Tiểu luận Laser và ứng dụng

Laser - Ứng dụng của Laser

Mở đầu:
Thế kỉ XXI là thế kỉ của những công nghệ cao, công nghệ kĩ thuật số, chúng ta
không những quan tâm tới những máy đáp ứng nhu cầu của công việc mà còn đánh giá
cao sự gọn nhẹ của nó. Để vậy phải có những công nghệ rất tiên tiến mới đáp ứng
được. Các nhà khoa học đã công bố hai phát kiến quan trọng có tầm ảnh hưởng rất lớn
đến nền công nghệ ngày nay: Thứ nhất, sự ra đời của Tranzitor đã kích thích sự phát
triển của vi điện tử, công nghệ “vi mô”. Thứ hai, quan trọng hơn là sự phát minh ra
Laser, mở ra một con đường mới cho các nhà phát minh, sáng chế. Laser có tầm ảnh
hưởng sâu rộng đến tất cả các lĩnh vực của đời sống. Laser, có thể rất gần gũi với tất
cả mọi người. Ngày nay, Laser hiện diện ở nhiều nơi, trong nhiều lĩnh vực đời sống
nhưng thông tin đại chúng về nó đối với mỗi chúng ta thì còn hạn chế. Laser phát triển
mạnh vào những năm của thế kỉ XX, thời điểm nước ta vừa vực dậy sau chiến tranh,
nên điều kiện tiếp cận với Laser còn rất nhiều hạn chế, giá thành nó cũng không hề
nhỏ nên có lẽ, cho đến tận bây giờ thì đa phần người dân Việt Nam biết đến Laser là từ
cây bút chỉ bảng, đồ chơi Laser hình động vật… Vậy Laser là gì? Laser xuất hiện từ
khi nào? Cấu tạo và nguyên lí hoạt động ra sao? Chúng có tính chất và ứng dụng như
thế nào? Đây là câu hỏi mà mỗi chúng ta, những người đang từng ngày chứng kiến sự
bùng nổ của khoa học – công nghệ phải luôn luôn tìm tòi để trả lời nó. Để trả lời
những câu hỏi đó, chúng tôi đã chọn đề tài “LASER– Nguyên lí và ứng dụng của
Laser”.
Đề tài nghiên cứu những kiến thức cơ bản của Laser ở các phương diện: Lịch sử
ra đời, nguyên tắc cấu tạo, các tính chất, phân loại và ứng dụng.

1


MỤC LỤC
Mở đầu:...............................................................................................................................1
MỤC LỤC............................................................................................................................2

I.

II.

Lịch sử ra đời:............................................................................................................5
1.

Giả thuyết 35 năm trước:.....................................................................................5

2.

Maser quang học:.................................................................................................5

3.

Những chiếc Laser đầu tiên:................................................................................6

Khái niệm:..................................................................................................................8

III. Nguyên lí phát Laser:................................................................................................9

IV.

V.

VI.

1.

Cơ sở lí thuyết:.....................................................................................................9

2.

Cơ chế phát xạ Laser:........................................................................................14

Cấu tạo của máy phát Laser:..................................................................................19
1.

Hoạt chất Laser:.................................................................................................19

2.

Nguồn bơm Laser:..............................................................................................20

3.

Buồng cộng hưởng:............................................................................................21

Tính chất, đặc điểm chùm tia Laser:......................................................................23
1.

Tính chất vật lí:..................................................................................................23

2.

Tính chất Sinh lí:................................................................................................26

Phân loại Laser:.......................................................................................................27
1.

Laser rắn:...........................................................................................................27

2.

Laser lỏng:.........................................................................................................28

3.

Laser khí:............................................................................................................28

4.

Laser bán dẫn:....................................................................................................29

VII. Ứng dụng của Laser:...............................................................................................29
1.

Ứng dụng của laser trong nghiên cứu khoa học:...............................................29


2.

Ứng dụng của laser trong khoa học kĩ thuật:.....................................................32

3.

Trong các ngành khoa học khác:........................................................................33

VIII. Các ứng dụng mới nhất của tia Laser:...................................................................34
1.

Ứng dụng của laser trong y học:........................................................................34

2.

Ứng dụng laser để tạo ra vũ khí hạt nhân:........................................................40

3.

Tia laser phóng tàu vũ trụ:.................................................................................41

4.

Laser trong quân sự:..........................................................................................42

5.

Thiết bị điều khiển bằng laser giúp người tàn tật đi lại:....................................44

6.

Chiếc đồng hồ chính xác nhất thế giới:..............................................................44

7.

Máy laser lớn nhất thế giới:...............................................................................45

8.

Cầu nối laser giữa các vệ tinh:..........................................................................45

9.

Nam châm hoạt động bằng ánh sáng:................................................................46

10. Dùng laser di chuyển xung sáng trong khí lạnh:................................................47
11.Động cơ lượng tử biến khí thải thành laser:.........................................................48
12.Trạng thái thứ tư của vật chất:.............................................................................49
IX.

Đọc thêm – Laser Ruby: Phát minh đầu tiên.........................................................51
1.

Khái niệm:..........................................................................................................51

2.

