Tổng quan về laser

Là một trong những dụng cụ có hiệu suất thuộc vào loại tồi - chỉ trên dưới 1% - nhưng những tia sáng laser kì diệu ngày càng thâm nhập sâu vào đời sống của con người. Bài viết trình bày chi tiết những vấn đề có liên quan đến kĩ thuật laser, từ lịch sử phát mính cho đến nguyên lí hoạt động và ứng dụng...

Trong những bộ phim khoa học viễn tưởng nổi tiếng hồi thập niên 1950, các con quái vật thường được miêu tả có khả năng phát ra những tia sáng gây chết người từ đôi mắt của chúng (xem hình 1), nhưng cho tới khi phát minh ra laser thì các chùm năng lượng mãnh liệt và tập trung như thế cũng chỉ là tưởng tượng mà thôi. Ngày nay, người ta có thể sửa đổi, thăm dò, hay phá hủy vật chất bằng cách sử dụng các bức xạ tập trung cao phát ra từ các nguồn năng lượng gọi là laser. Hầu như tất cả ánh sáng mà chúng ta nhìn thấy hàng ngày, từ ánh sáng Mặt Trời, các vì sao, các bóng đèn nóng sáng và đèn huỳnh quang, cho đến các bộ ti vi, đều xảy ra tự phát khi các nguyên tử và phân tử tự giải phóng năng lượng thừa của chúng.

alt

Hình 1. Quái vật mắt laser của thập niên 1950

Ánh sáng tự nhiên và ánh sáng nhân tạo thông thường được phát ra bởi sự thay đổi năng lượng ở các mức nguyên tử và phân tử xảy ra mà không cần có sự can thiệp từ bên ngoài. Tuy nhiên, loại ánh sáng thứ hai tồn tại và xảy ra khi nguyên tử hay phân tử vẫn giữ năng lượng dư thừa của nó cho đến khi bị cưỡng bức phải phát ra năng lượng dưới dạng ánh sáng. Laser được chế tạo để tạo ra và khuếch đại dạng ánh sáng cưỡng bức này thành các chùm cường độ mạnh và tập trung. Laser là từ viết tắt của Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation (Khuếch đại ánh sáng bằng sự phát bức xạ cưỡng bức). Tính chất đặc biệt của ánh sáng laser khiến cho kĩ thuật laser trở thành một công cụ thiết yếu trong hầu như mọi mặt đời sống hàng ngày, như viễn thông, giải trí, sản xuất và y khoa.

Albert Einstein đã tình cờ đặt bước đầu tiên trong sự phát triển laser với việc nhận thấy có khả năng có hai loại phát xạ. Trong một bài báo công bố năm 1917, ông là người đầu tiên đề xuất sự tồn tại của phát xạ cưỡng bức. Trong nhiều năm, các nhà vật lí cho rằng sự phát xạ tự phát của ánh sáng là hình thức khả dĩ và trội nhất, và bất cứ sự phát xạ cưỡng bức nào cũng đều phải yếu hơn nhiều lần. Mãi đến sau Thế chiến thứ hai, người ta mới bằt đầu tìm kiếm những điều kiện cần thiết cho sự phát xạ cưỡng bức chiếm ưu thế, và làm cho một nguyên tử hay phân tử kích thích nguyên tử hay phân tử khác, tạo ra hiệu ứng khuếch đại ánh sáng phát xạ.

Một nhà khoa học tại trường đại học Columbia , Charles H. Townes, là người đầu tiên thành công trong việc khuếch đại bức xạ cưỡng bức hồi đầu thập niên 1950, nhưng nghiên cứu của ông tập trung vào các sóng viba (có bước sóng dài hơn nhiều so với bước sóng ánh sáng khả kiến), và ông đặt tên cho dụng cụ của mình là maser. Các nhà khoa học khác theo chân ông chế tạo maser thành công, và một lượng đáng kể các nỗ lực tập trung vào cố gắng tạo ra bức xạ cưỡng bức ở các bước sóng ngắn hơn. Nhiều khái niệm cơ sở cho sự ra đời của laser được phát triển cũng khoảng thời gian đó, cuối thập niên 1950, bởi Townes và Arthur Schawlow (thuộc Phòng thí nghiệm Bell ) và bởi Gordon Gould ở trường đại học Columbia . Gould đi thẳng tới việc đăng kí bằng sáng chế chứ không công bố ý tưởng của mình, và mặc dù ông được công nhận là người đặt ra từ “laser”, nhưng cũng phải mất gần 30 năm sau ông mới nhận được một vài bằng sáng chế. Vẫn có sự bất đồng về người xứng đáng được công nhận cho khái niệm laser. Hai người Xô Viết, Nikolai Basov và Aleksander Prokhorov, cùng chia giải Nobel vật lí năm 1964 với Townes cho nghiên cứu tiên phong của họ về các nguyên lí nền tảng cho maser và laser. Schawlow thì chia giải Nobel vật lí năm 1981 cho nghiên cứu của ông về laser.

Việc công bố công trình của Schawlow và Townes kích thích một nỗ lực to lớn nhằm chế tạo một hệ laser hoạt động được. Tháng 5/1960, Theodore Maiman, làm việc tại Phòng nghiên cứu Hughes, chế tạo được một dụng cụ bằng thỏi ruby tổng hợp, được công nhận là laser đầu tiên. Laser ruby của Maiman phát ra các xung ánh sáng đỏ kết hợp cường độ mạnh có bước sóng 694 nanomet, trong một chùm hẹp có mức độ tập trung cao, khá tiêu biểu cho những đặc tính biểu hiện bởi nhiều laser hiện nay. Laser đầu tiên dùng một thỏi ruby nhỏ có hai đầu mạ bạc để phản xạ ánh sáng, bao quanh bởi một đèn flash xoắn ốc, và đủ nhỏ để cầm trong tay. Điều thú vị là nhà nhiếp ảnh được Phòng thí nghiệm Hughes ủy quyền để quảng cáo phát minh mới cho rằng laser thực tế quá nhỏ và chụp Maiman trong tư thế với laser lớn hơn mãi đến sau này vẫn không hoạt động được. Bức ảnh chụp Maiman cùng với laser “hoành tráng hơn” đó vẫn được lưu truyền và sử dụng trong nhiều ấn phẩm.

