Tổng quan về laser

ác mặt của hộp. Nếu một hoặc cả hai gương có bề mặt cầu, thì sự thất thoát ánh sáng do sự không thẳng hàng có thể giảm bớt hoặc bị loại trừ. Do tính hội tụ của gương cầu, ánh sáng bị giới hạn trong hộp ngay cả khi các gương không chính xác thẳng hàng với nhau, hoặc nếu ánh sáng không được phát ra chính xác dọc theo trục của hộp. Có một số biến tấu thiết kế sử dụng kết hợp cả gương phẳng và gương cầu để đảm bảo ánh sáng luôn luôn hội tụ trở lại phía gương đối diện. Một cấu hình thuộc loại này có tên là hộp cộng hưởng bền, do ánh sáng phản xạ từ một gương đi tới gương kia sẽ tiếp tục dao động mãi mãi nếu như không có ánh sáng nào bị thất thoát. Trong môi trường laser có độ lợi thấp, hộp cộng hưởng rất quan trọng trong việc tối đa hóa việc sử dụng bức xạ cưỡng bức. Trong laser độ lợi cao, sự mất mát mức thấp từ các mặt của hộp không có tính quyết định. Thật ra, các thiết kế hộp cộng hưởng không bền có thể được ưa chuộng hơn vì chúng thường dễ thu năng lượng từ một thể tích lớn hơn trong môi trường laser, mặc dù chúng cho phép ánh sáng thất thoát. Các gương trong laser độ lợi cao thường thường trong suốt hơn các gương trong laser có độ lợi thấp hơn, cho nên một tia sáng cho trước chỉ có thể truyền một lần qua hộp trước khi xuất hiện trong chùm tia. Do đó, sự sắp thẳng hàng của các gương không có tính quyết định như trong laser độ lợi thấp, nơi mà hệ số phản xạ của gương ra làm cho ánh sáng phản xạ nhiều lần trước khi xuất hiện ra ngoài. Chiều dài hộp laser và bước sóng ánh sáng tác động lẫn nhau để tạo ra mode dọc của sự phân bố năng lượng trong chùm tia, còn thiết kế hộp cộng hưởng là một nhân tố then chốt trong việc xác định sự phân bố cường độ theo chiều rộng của chùm tia, và tỉ lệ mà chùm tia phân kì. Cường độ cắt ngang chùm tia được xác định bằng mode ngang của chùm. Những phân bố có khả năng trong cường độ chùm tia được giới hạn bởi cái gọi là các điều kiện biên nhất định, nhưng thường thì một chùm tia biểu hiện một, hai, hoặc hơn hai đỉnh ở giữa, với cường độ không ở các rìa ngoài. Các mode khác nhau này được gọi là mode TEM(mn), viết tắt của các từ mode ngang (Tranverse), mode điện (Electric) và mode từ (Magnetic), trong đó m và n là các số nguyên. Các số nguyên cho biết số cực tiểu, hay số điểm cường độ bằng không, giữa các rìa của chùm theo hai hướng vuông góc nhau (m cho mode E và n cho mode M). Một chùm laser điển hình sáng nhất tại trung tâm và giảm dần cường độ về phía ngoài rìa. Đây là mode bậc nhất đơn giản nhất, kí hiệu là TEM(00) và có cường độ cắt ngang chùm tuân theo hàm Gauss. Hình 8 minh họa một vài trong số nhiều mode TEM(mn) khả dĩ. Mặc dù một số laser hộp cộng hưởng bền, đặc biệt là những laser được thiết kế cho công suất ra cực đại, hoạt động ở một hoặc nhiều mode bậc cao, nhưng người ta thường muốn loại bỏ những dao động này. Mode bậc nhất có thể thu được dễ dàng trong các laser độ lợi thấp hộp cộng hưởng bền, và là mode được ưa chuộng vì chùm tia trải rộng do sự nhiễu xạ có thể tiến đến một giá trị cực tiểu lí thuyết. Hình 8. Mode ngang của chùm laser Nhiễu xạ đóng một vai trò quan trọng trong việc xác