Cấu tạo của Ruby:..............................................................................................51

3.

Cấu tạo của Laser Ruby:....................................................................................52

4.

Nguyên lý hoạt động của Laser Ruby.................................................................55

5.

Đặc điểm Laser Ruby.........................................................................................61

CÁC NGUỒN THAM KHẢO TÀI LIỆU.....................................................................63


I. Lịch sử ra đời:
1. Giả thuyết 35 năm trước:
Năm 1916, Albert Einstein đã đưa ra giả thuyết: “Nếu chiếu những nguyên tử
bằng một làn sóng điện từ, sẽ có thể xảy ra một bức xạ được kích hoạt và trở thành
một chùm tia hoàn toàn đơn sắc, ở đó tất cả các photon phát ra sẽ có cùng một bước
sóng”. Đó chính là một ý tưởng khoa học nhưng chưa ai chứng minh được trong thời
gian đó, vì vậy nó bị lãng quên trong nhiều năm.
2. Maser quang học:
Năm 1951, giáo sư Charles Townes trường ĐH Columbia của thành phố New York
– Mỹ, đã chú ý đến sự khuếch đại của sóng cực ngắn (vi sóng). Ông đã thực hiện thí
nghiệm mang tên Maser là khuếch đại vi sóng bằng bức xạ cảm ứng, và đã thành công.
Các nghiên cứu của ông chỉ tập trung vào các bước sóng ngắn, trung, dài (có bước
sóng lớn nhiều rất nhiều so với bước sóng khả kiến). Năm 1958, Townes và cộng sự
của ông Arthus Schawlow đã xuất bản tập chí khoa học và đăng kí bằng sáng chế và
cho rằng “Maser quang học” có thể sử dụng để tạo ra tia hồng ngoại và ánh sáng nhìn
thấy được, đặc biệt học có ý tưởng đặt gương ở hai đầu chất trung gian, nhờ đó các
photon có thể bật qua bật lại, tăng hiệu năng. Tuy nhiên, Townes cũng chỉ đưa ra ý
tưởng ở đó mà không đi vào nghiên cứu.
Ý tưởng quan trọng quyết định tính khả dụng của Laser hữu hình chỉ xuất hiện
bởi người "tình cờ" nắm bắt được ý tưởng này là Gordon Gould - nghiên cứu sinh của
Đại học Columbia (học trò của tiến sĩ Townes). Ngay sau khi tia chớp sáng tạo vụt
qua, Gould đã viết đầy 6 trang giấy về chi tiết phương thức hoạt động của thiết bị, độc
lập đưa ra khái niệm về buông quang học. Trong ghi chép của mình, Gould cũng là


người đầu tiên sử dụng thuật ngữ Laser (trong khi tiến sĩ Townes vẫn gọi là maser

quang học).


Máy tạo Maser đầu tiên trong lịch sử

Sau khi phác thảo hết ý tưởng, Gould lập tức tới phòng công chứng địa phương để
công chứng bản thảo. Tuy nhiên, ông đã sai lầm khi không đăng ký bản quyền. Gould
đã tỏ ra "nông cạn" khi không nghĩ tới chuyện xây dựng một mẫu thiết bị (prototype)
trước khi đăng ký bản quyền.
Trong cuộc chiến bản quyền kéo dài suốt 30 năm sau đó, tiến sĩ Gould đã tuyên
bố ở rất nhiều hội thảo rằng Townes đã đánh cắp ý tưởng của mình. Bản thân ông cũng
cho rằng mình nhìn thấy tiềm năng thực sự của tia Laser trong các ứng dụng thực tế vốn được mô tả khá sơ sài trong bằng sáng chế dành cho Townes và Schawlow. Trong
những năm 70 và 80, Gould đã giành chiến thắng trong một vài “cuộc chiến pháp lý”,
sở hữu được một số bản quyền liên quan tới Laser. Thời điểm đó, chắc chắn đã có
nhiều người ngạc nhiên vì cả Townes và Schawlow đều không phải là người đầu tiên
thử nghiệm Laser.
3. Những chiếc Laser đầu tiên:


Tháng 5/1960, dựa theo ấn bản của Townes và Schawlow, Theodore Maiman,
làm việc tại Phòng nghiên cứu Hughes, chế tạo được một dụng cụ bằng thỏi ruby tổng
hợp, được công nhận là Laser đầu tiên. Laser ruby của Maiman phát ra các xung ánh
sáng đỏ kết hợp cường độ mạnh có bước sóng 694 nm, trong một chùm hẹp có mức độ
tập trung cao, khá tiêu biểu cho những đặc tính biểu hiện bởi nhiều Laser hiện nay.
Từ đó, các nhà khoa học khắp nơi đã đi vào nghiên cứu và chế tạo ra các loại
Laser khác: Laser uranium (11/1960), Laser khí He-Ne (1961), Laser bán dẫn (1962)
có bước sóng 850 nm, ....


Laser khí He-Ne

Cấu tạo Laser bán dẫn


II.