Mặc dù laser phát ra ánh sáng khả kiến là phổ biến nhất, nhưng các nguyên lí cơ bản có thể áp dụng được cho nhiều vùng phổ điện từ. Sự phát xạ cưỡng bức đầu tiên thu được trong vùng vi ba của phổ điện từ, nhưng hiện nay laser có mặt trên thị trường còn phát ra ánh sáng cực tím và hồng ngoại, và tiến bộ đang được thực hiện theo hướng tạo ra laser trong vùng phổ tia X. Các laser thực tế được sử dụng hiện nay có công suất phát từ dưới 1 miliwatt cho đến nhiều kilowatt, và một số tạo ra cả nghìn tỉ watt trong những xung cực ngắn. Hình 2 cho thấy một số loại laser điển hình, có kích thước đủ cỡ và ứng dụng rộng rãi. Các phòng thí nghiệm thuộc quân đội và phòng thí nghiệm khác đã chế tạo được những thiết bị laser chiếm cả một tòa nhà, trong khi những laser phổ biến nhất sử dụng dụng cụ bán dẫn kích thước bằng một hạt cát.

Để hiểu được các nguyên lí cơ bản của laser, điều cần thiết là phải giải thích cách thức bức xạ cưỡng bức được tạo ra và khuếch đại. Nguyên lí đầu tiên trong số các nguyên lí này là cần thiết, bởi vì laser vốn dĩ là một dụng cụ cơ lượng tử và bản chất lượng tử của năng lượng phải được kể đến để giải thích hoạt động của laser. Vật lí cổ điển cho rằng năng lượng có thể biến thiên liên tục và đều đặn, và các nguyên tử và phân tử có thể có bất kì lượng năng lượng nào. Công trình nghiên cứu của Einstein, cáo trở thành chìa khóa cho sự phát triển của cơ học lượng tử, cho rằng năng lượng tồn tại trong từng đơn vị gián đoạn, hay lượng tử, và các nguyên tử và phân tử (và do đó là mọi đối tượng khác) bị hạn chế chỉ có những lượng năng lượng gián đoạn nhất định.

alt

Hình 2. Một số loại laser thông dụng

Thêm một vài khái niệm nữa cũng cần thiết để hiểu được hoạt động laser, bắt đầu là photon và mức nguyên tử và xuất phát từ nguyên tắc lượng tử hóa:

  • Sự lượng tử hóa năng lượng trong nguyên tử làm cho nguyên tử có các mức năng lượng gián đoạn.
  • Sự chuyển từ mức năng lượng này sang mức năng lượng khác phải xảy ra cùng với sự phát xạ ánh sáng.
  • Một số loại chuyển trạng thái xảy ra và ảnh hưởng đến lượng năng lượng trong sự chuyển đó.
  • Sự phát xạ tự phát và cưỡng bức có thể xảy ra do sự chuyển mức năng lượng.
  • Nghịch đảo dân cư giữa các mức năng lượng phải thu được để khuếch đại sự phát bức xạ cưỡng bức.

Nếu như nguyên tử hay phân tử nằm ở một trạng thái năng lượng cao hơn trạng thái thấp nhất, hay trạng thái cơ bản, nó có thể tự phát rơi xuống mức năng lượng thấp hơn mà không cần kích thích từ bên ngoài. Một kết quả có thể xảy ra của sự rơi làm giảm trạng thái năng lượng là giải phóng năng lượng dư thừa (bằng với sự chênh lệch giữa hai mức năng lượng) dưới dạng một photon ánh sáng. Nguyên tử hay phân tử kích thích có một thời gian phát xạ đặc trưng, đó là thời gian trung bình mà chúng vẫn giữ được trạng thái năng lượng kích thích cao hơn trước khi rơi xuống mức năng lượng thấp hơn và phát ra photon. Thời gian phát xạ là một nhân tố quan trọng trong việc tạo ra phát xạ cưỡng bức, loại phát xạ thứ hai mà Einstein nêu ra.

Còn ở trạng thái kích thích, nếu nguyên tử được rọi với photon đến có cùng năng lượng chính xác như năng lượng mà sự chuyển trạng thái có thể xảy ra tự phát, nguyên tử có thể bị cưỡng bức bằng photon đến để quay trở lại trạng thái năng lượng thấp hơn và đồng thời phát ra một photon có cùng năng lượng chuyển trạng thái. Một photon riêng lẻ tương tác với một nguyên tử bị kích thích do đó có thể tạo ra hai photon phát xạ. Nếu các photon phát xạ được xem là sóng, thì sự phát xạ cưỡng bức sẽ dao động cùng tần số với ánh sáng tới, và cùng pha (kết hợp), kết quả là làm khuếch đại cường độ của ánh sáng ban đầu. Hình 3 minh họa sự phát xạ tự phát (a) và cưỡng bức (b) với hai sóng kết hợp như trường hợp thứ hai ở trên.

alt

Hình 3. Các quá trình tự phát và cưỡng bức

Vấn đề quan trọng nhất trong việc thu được phát xạ laser cưỡng bức là dưới những điều kiện cân bằng nhiệt động lực học bình thường, dân cư, hay số nguyên tử hoặc phân tử ở mỗi mức năng lượng, không thuận lợi cho sự phát xạ cưỡng bức. Do các nguyên tử và phân tử có xu hướng tự rơi xuống các mức năng lượng thấp hơn nên số nguyên tử hay phân tử ở mỗi mức sẽ giảm khi năng lượng tăng. Thật vậy, dưới những điều kiện bình thường, đối với một sự chuyển mức năng lượng ứng với một bước sóng quang điển hình (vào bậc 1 electron-volt), tỉ số của số nguyên tử hay phân tử ở trạng thái năng lượng cao hơn và số nguyên tử hay phân tử ở trạng thái cơ bản thấp hơn có lẽ là 1017. Nói cách khác, hầu như tất cả các nguyên tử hay phân tử ở vào trạng thái cơ bản đối với sự chuyển mức năng lượng ánh sáng khả kiến.

