Khám phá ban đầu về laser phần đầu giới thiệu lịch sử phát triển của máy phát laser, phân loại máy phát laser, đặc tính của laser và ứng dụng của laser, vậy laser Nguyên lý hình thành Hôm nay, mình sẽ chia sẻ với mọi người một số kiến thức nhỏ về nguyên lý củ Chúng ta cùng tìm hiểu xem tia laser được hình thành như thế nào nhé.

Một: Lý thuyết hấp thụ và phát xạ ánh sáng

Trước khi tìm hiểu cách laser được tạo ra, chúng ta cần hiểu một số khái niệm cơ bản về lý thuyết hấp thụ và phát xạ ánh sáng của Einstein:

Hình một: Mô hình nguyên tử Bohr

Nhảy cấp : Nguyên tử hấp thụ hoặc phát ra năng lượng để trở thành một mức năng lượng khác.

Vật chất dưới tác động của trường bức xạ quang tần có thể xảy ra Phát xạ tự phát, hấp thụ kích thích, phát xạ kích thích.

1.1 Phát xạ tự phát

Các hạt sẽ tự nhảy từ trạng thái kích thích cao năng sang trạng thái thấp năng E ₂ một cách tự phát E ₁ và phát ra năng lượng ánh sáng trong quá trình đó.

Trong đó h là hằng số Planck, h =6.626*10 ^-34 J.s， v là tần số, phát xạ tự phát liên quan đến bản chất của vật chất và không liên quan đến trường bức xạ.

Hình hai: Phát xạ tự phát

1.2 Hấp thụ kích thích

hấp thụ năng lượng photon từ ánh sáng bên ngoài hv và nhảy từ mức năng lượng thấp lên mức năng lượng cao , và E ₁ =hv, quá trình này được gọi là E ₂ Hấp thụ kích thích E ₂ - E ₁ Hình ba: Hấp thụ kích thích 1.3 Phát xạ kích thích 。

Các hạt ở mức năng lượng cao

trong đó electron, dưới tác động của photon bên ngoài

(tần số vừa đủ để thỏa mãn hv=) E ₂ nhảy xuống mức năng lượng thấp hơn và phát ra photon giống như photon bên ngoài, điều này được gọi là Phát xạ kích thích Ánh sáng được phóng đại bởi phát xạ kích thích là ánh sáng đồng nhất, được gọi là E ₂ - E ₁ Hình bốn: Phát xạ kích thích E ₁ Hình năm: Sơ đồ phóng đại ánh sáng phát xạ kích thích Hai: Ba yếu tố tạo ra laser 。

Sau khi hiểu rõ các khái niệm cơ bản về lý thuyết hấp thụ và phát xạ ánh sáng của Einstein, bây giờ chúng ta sẽ tìm hiểu về cấu tạo cơ bản và điều kiện cần thiết để tạo ra laser laser 。

(ba yếu tố)

1, Thực hiện đảo ngược số lượng hạt -

Chất tạo laser

2, Kích thích nguyên tử - Nguồn năng lượng kích thích ： 3, Cần thực hiện phóng đại ánh sáng - ：

Cavity quang học Do đó, cấu tạo cơ bản để tạo ra laser bao gồm ba phần sau:

Cavity quang học, môi trường tăng cường (môi trường làm việc laser), nguồn năng lượng kích thích Bây giờ chúng ta hãy giới thiệu cụ thể về ba thành phần cấu tạo cơ bản này nhé:

2.1 Môi trường tăng cường (môi trường làm việc laser) Việc tạo ra laser phải chọn lựa môi trường làm việc phù hợp, có thể là

Khí, chất lỏng, chất rắn hoặc bán dẫn

Thực hiện đảo ngược số lượng hạt

, để tạo ra điều kiện cần thiết cho việc tạo ra laser

2.2 Nguồn năng lượng kích thích

Để tạo ra sự đảo ngược số lượng hạt trong môi trường làm việc, phải dùng phương pháp nào đó để kích thích hệ thống nguyên tử, làm Số lượng hạt ở mức năng lượng cao tăng lên Các môi trường khí như: hỗn hợp heli-neon, hơi đồng, khí argon, khí krypton, carbon dioxide và nitơ; môi trường chất lỏng chủ yếu là các hợp chất hữu cơ (dye); môi trường rắn như: ngọc ruby, ytrium-aluminium garnet doped neodymium (Nd:YAG), kính doped neodymium và Trong những môi trường này, . Thường thì có thể sử dụng phóng điện khí để dùng electron có động năng kích thích nguyên tử môi trường, được gọi là Kích thích điện ; cũng có thể dùng ánh sáng xung chiếu vào môi trường làm việc, được gọi là Sự tồn tại của cấp năng lượng tạm thời đóng vai trò quan trọng trong việc đạt được sự đảo ngược số lượng phân tử. Hiện có hàng nghìn loại môi trường làm việc khác nhau, cho phép tạo ra các bước sóng laser từ cực tím đến hồng ngoại xa, rất đa dạng.