Khái niệm:

Laser là tên viết tắt của cụm từ “Light Amplification by Stimulated Emission of
Radiation” trong tiếng Anh, và có nghĩa là "khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ cưỡng
bức". Cụm từ này nêu rõ những sự kiện chính của quá trình sinh ra ánh sáng Laser. Mô
tả một cách đơn giản nhất hoạt động của Laser như sau: một nguồn năng lượng kích
thích các nguyên tử trong môi trường hoạt chất để phát ra một bước sóng ánh sáng đặc
biệt. Ánh sáng sinh ra được khuếch đại nhờ một hệ thống phản hồi quang học nó làm
cho chùm sáng phản xạ qua lại trong môi trường hoạt chất để làm tăng độ đồng pha
cho đến khi ánh sáng được phát ra là một chùm tia Laser.
Vậy Laser là một nguồn sáng phát ra một chùm sáng cường độ lớn dựa trên việc
ứng dụng hiện tượng phát xạ cảm ứng. Chùm bức xạ phát ra cũng được gọi là chùm
tia Laser.
Mỗi loại Laser phát ra các bước sóng khác nhau, bảng 1 sau trình bày bước sóng của
một số Laser thông dụng.

Hình 8: Albert

Bảng 1: Bước sóng phát của một số Laser thông dụng


III.

Nguyên lí phát Laser:

1. Cơ sở lí thuyết:
a) Quá trình hấp thụ, phát xạ tự phát và phát xạ cưỡng bức theo quan điểm lượng
tử:
- Electron trong nguyên tử không phân bố đều mà xếp theo từng lớp.
- Mỗi lớp chỉ có thể có tối đa một số electron nhất định.
- Mỗi lớp tương ứng với mỗi mức năng lượng riêng biệt. Các mức năng lượng
tương ứng với các quỹ đạo riêng biệt của electron xung quanh hạt nhân.
Electron ở bên ngoài sẽ có mức năng lượng cao hơn những electron ở phía
trong.
- Khi có sự tác động vật lý hay hóa học từ bên ngoài, các hạt electron này cũng
có thể nhảy từ mức năng lượng thấp lên mức năng lượng cao hay ngược lại.
- Các quá trình này có thể sinh ra hay hấp thụ, phát xạ các tia sáng, theo giả
thuyết của Albert Einstein.
- Bước sóng (hay màu sắc) của tia sáng phụ thuộc vào sự chênh lệch năng
lượng giữa các mức.
Giả sử ta có một tập hợp các nguyên tử hoặc

phân tử với hai mức năng lượng, trong đó một mức
gọi là mức 1 tương ứng với năng lượng là E1 còn
mức kia gọi là mức 2 tương ứng với năng lượng là
E2. Mật độ cư trú trên các mức đó được xác định là
N1 và N2. Theo định luật phân bố Boltzmann thì:

N1 = N oe

-

E1
kT

-

E2

N 2 = N oe kT

Hình
phát xạ tự phát (a),

phát xạ cưỡng bức (b), hấp thụ
(c)


với N0 là mật độ cư trú của hạt ở trạng thái cơ bản, k là hằng số Boltzmann, T là
nhiệt độ của hệ hạt.
Khi một chùm sáng gồm các photon với năng lượng h. f  E2  E1 (h là hằng số
Planck, f là tần số của photon chiếu vào) có mật độ photon  chiếu vào tập hợp các
nguyên tử đó thì các quá trình sau đây sẽ xảy ra:
- 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 của photon ngoài
để nhảy lên mức kích thích.
Xác suất hấp thụ khi hạt dịch chuyển từ mức 1 lên
mức 2 trên một đơn vị thời gian P12 được tính như sau:
dP12
 B12 
dt
Hình 2: Quá trình hấp thụ

trong đó: B12 là hệ số Einstein của dịch chuyển hấp thụ.
Quá trình hấp thụ khác quá trình tự phát ở chỗ nó phụ thuộc vào tác động bên

ngoài. Nếu mật độ photon càng lớn thì số hoạt động hấp thụ trong môi trường sẽ xảy
ra mạnh hơn.
- Quá trình phát xạ tự phát: là quá trình các nguyên tử đang ở mức năng lượng
cao hơn tự nhảy xuống mức năng lượng thấp hơn mà không cần kích thích từ bên
ngoài (không cần ánh sáng kích thích). Khi đó hạt sẽ bức xạ ra một lượng tử năng
lượng điện từ (photon).
Xác suất phát xạ tự phát từ mức 2 về mức 1 của
photon trên một đơn vị thời gian P21 thì:
dP21
 A21
dt

Hình 3: Phát xạ tự phát


Laser - Ứng dụng của Laser

10

Với A21 là hệ số Einstein, phụ thuộc vào bản chất nguyên tử, chỉ được xác định
bằng thực nghiệm.
Nguyên tử hay phân tử kích thích có một thời gian phát xạ đặc trưng, đó là thời
gian trung bình mà chúng vẫn tồn tại ở trạng thái năng lượng kích thích cao hơn trước
khi rơi xuống mức năng lượng thấp hơn và phát ra photon
- Quá trình phát xạ cưỡng bức: là quá trình khi có tác động của photon có năng
lượng E, các hạt nhảy đang ở mức kích thích bị cưỡng bức nhảy về mức cơ bản sớm
hơn. Cùng với sự dịch chuyển này sẽ phát ra Photon cũng có năng lượng E có tính
chất giống hệt với Phonton đã cưỡng bức hạt nhảy xuống mức thấp. Hiện tượng phát
xạ cưỡng bức mang tính chất khuyếch đại theo phản ứng dây chuyền: 1 sinh ra 2, 2
sinh ra 4…