định kích thước của đốm laser có thể chiếu tới một khoảng cách cho trước. Dao động của chùm tia trong hộp cộng hưởng tạo ra một chùm hẹp sau đó phân kì ở một số góc phụ thuộc vào thiết kế hộp cộng hưởng, kích thước của lỗ hở ra, và gây ra các hiệu ứng nhiễu xạ trên chùm tia. Sự nhiễu xạ thường được mô tả là hiệu ứng trải rộng chùm tia, hình thành nên các vòng nhiễu xạ (gọi là vòng Airy) bao quanh chùm tia khi sóng ánh sáng truyền qua một lỗ nhỏ. Hiện tượng nhiễu xạ này đặt ra giới hạn về đường kính tối thiểu của đốm sáng sau khi truyền qua một hệ quang học. Đối với laser, chùm trải rộng từ gương ra có thể được xem là qua một lỗ nhỏ, và hiệu ứng nhiễu xạ trên chùm tia do gương gây ra sẽ giới hạn độ phân kì tối thiểu và kích thước đốm sáng của chùm. Đối với các chùm mode TEM(00), nhiễu xạ thường là nhân tố giới hạn sự phân kì của chùm. Giá trị danh nghĩa của sự phân kì chùm tia được cho bởi mối quan hệ đơn giản sau: Độ phân kì (radian) = Hằng số ? Bước sóng / Đường kính chùm tia Nếu chùm tia laser truyền qua một hệ quang học, giá trị đường kính thích hợp trong phương trình trên là đường kính của thành phần cuối mà chùm tia truyền qua. Hằng số trong phương trình phụ thuộc vào sự phân bố cường độ trong chùm, và có giá trị rất gần thống nhất với nhau. Mỗi quan hệ rõ ràng cho thấy độ phân kì chùm tia tăng theo bước sóng, và giảm khi đường kính chùm (hoặc thấu kính ra) tăng. Nói cách khác, đường kính chùm càng nhỏ thì chùm càng bị phân kì nhiều và càng trải rộng ra theo khoảng cách so với chùm lớn. Giá trị của độ phân kì chùm tia đối với một laser cho trước có thể có ý nghĩa thực hành rất lớn. Laser helium-neon và laser bán dẫn trở thành những công cụ chuẩn trong lĩnh vực trắc địa. Người ta gởi một xung laser nhanh tới một gương phản xạ góc đặt tại nơi cần lập bản đồ, và độ trễ của xung laser phản xạ lại có thể được đo chính xác để thu được khoảng cách tới nơi đặt laser. Trên những khoảng cách ngắn thông thường, độ phân kì chùm tia không phải là vấn đề quan trọng, những đối với những phép đo khoảng cách xa, sự phân kì quá mức có thể làm giảm cường độ chùm tia phản xạ, và cản trở việc đo đạc. Các nhà du hành người Mĩ trên sứ mệnh Apollo 11 và Apollo 14 đã đặt một cái gương phản xạ góc trên Mặt Trăng, nó sẽ phản xạ ánh sáng từ một laser ruby xung công suất lớn đặt tại đài quan sát MacDonald, ở Texas. Mặc dù chùm tia trải ra trong bán kính 3km trên bề mặt Mặt Trăng, ánh sáng phản xạ vẫn có cường độ đủ mạnh để thu nhận được trên Trái Đất. Khoảng cách từ Mặt Trăng đến đài quan sát Texas được đo với độ chính xác 15cm trong thí nghiệm này, nhưng kể từ thập niên 1980, những tiến bộ kĩ thuật đã tăng độ chính xác lên dưới 2cm. Những cố gắng hiện nay đang được thực hiện sử dụng các kính thiên văn công suất lớn để truyền và nhận các xung ánh sáng từ một vài gương phản xạ đặt trên Mặt Trăng để làm giảm hơn nữa sai số đo, có thể chỉ khoảng 1mm. Do cơ chế tạo ra hoạt động laser liên quan tới việc làm tăng số nguyên tử hay phân tử lên trạng thái kích thích cao nhằm tạo ra sự nghịch đảo dân cư cần thiết, nên hiển nhiên một số dạng năng lượng phải được đưa vào hệ laser. Các photon có thể được áp dụng để cung cấp năng lượng cần thiết trong một quá trình gọi là bơm quang học. Bằng cách chiếu sáng vật liệu laser với ánh sáng có bước sóng thích hợp, nguyên tử hay phân tử phát xạ có thể được đưa lên mức năng lượng cao, từ đó nó rơi xuống mức siêu bền, và rồi bị cưỡng bức phát xạ ra ánh sáng. Thật may mắn, trong đa số laser, ánh sáng dùng để bơm không nhất thiết phải có bước sóng đặc biệt, chủ yếu do laser có thể có nhiều mức cao có thể phân hủy hoàn toàn xuống mức siêu bền. Do đó, một nguồn ánh sáng không đắt tiền phát ra một ngưỡng rộng bước sóng, như đèn nóng sáng hay đèn flash, thường có thể được dùng làm bơm quang học cho laser. Một nhân tố quan trọng giới hạn hiệu suất laser là photon của ánh sáng bơm phải có năng lượng cao (hay có bước sóng ngắn hơn) so với ánh sáng laser. Bơm điện là một cơ chế kích thích khác thường được dùng trong laser khí và laser bán dẫn. Trong laser khí, dòng điện truyền qua chất khí kích thích các nguyên tử và phân tử vào mức năng lượng cao cần thiết để bắt đầu phân hủy, hoặc phân hủy một loạt, tạo ra phát xạ laser. Một số laser khí dẫn một dòng không đổi qua chất khí để tạo sự phát ra laser liên tục, còn những laser dùng xung điện thì tạo ánh sáng laser ra dạng xung. Một số laser công suất lớn còn sử dụng chùm electron đưa trực tiếp vào chất khí để kích thích. Laser bán dẫn hoạt động theo kiểu rất khác, nhưng cũng dựa trên dòng điện để tạo ra sự nghịch đảo dân cư cần thiết. Trong những dụng cụ này, sự nghịch đảo được tạo ra giữa dân cư của các hạt mang điện (electron và cặp electron-lỗ trống) trong mặt phẳng tiếp giáp giữa các vùng chất bán dẫn khác nhau. Sự phát xạ ánh sáng trong laser bán dẫn tập trung trong mặt phẳng tiếp giáp bởi sự phản hồi từ các đầu chẻ của tinh thể (hình 9). Vật liệu lát mỏng có hệ số phản xạ cao, và phản xạ đủ ánh sáng trở lại tinh thể để thu được độ lợi. Bề mặt chẻ cũng có thể được đánh bóng để điều chỉnh hệ số phản xạ. Đầu chẻ điển hình của tinh thể được phủ một vật liệu phản xạ sao cho sự phát xạ chỉ có thể xảy ra ở một đầu, như được minh họa trên hình 9. Điện thế và dòng điện cần thiết trong laser bán dẫn thấp hơn nhiều so với laser khí. Hình 9. Diode laser bán dẫn Các dạng truyền năng lượng khác ít được sử dụng hơn để tạo ra sự chuyển trạng thái laser mạnh. Các phản ứng hạt nhân và hóa học có thể được dùng để tạo ra sự kích thích trong một số loại laser. Các laser khí có thể dùng những hỗn hợp khí khác nhau để thực hiện quá trình laser. Trong laser helium-neon, các nguyên tử helium bắt năng lượng từ sự phóng điện khí do một dòng điện vào gây ra, rồi truyền sang các mức năng lượng rất gần nhau tồn tại trong khí neon. Sau đó sự chuyển trạng thái laser xảy ra trong khí neon để tạo ra phát xạ laser. Laser vốn dĩ không hiệu quả. Năng lượng phải được cung cấp cho laser, và một số bị thất thoát trong quá trình biến đổi sang loại năng lượng có trật tự cao hơn là dạng ánh sáng laser. Như đã nói ở phần trên, đối với laser bơm quang học, ánh sáng laser ra luôn luôn có bước sóng dài hơn bước sóng ánh sáng bơm. Những mất mát năng lượng khác xảy ra trong các quá