Tại sao chúng ta cần hiểu nguyên lý hoạt động của tia laser?
Hiểu rõ sự khác biệt giữa các loại laser bán dẫn thông thường, sợi quang, đĩa và...Laser YAGĐiều này cũng có thể giúp hiểu rõ hơn và tham gia vào nhiều cuộc thảo luận hơn trong quá trình tuyển chọn.
Bài viết chủ yếu tập trung vào khoa học phổ thông: giới thiệu ngắn gọn về nguyên lý tạo ra tia laser, cấu trúc chính của laser và một số loại laser thông dụng.
Thứ nhất, nguyên lý tạo ra tia laser.
Tia laser được tạo ra thông qua sự tương tác giữa ánh sáng và vật chất, được gọi là khuếch đại bức xạ kích thích; Để hiểu được khuếch đại bức xạ kích thích, cần phải hiểu các khái niệm của Einstein về phát xạ tự phát, hấp thụ kích thích và bức xạ kích thích, cũng như một số nền tảng lý thuyết cần thiết.
Cơ sở lý thuyết 1: Mô hình Bohr
Mô hình Bohr chủ yếu cung cấp cấu trúc bên trong của nguyên tử, giúp dễ dàng hiểu được cách thức hình thành tia laser. Một nguyên tử bao gồm hạt nhân và các electron bên ngoài hạt nhân, và các obitan của electron không phải là tùy ý. Electron chỉ có những obitan nhất định, trong đó obitan trong cùng được gọi là trạng thái cơ bản; nếu một electron ở trạng thái cơ bản, năng lượng của nó là thấp nhất. Nếu một electron nhảy ra khỏi một obitan, nó được gọi là trạng thái kích thích thứ nhất, và năng lượng của trạng thái kích thích thứ nhất sẽ cao hơn năng lượng của trạng thái cơ bản; một obitan khác được gọi là trạng thái kích thích thứ hai;
Lý do tia laser có thể hình thành là vì các electron sẽ chuyển động trên các quỹ đạo khác nhau trong mô hình này. Nếu electron hấp thụ năng lượng, chúng có thể chuyển từ trạng thái cơ bản lên trạng thái kích thích; nếu một electron quay trở lại từ trạng thái kích thích về trạng thái cơ bản, nó sẽ giải phóng năng lượng, thường được giải phóng dưới dạng tia laser.
Cơ sở lý thuyết 2: Thuyết bức xạ kích thích của Einstein
Năm 1917, Einstein đề xuất lý thuyết bức xạ kích thích, là cơ sở lý thuyết cho laser và việc sản xuất laser: sự hấp thụ hoặc phát xạ của vật chất về cơ bản là kết quả của sự tương tác giữa trường bức xạ và các hạt cấu thành vật chất, và bản chất cốt lõi của nó là sự chuyển đổi của các hạt giữa các mức năng lượng khác nhau. Có ba quá trình khác nhau trong tương tác giữa ánh sáng và vật chất: phát xạ tự phát, phát xạ kích thích và hấp thụ kích thích. Đối với một hệ thống chứa một số lượng lớn các hạt, ba quá trình này luôn cùng tồn tại và có mối liên hệ chặt chẽ với nhau.
Sự phát xạ tự phát:
Như hình vẽ minh họa: một electron ở mức năng lượng cao E2 tự chuyển xuống mức năng lượng thấp E1 và phát ra một photon có năng lượng hv, trong đó hv = E2 - E1; Quá trình chuyển đổi tự phát và không liên quan này được gọi là chuyển đổi tự phát, và các sóng ánh sáng phát ra từ các chuyển đổi tự phát được gọi là bức xạ tự phát.
Đặc điểm của phát xạ tự phát: Mỗi photon là độc lập, có hướng và pha khác nhau, và thời gian xảy ra cũng ngẫu nhiên. Nó thuộc loại ánh sáng không kết hợp và hỗn loạn, không phải là loại ánh sáng cần thiết cho laser. Do đó, quá trình tạo laser cần giảm loại ánh sáng lạc này. Đây cũng là một trong những lý do tại sao bước sóng của các loại laser khác nhau lại có ánh sáng lạc. Nếu được kiểm soát tốt, tỷ lệ phát xạ tự phát trong laser có thể bỏ qua. Laser càng tinh khiết, ví dụ như 1060 nm, thì tất cả các photon đều ở bước sóng 1060 nm. Loại laser này có tốc độ hấp thụ và công suất tương đối ổn định.
