Nguyên lý laser

Ánh sáng là gì?
Màu sắc là gì?
Ánh sáng nhìn thấy được là gì?
Sự khác biệt giữa ánh sáng thông thường và chùm tia laser
Từ nguyên laser
Nguyên lý laser
Loại laser
Đặc điểm chiều dài bước sóng
Nguyên lý dao động laser
Cấu trúc của ống dao động laser

Ánh sáng là gì?

Ánh sáng là một loại "sóng điện từ". "Sóng điện từ" tuân theo tiêu chuẩn của "chiều dài bước sóng" và bắt đầu từ những bước sóng dài, có thể được chia thành sóng vô tuyến, tia hồng ngoại, tia nhìn thấy được, tia cực tím, tia X và tia gamma.

Tải xuống PDF
để biết đầy đủ chi tiết

Màu sắc là gì?

Khi chiều dài bước sóng ánh sáng chiếu vào vật thể, những chiều dài bước sóng bị phản xạ mà không bị vật thể hấp thụ sẽ đi tới mắt của con người (võng mạc). Khi hiện tượng này xảy ra, chúng ta sẽ nhận thấy những chiều dài bước sóng này là "màu sắc" của vật thể. Chỉ số khúc xạ khác nhau tùy thuộc vào chiều dài bước sóng, do đó ánh sáng bị phân tách. Kết quả là, chúng ta có thể nhận thấy nhiều loại "màu sắc". Ví dụ, quả táo (nhận ánh sáng ban ngày, bao gồm các tia sáng cụ thể cho phép con người nhìn thấy màu đỏ,) sẽ phản xạ chiều dài bước sóng ánh sáng đỏ (600 đến 700 nm) và hấp thụ tất cả chiều dài bước sóng ánh sáng khác. * Vật màu đen hấp thụ tất cả ánh sáng và do đó có màu đen.

Tải xuống PDF
để biết đầy đủ chi tiết

Ánh sáng nhìn thấy được là gì?

Sóng điện từ nằm trong phạm vi chiều dài bước sóng mà con người có thể nhìn thấy được gọi là "tia nhìn thấy được". Ở phía chiều dài bước sóng ngắn, các tia nhìn thấy được có số đo là từ 360 đến 400 nm, và có số đo từ 760 đến 830 nm ở phía chiều dài bước sóng dài. Mắt người không thể nhìn thấy chiều dài bước sóng ngắn hơn hoặc dài hơn “tia nhìn thấy được”.

Tải xuống PDF
để biết đầy đủ chi tiết

Sự khác biệt giữa ánh sáng thông thường và chùm tia laser

Đây là điểm khác nhau giữa ánh sáng thông thường (đèn, v.v...) và laser. Laser phát ra chùm ánh sáng có tính định hướng cao, có nghĩa là các sóng ánh sáng thành phần cùng truyền theo một đường thẳng mà hầu như không phân tán cách xa nhau. Các nguồn sáng thông thường phát ra sóng ánh sáng lan truyền theo mọi hướng. Các sóng ánh sáng trong chùm tia laser đều có cùng màu sắc (tính chất này được gọi là tính đơn sắc). Ánh sáng thông thường (chẳng hạn như ánh sáng từ đèn huỳnh quang) nói chung là sự pha trộn của một số màu sắc kết hợp với nhau và kết quả là có màu trắng.
Khi các sóng ánh sáng trong chùm tia laser truyền đi, chúng dao động trong khoảng đỉnh và đáy có sự đồng bộ hoàn hảo, đặc điểm này được gọi là tính đồng pha.Khi hai chùm tia laser chồng lên nhau, các đỉnh và đáy của sóng ánh sáng trong mỗi chùm sẽ củng cố chặt chẽ cho nhau để tạo ra vân giao thoa.

	Ánh sáng thông thường	Ánh sáng laser
Tính định hướng (Độ thẳng)	Bóng đèn	Laser
Tính đơn sắc	Chiều dài bước sóng không đồng nhất	Chiều dài bước sóng đồng nhất
Tính đồng pha	Pha không đồng nhất	Các đỉnh và đáy được căn chỉnh.

