Tất cả các laser có 3 thành phần chính:
- Lasing hay "gain" medium hay còn gọi là
rod
- Nguồn năng lượng để kích thích các điện tử (electron)
trong thanh rod (gain medium) để tạo ra năng lượng cao hay còn gọi "pump" energy
- Một buồng quang học cho phép các photon được
phát ra có thể dao động và bị chặn lại để năng lượng được cộng thêm vào
hay còn gọi là "pumped" vào hệ thống, đó là resonator
Khi năng
lượng được cộng thêm vào hệ thống, quỹ đạo của các điện tử (electron) của
nguyên tử trong gain medium bị kích thích để tạo năng lượng cao hơn. Khi năng
lượng hình thành phân rã, các photon có cùng bước sóng. Tuy nhiên, chỉ có những
photon được phát ra song song chính xác với trục của buồng quang (resonator)
thì được phản xạ lại gain medium bởi kính phản xạ toàn phần hay còn gọi là HR
(highly reflective) và kính phản xạ bán phần- OC (output coupler), gây ra một
tầng photon có cùng hướng, độ phân cực và pha (phase).
Gain Medium: gain medium của laser được sử dụng để kích năng
lượng để khuếch đại hay làm gia tăng công suất đầu ra của laser. Gain medium có
khả năng hấp thụ năng lượng từ pump và dự trữ nó dưới dạng các điện tử bị kích
thích, và có khả năng truyền năng lượng được bức xạ ra có bước sóng mong muốn. Gain
medium có thể bằng khí, chất lỏng, chất rắn, chất bán dẫn, hay chất có không
điện tử. Hầu hết mọi trường hợp, tên của laser được đặt theo tên của gain medium,
ví dụ: carbon dioxide, argon, Alexandrite, Neodymium: Yttrium-Aluminum-Garnet
(Nd: YAG), v.v…
Pump: là bộ phận cung cấp năng lượng cho gain medium. Nguồn
của pump có thể là ánh sáng quang phổ rộng hay hẹp được phát ra từ bóng đèn,
điện áp cao, hóa chất có điện áp 1 chiều (DC), điện cao tần- radio frequency, hoặc
ngay cả là loại laser khác. Nói chung:
- Gain medium là chất rắn (pha lê hay thủy tinh
có thủ lớp các nguyên tử hiếm của vỏ trái đất hoặc các ion kim loại truyền
dẫn) như: ruby, alexandrite, Nd: YAG, v.v…) thì pump thường dùng là bóng
đèn (flashlamps) cho năng lượng cao hơn.
- Laser khí thì thường dùng pump là điện áp cao
hay điện cao tần-RF.
- Laser bán dẫn hay diode laser thì pump là
dòng điện 1 chiều (DC).
- Năng lượng của Diode lasers được pump bởi
dòng điện 1 chiều có thể được sử dụng như là 1 pump cho rất nhiều loại gain
medium như: gain medium rắn (DPSS - Diode Pumped Solid State lasers),
fiber lasers,và laser dạng đĩa mỏng (thin disk lasers).
- Laser hóa học (chemical lasers) được pump bởi
năng lượng của tương tác hóa học (HF/DF, COIL)
Resonator: buồng
cộng hưởng là buồng quang học giúp phản xạ giúp ánh sáng cộng hưởng, được gắn gain
medium bên trong. Năng lượng của Pump duy trì sự đảo ngược của các điện tử bị
kích thích, và ánh sáng dội ngược vào buồng cộng hưởng lại tạo ra nhiều photon
hơn. Một đầu của resonator có gắn 1 kính phản xạ toàn phần (highly reflective -HR)
hoặc 1 thiết bị phản xạ khác để phản xạ các ánh sáng phát ra từ gain medium vào
lại chính nó; đầu kia gắn kính bán phần (partially reflective hay còn gọi output
coupler- OC) cho phép ánh sáng laser thoát ra khỏi resonator.
Sự hình thành năng lượng và đảo chiều:
theo cơ chế lượng tử, trong một nguyên tử các điện tử (electrons) quay quanh
nhân (nucleus) theo một quỹ đạo cố định. Khi không có năng lượng tác động vào,
các điện tử này nằm ở vị trí ban đầu (ground state).
Khi có năng lượng tác động vào, các điện tử nhảy lên quỹ đạo cao hơn, cuối cùng
khi quay lại quỹ đạo ban đầu và giải phóng ra một năng lượng lượng tử như là
lượng tử ánh sáng (photon). Quá trình kích thích và phân rã này với bức xạ tự
nhiên của một lượng tử ánh sáng được gọi là huỳnh quang (fluorescence), và
nó tiếp tục diễn ra khi năng lượng được cung cấp vào liên tục.
Nếu
gain medium có khả năng lưu giữ năng lượng ở dạng các điện tử bị kích thích
trong thời gian dài trước khi phân rã trở lại quỹ đạo ban đầu, một sự gia tăng
cân xứng của các điện tử sẽ tạo ra một sự hình thành năng lượng cao hơn khi
gain medium bị kích thích (pumped), cho đến khi quá trình đảo chiều xảy ra.
Khi
một điện tử bị kích thích phân rã và phát ra một ánh sáng lượng tử, ánh sáng
lượng tử sẽ tương tác với một điện tử bị kích thích khác và gây ra bức xạ của
một ánh sáng lượng tử đồng nhất. Những ánh sáng lượng tử này sẽ lặp đi lặp lại
quy trình và tọa ra một đợt những ánh sáng lượng tử đồng nhất. Tuy nhiên, chỉ
có những ánh sáng lượng tử đi qua phần buồng quang học (resonant optical) sẽ
dao động và mạnh lên bởi cấu trúc giao thoa và thoát ra ngoài qua kính bán phần
(output coupler-OC) là tia laser. Phần còn lại sẽ cung cấp năng lượng của nó
vào lại gain medium.
Chuyển đổi năng lượng: sự đảo chiều cần được duy trì cho
hoạt động của laser diễn ra. Cân bằng lượng tử cho phép sự chuyển đổi năng
lượng trong gain medium, và cần ít nhất cần một sự chuyển đổi đi xuống gây ra
bởi bức xạ cưỡng bức. Đơn giản nhất, hay cấp độ 2 (2 level system), một điện tử bị kích
hoạt lên mức năng lượng cao hơn và phát ra ánh sáng lượng khi phân rã về quỹ
đạo ban đầu. tuy nhiên, cấp độ 2 là không thực tế vì nó bị hấp thu mạnh bởi các
ánh sáng lượng tử phát ra nó để duy trì một sự đảo chiều khó và hoạt động ở chế
độ liên tục không chắc chắn.
Đa
phần các laser hoạt động ở cấp độ 3 hay 4 (3 or 4
level systems), ở cấp độ này một điện tử bị ích hoạt lên cấp độ
3 hay 4 và phân rã về 1 cấp độ và phát tia khi phân rã về cấp độ ban đầu-
ground state (ở cấp độ 3), hay một mức năng lượng thấp hơn trên ground state (ở
cấp độ 4). Có hơn một chuyển đổi đơn ngăn cản năng lượng laser phát ra từ tái
hấp thu vào lại gain medium, cần một năng lượng kích hoạt (pump) thấp hơn để
duy trì quá trình đảo chiều và trong một số trường hợp có thể cho phép một bước
sóng chọn lọc phù hợp với thông số của buồng cộng hưởng (resonator).
No comments:
Post a Comment