Hấp thu được kích thích:
Các electron ở mức năng lượng thấp (các obitan thấp), sau khi hấp thụ photon, chuyển lên mức năng lượng cao hơn (các obitan cao), và quá trình này được gọi là hấp thụ kích thích. Hấp thụ kích thích rất quan trọng và là một trong những quá trình bơm chính. Nguồn bơm của laser cung cấp năng lượng photon để làm cho các hạt trong môi trường khuếch đại chuyển đổi và chờ bức xạ kích thích ở mức năng lượng cao hơn, phát ra tia laser.
Bức xạ kích thích:
Khi bị chiếu xạ bởi ánh sáng có năng lượng bên ngoài (hv=E2-E1), electron ở mức năng lượng cao bị kích thích bởi photon bên ngoài và nhảy xuống mức năng lượng thấp (từ quỹ đạo cao xuống quỹ đạo thấp). Đồng thời, nó phát ra một photon giống hệt photon bên ngoài. Quá trình này không hấp thụ ánh sáng kích thích ban đầu, do đó sẽ có hai photon giống hệt nhau, có thể hiểu là electron phát ra photon đã hấp thụ trước đó. Quá trình phát quang này được gọi là bức xạ kích thích, là quá trình ngược lại của hấp thụ kích thích.
Sau khi hiểu rõ lý thuyết, việc chế tạo laser rất đơn giản, như hình trên: trong điều kiện ổn định vật liệu bình thường, phần lớn các electron ở trạng thái cơ bản, và laser phụ thuộc vào bức xạ kích thích. Do đó, cấu trúc của laser là cho phép sự hấp thụ kích thích xảy ra trước, đưa các electron lên mức năng lượng cao, sau đó cung cấp kích thích để khiến một lượng lớn electron ở mức năng lượng cao trải qua bức xạ kích thích, giải phóng photon. Từ đó, laser có thể được tạo ra. Tiếp theo, chúng ta sẽ giới thiệu cấu trúc laser.
Cấu trúc laser:
Hãy đối chiếu cấu trúc laser với các điều kiện tạo laser đã đề cập trước đó từng bước một:
Điều kiện xảy ra và cấu trúc tương ứng:
1. Có một môi trường khuếch đại cung cấp hiệu ứng khuếch đại đóng vai trò là môi trường làm việc của laser, và các hạt được kích hoạt của nó có cấu trúc mức năng lượng phù hợp để tạo ra bức xạ kích thích (chủ yếu có khả năng bơm electron lên các quỹ đạo năng lượng cao và tồn tại trong một khoảng thời gian nhất định, sau đó giải phóng photon trong một lần thông qua bức xạ kích thích);
2. Có một nguồn kích thích bên ngoài (nguồn bơm) có thể bơm electron từ mức năng lượng thấp hơn lên mức năng lượng cao hơn, gây ra hiện tượng đảo ngược số lượng hạt giữa mức năng lượng cao và thấp của laser (tức là khi có nhiều hạt năng lượng cao hơn hạt năng lượng thấp), chẳng hạn như đèn xenon trong laser YAG;
3. Có một khoang cộng hưởng có thể tạo ra dao động laser, tăng chiều dài làm việc của vật liệu laser, lọc chế độ sóng ánh sáng, kiểm soát hướng lan truyền của chùm tia, khuếch đại chọn lọc tần số bức xạ kích thích để cải thiện độ đơn sắc (đảm bảo laser được phát ra ở một mức năng lượng nhất định).
Cấu trúc tương ứng được thể hiện trong hình trên, đó là cấu trúc đơn giản của laser YAG. Các cấu trúc khác có thể phức tạp hơn, nhưng cốt lõi là như vậy. Quá trình tạo laser được thể hiện trong hình:
Phân loại laser: thường được phân loại theo môi trường khuếch đại hoặc theo dạng năng lượng laser.
