NGUYÊN LÝ BỘ DAO ĐỘNG LASER

Th5 20,2024
Tác giả: Nguyen Van Khoi

Nguyên lý tạo ra laser

Để tạo ra laser, cần phải có các nguyên tử hoặc phân tử được gọi là môi trường laser. Phơi môi trường laser này dưới năng lượng từ bên ngoài (ánh sáng bơm) khiến các nguyên tử thay đổi từ trạng thái cơ bản có năng lượng thấp thành trạng thái kích thích, có năng lượng cao.

Sự kích từ

Sự kích từ

Trong trạng thái kích thích, điện tử trong nguyên tử di chuyển từ các lớp bên trong ra các lớp bên ngoài

Bức xạ tự nhiên

Bức xạ tự nhiên

Sau một thời gian nhất định trôi qua với trạng thái kích thích, nguyên tử trở lại trạng thái cơ bản (thời gian để cho nguyên tử trở về trạng thái cơ bản từ trạng thái kích thích được gọi là thời gian sống huỳnh quang). Vào thời điểm này, năng lượng cung cấp cho nguyên tử được phát ra như ánh sáng (bức xạ tự nhiên) với chiều dài bước sóng được xác định trước.

Nguyên lý tạo ra laser sử dụng quá trình kích từ và bức xạ tự nhiên để tạo ra ánh sáng laser

Nguyên lý khuếch đại laser

Để sử dụng ánh sáng phát một cách tự nhiên làm laser, thì phải khuếch đại ánh sáng phát tự nhiên. Nguyên tử được duy trì ở trạng thái kích thích trong một khoảng thời gian quy định phát ánh sáng do bức xạ tự nhiên và sau đó trở lại trạng thái cơ bản. Tuy nhiên, nếu tăng cường ánh sáng bơm, số lượng nguyên tử trong trạng thái kích thích cũng như lượng ánh sáng phát tự nhiên sẽ tăng. Điều này dẫn đến hiện tượng gọi là phát xạ kích thích. Phát xạ kích thích xảy ra khi ánh sáng được áp dụng cho một nguyên tử kích thích để kích thích nó và tạo ra ánh sáng ngày càng mạnh hơn

Phát xạ kích thích

Phát xạ kích thích

Số lượng nguyên tử trong trạng thái kích thích càng lớn, thì lượng phát xạ kích thích càng lớn. Điều này dẫn đến ánh sáng được khuếch đại ở tốc độ cao, giúp cho có thể để đạt được ánh sáng đồng pha, đơn sắc tạo nên laser.

Cấu tạo bộ dao động laser

Nguyên lý cơ bản

Bộ tạo dao động laser thường bao gồm một bộ cộng hưởng quang học (bộ cộng hưởng laser, khoang laser) trong đó ánh sáng có thể lưu thông (ví dụ: giữa hai gương) và bên trong bộ cộng hưởng này là một môi trường khuếch đại (ví dụ: tinh thể laser), dùng để khuếch đại ánh sáng. Nếu không có môi trường khuếch đại, ánh sáng tuần hoàn sẽ ngày càng yếu đi trong mỗi hành trình khứ hồi của bộ cộng hưởng vì nó chịu một số tổn thất, ví dụ: khi phản chiếu ở gương. Tuy nhiên, môi trường khuếch đại có thể khuếch đại ánh sáng tuần hoàn, do đó bù đắp tổn thất nếu mức khuếch đại đủ cao. Phương tiện khuếch đại yêu cầu một số nguồn cung cấp năng lượng bên ngoài – nó cần được “bơm”, ví dụ: bằng cách bơm ánh sáng (bơm quang) hoặc dòng điện (bơm điện → laser bán dẫn).

Nguyên lý khuếch đại của laser là phát xạ kích thích.

Dao động laser

Thiết lập một laser trạng thái rắn được bơm quang học đơn giản, bộ cộng hưởng laser được chế tạo từ một gương cong có độ phản xạ cao và một gương phẳng truyền qua một phần tại bộ ghép đầu ra giúp trích xuất một số ánh sáng laser tuần hoàn làm đầu ra hữu ích. Môi trường khuếch đại là một tinh thể quang học hoặc tinh thể thanh laser, được bơm bên cạnh, ví dụ: với ánh sáng từ điốt laser hoặc đèn flash.

Tia laser không thể hoạt động nếu mức tăng nhỏ hơn mức tổn thất của bộ cộng hưởng; khi đó thiết bị sẽ ở dưới ngưỡng được gọi là tia laser và chỉ phát ra một số ánh sáng phát quang yếu. Công suất đầu ra đáng kể chỉ đạt được khi công suất bơm vượt quá ngưỡng laser, trong đó mức tăng có thể đạt tới (hoặc tạm thời vượt quá) mức tổn thất của bộ cộng hưởng.

Phân loại laser

Loại Trung bình Chiều dài bước sóng dao động (nm)
Laser rắn Nd: YAG, ND: YVO4 1064
Laser khí CO2 10600
Laser bán dẫn AIGaAs, AIGaInP, GaN, v.v… Đa dạng
Laser sợi quang Sợi được pha tạp Nd/Yb 1000 đến 1150

Laser được phân loại dựa theo môi trường của nó và thường được chia thành 4 nhóm chính. Một số thành phần thay đổi tùy thuộc vào sự phân loại của laser là môi trường, cấu trúc, chiều dài bước sóng dao động và nguồn kích từ của laser. Môi trường laser là vật liệu bao gồm các nguyên tử chuyển đổi ánh sáng bơm thành ánh sáng laser

Laser rắn Laser phổ biến nhất là laser YAG và các laser YVO4 , là laser sử dụng các tinh thể YAG và YVO4 cho môi trường laser
Laser khí Laser CO2 , laser sử dụng khí CO2 làm môi trường của mình, được sử dụng rộng rãi.
Laser bán dẫn Những laser này sử dụng chất bán dẫn với một lớp hoạt động (lớp phát quang) làm môi trường.
Laser sợi quang Những laser này được sử dụng rộng rãi hơn kể từ năm 2000. Đúng như tên gọi, chúng sử dụng sợi quang học làm môi trường.

Cấu tạo bộ dao động laser fiber

Laser sợi quang sử dụng các sợi quang làm môi trường và có công nghệ khuếch đại rơ le giao tiếp khoảng cách xa, điều này đã giúp phát triển các laser hiệu suất cao.

Sợi quang học có lõi giúp truyền ánh sáng dọc theo trung tâm của sợi và lớp vỏ đồng tâm bao quanh lõi.

Laser sợi quang sử dụng lõi này làm môi trường laser để khuếch đại ánh sáng. Lõi được pha thêm Yb (ytteribum). Trong thành phần chung của laser sợi quang, một đi-ốt laser (hạt LD) được sử dụng để tạo ra ánh sáng xung gọi là ánh sáng hạt, và sử dụng hai trạng thái bộ khuếch đại sợi quang trở lên để khuếch đại ánh sáng.

Bộ dao động laser fiber

Các đi-ốt laser bơm bao gồm nhiều đi-ốt laser đơn cực phát xạ (mỗi đi-ốt có một lớp phát quang
đơn). Các đi-ốt laser có hiệu suất thấp, vì vậy hệ thống này có ưu điểm gia tăng tải nhiệt, cho phép một tuổi thọ dài. Ngoài ra, gia tăng số lượng đi-ốt laser cũng gia tăng hiệu suất của laser. Laser sợi quang có hiệu quả dao động cao hơn và mức tiêu thụ điện thấp hơn laser rắn và laser khí.

Sợi quang khuếch đại (tiền khuếch đại và khuếch đại chính) bao gồm ba lớp: lớp lõi và hai lớp vỏ. Ánh sáng bơm di chuyển dọc theo lớp vỏ bọc bên trong và lõi pha Yb, làm các nguyên tử trong lõi đổi sang trạng thái kích thích. Laser truyền đi khi được lõi bao bọc. Laser được khuếch đại bởi những nguyên tử di chuyển càng xa, thì cường độ laser càng mạnh.

Ánh sáng di chuyển chỉ theo một hướng và không qua trở lại, điều này khác với laser rắn và laser khí.

 

Quý Khách hàng quan tâm đến các sản phẩm máy hàn laser do Automech cung cấp xin vui lòng liên hệ để được tư vấn hoặc tham khảo tại website của chúng tôi

Website: https://automech.vn/