Năm 1917, khi nghiên cứu lí thuyết phát xạ, Einstein đã đưa ra giả thuyết: ngoài
hiện tượng phát xạ tự phát, còn có hiện tượng phát xạ mà ông gọi là phát xạ cưỡng bức
(hay phát xạ cảm ứng). Hiện tượng như sau:
Nếu một nguyên tử đang ở trong trạng thái kích
thích, sẵn sàng phát ra một photon có năng lượng   h. f
,bắt gặp một photon có năng lượng  ' đúng bằng   h. f
,bay lướt
qua nó, thì lập tức nguyên tử này cũng phát ra photon  .
Photon  có cùng năng lượng và bay cùng phương với
photon  ' . Ngoài ra, sóng điện từ ứng với photon  hoàn
toàn cùng pha và dao động trong một mặt phẳng song
song với mặt phẳng dao động của sóng điện từ ứng với
photon  ' . Khi 1 photon thích hợp bay qua một nguyên

Hình 4: Photon  và photon  '


Laser - Ứng dụng của Laser
tử ở trạng thái kích thích thì do hiện tượng phát xạ
cảm ứng sẽ xuất hiện hai photon như nhau bay
cùng

11

Hình 5: Số photon tăng theo cấp số nhân


phương. Hai photon này bay qua 2 nguyên tử trong trạng thái kích thích sẽ xuất hiện 4
photon giống nhau bay cùng phương… Do đó số photon tăng theo cấp số nhân.
Xác suất số nguyên tử nhảy xuống mức cơ bản cơ bản trên một đơn vị thời gian P

dP
xác định như sau:
 B21.
dt
Einstein chứng minh được rằng trong trạng thái cân bằng nhiệt động, số photon bị
hấp thụ và số photon được phát xạ bằng nhau: B12 = B21.
Vấn đề quan trọng nhất trong việc tạo được phát xạ Laser cưỡng bức là dưới
những điều kiện cân bằng nhiệt động lực học bình thường số hạt ở mỗi mức năng
lượng, không thuận lợi cho sự phát xạ cưỡng bức. Do các nguyên tử và phân tử có xu
hướng tự rơi xuống các mức năng lượng thấp hơn nên số nguyên tử hay phân tử ở mỗi
mức sẽ giảm khi năng lượng tăng. Muốn duy trì cơ chế phát xạ cưỡng bức thì phải có
số nguyên tử ở trạng thái kích thích nhiều hơn số nguyên tử ở trạng thái năng lượng
thấp hơn, sao cho các photon phát xạ có khả năng gây kích thích phát xạ nhiều hơn là
bị hấp thụ. Đây chính là nghịch đảo trạng thái cân bằng ban đầu nên nó được gọi là sự
nghịch đảo mật độ dân cư.
b) Hiện tượng khuếch đại
Với quá trình phát xạ tự phát thì photon tăng theo cấp số nhân. Muốn duy trì quá
trình phát xạ cưỡng bức ta phải làm cho số nguyên tử ở trạng thái năng lượng cao hơn
nhiều hơn số nguyên tử ở trạng thái năng lượng thấp hơn. Lúc đó phát xạ cưỡng bức
sẽ lấn át và ta thu được dòng thác photon. Photon phát xạ ban đầu sẽ kích thích sự phát
xạ của nhiều photon hơn, những photon này sau đó lại kích thích sự phát xạ ra nhiều
photon hơn nữa, và cứ thế tiếp diễn. Kết quả là dòng thác photon tăng lên với số lượng
lớn ta gọi đây là hiện tượng khuếch đại ánh sáng.


Giả sử có hệ nguyên tử, phân tử hai mức
năng lượng với số nguyên tử nằm ở mức năng
lượng cao lớn hơn số nguyên tử nằm ở mức
năng lượng thấp (N2>N1). Tức hệ nguyên tử,
phân tử đang ở môi trường nghịch đảo mật độ

cư trú. Nếu ta chiếu vào môi trường này một
chùm sáng với 3 photon có năng lượng tuân
theo hệ thức:

  h. f

Hình 4: Khuếch đại ánh sáng

Khi đó một photon bị hấp thụ và làm cho một nguyên tử từ mức E 1 lên E2, đồng
thời hai photon còn lại sẽ kích thích cưỡng bức làm cho hai nguyên tử đang ở trạng
thái E2 chuyển về trạng thái E1 và sinh thêm 2 photon. Vậy với 3 photon vào ta sẽ có 4
photon ra.
Hệ số khuếch đại được xác định bằng công thức:
g

Wr
W

trong đó Wr, Wv là năng lượng photon ra và năng lượng photon vào. Môi trường
có g>1 gọi là môi trường khuếch đại, nếu g<1 là môi trường hấp thụ.
Trên cơ sở lí thuyết khuếch đại ánh sáng người ta chế tạo Laser.
c) Sự nghịch đảo mật độ cư trú:
Ở trạng thái bình thường, số các nguyên tử ở trạng thái năng lượng thấp bao giờ
cũng nhiều hơn số các nguyên tử ở trạng thái năng lượng cao. Mà yêu cầu tối thiểu
cho sự phát xạ cưỡng bức và khuếch đại, hay hoạt động Laser, là ít nhất phải có một
trạng thái năng lượng cao hơn có dân cư nhiều hơn một trạng thái năng lượng thấp hơn
tức là N 2  N1 . Đây được gọi là sự nghịch đảo mật độ cư trú.


