Định nghĩa tia Laser: Cấu tạo, Tính chất và Ứng dụng

Định nghĩa tia laser là gì?

Laser (đọc là la-de hoặc lây-dơ) là tên viết tắt của cụm từ Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation trong tiếng Anh, có nghĩa là "khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ kích thích".

Tia laser mà chúng ta thường thấy là một nguồn ánh sáng nhân tạo thu được nhờ vào sự khuếch đại ánh sáng bằng bức xạ phát ra trong điều kiện kích hoạt cao độ các phần tử của môi trường vật chất.

Ngày 16-5-1960, nhân loại ghi nhận thiết bị đầu tiên do nhà vật lý người Mỹ Theodore Maiman tạo ra, có khả năng tạo một chùm tia hồng ngoại đơn sắc, đồng hướng tập trung và có cùng bước sóng là 0,674 micromet. Đó chính là tia laser và giả thuyết Einstein đã được kiểm chứng.

Cơ cấu Maiman tạo tia laser được mô tả như sau: việc kích thích cùng lúc nhiều nguyên tử để tạo ra chùm tia đơn sắc đồng pha là không khả thi. Do đó, chỉ vài photon được phát ra để kích thích ban đầu.

Với hiệu ứng như Einstein mô tả, số lượng photon sẽ nhân lên gấp đôi. Với hai gương phản xạ đặt ở hai đầu thiết bị kích hoạt (gain medium), số lượng photon sẽ tiếp tục nhân lên. Với sự thay đổi trạng thái trong vài nano giây của một electron, các photon này được xem như đồng bộ. Trong hai gương phản xạ, có một gương phản xạ bán phần để các photon có thể thoát ra.

Tiếp theo Maiman đã có một đội quân các nhà khoa học, kỹ sư, nhà tư bản tiếp tục cải tiến để đưa ý tưởng ra khỏi phòng thí nghiệm. Ngày nay, laser có những ứng dụng rộng rãi ở các lĩnh vực y tế, quốc phòng, viễn thông, tự động hóa...

Cấu tạo của laser

Nguyên lý cấu tạo chung của một máy laser gồm có: buồng cộng hưởng chứa hoạt chất laser, nguồn nuôi và hệ thống dẫn quang. Trong đó buồng cộng hưởng với hoạt chất laser là bộ phận chủ yếu.

Buồng cộng hưởng chứa hoạt chất laser, đó là một chất đặc biệt có khả năng khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ cưỡng bức để tạo ra laser. Khi 1 photon tới va chạm vào hoạt chất này thì kéo theo đó là 1 photon khác bật ra bay theo cùng hướng với photon tới. Mặt khác buồng cộng hưởng có 2 mặt chắn ở hai đầu, một mặt phản xạ toàn phần các photon khi bay tới, mặt kia cho một phần photon qua một phần phản xạ lại làm cho các hạt photon va chạm liên tục vào hoạt chất laser nhiều lần tạo mật độ photon lớn. Vì thế cường độ chùm laser được khuếch đại lên nhiều lần. Tính chất của laser phụ thuộc vào hoạt chất đó, do đó người ta căn cứ vào hoạt chất để phân loại laser.

Tính chất của tia laser

• Độ định hướng cao: tia laser phát ra hầu như là chùm song song do đó có khả năng chiếu xa hàng nghìn km mà không bị phân tán.
• Tính đơn sắc rất cao: chùm sáng chỉ có một màu (hay một bước sóng) duy nhất. Do vậy chùm laser không bị tán xạ khi đi qua mặt phân cách của hai môi trường có chiết suất khác nhau. Đây là tính chất đặc biệt nhất mà không nguồn sáng nào có.
• Tính đồng bộ của các photon trong chùm tia laser: Có khả năng phát xung cực ngắn: cỡ mili giây (ms), nano giây, pico giây, cho phép tập trung năng lượng tia laser cực lớn trong thời gian cực ngắn.

Ứng dụng của laser

-  Dùng để đo khoảng cách, ví dụ như để đo khoảng cách chính xác từ Trái Đất đến Mặt Trăng.

-  Dùng trong biểu diễn nghệ thuật: Trình chiếu laze 3D, tạo người ảo, ...

-  Dùng để khoan cắt các lỗ nhỏ trên các bề mặt kim loại.

-  Dùng trong các phẫu thuật tinh vi.

-  Dùng là tia dẫn đường cho tên lửa, ...

-  Dùng là đầu đọc đĩa CD, làm bút chỉ bẳng

-  Dùng trong thông tin bằng cáp quang.