Kích thích quang

; còn có Kích thích nhiệt Kích thích hóa học 2.3 Cavity quang học Cavity quang học để phóng đại . Nói chung, cavity quang học là việc lắp đặt hai tấm gương có độ phản xạ rất cao đối diện nhau tại hai đầu của laser Một tấm gần như Phản xạ hoàn toàn 、 , một tấm các phương pháp kích thích được ví von là "bơm" hoặc "kéo". chơi trò chơi bắn cá Để liên tục nhận được ánh sáng laser, cần phải "bơm" không ngừng để duy trì số lượng phân tử ở cấp cao hơn nhiều so với cấp thấp hơn.

Phần lớn ánh sáng phản xạ và một phần nhỏ xuyên qua

Khi đã có vật liệu làm việc phù hợp và nguồn kích thích, sự đảo ngược số lượng phân tử có thể được thực hiện, nhưng cường độ bức xạ tự phát lúc này rất yếu, không đủ áp dụng trong thực tế. bài cào Vì vậy, mọi người đã nghĩ đến việc sử dụng , để ánh sáng laser có thể xuyên qua tấm kính này và phát ra. Ánh sáng bị phản xạ trở lại môi trường làm việc Tiếp tục gây ra phát xạ kích thích mới, ánh sáng được phóng đại . Do đó, ánh sáng dao động trong cavity quang học, tạo ra Phản ứng dây chuyền , phóng đại theo kiểu bùng nổ, tạo ra Ánh sáng laser mạnh mẽ , phát ra từ tấm gương phản xạ một phần. Ánh sáng di chuyển qua lại trong môi trường làm việc với số lượng hạt đảo ngược, làm Số lượng photon trong cavity quang học tăng lên liên tục , tạo ra ánh sáng mạnh, hiện tượng này được gọi là Dao động quang học Phóng đại ánh sáng phải đáp ứng điều kiện sóng đứng Hình bảy: Sơ đồ cavity quang học Ba: Nguyên lý laser

Hình 6: Quá trình hình thành laser (ánh sáng di chuyển qua lại trong buồng cộng hưởng, quá trình lan truyền trong môi trường tăng cường giúp phóng đại ánh sáng và phát ra laser). kết quả ngoại hạng anh mới nhất

Phân bố số lượng hạt bình thường và phân bố đảo ngược số lượng hạt: Điều này cho thấy số lượng electron ở mức năng lượng thấp lớn hơn số lượng electron ở mức năng lượng cao, phân bố này được gọi là Phân bố bình thường của số lượng hạt , được gọi là 。

Phân bố đảo ngược số lượng hạt L=kλ/2

, viết tắt là

Đảo ngược số lượng hạt

Hoặc

N ₁ ＞ N ₂ Đảo ngược phân bố Hình tám: Phân bố bình thường và phân bố đảo ngược số lượng hạt ， N ₂ ＞ N ₁ Kích thích (cũng gọi là Bơm-pumped Hình chín: Sơ đồ năng cấp ion crôm của rubi Bốn: Máy laser rubi Năm 1960 tháng 5, kỹ sư nghiên cứu của phòng thí nghiệm Hughes Aerospace ở California, Mỹ 。

Maiman

các nguồn năng lượng từ bên ngoài (như ánh sáng, phóng điện, v.v.) để kích thích các nguyên tử từ cấp năng lượng thấp lên cấp năng lượng cao hơn, quá trình này được gọi là , thiết kế và xây dựng một máy phát laser nhỏ gọn, đây là máy laser đầu tiên trên thế giới. Laser sử dụng Tinh thể rubi làm nền tảng là ）

, trong tinh thể này pha trộn khoảng 0,05% (theo trọng lượng) của Cr

Hình mười: Bản vẽ cấu trúc máy laser rubi đầu tiên

Hình mười: Bản vẽ cấu trúc máy laser rubi đầu tiên , Al ₂ O ₃ 0.05%Cr ₂ O _3。

Nếu phần giới thiệu trên chưa rõ ràng, bạn có thể xem video về nguyên lý của laser của Engineerguy (có phụ đề tiếng Trung) nhé. Hẹn gặp lại mọi người trong kỳ sau!

----------