Tùy vào loại nguyên tử, phân tử người ta có cách để nghịch đảo mật độ cư trú

khác nhau. Ví dụ đối với chất rắn thì dùng bơm quang học, đối với chất khí thì dùng
hiệu ứng va chạm giữa những nguyên tử hoặc phân tử khí với những điện tử tự do
chuyển động nhanh dưới tác dụng của điện trường ngoài, đối với bán dẫn thì dùng
phương pháp bơm bằng dòng điện.
d) Ngưỡng phát:
Để phát ra được photon sau khi được khuếch đại thì hệ số khuếch đại phải vượt
qua một giới hạn, giới hạn đó chính là ngưỡng phát. Giá trị ngưỡng này phụ thuộc vào
sự mất mát xảy ra trong quá trình khuếch đại, quá trình nghịch đảo mật độ tích lũy.
Trong buồng cộng hưởng của Laser xảy ra cả hai quá trình: khuếch đại photon và
photon bị mất mát. Mất mát này có thể do nhiễu xạ, phản xạ hay tán xạ.
Xét buồng cộng hưởng của một Laser có hai gương M 1 có hệ số phản xạ là R 1 và
M2 có hệ số phản xạ là R2, khoảng cách giữa hai gương là L. Gọi I 0 là cường độ chùm
sáng đến M1. Cường độ tia sáng truyền tới M2 có cường độ là:
I1  I o e

 k  L

Trong đó:  là hệ số khuếch đại, k là hệ số mất mát.
Cường độ chùm sáng sau khi phản xạ tại gương M 2 rồi lan truyền tới phản xạ tại
gương M1 là:
I 2  I o R1R2e

2   k  L

G là sự khuếch đại trong một chu trình tính bằng công thức:
G

I2
2  k  L
� G  R1R2e 

I1

Mà điều kiện ngưỡng cho hoạt động Laser là G=1, khi đó:


R1R2e

2   k  L

 1 �  th  k 

1 �1 �
ln �
�
2 L �R1R2 �

Với  th là hệ số khuếch đại ngưỡng, đó là giá trị mà khi vượt qua giá trị này thì
Laser bắt đầu hoạt động. Ngưỡng phát càng thấp thì L càng dài.
2. Cơ chế phát xạ Laser:
Sự nghịch đảo mật độ cư trú và khuếch đại ánh sáng chính là cơ sở cho Laser
hoạt động.
Đầu tiên, ta nghiên cứu làm thế nào để nghịch đảo mật độ cư trú. Muốn nghịch
đảo được mật độ cư trú ta phải bơm, tức là kích thích hạt lên mức năng lượng mà ta
mong muốn. Quá trình kích thích này có chọn lọc, đưa lên trạng thái năng lượng đặc
biệt. Lượng thời gian mà một nguyên tử hay phân tử trải qua ở một trạng thái kích
thích là yếu tố quyết định trong việc xác định xem nó sẽ bị cưỡng bức phát xạ và tham
gia vào dòng thác photon, hay là sẽ mất đi năng lượng qua việc phát xạ tự phát. Các
trạng thái kích thích thường có thời gian sống chỉ vài nano giây trước khi chúng giải
phóng năng lượng của mình bằng phát xạ tự phát, một khoảng thời gian không đủ lâu
để có thể chịu sự kích thích bởi một photon khác. Do đó, yêu cầu tối cần thiết cho hoạt

động Laser là mức năng lượng cao phải có thời gian sống lâu hơn. Các trạng thái như
vậy thật sự tồn tại trong những chất nhất định, và thường được gọi là trạng thái siêu
bền. Thời gian sống trung bình trước khi phát xạ tự phát xảy ra đối với trạng thái siêu
bền là vào bậc micro giây đến mili giây, một khoảng thời gian khá dài ở thế giới
nguyên tử. Với thời gian sống lâu này, các nguyên tử và phân tử bị kích thích có thể
tạo ra một lượng đáng kể phát xạ cưỡng bức. Hoạt động Laser chỉ xảy ra nếu như dân
cư ở mức cao được tạo ra nhanh hơn sự phân hủy của nó, duy trì được dân cư ở mức
cao nhiều hơn ở mức thấp.


