Laser Là Gì? Tìm Hiểu Nguyên Lý Hoạt Động và Ứng Dụng Của Laser

Chắc hẳn các bạn đọc giả sẽ không còn gì xa lạ đối với tia ( ánh sáng) Laser là gì đúng không? Laser là một công nghệ quan trọng và có ảnh hưởng lớn đến nhiều lĩnh vực trong cuộc sống hiện đại. Hãy cùng mình tìm hiểu thêm về ứng dụng cụ thể nhé.

LASER LÀ GÌ?

Laser là viết tắt của cụm từ Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ kích thích). Đây là một thiết bị tạo ra ánh sáng định hướng cao thông qua quá trình phát xạ kích thích; làm tăng cường độ ánh sáng.

Nguyên lý hoạt động của laser

Laser hoạt động dựa trên ba quá trình chính:

Hấp thụ bức xạ: Các electron ở trạng thái năng lượng thấp hấp thụ năng lượng từ photon và nhảy lên mức năng lượng cao hơn.

Phát xạ tự phát: Các electron ở mức năng lượng cao có thể tự phát xạ và trở về mức năng lượng thấp hơn; phát ra photon.

Phát xạ kích thích: Khi một photon tương tác với một electron ở mức năng lượng cao; nó có thể kích thích electron này phát ra một photon khác có cùng pha; tần số và hướng với photon ban đầu.

CÁC LOẠI LASER

Các bạn có biết rằng có nhiều loại laser khác nhau; mỗi loại có ứng dụng và đặc điểm riêng của nó:

Laser khí

Laser khí là loại laser trong đó dòng điện được phóng qua một chất khí để tạo ra ánh sáng laser. Ở đây; môi trường hoạt động của laser là trạng thái khí.

Laser khí thường được sử dụng trong các ứng dụng đòi hỏi chất lượng chùm tia cao và độ dài kết hợp lớn. Môi trường khuếch đại của laser khí bao gồm hỗn hợp khí được chứa trong một ống thủy tinh; đóng vai trò là môi trường hoạt động của laser.

Laser khí là loại laser đầu tiên hoạt động dựa trên nguyên lý chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng ánh sáng; tạo ra chùm tia laser trong vùng hồng ngoại với bước sóng 1;15 μm.

Có nhiều loại laser khí; bao gồm laser Helium-Neon (He-Ne); laser ion argon; laser carbon dioxide (CO2); laser carbon monoxide (CO); laser excimer; laser nitơ; và laser hydro. Loại khí được sử dụng trong môi trường hoạt động quyết định bước sóng và hiệu suất của laser.

Laser bán dẫn

Laser bán dẫn đóng vai trò quan trọng trong cuộc sống hàng ngày nhờ tính nhỏ gọn; giá thành rẻ và khả năng tiêu thụ năng lượng thấp. Chúng còn được biết đến với tên gọi điốt laser.

Laser bán dẫn khác với laser trạng thái rắn ở chỗ; trong khi laser trạng thái rắn sử dụng ánh sáng làm nguồn bơm; laser bán dẫn lại sử dụng năng lượng điện làm nguồn bơm. Điểm nối pn trong diode bán dẫn đóng vai trò là môi trường hoạt động của laser; nơi quá trình khuếch đại quang học diễn ra trong vật liệu bán dẫn để tạo ra tia laser.

Laser rắn là gì

Laser trạng thái rắn là loại laser sử dụng chất rắn; như thủy tinh hoặc tinh thể; làm môi trường hoạt động. Trong loại laser này; các ion tạp chất được thêm vào vật liệu chủ; quá trình này được gọi là doping. Các nguyên tố đất hiếm như cerium (Ce); erbium (Eu); và terbium (Tb) thường được dùng làm tạp chất.

Những vật liệu như sapphire (Al2O3); garnet nhôm pha neodymium (Nd); và thủy tinh pha ytterbium thường được chọn làm môi trường laser; trong đó Nd là phổ biến nhất.