Một lí do khiến sự phát xạ cưỡng bức khó thu được trở nên hiển nhiên khi xem xét các sự kiện có khả năng xảy ra quanh sự phân hủy của một electron từ một trạng thái kích thích với sự phát xạ ánh sáng sau đó và tự phát. Ánh sáng phát xạ có thể dễ dàng kích thích sự phát xạ từ các nguyên tử bị kích thích khác, nhưng một số cỏ thể gặp phải nguyên tử ở trạng thái cơ bản và bị hấp thụ chứ không gây ra phát xạ (hình 3c). Do số nguyên tử ở trạng thái kích thích ít hơn nhiều so với số nguyên tử ở trạng thái cơ bản nên photon phát xạ có khả năng bị hấp thụ nhiều hơn, bù lại thì số phát xạ cưỡng bức cũng không đáng kể so với phát xạ tự phát (ở trạng thái cân bằng nhiệt động lực học).

Cơ chế làm cho phát xạ cưỡng bức có thể lấn át là phải có số nguyên tử ở trạng thái kích thích nhiều hơn số nguyên tử ở trạng thái năng lượng thấp hơn, sao cho các photon phát xạ có khả năng gây kích thích phát xạ nhiều hơn là bị hấp thụ. Do điều kiện này là nghịch đảo trạng thái cân bằng ban đầu nên nó được gọi là sự nghịch đảo dân cư. Miễn là có nhiều nguyên tử ở trạng thái năng lượng cao hơn so với ở trạng thái năng lượng thấp hơn, thì phát xạ cưỡng bức sẽ lấn át và ta thu được dòng thác photon. Photon phát xạ ban đầu sẽ kích thích sự phát xạ của nhiều photon hơn, những photon này sau đó lại kích thích sự phát xạ ra nhiều photon hơn nữa, và cứ thế tiếp diễn. Kết quả là dòng thác photon tăng lên, ánh sáng phát xạ được khuếch đại. Nếu sự nghịch đảo dân cư chấm dứt (dân cư ở trạng thái cơ bản trở nên lấn át) thì phát xạ tự phát sẽ trở lại là quá trình chủ yếu.

Vào khoảng thời gian Einstein đề xuất ý tưởng, đa số các nhà vật lí tin rằng bất cứ điều kiện nào không phải ở trạng thái cân bằng nhiệt động lực học đều không bền và không thể được duy trì liên tục. Mãi đến sau Thế chiến thứ hai, người ta mới xem xét đến các phương pháp tạo ra sự nghịch đảo dân cư cần thiết để duy trì phát xạ cưỡng bức. Các nguyên tử và phân tử có thể chiếm giữ nhiều mức năng lượng, và mặc dù một số sự chuyển trạng thái có khả năng xảy ra hơn so với một số sự chuyển trạng thái khác (do các quy luật của cơ học lượng tử và vì những lí do khác), nhưng sự chuyển trạng thái có thể xảy ra giữa bất kì hai mức năng lượng nào. Yêu cầu tối thiểu cho sự phát xạ cưỡng bức và khuếch đại, hay hoạt động laser, là ít nhất phải có một trạng thái năng lượng cao hơn có dân cư nhiều hơn một trạng thái năng lượng thấp hơn.

Sự nghịch đảo dân cư có thể được tạo ra qua hai cơ chế cơ bản: hoặc là tạo ra dư thừa số nguyên tử hay phân tử ở một trạng thái năng lượng cao, hoặc là làm giảm dân số ở một trạng thái năng lượng thấp. Cũng có thể chọn một hệ không bền ở mức năng lượng thấp, nhưng đối với hoạt động laser liên tục, phải chú ý vừa làm tăng dân cư ở mức cao vừa làm giảm dân cư ở mức thấp. Nếu quá nhiều nguyên tử hay phân tử tích tụ ở mức năng lượng thấp thì sự nghịch đảo dân cư sẽ không còn và hoạt động laser dừng lại.

Phương pháp thông dụng nhất tạo ra sự nghịch đảo dân cư trong môi trường laser là cấp thêm năng lượng cho hệ để kích thích các nguyên tử hay phân tử lên mức năng lượng cao. Cách cấp năng lượng đơn giản bằng cách dùng nhiệt khuấy động môi trường không đủ (dưới điều kiện cân bằng nhiệt động lực học) để tạo ra sự nghịch đảo dân cư, do nhiệt chỉ làm tăng năng lượng trung bình của các hạt, chứ không làm tăng số loại trạng thái kích thích tương đối so với trạng thái thấp. Tỉ số của số nguyên tử ở hai mức năng lượng (1 và 2) dưới trạng thái cân bằng nhiệt động lực học được cho bởi phương trình sau:

N2/N1 = exp[- (E2 - E1) / kT]

trong đó N1 và N2 tương ứng là số nguyên tử ở mức 1 và mức 2, E1 và E2 là năng lượng của hai mức, k là hằng số Boltzmann, T là nhiệt độ kelvin. Như đã được chỉ rõ trong phương trình, ở trạng thái cân bằng nhiệt động lực học, N2 chỉ có thể lớn N1 nếu như nhiệt độ là một số âm. Trước khi nghiên cứu mô tả hoạt động maser và laser được công bố, các nhà vật lí thường xem sự nghịch đảo dân cư là nhiệt độ âm, đó là từ chỉ những điều kiện không ở trạng thái cân bằng nhiệt động lực học không được mong đợi là sẽ được duy trì liên tục.