Đạt được mức phân loại trung bình:
Laser carbon dioxideMôi trường khuếch đại của laser carbon dioxide là heli vàLaser CO2,Với bước sóng laser 10,6 µm, đây là một trong những sản phẩm laser đầu tiên được ra mắt. Hàn laser thời kỳ đầu chủ yếu dựa trên laser carbon dioxide, hiện nay chủ yếu được sử dụng để hàn và cắt các vật liệu phi kim loại (vải, nhựa, gỗ, v.v.). Ngoài ra, nó cũng được sử dụng trên máy in thạch bản. Laser carbon dioxide không thể truyền qua sợi quang và truyền qua các đường dẫn quang học trong không gian. Việc hàn laser thời kỳ đầu được thực hiện khá tốt, và nhiều thiết bị cắt đã được sử dụng;
Laser YAG (yttrium aluminum garnet): Tinh thể YAG được pha tạp ion kim loại neodymium (Nd) hoặc yttrium (Yb) được sử dụng làm môi trường khuếch đại laser, với bước sóng phát xạ là 1,06 µm. Laser YAG có thể tạo ra xung có cường độ cao hơn, nhưng công suất trung bình thấp, và công suất đỉnh có thể đạt gấp 15 lần công suất trung bình. Nếu chủ yếu là laser xung, không thể tạo ra đầu ra liên tục; nhưng nó có thể được truyền qua sợi quang, và đồng thời, tỷ lệ hấp thụ của vật liệu kim loại tăng lên, và nó đang bắt đầu được ứng dụng trong các vật liệu có độ phản xạ cao, lần đầu tiên được ứng dụng trong lĩnh vực 3C;
Laser sợi quang: Loại laser chủ đạo hiện nay trên thị trường sử dụng sợi quang pha tạp ytterbium làm môi trường khuếch đại, với bước sóng 1060nm. Dựa trên hình dạng của môi trường, laser sợi quang được chia thành laser đĩa và laser sợi quang; laser sợi quang thuộc loại IPG, trong khi laser đĩa thuộc loại Tongkuai.
Laser bán dẫn: Môi trường khuếch đại là mối nối PN bán dẫn, và bước sóng của laser bán dẫn chủ yếu ở mức 976nm. Hiện nay, laser bán dẫn cận hồng ngoại chủ yếu được sử dụng cho lớp phủ, với kích thước điểm sáng trên 600µm. Laserline là một doanh nghiệp tiêu biểu trong lĩnh vực laser bán dẫn.
Phân loại theo dạng hoạt động năng lượng: Laser xung (PULSE), laser bán liên tục (QCW), laser liên tục (CW)
Laser xung: nano giây, pico giây, femto giây, loại laser xung tần số cao này (ns, độ rộng xung) thường có thể đạt được năng lượng đỉnh cao, xử lý tần số cao (MHz), được sử dụng để gia công các vật liệu mỏng bằng đồng và nhôm khác loại, cũng như chủ yếu là làm sạch. Bằng cách sử dụng năng lượng đỉnh cao, nó có thể nhanh chóng làm tan chảy vật liệu nền, với thời gian tác động ngắn và vùng ảnh hưởng nhiệt nhỏ. Nó có ưu điểm trong việc gia công các vật liệu siêu mỏng (dưới 0,5mm);
Laser bán liên tục (QCW): Do tốc độ lặp lại cao và chu kỳ hoạt động thấp (dưới 50%), độ rộng xung củaLaser QCWĐạt được thời gian xung 50 µs-50 ms, lấp đầy khoảng trống giữa laser sợi quang liên tục mức kilowatt và laser xung Q-switched; Công suất đỉnh của laser sợi quang bán liên tục có thể đạt gấp 10 lần công suất trung bình khi hoạt động ở chế độ liên tục. Laser QCW thường có hai chế độ, một là hàn liên tục ở công suất thấp, và chế độ còn lại là hàn laser xung với công suất đỉnh gấp 10 lần công suất trung bình, có thể hàn được vật liệu dày hơn và tạo ra nhiều nhiệt hơn, đồng thời kiểm soát nhiệt độ trong phạm vi rất nhỏ;
Laser liên tục (CW): Đây là loại laser được sử dụng phổ biến nhất, và hầu hết các loại laser trên thị trường hiện nay đều là laser CW, phát ra tia laser liên tục để thực hiện quá trình hàn. Laser sợi quang được chia thành laser đơn mode và đa mode dựa trên đường kính lõi và chất lượng chùm tia khác nhau, và có thể được điều chỉnh cho các kịch bản ứng dụng khác nhau.
Thời gian đăng bài: 20/12/2023