Laser trạng thái rắn đầu tiên là laser ruby; với tinh thể ruby làm môi trường phát laser; và nó vẫn còn được sử dụng trong một số ứng dụng hiện nay. Nguồn bơm năng lượng cho laser trạng thái rắn thường là ánh sáng; với các thiết bị như đèn flash; đèn hồ quang hoặc điốt laser đóng vai trò cung cấp năng lượng bơm.

Laser bán dẫn không thuộc nhóm này vì chúng thường được bơm bằng điện và hoạt động dựa trên các cơ chế vật lý khác biệt.

Laser lỏng

Laser lỏng là loại laser sử dụng chất lỏng làm môi trường hoạt động; trong đó ánh sáng được dùng để cung cấp năng lượng cho môi trường laser. Một ví dụ điển hình của laser lỏng là laser nhuộm; trong đó thuốc nhuộm hữu cơ; được hòa tan trong dung môi; hoạt động như môi trường laser.

Laser nhuộm hoạt động dựa trên sự phát xạ ánh sáng từ các phân tử thuốc nhuộm hữu cơ khi chúng được kích thích lên trạng thái năng lượng cao. Loại laser này có khả năng tạo ra chùm tia laser trong dải quang phổ từ vùng tử ngoại gần (UV) đến hồng ngoại gần (IR); nhờ tính linh hoạt của các loại thuốc nhuộm được sử dụng.

ỨNG DỤNG CỦA LASER LÀ GÌ?

Trong đời sống

Laser được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau; mang lại những cải tiến vượt bậc về hiệu quả và độ chính xác. Dưới đây mình sẽ nêu một số ứng dụng tiêu biểu:

Y học: Phẫu thuật mắt; điều trị da; và chẩn đoán hình ảnh.

Công nghiệp: Cắt; hàn; khắc; và xử lý nhiệt.

Thông tin liên lạc: Truyền dữ liệu qua cáp quang.

Quân sự: Định vị; đo khoảng cách; và vũ khí laser.

Giải trí: Biểu diễn ánh sáng và trình chiếu 3D12.

Trong công nghiệp.

Laser đã trở thành một công cụ quan trọng trong ngành công nghiệp của chúng ta; đóng góp đáng kể vào việc nâng cao hiệu suất và chất lượng sản xuất. Dưới đây là một số ứng dụng nổi bật của công nghệ laser trong lĩnh vực này các bạn điểm qua nhé:

Cắt bằng tia laser: Laser có thể cắt qua nhiều loại vật liệu như kim loại; gỗ; nhựa; và cao su với độ chính xác cao và tốc độ nhanh. Đặc biệt hữu ích trong việc cắt các hình dạng phức tạp mà không cần gia công thêm.

Khắc laser: Laser được sử dụng để khắc các chi tiết nhỏ và phức tạp trên bề mặt kim loại và phi kim loại. Ứng dụng phổ biến trong việc tạo mã vạch; logo; và các chi tiết trang trí trên sản phẩm.

Hàn laser: Laser có thể hàn các vật liệu với độ chính xác cao; tạo ra các mối hàn mạnh mẽ và bền bỉ. Được sử dụng rộng rãi trong ngành sản xuất ô tô; hàng không; và điện tử.

Tạo mẫu nhanh bằng laser: Công nghệ laser giúp tạo ra các mẫu thử nghiệm nhanh chóng và chính xác; hỗ trợ quá trình thiết kế và phát triển sản phẩm.

Xử lý nhiệt bằng laser: Laser có thể được sử dụng để xử lý nhiệt bề mặt vật liệu; cải thiện độ cứng và độ bền của sản phẩm

Công nghệ laser không chỉ nâng cao hiệu quả của các quy trình hiện nay mà còn mở ra cơ hội cho nhiều khám phá và ứng dụng đột phá trong tương lai. Hy vọng những thông tin trên sẽ hữu ích cho quý độc giả đang tìm hiểu về laser và cách thức hoạt động của nó.