(hay nói mức
2
E
là mức siêu bền). Nên trong thời gian dịch chuyển dịch từ
3
E
xuống
2

E
thì không xảy ra chuyển dịch từ
2
E
xuống
1
E
, nếu có thì xác suất rất nhỏ. Nhờ đó
mà mật độ cư trên mức
2
E
càng ngày càng lớn, thay thế cho trạng thái
1 3
N N=
bằng trạng
thái
1 2
N N=
. Tuy nhiên trong khoảng thời gian sống của mức
2
E
, các nguyên tử vẫn tiếp
tục chuyển lên
3
E
làm cho
1
N
ngày càng giảm đồng thời
2

N
ngày càng tăng và kết quả là
đạt được trạng thái
2 1
N N>
. Lúc này, hệ các nguyên tử đã trở thành môi trường khuếch
đại.
+ Quá trình thứ ba: giả sử ta đưa vào hệ các nguyên tử đang ở trạng thái sau quá trình
thứ hai một tín hiệu quang học nhỏ (1 photon) có tần số
2 1
12
E E
h
υ
−
=
Thì ngay tức thời, một số lớn các chuyển dịch cưỡng bức từ
2
E
xuống mức
1
E
và hấp
thụ từ mức
1
E
lên
2
E
. Nhờ bức xạ cưỡng bức nên các photon được phát xạ kết hợp tạo ra

một tín hiệu mạnh tần số
12
υ
(chùm các photon đồng pha). Tất nhiên còn có thể có bức xạ tự
nhiên từ
2
E
xuống
1
E
. Nhưng tín hiệu này rất nhỏ và có thể xem như là tín hiệu nhiễu và có
thể bỏ qua trong quá trình khuếch đại
Phát Laser
Ta thấy rằng, trong cơ chế bơm ba mức trạng thái nghịch đảo mật độ cư trú chỉ xảy ra
khi
2 1
N N>
. Như vậy, cần phải có 1 bức xạ điện từ lớn (công suất bơm lớn) để đưa ít nhất
một nửa nguyên tử ở mức
1
E
lên
3
E
. Cơ chế này hoàn toàn không hiệu quả so với cơ chế
bơm bốn mức năng lượng sau đây
- Cơ chế bơm 4 mức năng lượng: Giả sử môi trường khuếch đại gồm các nguyên tử có cấu
trúc nhiều mức năng lượng, sao cho trong đó có ít nhất bốn mức năng lượng. Trong cấu trúc
này thì, mức 1 là mức cơ bản, mức 4 là mức kích thích cao có thời gian sống ngắn và mức 3
là mức siêu bền có thời gian sống lớn hơn nhiều so với mức 4. Mức 2 là mức kích thích gần

mức cơ bản, có thời gian sống rất ngắn so với mức 3. Trong cơ chế 4 mức xảy ra bốn quá
trình sau
+ Quá trình thứ nhất: giả sử có bức xạ điện từ (bức xạ quang học) có tần số
4 1
14
E E
h
υ
−
=

đưa vào hệ các nguyên tử. Khi đó các nguyên tử sẽ hấp thụ năng lượng của các photon và
chuyển lên trạng thái
4
E
- quá trình bơm
4
E
3
E
14
υ
1
E
4
N
3
N
2
N

1
N
Dịch chuyển không bức xa
Sơ đồ bơm bốn mức
23
υ
Dịch chuyển không bức xa
+ Quá trình thứ hai và thứ tư: là quá trình các nguyên tử chuyển dịch không bức xạ từ mức
4
E
xuống
3
E
(quá trình 2) và từ mức
2
E
xuống
1
E
(quá trình 4)
+ Quá trình thứ ba: giả sử ta đưa vào hệ các nguyên tử đang ở trạng thái sau quá trình thứ
hai một tín hiệu quang học nhỏ (1 photon) có tần số
3 2
23
E E
h
υ
−
=
thì ngay lập tức một số lớn

các chuyển dịch cưỡng bức từ
3
E
xuống
2
E
. Nhờ bức xạ cưỡng bức nên các photon được
phát xạ thích hợp, tạo ra một tín hiệu mạnh tần số
12
υ
(chùm các photon đồng pha). Tất
nhiên còn có bức xạ tự nhiên từ
3
E
xuống
2
E
nhưng tín hiệu này rất nhỏ và có thể xem như là
tín hiệu nhiễu. Nhờ quá trình thứ tư (chuyển dịch không bức xạ) mà mật độ cư trú ở mức
2
E
luôn luôn rất nhỏ và có thể bỏ qua. Ngoài ra thời gian gia sống của mức
3
E
lớn hơn nhiều so
với thời gian sống của mức
4
E
và
2

