Các thành phần cốt lõi chính của laser là gì?

Từ máy quét mã vạch tại quầy thu ngân siêu thị đến dao phẫu thuật chính xác trong bệnh viện, từ các buổi trình diễn ánh sáng rực rỡ trên sân khấu đến tia lửa bắn ra khi các tấm thép dày được cắt trong nhà máy, laser đã len lỏi vào mọi khía cạnh của cuộc sống hiện đại. Và tất cả điều này bắt nguồn từ một thiết bị có thể "kích thích" ánh sáng và tập trung nó thành một nguồn năng lượng mạnh mẽ - laser. 
I. Nguồn Năng Lượng: Nguồn Bơm
Nguồn bơm là "động cơ" của laser. Chức năng cốt lõi của nó là cung cấp năng lượng cho chất hoạt động, đặt nền móng cho việc tạo ra laser. Giống như một máy bơm nước hút nước từ mức thấp hơn lên mức cao hơn, nguồn bơm "bơm" các nguyên tử hoặc phân tử từ mức năng lượng thấp hơn lên mức năng lượng cao hơn, tạo ra sự đảo ngược số hạt (đây là điều kiện then chốt để tạo ra laser). 
Các loại nguồn bơm phổ biến bao gồm: 
Bơm quang học: Sử dụng ánh sáng từ một nguồn sáng mạnh (chẳng hạn như đèn xenon, đèn krypton) hoặc một laser khác (chẳng hạn như diode laser) để chiếu xạ chất hoạt động. Đây là phương pháp phổ biến nhất được sử dụng trong laser thể rắn (chẳng hạn như laser YAG). 
Bơm điện: Trực tiếp áp dụng dòng điện vào chất hoạt động, gây ra sự kích thích hạt thông qua va chạm electron. Đây là phương pháp bơm chính cho laser bán dẫn (diode laser) và laser khí (chẳng hạn như laser CO₂). 
Bơm hóa học: Sử dụng năng lượng được giải phóng bởi các phản ứng hóa học để kích thích các hạt, thường được sử dụng trong một số laser khí công suất cao. 
Hiệu suất của nguồn bơm trực tiếp quyết định hiệu quả và công suất đầu ra của laser. Nó là bước đầu tiên trong việc tạo ra laser và là một bước quan trọng. 
II. Thể Phát Sáng: Môi Trường Khuếch Đại/Chất Hoạt Động
Môi trường khuếch đại, còn được gọi là chất hoạt động, là "sân khấu chính" của laser và là nơi laser thực sự bắt nguồn. Nó xác định các đặc tính cốt lõi của laser, chẳng hạn như bước sóng đầu ra (màu sắc) và công suất tiềm năng. 
Dựa trên trạng thái vật chất, chúng chủ yếu được chia thành bốn loại: 
Môi trường khí: chẳng hạn như carbon dioxide (CO₂), helium-neon (He-Ne), ion argon (Ar⁺), v.v. Chúng có thể tạo ra các chùm tia laser liên tục và chất lượng cao, và được sử dụng rộng rãi trong cắt, điều trị y tế và nghiên cứu khoa học. 
Môi trường lỏng: Chẳng hạn như dung môi hữu cơ pha tạp với thuốc nhuộm. Nó được đặc trưng bởi khả năng điều chỉnh bước sóng đầu ra liên tục trong một phạm vi nhất định và thường được sử dụng trong nghiên cứu quang phổ. 
Môi trường rắn: Chẳng hạn như garnet nhôm yttrium pha tạp neodymium (Nd:YAG), tinh thể ruby hoặc thủy tinh neodymium. Chúng có cấu trúc chắc chắn và có thể tạo ra các xung laser năng lượng cao, công suất cao, khiến chúng trở thành lựa chọn ưu tiên trong xử lý công nghiệp và ứng dụng quân sự. 
Vật liệu bán dẫn: chẳng hạn như gallium arsenide (GaAs) và các hợp chất khác. Chúng có kích thước nhỏ, hiệu quả cao và dễ dàng bị bơm điện. Chúng là lực lượng chủ chốt tuyệt đối trong các lĩnh vực như thông tin liên lạc quang học, đọc đĩa quang và in laser. 