Để tạo ra sự nghịch đảo dân cư cần thiết cho hoạt động laser, các nguyên tử hay phân tử phải bị kích thích có chọn lọc lên những mức năng lượng đặc biệt. Ánh sáng và dòng điện là cơ chế kích thích được chọn của đa số laser. Ánh sáng hoặc các electron có thể cung cấp năng lượng cần thiết để kích thích các nguyên tử hay phân tử lên các mức năng lượng cao được chọn, và sự truyền năng lượng không đòi hỏi đưa các electron trực tiếp lên mức năng lượng cao nào đó của sự chuyển trạng thái laser. Một số phương pháp khác có thể phức tạp hơn, nhưng chúng thường tạo ra hoạt động laser tốt hơn. Một phương pháp thường được sử dụng là kích thích nguyên tử hay phân tử lên mức năng lượng cao hơn cần thiết, sau đó nó sẽ rơi xuống mức laser cao. Kiểu kích thích gián tiếp có thể được sử dụng để kích thích các nguyên tử trong hỗn hợp khí xung quanh, sau đó chúng sẽ truyền năng lượng của chúng cho các nguyên tử hay phân tử đảm nhận việc tạo ra hoạt động laser.

alt

Hình 4. Biểu đồ năng lượng laser 3 mức và 4 mức

Như đã nói tới ở phần trước, lượng thời gian mà một nguyên tử hay phân tử trải qua ở một trạng thái kích thích là yếu tố quyết định trong việc xác định xem nó sẽ bị cưỡng bức phát xạ và tham gia vào dòng thác photon, hay là sẽ mất đi năng lượng qua việc phát xạ tự phát. Các trạng thái kích thích thường có thời gian sống chỉ vài nano giây trước khi chúng giải phóng năng lượng của mình bằng phát xạ tự phát, một khoảng thời gian không đủ lâu để có thể chịu sự kích thích bởi một photon khác. Do đó, yêu cầu tối cần thiết cho hoạt động laser là mức năng lượng cao phải có thời gian sống lâu hơn. Các trạng thái như vậy thật sự tồn tại trong những chất nhất định, và thường được gọi là trạng thái siêu bền (xem hình 4). Thời gian sống trung bình trước khi phát xạ tự phát xảy ra đối với trạng thái siêu bền là vào bậc micro giây đến mili giây, một khoảng thời gian khá dài ở thế giới nguyên tử. Với thời gian sống lâu này, các nguyên tử và phân tử bị kích thích có thể tạo ra một lượng đáng kể phát xạ cưỡng bức. Hoạt động laser chỉ xảy ra nếu như dân cư ở mức cao được tạo ra nhanh hơn sự phân hủy của nó, duy trì được dân cư ở mức cao nhiều hơn ở mức thấp. Thời gian sống của phát xạ tự phát càng lâu thì nguyên tử hay phân tử càng thích hợp cho các ứng dụng laser.


Maser mà Charles Townes chứng minh trong bước tiến tới laser đầu tiên thật có ý nghĩa, vì nó yêu cầu tạo ra sự nghịch đảo dân cử để hoạt động, và do đó chứng minh với nhiều nhà vật lí còn hoài nghi rằng sự nghịch đảo dân cư như vậy là có thể thực hiện được. Hệ của ông là maser hai mức, chỉ sử dụng các mức cao và thấp. Townes đã tiến hành một phương pháp mới lạ trong hệ nguyên tử amoniac của ông để tạo ra sự nghịch đảo dân cư – kĩ thuật chùm phân tử tách các phân tử amoniac bị kích thích khỏi các phân tử ở trạng thái cơ bản. Các phân tử ở trạng thái cơ bản bị loại bỏ, và các phân tử bị kích thích được tách ra thiết lập sự nghịch đảo dân cư cần thiết. Các phương pháp khác, hiệu quả hơn, hiện nay được phát triển cho maser và laser thực tế, yêu cầu sử dụng ba, bốn mức năng lượng hoặc nhiều hơn.


Cấu trúc mức năng lượng thiết thực đơn giản nhất đối với hoạt động laser là hệ ba mức, được minh họa trong hình 4a. Trong hệ này, trạng thái cơ bản là mức laser thấp, và sự nghịch đảo dân cư có thể được tạo ra giữa mức này và một trạng thái siêu bền năng lượng cao hơn. Đa số các nguyên tử hay phân tử ban đầu bị kích thích lên trạng thái năng lượng cao có thời gian sống ngắn nhiều hơn lên mức siêu bền. Từ trạng thái này, chúng nhanh chóng phân hủy sang mức siêu bền trung gian, mức có thời gian sống dài hơn nhiều so với trạng thái năng lượng cao (thường dài hơn cỡ 1000 lần). Do thời gian cư trú của mỗi nguyên tử ở trạng thái siêu bền tương đối lâu, nên dân số có xu hướng tăng và đưa đến sự nghịch đảo dân cư giữa trạng thái siêu bền và trạng thái cơ bản thấp hơn (dân số giảm liên tục đối với mức cao nhất). Phát xạ cưỡng bức thu được từ thực tế số nguyên tử có sẵn ở trạng thái bị kích thích (siêu bền) nhiều hơn so với ở trạng thái thấp, trạng thái mà sự hấp thụ ánh sáng có khả năng xảy ra nhất.


Mặc dù laser ba mức hoạt động đối với mọi mục đích thực tế, như đã được minh chứng bằng laser đầu tiên của Maiman, nhưng có một số vấn đề đã hạn chế hiệu quả của phương pháp này. Vấn đề trọng tâm xuất hiện do mức laser thấp là mức cơ bản, là trạng thái bình thường đối với đa số các nguyên tử hay phân tử. Để tạo ra sự nghịch đảo dân cư, phần lớn electron ở trạng thái cơ bản phải được đưa lên mức năng lượng bị kích thích cao, đòi hỏi phải cung cấp đáng kể năng lượng từ bên ngoài. Ngoài ra, sự nghịch đảo dân cư khó có thể duy trì trong một khoảng thời gian đáng kể, và do đó, laser ba mức hoạt động theo kiểu xung chứ không liên tục.