E
nên mật độ của mức
3
E
luôn luôn lớn hơn mức
2
E
khi
có sự chuyển mức từ
1
E
lên
4
E
. Như vậy, trong cơ chế bơm 4 mức năng lượng trạng thái
nghịch đảo mật độ cư trú xảy ra ngay sau khi mức
3
E
có tích lũy, tức là khi
3
0N ≠
. Với
hoạt chất có cơ chế bơm bốn mức năng lượng ta không cần thời gian bơm lớn và cường độ
bơm lớn. Điều kiện
2
3
2
N
N >
không cần thiết

- Một ví dụ về cơ chế hoạt động của laser có thể được miêu tả cho laser thạch anh
1) Dưới sự tác động của hiệu điện thế
cao,hạt khoáng ( thạch anh ) sẽ phát
sáng ,do có sự kích thích và di chuyển
của electrons từ tầng năng lượng thấp
lên tầng năng lượng cao.(High-voltage
electricity causes the quartz flash tube to
emit an intense burst of light, exciting
some of the atoms in the ruby crystal to
higher energy levels. )
2)Ở tầng năng lượng xác định ,thành
phần nguyên tử phát sáng được gọi là
photons.Các hạt photons này sẽ toả ra
nhiều hướng khác nhau từ một nguyên tử
,và bị kích thích bức xạ bởi những hạt
photons từ những nguyên từ khác ,và
được khuếch đại.(At a specific energy
level, some atoms emit particles of light
called photons. At first the photons are
emitted in all directions. Photons from one atom stimulate emission of photons from other
atoms and the light intensity is rapidly amplified. )
-
3)Các hạt photons bị phản xạ ngược trở
lại ,và đi theo một đường nhất định ra
bên ngoài.Tiếp tục xảy ra quá trình
khuếch đại ánh sáng phát xạ.(Mirrors at
each end reflect the photons back and
forth, continuing this process of
stimulated emission and amplification
-

4)Hạt photons phản xạ ra ngoài nhờ có
gương bạc tại một đầu của ống.Tia sáng
tạo bởi quá trình khuếch đại ánh sáng
phát xạ chính là tia laser.(The photons
leave through the partially silvered
mirror at one end. This is laser light)
-
Có nhiều loại tia Laser khác nhau ,có thể ở dạng hỗ hợp khí He-Ne ,hay dạng chất
lỏng(liquid dye lasers ), song có độ bức xạ lớn nhất vẫn là tia laser tạo bởi các thành phần từ
trạng thái rắn.(Solid-state lasers provide the highest output power of all laser types)”
4. Cấu tạo chung của laser
Một thiết bị laser nhất thiết phải có 3 thành phần chính bắt buộc sau
 Môi trường laser (thường gọi là môi trường hoạt chất): là môi trường khuếch đại gồm
rất nhiều các nguyên tử hoặc phân tử có cấu trúc năng lượng sao cho có thể tìm trong đó
ít nhất là ba mức năng lượng (hoặc bốn mức năng lượng) để tạo nghịch đảo mật độ cư
trú
Môi trường kích thích là yếu tố chính quyết định bước sóng, và các tính chất khác của
tia laser. Có hàng trăm môi trường kích thích có thể làm được. Môi trường kích thích bị
kích thích bằng nguồn bơm tạo ra sự kích thích đồng đều giữa các electron, cần thiết cho
sự phát xạ kích thích các hạt photon, dẫn đến hiện tượng khuyếch đại ánh sáng. Ví dụ về
các loại laser:
• Dạng lỏng, như laser sử dụng chất nhuộm. Sử dụng các dung môi như metan, etan,,
thêm vào chất nhuộm hữu cơ chiết xuất từ thực vật(coumarin, rhomadine và
florescen) Cấu trúc của chất nhuộm quyết định bước sóng hoạt động của laser
• Dạng khí, dùng argon, CO2, kryton, và hỗn hợp Heli-Neon. Các loại này sử dụng
nguồn bơm là ắc quy.
• Dạng rắn, như tinh thể và gương. Chất rắn chủ đạo pha thêm các tạp chất như crôm,
neodymium hay titan. Chất rắn chính thường là YAG (Ytri, nhôm và Garnet) YLF
(Ytri, Liti, flo), sapphia (oxit nhôm), gương silica). Ví dụ: Nd: YAG, Ti: sapphia,
Cr: sapphia (gọi là hồng ngọc), Cr: LiSAF, Er: YLF và Nd: glass. Sử dụng ánh sáng