Khi các hạt trong môi trường khuếch đại bị kích thích bởi nguồn bơm, chúng sẽ trải qua quá trình phát xạ kích thích và giải phóng các photon mới giống hệt các photon tới, từ đó đạt được sự khuếch đại quang học. 
III. Linh Hồn Cộng Hưởng: Bộ Cộng Hưởng Quang Học
Bộ cộng hưởng quang học là "cỗ máy rèn chất lượng" của laser. Nó xác định tính định hướng và tính đơn sắc của laser. Nó thường bao gồm hai gương phản xạ được đặt cẩn thận đối diện nhau. Một là gương phản xạ toàn phần (với tỷ lệ phản xạ gần 100%), và một là gương phản xạ một phần (gương ghép nối đầu ra, với tỷ lệ phản xạ khoảng 90% - 99%). 
Các chức năng cốt lõi của nó là ba: 
Phản hồi dương: Nó khiến các photon được tạo ra bởi phát xạ kích thích liên tục phản xạ giữa hai gương, liên tục kích hoạt phản ứng dây chuyền giống như phát xạ kích thích, dẫn đến sự gia tăng theo cấp số nhân về cường độ ánh sáng. 
Chọn chế độ: Chỉ các bước sóng ánh sáng cụ thể truyền dọc theo hướng trục mới có thể dao động ổn định và được khuếch đại lớn trong khoang, điều này làm tăng đáng kể tính đơn sắc (độ tinh khiết màu) của laser. 
Đầu ra có hướng: Cuối cùng, một phần của laser cực mạnh sẽ được truyền qua bộ phản xạ một phần, tạo thành một chùm tia laser hội tụ cao và phân kỳ hẹp. 
Nếu không có bộ cộng hưởng quang học, chất hoạt động chỉ phát ra huỳnh quang thông thường có hướng ngẫu nhiên và bước sóng khác nhau. Tuy nhiên, với nó, chúng ta đã rèn ra "laser" chính xác và tinh khiết mà chúng ta thấy. 
IV. Những nét hoàn thiện cuối cùng: Hệ thống làm mát và điều khiển
Đối với phần lớn các thiết bị laser (đặc biệt là những thiết bị có công suất trung bình đến cao), một hệ thống làm mát là không thể thiếu. Phần lớn năng lượng do nguồn bơm đưa vào được chuyển đổi thành nhiệt, khiến nhiệt độ của môi trường khuếch đại tăng lên nhanh chóng, dẫn đến suy giảm hiệu suất hoặc thậm chí hư hỏng. Một hệ thống làm mát hiệu quả (chẳng hạn như làm mát bằng nước, làm mát bằng không khí hoặc làm mát bán dẫn TEC) có thể đảm bảo hoạt động ổn định và liên tục của laser. 
Trong khi đó, hệ thống điều khiển là cốt lõi của laser. Nó sử dụng các mạch và phần mềm chính xác để điều chỉnh dòng điện của nguồn bơm, điều khiển hoạt động của hệ thống làm mát và có thể tích hợp các thành phần như công tắc Q và bộ điều biến để đạt được sự kiểm soát chính xác đầu ra laser (chẳng hạn như độ rộng xung và tần số), để đáp ứng các yêu cầu của các tình huống ứng dụng khác nhau. 
Tóm lại, nguồn bơm cung cấp năng lượng, môi trường khuếch đại chịu trách nhiệm khuếch đại ánh sáng, bộ cộng hưởng quang học định hình chất lượng của laser và hệ thống làm mát và điều khiển đảm bảo hoạt động ổn định của nó. Bốn thành phần cốt lõi này giống như một đội phối hợp cao, không thể thiếu lẫn nhau. Chính sự hợp tác liền mạch giữa chúng đã biến ánh sáng thông thường thành một công cụ mạnh mẽ có khả năng thay đổi thế giới, liên tục thúc đẩy sự tiến bộ mang tính cách mạng trong công nghệ và công nghiệp.