Tức là tạo được sự nghịch đảo mật độ cư trú. Thời gian sống của phát xạ tự phát càng
lâu thì nguyên tử hay phân tử càng thích hợp cho các ứng dụng Laser. Dựa vào nguyên
lý đó người ta đưa ra các cơ chế tạo nghịch đảo mật độ như sau:
a) Hệ nguyên tử làm việc với hai mức năng lượng:
Xét hệ nguyên tử chỉ có thể dịch chuyển giữa hai mức năng lượng N 1 tương ứng
với năng lượng E1 và N2 tương ứng với năng lượng E2. Ở trạng thái bình thường theo
phân bố Boltzmann thì N1>N2. Sử dụng một nguồn bơm để kích thích cho hạt nhảy từ
mức 1 lên mức 2 nhờ quá trình hấp thụ, trong hệ có sự dịch chuyển phát xạ tự phát từ
mức 2 về mức 1.
Theo thời gian số nguyên tử ở mức 1 giảm dần
và số nguyên tử ở mức 2 tăng dần cho đến khi N 1=N2
thì hệ trở lên bão hòa không thể hấp thụ ánh sáng
được
nữa, không thể đẩy hạt từ mức 1 lên mức 2 được nữa
dù tiếp tục bơm. Tức ta không thể tạo ra được sự

Hình 5: Hệ 2 mức năng lượng

nghịch đảo mật độ cư trú từ hai mức năng lượng.
b) Hệ nguyên tử làm việc với ba mức năng lượng:

Xét hệ ba mức năng lượng có E1  E2  E3 ứng với số nguyên tử trên mỗi mức là
N1 , N 2 , N3 . Trong ba mức này mức 1 là mức cơ bản, mức 2 và mức 3 là mức kích

thích. Cơ chế hoạt động của hệ gồm hai loại sau:


 Hệ 3 mức với mức Laser trên là mức trung gian:
Ta bơm với tần số thích hợp để hạt nhảy
từ mức 1 lên mức 3. Để tần số bơm không
quá đơn sắc (đơn sắc thì khó chọn đèn bơm)
thì người ta chọn hoạt chất có mức 3 có động
rộng tương đối lớn (tức mức 3 có nhiều mức
dao động con). Sau khi lên mức 3 thì hạt dịch
chuyển không phát xạ về mức 2 gần đó.
Cũng
có hạt từ mức 3 nhảy về mức 1 nhưng xác
suất này rất bé so với dịch chuyển từ mức 3

Hình 6:Hệ 3 mức năng lượng với mức
Laser trên là mức trung gian

về 2.
Mức 2 là mức siêu bền có thời gian sống lớn và lớn hơn thời gian sống của hạt ở mức
1 và mức 3 nên hạt không dịch chuyển về mức 1 ngay. Các hạt đang ở mức 2 thì quá
trình bơm vẫn tiếp tục, các điện tử từ mức 3 vẫn tiếp tục nhảy về mức 2. Cứ như thế
đến lúc N2>N1, lúc này có sự nghịch đảo mật độ cư trú trên mức 2 và 1.
 Hệ 3 mức với mức Laser trên là mức cao nhất:
Hệ này có mức 3 là mức siêu bền. Khi bơm thì
có sự dịch chuyển từ mức 1 lên mức 3 và từ mức 1
lên mức 2. Nên phải điều chỉnh tần số bơm sao cho

ưu tiên dịch chuyển từ 1 lên 3. Thời gian sống ở mức
3 siêu bền lớn hơn thời gian sống ở mức 1 nên hạt sẽ
ở lại lâu hơn trên mức 3 rồi phát xạ về mức 2 và 1. Ta
vẫn tiếp
tục bơm thì hạt ở mức 3 ngày càng tăng lên. Các hạt ở


mức 3 có xu hướng dịch chuyển về mức 2 nhiều hơn

Hình 7: Hệ 3 mức năng lượng
với Laser trên là mức cao
nhất

về mức 1 vì mức 2 gần mức 3 hơn. Ở mức 2 hạt dịch
chuyển về mức 1. Vậy mức 2 mất dần hạt còn mức 3 thì tăng dần số hạt. Số hạt ở mức
3 đạt ngưỡng phát Laser thì các hạt ở đây ồ ạt nhảy về mức 2 và phát ra Laser.


Thời gian sống ở mức 2 ngắn nên các hạt nhanh chóng dịch chuyển về mức 1 để
nguồn bơm bơm lên mức 3. Quá trình cứ tiếp tục diễn ra lúc đó số hạt ở mức 3 sẽ
nhiều hơn mức 2. Tức ta đã có sự nghịch đảo mật độ cư trú ở mức 3 và 2.
Hệ ba mức này dễ phát ra Laser hơn vì chỉ cần bơm lên mức 3 thì lập tức đã tạo
được sự nghịch đảo mật độ. Còn hệ với mức Laser trên là mức trung gian thì cần một
thời gian để hạt về mức 2 nên phát không liên tục và ngưỡng bơm lớn hơn hệ ta vừa
xét.
Do mức Laser thấp là mức cơ bản, là trạng thái bình thường đối với đa số các
nguyên tử hay phân tử. Để tạo ra sự nghịch đảo dân cư, phần lớn hạt ở trạng thái cơ
bản phải được đưa lên mức năng lượng bị kích thích cao, đòi hỏi phải cung cấp đáng
kể năng lượng từ bên ngoài. Ngoài ra, sự nghịch đảo dân cư khó có thể duy trì trong
một khoảng thời gian đáng kể.