từ laser khác làm nguồn kích thích.
• Laser bán dẫn, trong đó sự chuyển động của hạt electron giữa vật chất với tầng điện
tích khác nhau tạo ra hiệu ứng laser. Laser bán dẫn thường là gọn nhẹ, làm các thiết
bị dùng cho đĩa hát
 Nguồn bơm: là nguồn năng lượng kích hoạt cho hoạt chất (các nguyên tử, phân tử) luôn luôn ở
trạng thái nghịch đảo mật độ cư trú (hấp thụ năng lượng bơm)
Nguồn bơm là phần cung cấp năng lượng cho hệ thống laser. Ví dụ bao gồm cực phóng
điện, đèn nháy, đèn hồ quang, ánh sáng từ laser khác. Việc lựa chọn loại nguồn bơm nào
để sử dụng dựa chủ yếu vào môi trường kích thích là loại gì, và điều này là yếu tố chủ
chốt quyết định làm sao mà năng lượng truyền vào trong môi trường. Laser He-Ne dùng
cực phóng điện trong hỗn hợp khí Hêli Neon. Laser Nd: YAG dùng ánh sáng hội tụ từ
đèn nháy Xenon. Laser từ đôi nguyên tử có Heli dùng phản ứng hóa học để nạp năng
lượng.
 Buồng cộng hưởng: là bộ phận đảm bảo quá trình phản hồi ngược quang học dương.
Gồm có 2 gương song song đặt xung quang gương. Ánh sáng từ trong môi trường, tạo ra
từ sự kích thích, phản xạ bởi gương trở lại trong môi trường, vì thế các photon này tích
tụ càng nhiều đến khi hàng trăm lần trước khi thoát ra ngoài. Trong các laser phức tạp,
có từ 4 trở lên gương được tạo nên. Thiết kế và sắp xếp của gương là quyết định bước
sóng và các ảnh hưởng khác đến hệ thống laser
Ngoài ba bộ phận chính ra, trong cấu tạo của tia laser còn có thêm một số chi tiết khác nhằm
nâng cao tính chất ưu việt của chùm tia laser như
 Hộp phản xạ: tập trung năng lượng bơm vào hoạt chất (dùng trong trường hợp bơm
quang học
 Diaphragma: lọc mode ngang, tập trung năng lượng trong buồng cộng hưởng cho một
mode cơ bản
 Chất làm lạnh: giảm nhiệt độ của hoạt chất nhằm nâng cao độ ổn định của laser
5. Phân loại và ứng dụng
a. Phân loại: có 4 loại laser chính
 Laser rắn: là loại laser mà môi trường hoạt tính là chất rắn. Chất rắn có thể là đơn tinh
thể hoặc chất vô định hình. Hoạt động ở chế độ phát xung hay liên tục đều được chế tạo

trên cơ sở tinh thể hay thủy tinh có đưa vào các ion hoạt chất thuộc về các nhóm sau
- Các ion kim loại của các nhóm chuyển tiếp với lớp điện tử 3D
- Các ion đất hiếm với lớp diện tử 4f
- Các ion Actinic với lớp điện tử 5f
Laser rắn cho phép phát các xung có năng lượng lớn nên được sử dung rộng rãi, không
những cho mục đích nghiên cứu mà còn dùng trong các ứng dụng. Hiện nay có nhiều
loại laser rắn khác nhau nhưng phổ biến nhất vẫn là laser ruby YAG ND
+3
 Laser lỏng: Môi trường hoạt chất là chất lỏng, thông dụng nhất là laser màu.
- Tính chất
 Độ định hướng cao: tia laser phát ra hầu như là chùm song song do đó khả năng
chiếu xa hàng nghìn km mà không bị tán xạ.
 Tính đơn sắc rất cao: chùm sáng chỉ có một màu (hay một bước sóng) duy nhất.
Đây là tính chất đặc biệt nhất mà không nguồn sáng nào có.
 Tính đồng bộ của các photon trong chùm tia laser.
 Có khả năng phát xung cực ngắn: cỡ mili giây (ms), nano giây, pico giây, cho
phép tập trung năng lượng tia laser cực lớn trong thời gian cực ngắn.
- Phân loại
 Laser chelate hữu cơ – đất hiếm
 Laser vô cơ oxydchloride – neodym – selen
 Laser màu (dye laser)
Các loại laser đều được dùng bơm quang học kích thích bằng đèn xung hay bằng
chính laser rắn dưới dạng xung. Trong ba loại laser trên thì laser màu có nhiều
ứng dụng trong khoa học kĩ thuật nhất
 Laser khí: Sử dung hoạt chất là chất khí. Là loại laser phát chủ yếu trong chế dộ liên tục
nên có nhiều ứng dụng trong kĩ thuật
Chúng có một số ưu điểm nổi bật so với các loại laser khác: dễ chế tạo, cấu trúc
phổ năng lượng của các khí nguyên tử hay phân tử đã được nghiên cứu kĩ, có thể đạt
công suất lớn, vùng bước sóng phát khá rộng
Hầu hết các loại laser khí được kích thích nhờ sử dụng hiện tương phóng điện