Laser sử dụng bốn mức năng lượng hay nhiều hơn tránh được một số vấn đề đề cập ở trên, và do đó được sử dụng phổ biến hơn. Hình 4b minh họa kịch bản bốn mức năng lượng. Cấu trúc mức năng lượng tương tự như trong hệ ba mức, trừ vấn đề sau khi nguyên tử rơi từ mức cao nhất xuống trạng thái cao siêu bền, chúng không rơi hết xuống trạng thái cơ bản qua một bước. Do sự nghịch đảo dân cư không được tạo ra giữa trạng thái cơ bản và mức cao, nên số nguyên tử hay phân tử phải được đưa lên đột ngột giảm xuống trong mô hình này. Trong một hệ laser bốn mức điển hình, nếu chỉ 1 hoặc 2% số nguyên tử hay phân tử cư trú ở mức laser thấp (mức nằm trên trạng thái cơ bản) thì chỉ cần kích thích 2 đến 4% trong tổng số nguyên tử hay phân tử lên mức cao là sẽ thu được sự nghịch đảo dân cư cần thiết. Một thuận lợi nữa của việc tách mức laser thấp khỏi mức cơ bản là các nguyên tử mức thấp sẽ tự động rơi xuống trạng thái cơ bản. Nếu như mức laser thấp có thời gian sống ngắn hơn nhiều so với mức cao thì các nguyên tử sẽ phân hủy sang mức cơ bản ở tốc độ đủ để tránh việc tích tụ ở mức laser thấp. Nhiều laser được thiết kế dưới những ràng buộc này có thể hoạt động theo mode liên tục tạo ra chùm tia không đứt quãng.

alt

Hình 5. Phát hiện maser vũ trụ

Các laser hoạt động thực tế thường phức tạp hơn mô hình mô tả ở trên. Mức laser cao thường không phải là một mức đơn, mà là một nhóm mức năng lượng cho phép năng lượng kích thích cần thiết biến đổi trong một phạm vi rộng trong khi hoạt động. Mức thấp cũng gồm nhiều mức, và nếu mỗi mức cao gần nhau phân hủy sang một mức thấp khác, một laser có thể hoạt động ở nhiều sự chuyển trạng thái, tạo ra nhiều hơn một bước sóng. Ví dụ, laser helium-neon được dùng phổ biến nhất để phát ra bước sóng đỏ, nhưng nó cũng có thể hoạt động ở những sự chuyển trạng thái khác để phát ra bức xạ cam, vàng, xanh lá và hồng ngoại. Nhiều nhân tố khác tồn tại trong việc thiết kế laser thực tế, như bản chất của môi trường hoạt tính. Hỗn hợp khí hay những kết hợp khác của các loại phân tử thường được dùng để cải thiện hiệu quả bắt và truyền năng lượng, hoặc hỗ trợ sự giảm dân số ở mức laser thấp.


Trước khi có bằng chứng mang tính bước ngoặt chứng tỏ maser và laser thực sự có thể tạo ra được, các nhà khoa học đã thấy thực tế là maser xuất hiện trong tự nhiên tồn tại trong không gian vũ trụ bên ngoài (hình 5). Ngay cả sau khi Einstein tiên đoán sự phát xạ cưỡng bức, đa số các nhà vật lí vẫn tin rằng việc tạo ra sự nghịch đảo dân cư là quá khó nên nó không thể xảy ra trong tự nhiên. Thực ra mà nói thì hình như các nhà khoa học đã không xem xét đúng đắn liệu vật chất có tồn tại trong tự nhiên ở trạng thái khác, ngoài trạng thái cân bằng nhiệt động lực học hay không. Cái gọi là maser vũ trụ gồm các nguồn như các lớp vỏ khí bao bọc quanh các sao kềnh đỏ, sao chổi, tàn dư của sao siêu mới, và những đám mây phân tử đang hình thành sao khác. Trong đám mây khí bao quanh một ngôi sao nóng, bức xạ phát ra từ ngôi sao có thể kích thích các phân tử khí lên các mức năng lượng cao, rồi phân hủy xuống trạng thái siêu bền. Chỉ cần tồn tại mức laser thấp thích hợp, sự nghịch đảo dân cư có thể xảy ra và sẽ thu được hoạt động laser. Mặc dù quá trình đó không giống với các maser và laser nhân tạo, và một lượng lớn năng lượng có thể được phát ra, nhưng sự phát xạ của năng lượng maser hoặc laser sao không bị giới hạn trong một chùm. Bức xạ phát ra bởi maser vũ trụ truyền đi xa theo mọi hướng giống như năng lượng phát ra từ đám mây khí nóng giống sao nào khác.


Ngoài việc tạo ra sự nghịch đảo dân cư, cũng cần một vài nhân tố khác nữa để khuếch đại và tập trung ánh sáng thành một chùm. Ánh sáng phát ra từ sự phát xạ cưỡng bức được tạo ra trong môi trường laser thường có một bước sóng riêng, nhưng phải được trích ra có hiệu quả từ môi trường bằng một số cơ chế bao gồm sự khuếch đại. Công việc này được hoàn thành trong một hộp cộng hưởng, nó phản xạ một số ánh sáng phát xạ trở lại môi trường laser, và qua nhiều lần tương tác, hình thành hay khuếch đại cường độ ánh sáng. Ví dụ, sau sự phát xạ cưỡng bức ban đầu, hai photon có cùng năng lượng và cùng pha mỗi hạt có thể bắt gặp các nguyên tử bị kích thích, rồi thì sẽ phát ra nhiều photon hơn có cùng năng lượng và cùng pha. Số photon được tạo ra bởi phát xạ cưỡng bức tăng lên nhanh chóng, và sự tăng này tỉ lệ trực tiếp với khoảng cách mà ánh sáng truyền trong môi trường laser.


Hình 6 minh họa sự thu lợi, hay khuếch đại, xảy ra với chiều dài đường truyền tăng lên trong hộp cộng hưởng do các gương đặt ở hai đầu mang lại. Hình 6a cho thấy sự bắt đầu của phát xạ cưỡng bức, ánh sáng được khuếch đại trong hình 6b đến hình 6g khi nó bị phản xạ từ các gương đặt ở hai đầu hộp. Một phần ánh sáng truyền xuyên qua gương phản xạ một phần ở phía bên phải của hộp trong mỗi lần truyền (hình 6b, d và f). Cuối cùng, ở trạng thái cân bằng (hình 6h), hộp bão hòa bức xạ cưỡng bức.

