Quá trình hình thành tia laser

cảnh quan chung
thư viện thuật ngữ
Sự xuất hiện của tia laser đánh dấu lần đầu tiên nhân loại đạt được việc kiểm soát photon. Tia laser là nguồn sáng đặc biệt ampli ánh sáng thông qua bức xạ kích thích, và quá trình hình thành của chúng liên quan đến nhiều cơ chế vật lý như cơ học lượng tử, cộng hưởng quang học và kích thích năng lượng. Dưới đây là các yếu tố chính góp phần vào sự hình thành tia laser:
I. Bức xạ kích thích và đảo ngược số lượng hạt
Sự ra đời của tia laser bắt đầu từ các sự chuyển tiếp lượng tử giữa các mức năng lượng nguyên tử. Khi một electron hấp thụ năng lượng và chuyển sang trạng thái năng lượng cao hơn, hệ thống sẽ ở trong trạng thái không ổn định. Lúc này, electron giải phóng năng lượng theo hai cách:
Phát xạ tự phát: Electron nhảy về ngẫu nhiên xuống trạng thái năng lượng thấp hơn và phát ra photon với các hướng và pha khác nhau.
Phát xạ kích thích: Khi năng lượng của photon ngoài trùng với sự chênh lệch mức năng lượng, nó sẽ gây ra việc electron ở trạng thái kích thích đồng thời giải phóng photon giống hệt, điều này tạo thành cơ sở cho sự khuếch đại quang học.
Phóng đại quang học: Các hạt ở mức năng lượng cao trải qua phát xạ kích thích được gây ra bởi các photon tới, tạo ra các photon có cùng pha và tần số. Các photon này dao động đi lại nhiều lần trong khoang cộng hưởng, kích hoạt một phản ứng dây chuyền và hình thành ánh sáng mạnh có tính nhất quán.
Đảo ngược số lượng hạt: Hệ thống bơm phá vỡ trạng thái cân bằng nhiệt, cho phép chất hoạt động hình thành các mức năng lượng bán ổn định.
II. Khoang Cộng Hưởng Quang Học
Phản hồi khoang cộng hưởng: Một khoang cộng hưởng quang học gồm hai gương cho phép các photon theo một hướng cụ thể di chuyển đi lại nhiều lần. Khi lợi ích vượt quá tổn thất, một vòng lặp phản hồi tích cực sẽ được hình thành, và cuối cùng một tia nhất quán sẽ được xuất ra.
Chọn chế độ: Bằng cách thiết kế khoang ngắn hoặc phản hồi từ song rãnh, phân bố của các chế độ dọc và ngang được kiểm soát để đạt được đầu ra đơn tần số và đơn chế độ.
Nồng độ năng lượng: Thu ngắn chiều dài hiệu quả của chất hoạt động và tăng cường hiệu suất đầu ra của tia laser.
Iii. Thống kê Bose
Photon giống nhau: Các photon được tạo ra bởi bức xạ kích thích có tần số, pha và trạng thái cực hóa hoàn toàn giống nhau.
Trùng vị sóng hàm: Một số lượng lớn photon giống nhau tạo thành các trạng thái lượng tử vĩ mô, trao cho ánh sáng sự đồng bộ hoàn hảo.
Đặc điểm của tia laser:
Hướng tính: Góc phân kỳ của nguồn ánh sáng thông thường tương đối lớn, trong khi đó góc phân kỳ của nguồn ánh sáng laser tương đối nhỏ và hướng đi của nó là cố định.
Đơn sắc: Chiều rộng đường phổ của tia laser hẹp hơn so với nguồn ánh sáng thông thường, do đó nó có tính đơn sắc tốt hơn.
Độ sáng cao: Tia laser phát ra các tia song song cao độ và có thể được phát ra với nồng độ cao hơn
Việc hình thành tia laser là sự kết hợp hoàn hảo giữa cơ học lượng tử và kỹ thuật quang học. Điểm cốt lõi của nó nằm ở việc đạt được sự khuếch đại kiểm soát được của ánh sáng thông qua sự đảo ngược số lượng hạt và bức xạ kích thích. Sự phát triển của tia laser đang thúc đẩy sự đổi mới trong các ngành công nghiệp như sản xuất, chăm sóc sức khỏe và công nghệ thông tin.