trình chuyển mức năng lượng xảy ra trong laser ba mức và bốn mức. Sau kích thích ban đầu lên mức cao, sự chuyển trạng thái laser tự nó chỉ có thể giải phóng một phần năng lượng đó, đáng nói là phần còn lại bị mất trong những quá trình khác. Trong một số hệ thống, với sự chuyển trạng thái laser năng lượng cao, đa phần năng lượng được dùng chỉ để đưa các loại laser lên mức thích hợp, nằm trên trạng thái cơ bản. Quá trình kích thích, dù bằng phương pháp điện hay phương pháp quang, không có hiệu suất 100% - và năng lượng chưa bao giờ được hấp thụ hoàn toàn bởi môi trường laser. Tất cả những nhân tố chính này, và một số nhân tố thứ yếu không nói đến ở đây, thật sự giới hạn hiệu suất tổng thể của laser. Mặc dù những laser bán dẫn hiệu quả nhất và một số laser khí có thể biến đổi gần 10% năng lượng vào thành ánh sáng laser, nhưng laser điển hình có hiệu suất chỉ cỡ 1% hoặc thấp hơn. Trong vài thập kỉ kể từ thập niên 1960, laser đã không còn là một ý tưởng khoa học viễn tưởng, một vật hiếm trong phòng nghiên cứu, một thứ đắt tiền nữa, mà là một công cụ quý giá trong những ứng dụng khoa học nhất định, nó trở thành một vật thiết yếu trong công việc hàng ngày, và thông dụng đến mức có thể mua ở những cửa hàng tạp hóa, có người dùng nó đo kích thước phòng ở để dán giấy lên tường. Bất kì danh sách nào điểm lại những thành tựu công nghệ chủ yếu của thế kỉ 20 cũng có tên laser nằm ở phần trên đầu. Sự thâm nhập của laser vào mọi mặt đời sống hiện nay có thể được đánh giá đúng nhất bằng phạm vi ứng dụng của công nghệ laser. Ở một phía ngoạn mục của phạm vi này là những ứng dụng trong quân sự, kể cả việc sử dụng laser làm vũ khí chống lại sự tấn công bằng tên lửa. Ở một phạm vi khác là những hoạt động thường nhật như nghe nhạc trên đĩa CD, và in ấn hoặc in sao các văn bản giấy. Các thanh laser được bán hàng trăm đô la mỗi thanh được xem là những món phụ tùng không đắt tiền, cả người thợ mộc cũng sử dụng laser, và những dụng cụ đo đạc đơn giản cũng có gắn laser. Vừa kì lạ vừa bình dị, laser được sử dụng rộng rãi trong điều trị y khoa và phẫu thuật, và trong việc cắt và hàn các giàn khung bằng thép, cao su, và plastic dùng trong xưởng chế tạo ô tô và dụng cụ. Nhiệt từ laser được dùng để hàn điểm các kim loại, và trong các thủ thuật y khoa tinh vi như dán lại võng mạc sau khi mổ tách ra trong kĩ thuật phẩu thuật mắt người. Những thủ thuật y khoa chính xác cao khác như sửa chữa các mạch máu hỏng, cắt và đốt cháy mô, thường sử dụng laser. Phần lớn mạng viễn thông trên thế giới được truyền dẫn bằng việc gởi những tín hiệu laser dạng xung đi hàng dặm đường trong các sợi cáp quang, và những đồ tạo tác mang ý nghĩa văn hóa, như những bức tranh thời cổ đại, thường được thẩm định sự rạn nứt, hỏng hóc và phục hồi với sự hỗ trợ của laser. Cùng với máy tính điện tử, mạch tích hợp, và vệ tinh nhân tạo, công nghệ laser phát triển ngày càng trở nên quan trọng trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta, biến những giấc mơ nhiều năm trước đây của loài người thành sự thật. Tác giả: Kenneth R. Spring, Thomas J. Fellers và Michael W. Davidson ( davidson@magnet.fsu.edu )