Mức độ khuếch đại thu được trong một laser, biểu diễn bằng thuật ngữ độ lợi, chỉ lượng phát xạ cưỡng bức mà một photon có thể tạo ra khi nó truyền đi một khoảng cách cho trước. Ví dụ, độ lợi 1,5 /cm nghĩa là một photon sinh ra thêm 1,5 photon nữa trên mỗi cm mà nó truyền đi. Hệ số khuếch đại này tăng lên theo chiều dài đường truyền của hộp laser. Độ lợi thực tế phức tạp hơn nhiều, và ngoài những nhân tố khác, nó phụ thuộc vào những dao động trong sự phân bố dân cư giữa các mức năng lượng laser cao và thấp. Điều quan trọng là lượng khuếch đại tăng rõ rệt với khoảng cách truyền trong môi trường laser.

alt

Hình 6. Sự phát xạ cưỡng bức trong hộp laser

Trong laser có hộp cộng hưởng dọc, như thỏi ruby hay ống chứa đầy khí, ánh sáng truyền dọc theo chiều dài của môi trường laser làm phát sinh nhiều phát xạ cưỡng bức hơn ánh sáng truyền vuông góc với trục của hộp cộng hưởng. Do đó, sự phát xạ ánh sáng tập trung dọc theo chiều dài của hộp, ngay cả khi không dùng gương để giới hạn đường truyền của nó theo hướng dọc. Việc đặt các gương ở hai đầu của hộp laser cho phép chùm tia truyền tới lui, làm tăng thêm sự khuếch đại do đường truyền qua môi trường dài hơn. Sự phản xạ nhiều lần cũng tạo ra chùm tập trung cao (một đặc trưng quan trọng của laser), do chỉ có những photon truyền song song với thành hộp là bị phản xạ bởi hai gương. Sự xắp xếp này được gọi là dao động tử, và nó cần thiết, vì đa số vật liệu laser có độ lợi rất thấp và sự khuếch đại đầy đủ chỉ có thể thu được với đường truyền dài qua môi trường.


Đa số laser hiện nay được thiết kế có các gương ở cả hai đầu của hộp cộng hưởng để làm tăng quãng đường ánh sáng truyền trong môi trường laser. Cường độ phát xạ tăng lên theo mỗi lượt truyền của ánh sáng cho tới khi nó đạt tới mức cân bằng, mức này do cấu tạo hộp và gương thiết đặt. Một gương của hộp phản xạ gần như toàn bộ ánh sáng tới, còn gương kia (gương ra) phản xạ một số ánh sáng và truyền một phần ra ngoài dưới dạng chùm laser. Trong một laser có độ lợi thấp, gương ra được chọn sao cho chỉ truyền một phần nhỏ ánh sáng ra ngoài (có lẽ chỉ vài phần trăm) và phản xạ đa phần ánh sáng trở lại hộp. Ở trạng thái cân bằng, công suất laser ở trong hộp cao hơn bên ngoài, và thay đổi theo phần trăm ánh sáng truyền qua gương ra. Bằng cách làm tăng hệ số truyền của gương ra, sự chênh lệch công suất giữa bên trong và bên ngoài hộp có thể được làm giảm xuống. Tuy nhiên, chỉ cần gương ra phản xạ một số phần ánh sáng trở lại hộp, công suất ở bên trong vẫn cao hơn bên ngoài trong chùm tia xuất hiện.

 

Một nhận thức sai lầm về laser là ý tưởng cho rằng tất cả ánh sáng phát xạ bị phản xạ tới lui trong hộp cho tới khi cường độ của nó đạt tới giới hạn, rồi thì một số “thoát ra” ngoài qua gương ra dưới dạng chùm tia. Trong thực tế, gương ra luôn luôn truyền một phần không đổi ánh sáng dưới dạng chùm, phản xạ phần còn lại trở vào hộp. Chức năng này quan trọng trong việc cho phép laser đạt tới trạng thái cân bằng, với các mức công suất laser cả bên trong lẫn bên ngoài đều trở nên không đổi.


Vì trong thực tế ánh sáng dao động tới lui trong hộp laser, nên hiện tượng cộng hưởng trở thành một nhân tố ảnh hưởng tới việc khuếch đại cường độ laser. Phụ thuộc vào bước sóng của bức xạ cưỡng bức và chiều dài hộp, sóng phản xạ từ các gương sẽ hoặc là giao thoa tăng cường và được khuếch đại mạnh, hoặc là giao thoa triệt tiêu và xóa bỏ hoạt động laser. Vì các sóng trong hộp là kết hợp hoàn toàn cùng pha, chũng sẽ vẫn là cùng pha khi phản xạ từ một gương. Các sóng cũng sẽ cùng pha khi chạm tới gương đối diện, với điều kiện là chiều dài hộp bằng một số nguyên lần bước sóng. Như vậy, sau khi thực hiện một dao động hoàn chỉnh trong hộp, sóng ánh sáng đã truyền được quãng đường bằng hai lần chiều dài hộp. Nếu khoảng cách đó là một bội số nguyên của bước sóng, thì các sóng sẽ tăng thêm biên độ bởi sự giao thoa tăng cường. Khi chiều dài hộp không chính xác là bội số nguyên của bước sóng, giao thoa triệt tiêu sẽ xảy ra, phá hủy hoạt động laser. Phương trình sau đây xác định điều kiện cộng hưởng phải có để sự khuếch đại mạnh xảy ra trong hộp laser:

N x l = 2 x (chiều dài hộp)

trong đó N là một số nguyên, và l là bước sóng. Điều kiện cộng hưởng thật ra không quan trọng vì những sự chuyển trạng thái laser thực tế trong hộp phân bổ trong một phạm vi bước sóng, gọi là dải thông độ lợi. Bước sóng của ánh sáng cực kì nhỏ so với chiều dài của một hộp laser điển hình, và nói chung một quãng đường truyền hoàn chỉnh trong hộp sẽ tương đương với vài trăm ngàn bước sóng ánh sáng được khuếch đại. Cộng hưởng có thể xảy ra ở mỗi số gia bước sóng nguyên (ví dụ 200 000, 200 001, 200 002,...), và do bước sóng tương ứng rất gần nhau, chúng rơi trong dải thông độ lợi của laser. Hình 7 minh họa một ví dụ điển hình, trong đó một vài giá trị cộng hưởng của N, thường được gọi là mode dọc của laser, vừa khít trong dải thông độ lợi.