Tải xuống PDF
để biết đầy đủ chi tiết

Từ nguyên laser

Thuật ngữ “laser” có nguồn gốc là chữ viết tắt của “light amplification by stimulated emission of radiation” (khuếch đại ánh sáng bằng bức xạ kích thích).

Tải xuống PDF
để biết đầy đủ chi tiết

Nguyên lý laser

Khi nguyên tử (phân tử) hấp thụ năng lượng bên ngoài, chúng chuyển từ mức thấp (trạng thái năng lượng thấp) lên mức cao (trạng thái năng lượng cao). Trạng thái này được mô tả là trạng thái kích thích.
Trạng thái kích thích này là trạng thái không ổn định và ở trạng thái này, các nguyên tử sẽ cố gắng trở về trạng thái năng lượng thấp ngay lập tức. Hiện tượng này được gọi là chuyển tiếp.
Khi hiện tượng này xảy ra, ánh sáng tương đương với độ chênh lệch năng lượng sẽ được phát ra. Hiện tượng này được gọi là bức xạ tự nhiên. Ánh sáng phát ra va chạm với các nguyên tử khác đang ở trạng thái kích thích tương tự, tạo ra sự chuyển tiếp theo cùng một phương thức. Ánh sáng được tạo ra để phát xạ này được gọi là phát xạ kích thích.

Tải xuống PDF
để biết đầy đủ chi tiết

Loại laser

Có thể chia laser thành 3 loại: trạng thái rắn, khí và lỏng.

Loại laser tối ưu sẽ khác nhau tùy thuộc vào ứng dụng xử lý.

Trạng thái rắn

Nd: YAG

YAG (Yttrium Aluminium Garnet)

Chiều dài bước sóng tiêu chuẩn (1064 nm)

Khắc đa công dụng

Sóng hài bậc hai (532 nm) (Laser xanh lá)

Khắc mềm trên vòng đệm silicon, v.v...

Được sử dụng để khắc và xử lý chi tiết

Sóng hài bậc ba (355 nm) (Laser UV)

Được sử dụng để xử lý cực chi tiết như khắc màn hình LCD, xử lý sửa chữa và xử lý lỗ VIA

Xử lý sửa chữa tinh thể lỏng: Cắt hoa văn lớp phủ trong quá trình sửa chữa

Xử lý lỗ VIA: Khoan lỗ trên PCB

Laser YAG (Nd: YAG): Laser YAG được sử dụng để khắc đa công dụng, và để thực hiện các xử lý như khắc và tinh chỉnh không chỉ vật liệu nhựa mà còn cả vật liệu kim loại. Với chiều dài bước sóng ánh sáng gần hồng ngoại 1064 nm, mắt người không thể nhìn thấy những tia laser này.
YAG là cấu trúc tinh thể của ytri (Y), nhôm (A) và garnet (G). Thông qua việc pha thêm phần tử phát ánh sáng, trong trường hợp này là ion neodymium (Nd), tinh thể YAG sẽ rơi vào trạng thái kích thích thông qua hấp thụ ánh sáng từ đèn hoặc đi-ốt laser.

Nd: YVO₄ (1064 nm)

YVO ₄ (Yttrium Vanadate)

Khắc ký tự nhỏ

Công suất đỉnh cao ở tần số công tắc Q cao

Hiệu quả chuyển đổi năng lượng tốt

Laser YVO₄ (Nd: YVO₄): Laser YVO₄ thường được sử dụng cho các ứng dụng khắc chi tiết như khắc ký tự nhỏ và các công việc xử lý khác. Với chiều dài bước sóng ánh sáng tương tự như của laser YAG (1064 nm), mắt người không thể nhìn thấy laser YVO₄. Laser
YVO₄ là laser rắn có cấu trúc tinh thể của ytri (Y), vanadi (V) và oxit (O₄). Khi cấu trúc này được pha thêm với phần tử phát ánh sáng ion neodymium (Nd), thì khi phát ánh sáng LD từ phần cuối của cấu trúc sẽ tạo trạng thái kích thích.