c) Hệ nguyên tử làm việc với bốn mức năng lượng:
Giả sử môi trường hoạt chất gồm nhiều
mức năng lượng sao cho có bốn mức tham gia
rõ nhất vào quá trình dịch chuyển của hạt. Mức
1 là mức cơ bản, mức 2 là mức 4 là mức kích
thích cao có thời gian sống ngắn, mức 3 là mức
siêu bền, mức 2 là mức kích thích gần mức cơ
bản có thời gian sống bé hơn mức 3.
Sử dụng nguồn bơm kích thích các hạt

Hình 8: Sơ đồ làm việc vơi 4 mức năng lượng

hấp thụ năng lượng nhảy lên trạng thái E4. Các hạt dịch chuyển bức xạ từ E4 xuống E3
và từ E2 xuống E1 do thời gian sống của hạt ở mức 4 và mức 2 rất bé. Thời gian sống
của hạt ở mức 3 lớn, nó lớn hơn mức 4 và 2, đây là mức siêu bền. Kết quả là số hạt tập
trung ở mức này lớn hơn số hạt ở mức 2. Vậy giữa mức 3 và mức 2 có sự nghịch đảo


mật độ cư trú. Trước khi bơm thì ở 3 đã có các hạt nên khi bơm thì số hạt được bổ
sung thêm, nếu vượt qua ngưỡng phát thì lập tức hệ phát ra Laser. Một thuận lợi là hạt
sẽ tự động rơi xuống mức 1 cung cấp cho quá trình bơm.
Vậy với hệ 4 mức năng lượng dễ dàng tạo sự nghịch đảo mật độ hơn và ngưỡng
bơm bé hơn hệ 3 mức. Khi bơm không cần thời gian bơm lớn và cường độ bơm sớm.
Vậy chúng ta có thể tăng hiệu suất lượng tử của máy phát Laser.
Tóm lại để tạo được sự nghịch đảo mật độ cư trú ta cần chọn môi trường hoạt
chất hoạt động theo sơ đồ 3 và 4 mức năng lượng.
Trong thực tế Laser hoạt động thường phức tạp hơn mô hình mô tả ở trên. Mức
Laser cao thường không phải là một mức đơn, mà là một nhóm mức năng lượng cho
phép năng lượng kích thích cần thiết biến đổi trong một phạm vi rộng trong khi hoạt
động. Mức thấp cũng gồm nhiều mức, và nếu mỗi mức cao gần nhau phân hủy sang

một mức thấp khác, một Laser có thể hoạt động ở nhiều sự chuyển trạng thái, tạo ra
nhiều hơn một bước sóng. Ví dụ, Laser helium-neon được dùng phổ biến nhất để phát
ra bước sóng đỏ, nhưng nó cũng có thể hoạt động ở những sự chuyển trạng thái khác
để phát ra bức xạ cam, vàng, xanh lá và hồng ngoại. Nhiều nhân tố khác tồn tại trong
việc thiết kế Laser thực tế, như bản chất của môi trường hoạt tính. Hỗn hợp khí hay
những kết hợp khác của các loại phân tử thường được dùng để cải thiện hiệu quả bắt
và truyền năng lượng, hoặc hỗ trợ sự giảm dân số ở mức Laser thấp.
Thứ hai, ta phải tìm các cách khuếch đại ánh sáng Laser trên. Để khuếch đại được
thì cần có hệ thống phản hồi quang học hay còn gọi là buồng cộng hưởng để tăng bức
xạ kích thích và khử bức xạ tự phát. Mỗi lần sóng ánh sáng cộng hưởng qua môi
trường hoạt động, tổng năng lượng ánh sáng đồng pha được tăng cường nhờ phát xạ
kích thích. Khi được khuếch đại đến ngưỡng phát thì phát ra Laser.

IV.

Cấu tạo của máy
phát Laser:


Về cơ bản cấu tạo chung của một máy Laser
gồm có 3 bộ phận chính như sau: hoạt chất Laser,
nguồn bơm Laser, buồng cộng hưởng Laser
Trong đó buồng cộng hưởng và hoạt chất Laser
là bộ phận quan trọng nhất. Ngoài ra máy phát Laser
còn có thêm một số chi tiết khác nhằm nâng cao tính Hình 9: Sơ đồ máy phát laser
chất ưu việt của chùm Laser như: hộp phản xạ, chất
làm lạnh, diaphragma.
1. Hoạt chất Laser:

1.

2.
3.
4.
5.
6.