alt

 Hình 7. Mode cộng hưởng hộp và dải thông độ lợi


Các chùm laser có những đặc điểm chung nhất định, nhưng cũng khác nhau ở mức độ rộng các khía cạnh như kích thước, sự phân kì, và sự phân bố ánh sáng qua đường kính chùm tia. Những đặc điểm này phụ thuộc nhiều vào việc thiết kế hộp laser (hộp cộng hưởng), và hệ thống quang học điều khiển chùm tia, cả bên trong lẫn bên ngoài hộp. Mặc dù laser có thể tạo ra một đốm sáng không đổi khi chiếu lên một bề mặt, nhưng nếu đo cường độ sáng tại những điểm khác nhau trong tiết diện ngang của chùm, thì sẽ thấy sự khác nhau về cường độ. Việc thiết kế hộp cộng hưởng cũng ảnh hưởng tới độ phân kì chùm tia, số đo mức độ trải rộng của chùm tia khi khoảng cách tới laser tăng lên. Góc phân kì của chùm tia là một nhân tố quan trọng trong việc tính toán đường kính của chùm tia tại một khoảng cách cho trước.


Trong nhiều phần thảo luận trước, chúng ta đã giả định các gương tại hai đầu của hộp cộng hưởng laser là gương hai chiều, hay gương phẳng. Về mặt khái niệm thì đây là một cấu hình đơn giản nhất, nhưng trong thực tế nó có thể rất khó được thực hiện. Nếu hai gương không thẳng hàng chính xác với nhau, thì sự mất ánh sáng dư thừa sẽ xảy ra, làm cho laser ngừng hoạt động. Ngay cả khi sự không thẳng hàng chỉ ở mức độ nhỏ, sau một vài phản xạ liên tiếp, kết quả có thể là sự thất thoát đáng kể ánh sáng từ các 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.

alt

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 x 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.


alt


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 (magnet.fsu.edu)

Hình 3. Các quá trình tự phát và cưỡng bức

 

Vấn đề quan trọng nhất trong việc thu được phát xạ laser cưỡng bức là dưới những điều kiện cân bằng nhiệt động lực học bình thường, dân cư, hay số nguyên tử hoặc phân tử ở mỗi mức năng lượng, không thuận lợi cho sự phát xạ cưỡng bức. Do các nguyên tử và phân tử có xu hướng tự rơi xuống các mức năng lượng thấp hơn nên số nguyên tử hay phân tử ở mỗi mức sẽ giảm khi năng lượng tăng. Thật vậy, dưới những điều kiện bình thường, đối với một sự chuyển mức năng lượng ứng với một bước sóng quang điển hình (vào bậc 1 electron-volt), tỉ số của số nguyên tử hay phân tử ở trạng thái năng lượng cao hơn và số nguyên tử hay phân tử ở trạng thái cơ bản thấp hơn có lẽ là 1017. Nói cách khác, hầu như tất cả các nguyên tử hay phân tử ở vào trạng thái cơ bản đối với sự chuyển mức năng lượng ánh sáng khả kiến.

 

Một lí do khiến sự phát xạ cưỡng bức khó thu được trở nên hiển nhiên khi xem xét các sự kiện có khả năng xảy ra quanh sự phân hủy của một electron từ một trạng thái kích thích với sự phát xạ ánh sáng sau đó và tự phát. Ánh sáng phát xạ có thể dễ dàng kích thích sự phát xạ từ các nguyên tử bị kích thích khác, nhưng một số cỏ thể gặp phải nguyên tử ở trạng thái cơ bản và bị hấp thụ chứ không gây ra phát xạ (hình 3c). Do số nguyên tử ở trạng thái kích thích ít hơn nhiều so với số nguyên tử ở trạng thái cơ bản nên photon phát xạ có khả năng bị hấp thụ nhiều hơn, bù lại thì số phát xạ cưỡng bức cũng không đáng kể so với phát xạ tự phát (ở trạng thái cân bằng nhiệt động lực học).

 

Cơ chế làm cho phát xạ cưỡng bức có thể lấn át là phải có số nguyên tử ở trạng thái kích thích nhiều hơn số nguyên tử ở trạng thái năng lượng thấp hơn, sao cho các photon phát xạ có khả năng gây kích thích phát xạ nhiều hơn là bị hấp thụ. Do điều kiện này là nghịch đảo trạng thái cân bằng ban đầu nên nó được gọi là sự nghịch đảo dân cư. Miễn là có nhiều nguyên tử ở trạng thái năng lượng cao hơn so với ở trạng thái năng lượng thấp hơn, thì phát xạ cưỡng bức sẽ lấn át và ta thu được dòng thác photon. Photon phát xạ ban đầu sẽ kích thích sự phát xạ của nhiều photon hơn, những photon này sau đó lại kích thích sự phát xạ ra nhiều photon hơn nữa, và cứ thế tiếp diễn. Kết quả là dòng thác photon tăng lên, ánh sáng phát xạ được khuếch đại. Nếu sự nghịch đảo dân cư chấm dứt (dân cư ở trạng thái cơ bản trở nên lấn át) thì phát xạ tự phát sẽ trở lại là quá trình chủ yếu.

 

Vào khoảng thời gian Einstein đề xuất ý tưởng, đa số các nhà vật lí tin rằng bất cứ điều kiện nào không phải ở trạng thái cân bằng nhiệt động lực học đều không bền và không thể được duy trì liên tục. Mãi đến sau Thế chiến thứ hai, người ta mới xem xét đến các phương pháp tạo ra sự nghịch đảo dân cư cần thiết để duy trì phát xạ cưỡng bức. Các nguyên tử và phân tử có thể chiếm giữ nhiều mức năng lượng, và mặc dù một số sự chuyển trạng thái có khả năng xảy ra hơn so với một số sự chuyển trạng thái khác (do các quy luật của cơ học lượng tử và vì những lí do khác), nhưng sự chuyển trạng thái có thể xảy ra giữa bất kì hai mức năng lượng nào. Yêu cầu tối thiểu cho sự phát xạ cưỡng bức và khuếch đại, hay hoạt động laser, là ít nhất phải có một trạng thái năng lượng cao hơn có dân cư nhiều hơn một trạng thái năng lượng thấp hơn.