trong chất khí. Nhờ quá trình va chạm giữa điện tử với các nguyên tử hay phân tử khí
mà năng lượng bơm được truyền cho các hoạt chất để rồi qua một số quá trình trung
gian tạo nên được sự nghịch đảo độ tích lũy trong hai mức hoạt động laser. Quá trình
kích thích do va chạm này được chia làm hai loại chính: kích thích trực tiếp và sự truyền
cộng hưởng năng lượng kích thích
- Một số loại laser khí
Môi
trư
ờn
g
kíc
h
thí
ch
và
loạ
i
Bướ
c
s
ó
n
g
Ngu
ồ
n

k
í
c

h

t
h
í
c
h
Ứng dụng
và ghi
chú
Laser
kh
í
He
-
Ne
632.
8
n
m

(
Cực
p
h
ó
n
g
Giao thoa
kế,

hologr
aph,
quang
phổ
5
4
3
.
5
n
m
,
5
9
3
.
9
n
m
,
6
1
1
.
8
n
m
,
1
.

1
5
2
3
μ
m
,
1
.
5
2
μ
m
,
3
.
3
9
1
3
μ
m

đ
i
ệ
n
học,
đọc
mã

vạch,
cân
chỉnh,
miêu
tả
quang
học.
)
Laser
kh
í
io
n
Ar
go
n
488.
0
n
m
,
5
1
4
.
5
n
m
,
(

3
5
1
n
m
,
4
6
5
.
8
n
m
,
4
7
2
.
7
n
m
,
5
2
8
.
7
n
m
)

Cực
p
h
ó
n
g

đ
i
ệ
n
Chữa trị
võng
mạc
bằng
ánh
sáng
(cho
người
bệnh
tiểu
đường
), in
thạch
bản, là
nguồn
kích
thích
các
laser

khác.
Laser
kh
416
n
Cực
p
Nghiên
cứu
í
Io
n
Kr
yt
on
m
,
5
3
0
.
9
n
m
,
5
6
8
.
2

n
m
,
6
4
7
.
1
n
m
,
6
7
6
.
4
n
m
,
7
5
2
.
5
n
m
,
7
9
9

.
3
n
h
ó
n
g

đ
i
ệ
n
khoa
học,
trình
diễn
ánh
sáng.
m
Laser
kh
í
io
n
Xe
no
n
Nhiề
u
v

ạ
c
h
t
ừ
c
ự
c
tí
m

đ
ế
n
h
ồ
n
g
n
g
o
ạ
i.
Cực
p
h
ó
n
g

đ
i
ệ
n
Nghiên
cứu
khoa
học.
Laser
kh
í
Ni
tơ
337.
1
n
m
Cực
p
h
ó
n
g

đ
i
ệ
n
Là nguồn
kích

thích
cho
laser
màu,
đo độ
ô
nhiễm
,
nghiê
n cứu
khoa
học,
Laser
nitơ
có khả
năng
hoạt
động
ở
cường
độ
yếu.
Laser
H-
F
2.7
đ
ế
n
2

.
9
μ
m

(
H
-
F
)
3
.
6
đ
ế
n
4
.
2
μ
m

(
D
-
F
)
Phả
n

ứ
n
g

c
h
á
y

e
t
h
y
l
e
n
e

v
à

N
F
3
Dùng cho
nghiê
n cứu
vũ khí
laser,
dùng

sóng
phát
ra liên
tục và
có
tính
công
phá
lớn.
Laser
(c
uộ
n)
hó
a
họ
c
Ôx
y-
Iốt
1.31
5
μ
m
Phả
n