Buồng cộng hưởng
Nguồn bơm
Gương phản xạ toàn phần
Gương bán mạ
Tia laser
Thanh hoạt chất

Môi trường hoạt chất là một môi trường khuếch đại gồm rất nhiều nguyên tử hoặc
phân tử có cấu trúc năng lượng sao cho có thể tìm trong đó ít nhất ba hay bốn mức
năng lượng để tạo nghịch đảo mật độ cư trú. Môi trường hoạt chất cho phép một số
lượng lớn nguyên tử được kích hoạt lên trên trạng thái cơ bản để có thể xảy ra phát xạ
cưỡng bức. Môi trường hoạt chất là yếu tố chính quyết định bước sóng và các tính chất
của tia laser. Có hàng trăm chất có thể làm môi trường hoạt chất. Các loại laser thường
được đặt tên theo môi trường hoạt chất. Mỗi loại laser khác nhau thì sử dụng môi
trường hoạt chất khác nhau. Ví dụ:
• Laser lỏng: sử dụng chất màu và các dung môi như metan, etan, 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.
• Laser khí: sử dụng khí đơn nguyên tử, ion khí đơn nguyên tử, phân tử,
hoặc hỗn hợp khí đơn nguyên tử hay hỗn hợp phân tử. Ví dụ như Argon,
Krypton, CO2, Excimer Argon-Fluorua, He-Ne...


Laser - Ứng dụng của Laser

• Laser bán dẫn: thường dùng chất phát quang như GaAs, PbS, PbTe...
• Laser rắn: sử dụng tinh thể hoặc thủy tinh được pha thêm tạp chất. Các
tạp chất thường là Sm3+, Eu3+, Nd3+, Cr3+, Ti3+... Chất nền thường là YAG (Ytri,
nhôm và Garnet), YLF (Ytri, Liti, flo), oxit nhôm (Al2O3), gương silica...
2. Nguồn bơm Laser:
Nguồn bơm của laser là nguồn năng lượng kích hoạt cho hoạt chất luôn ở trạng
thái nghịch đảo mật độ cư trú.
Tùy theo các loại laser khác nhau mà có nhiều phương pháp kích thích khác
nhau. Việc lựa chọn loại nguồn bơm nào để sử dụng dựa chủ yếu vào môi trường hoạt
chất của laser đó là loại gì, và điều này là yếu tố chủ chốt quyết định làm sao mà năng
lượng truyền vào trong môi trường. Ta có thể phân thành các loại sau:
- Kích thích bằng ánh sáng, bơm quang học, đây là loại kích thích phổ biến. Hoạt
chất thu năng lượng bơm qua quá trình hấp thụ. Có thể kích thích bằng nguồn sáng kết
hợp và không kết hợp. Ví dụ: Laser YAG, laser Ruby dùng ánh sáng hội tụ từ đèn
nháy Xenon.
- Kích thích bằng dòng điện, bằng va chạm điện tử: dùng điện trường cao kích
thích hạt truyền năng lượng cho tâm hoạt chất nhờ quá trình va chạm. Phương pháp
này chủ yếu dùng cho laser khí và laser bán dẫn. Trong laser khí, dòng điện truyền
năng lượng cho điện tử, năng lượng này được gia tốc và truyền cho nguyên tử hoạt
chất để các nguyên tử này nhảy lên mức năng lượng cao hơn.
- Kích thích bằng laser khác: dùng laser để kích thích hoạt chất nhảy mức năng
lượng.
-

Kích thích bằng khí động học.

-

Kích thích bằng phản ứng hóa học: được dùng cho laser hóa học.

20


3. Buồng cộng hưởng:
Khi môi trường hoạt chất đã được đảo ngược mật độ, cần có hệ thống phản hồi
quang học để tăng bức xạ kích thích và khử bức xạ tự phát. Đó chính là buồng cộng
hưởng quang học.

 Cấu tạo:
Ở hai đầu đường đi của chùm sáng người ta đặt 2 gương để làm cho ánh sáng
phản xạ qua lại trong môi trường hoạt chất. Hai gương này được đặt đồng trục. Mỗi
lần sóng ánh sáng cộng hưởng qua môi trường hoạt chất, tổng năng lượng ánh sáng
đồng pha được tăng cường nhờ phát xạ kích thích. Phát xạ tự phát (xảy ra ngẫu nhiên
theo tất cả các hướng) ít khi đập vào gương, do đó không được khuếch đại. Để giải
phóng ánh sáng ánh sáng đã được khuếch đại ra ngoài người ta dùng một gương phản
xạ toàn phần và một gương phản xạ một phần. Một phần sóng ánh sáng đập vào gương
thứ hai được phát ra dưới dạng chùm tia laser. Độ phản xạ của gương được lựa chọn
để đạt được độ khuếch đại cao ở từng hệ thống laser. Một trong các gương có thể được
thay bằng lăng kính hoặc cách tử tùy theo yêu cầu.
Gương được sử dụng trong buồng cộng hưởng không phải gương thông thường
(vì gây ra mất mát lớn) mà sử dụng gương quang học. Gương này phải đảm bảo tổn
hao trên các bề mặt quang học là bé nhất. Thông thường
người ta sử dụng gương được mạ bạc, mạ nhôm và
mạ vàng. Quá trình chế tạo gương rất công phu, phải
phun thật đều để tránh mất mát lớn khi ánh sáng đập
vào. Hiện nay gương mạ kim loại được thay thế
bằng
gương điện môi nhiều lớp. Vì nó có ưu điểm nổi
bật hơn.

Hình 10: Một số loại buồng cộng hưởng