 

Sự nghịch đảo dân cư có thể được tạo ra qua hai cơ chế cơ bản: hoặc là tạo ra dư thừa số nguyên tử hay phân tử ở một trạng thái năng lượng cao, hoặc là làm giảm dân số ở một trạng thái năng lượng thấp. Cũng có thể chọn một hệ không bền ở mức năng lượng thấp, nhưng đối với hoạt động laser liên tục, phải chú ý vừa làm tăng dân cư ở mức cao vừa làm giảm dân cư ở mức thấp. Nếu quá nhiều nguyên tử hay phân tử tích tụ ở mức năng lượng thấp thì sự nghịch đảo dân cư sẽ không còn và hoạt động laser dừng lại.

 

Phương pháp thông dụng nhất tạo ra sự nghịch đảo dân cư trong môi trường laser là cấp thêm năng lượng cho hệ để kích thích các nguyên tử hay phân tử lên mức năng lượng cao. Cách cấp năng lượng đơn giản bằng cách dùng nhiệt khuấy động môi trường không đủ (dưới điều kiện cân bằng nhiệt động lực học) để tạo ra sự nghịch đảo dân cư, do nhiệt chỉ làm tăng năng lượng trung bình của các hạt, chứ không làm tăng số loại trạng thái kích thích tương đối so với trạng thái thấp. Tỉ số của số nguyên tử ở hai mức năng lượng (1 và 2) dưới trạng thái cân bằng nhiệt động lực học được cho bởi phương trình sau:

 

N2/N1 = exp[- (E2 - E1) / kT]


trong đó N1 và N2 tương ứng là số nguyên tử ở mức 1 và mức 2, E1 và E2 là năng lượng của hai mức, k là hằng số Boltzmann, T là nhiệt độ kelvin. Như đã được chỉ rõ trong phương trình, ở trạng thái cân bằng nhiệt động lực học, N2 chỉ có thể lớn N1 nếu như nhiệt độ là một số âm. Trước khi nghiên cứu mô tả hoạt động maser và laser được công bố, các nhà vật lí thường xem sự nghịch đảo dân cư là nhiệt độ âm, đó là từ chỉ những điều kiện không ở trạng thái cân bằng nhiệt động lực học không được mong đợi là sẽ được duy trì liên tục.


Để tạo ra sự nghịch đảo dân cư cần thiết cho hoạt động laser, các nguyên tử hay phân tử phải bị kích thích có chọn lọc lên những mức năng lượng đặc biệt. Ánh sáng và dòng điện là cơ chế kích thích được chọn của đa số laser. Ánh sáng hoặc các electron có thể cung cấp năng lượng cần thiết để kích thích các nguyên tử hay phân tử lên các mức năng lượng cao được chọn, và sự truyền năng lượng không đòi hỏi đưa các electron trực tiếp lên mức năng lượng cao nào đó của sự chuyển trạng thái laser. Một số phương pháp khác có thể phức tạp hơn, nhưng chúng thường tạo ra hoạt động laser tốt hơn. Một phương pháp thường được sử dụng là kích thích nguyên tử hay phân tử lên mức năng lượng cao hơn cần thiết, sau đó nó sẽ rơi xuống mức laser cao. Kiểu kích thích gián tiếp có thể được sử dụng để kích thích các nguyên tử trong hỗn hợp khí xung quanh, sau đó chúng sẽ truyền năng lượng của chúng cho các nguyên tử hay phân tử đảm nhận việc tạo ra hoạt động laser.

Vui lòng ghi rõ "Nguồn Thuvienvatly.com" khi đăng lại bài từ CTV của chúng tôi.

Nếu thấy thích, hãy Đăng kí để nhận bài viết mới qua email
Tin tức vật lý
Extension Thuvienvatly.com cho Chrome

Thêm ý kiến của bạn

Security code
Refresh

Các bài khác


Các chuẩn cho hệ SI mới
10/08/2017
Trong khi nước Mĩ vẫn ngoan cố sử dụng các đơn vị Anh như dặm, pound và độ Fahrenheit, thì phần đông thế giới thống nhất
Sơ lược từ nguyên vật lí hạt (Phần 2)
05/07/2017
muon (mu-meson; gọi tắt) Người đặt tên: Carl Anderson và Seth Neddermeyer, 1938 Muon là thành viên của họ lepton và hành xử giống
Sơ lược từ nguyên vật lí hạt (Phần 1)
26/06/2017
Làm thế nào proton, photon và các hạt khác có được tên gọi của chúng? Theo năm tháng, các nhà vật lí đã đặt tên cho những
Lần đầu tiên làm lạnh laser các phân tử ba nguyên tử
08/05/2017
Lần đầu tiên các phân tử gồm ba nguyên tử đã được làm lạnh xuống nhiệt độ cực lạnh bằng kĩ thuật laser. Thành tựu
Bí ẩn “sương xanh”
21/04/2017
Tại sao những chất lỏng nhất định chuyển thành màu xanh khi nguội đi là một bí ẩn khiến các nhà khoa học bối rối trong hơn
[Sách] Albert Einstein - Mặt nhân bản
10/04/2017
TVVL giới thiệu bài viết của giáo sư Nguyễn Xuân Xanh về tập sách Albert Einstein - Mặt Nhân Bản vừa phát hành ở Việt Nam, do
Thế nào là một đơn vị thiên văn?
30/03/2017
Khi đương đầu với vũ trụ, con người thích diễn đạt các thứ theo những thuật ngữ quen thuộc. Khi khảo sát các ngoại hành
Nguyên tố Arsenic
26/03/2017
Số nguyên tử: 33 Trọng lượng nguyên tử: 74,92160 Màu: xám Pha: rắn Phân loại: á kim Điểm nóng chảy: không rõ Điểm thăng
Vui Lòng Đợi

Đọc nhiều trong tháng

360 độ

Vật lý 360 độ là trang tin nhanh, trao đổi chuyên đề vật lý và các khoa học khác cũng như các nội dung liên quan đến dạy và học.
Hi vọng các bạn giúp chúng tôi bằng cách đăng kí làm CTV.
Liên hệ: banquantri@thuvienvatly.com