ứ
n
g

h
ó
a

Vũ khí
laser,
nghiê
n cứu
vật
liệu và
khoa
học.
h
ọ
c

t
r
o
n
g

g
i
ữ
a

Ô
-

x
y

v
à

I
-
ố
t
,
Lasert
thá
nk
hí
thể
kh
í
10.6
μ
m
,
(
9
.
4
μ
m
)
Phó

n
g

đ
i
ệ
n

n
g
a
n
g

(
c
ô
n
Gia công
vật
liệu
(cắt,
hàn),
phẫu
thuật.
g

s
u
ấ

t
c
a
o
)
h
a
y

d
ọ
c

(
c
ô
n
g

s
u
ấ
t
t
h
ấ
p
)
Laser
kh

í
C
O
2.6
đ
ế
n
4
μ
m
,
4
.
8
đ
ế
n
Cực
p
h
ó
n
g

đ
i
ệ
n
Gia công
vật

liệu
(chạm
khắc,
hàn),
phổ
học
quang
-âm.
8
.
3
μ
m
Excim
er
las
er
193
n
m

(
A
r
F
)
,
2
4
8

n
m

(
K
r
F
)
,
3
0
8
n
m

(
X
e
C
l
)
,
3
5
3
n
m

(
Exci

m
e
r
t
á
i
h
ợ
p

n
h
ờ

p
h
ó
n
g

đ
i
ệ
n
Quang
thạch
bản
cực
tím
cho

chế
tạo
link
kiện
bán
dẫn,
phẫu
thuật
laser,
LASI
K.
X
e
F
)
 Laser bán dẫn: Bức xạ laser có được là nhờ năng lượng bơm thông qua hoạt chất đặt
trong buồng cộng hưởng. Thông thường, năng lượng này phải đi qua một chuỗi biến đổi
mới chuyển sang dạng bức xạ cưỡng bức
Ví dụ, ở các laser được kích thích điện, điện năng trước hết được chuyển sang
động năng của các hạt tích điện trong trường phóng điện, rồi các nguyên tử hoạt chất
trong sự phóng điện được kích thích để phát bức xạ. Bức xạ không kết hợp này sẽ qua
một loạt quá trình trong buồng cộng hưởng mới đạt được khuếch đại và thành bức xạ
laser. Tuy nhiên, với laser bán dẫn lại có sự chuyển trực tiếp điện năng sang năng lượng
bức xạ kết hợp. Sự chuyển hóa này xảy ra trong các laser diode bán dẫn dạng phun
So với laser rắn, laser bán dẫn khác ở đặc trưng vật lý cũng như ở dạng hình học
của chúng. Đặc biệt laser bán dẫn có thể chiếm một thể tích rất nhỏ
Nguyên tắc hoạt động: sau khi nhờ kích thích trong trong bán dẫn đã có được sự
nghịch đảo độ tích lũy thì sau một thời gian ngắn các điện tích các điện tử và lỗ trống sẽ
chuyển động để tái hợp và bức xạ ra tia laser có cường độ lớn
Như vậy so với các loại laser khác, nguyên tắc làm việc của laser bán dẫn là tạo

nênsự tái hợp điện tử - lỗ trống
Laser bán dẫn có thể được kích thích bằng nhiều phương pháp khác nhau để tạo
được sự nghịch đảo độ tích lũy bên trong chúng
- Phương pháp kích thích bằng điện trường: khi đặt một điện trường mạnh vào
chất bán dẫn, điện trường sẽ tạo nên các điện tử và lỗ trống không cân bằng
trong vùng dẫn cũng như trong vùng hóa trị do co sự thúc đẩy trực tiếp. Các điện
tử nhờ điện trường từ vùng hóa trị lên vùng dẫn và để lại các lỗ trống
- Phương pháp kích thích quang: phương pháp này khá phổ biến với chất bán dẫn
có khả năng phát quang. Sự nghịch đảo độ tích lũy thu được nhờ các dịch chuyển
gián tiếp và do đó đồng thời với bức xạ photon còn có bức xạ phonon
- Phương pháp dùng chùm điện tử kích thích
- Phương pháp phun các hạt tải không cân bằng qua lớp tiếp xúc p – n
b. Ứng dụng tia laser