Yb: Sợi quang (1090 nm)

Yb (Ytterbium)

Khắc ngõ ra cao

Diện tích bề mặt môi trường khuếch đại cực lớn cho ngõ ra cao dễ dàng

Có thể thu nhỏ nhờ hiệu quả làm mát cao và cơ chế làm mát đơn giản

LD (650 đến 905 nm)

Laser bán dẫn (GaAs, GaAlAs, GaInAs)

Thể khí

CO₂ (10,6 μm)

Máy gia công, các ứng dụng khắc, sàng laser

Laser CO₂: Laser CO₂ thường được sử dụng trong các máy gia công và ứng dụng khắc.
Với chiều dài bước sóng ánh sáng hồng ngoại 10,6 μm, mắt người không thể nhìn thấy những laser này. Laser CO₂ không chỉ bao gồm khí CO₂ bên trong ống dao động kín hoàn toàn mà còn chứa một lượng N₂ (nitơ) và He (heli) cụ thể.
Đặc điểm này làm cho laser CO₂ có biệt danh là laser “loại đóng kín”. Nitơ (N₂) làm tăng năng lượng của CO₂, trong khi heli (He) làm năng lượng giảm dần đến trạng thái ổn định hơn.

He-Ne tiêu chuẩn (630 nm)

Hệ thống đo lường (đo tiết diện, v.v...)

Đây là loại laser phổ biến nhất.

Với ngõ ra thấp, những tia laser này thường được sử dụng để đo tiết diện, v.v...

Excimer (193 nm)

Thiết bị tiếp xúc bán dẫn, điều trị nhãn khoa

Laser excimer tạo ra ánh sáng có cấu trúc tương đối đơn giản là trộn khí trơ với khí halogen.

Là laser tia cực tím sâu (DUV), nên tỷ lệ hấp thụ cực kỳ cao.

(Những loại laser như vậy được sử dụng trong điều trị nhãn khoa để thực hiện điều tiết bằng cách làm tan biến thủy tinh thể và điều chỉnh tiêu điểm võng mạc.

Argon (488 đến 514 nm)

Ứng dụng khoa học

Có sẵn nhiều màu sắc khác nhau, laser argon chủ yếu được sử dụng trong phòng thí nghiệm, chẳng hạn như phòng thí nghiệm công nghệ sinh học.

Thể lỏng

Thuốc nhuộm (330 đến 1300 nm)

Ứng dụng khoa học

Sử dụng ánh sáng laser để kích thích thuốc nhuộm tạo ra huỳnh quang thuốc nhuộm.

Tải xuống PDF
để biết đầy đủ chi tiết

Đặc điểm chiều dài bước sóng

Máy khắc bằng laser CO₂	Chiều dài bước sóng 10600 nm: Thường được sử dụng để khắc trên giấy, nhựa, thủy tinh và gốm sứ. Các mục tiêu trong suốt cũng hấp thụ chiều dài bước sóng này, nên có thể sử dụng để khắc trên màng và các đối tượng khác. Ngõ ra cao của chiều dài bước sóng này cho phép cắt cổng sản phẩm đúc, cắt tấm PET, v.v...
Máy khắc bằng laser YVO₄ Máy khắc bằng laser YAG Máy khắc bằng laser sợi quang	Chiều dài bước sóng 1064 nm (Sợi quang: 1090 nm): (Chiều dài bước sóng tiêu chuẩn) Thường được sử dụng để khắc trên kim loại, nhựa và gốm sứ. Chiều dài bước sóng này có thể tạo màu sắc tốt trên nhựa, cho phép khắc có khả năng hiển thị cao. Laser YVO₄, YAG và sợi quang đều có các đặc điểm ánh sáng khác nhau mặc dù có chiều dài bước sóng tương tự nhau. Điều này là do môi trường và phương pháp dao động khác nhau. Mỗi loại laser được sử dụng cho các ứng dụng khác nhau tùy theo mục tiêu và mục đích. Laser YVO₄ có công suất đỉnh cao và chiều rộng xung ngắn, cho phép khắc và xử lý chi tiết chất lượng cao. Sử dụng nhiệt từ chiều rộng xung dài, laser sợi quang thích hợp cho khắc ủ đen và khắc sâu vào kim loại. Cuối cùng, ngay cả với chất lượng xử lý kém hơn, laser YAG rất lý tưởng cho hàn và các ứng dụng khác đòi hỏi lượng nhiệt lớn.
Máy khắc bằng laser xanh lá	Chiều dài bước sóng 532 nm: (Chiều dài bước sóng SHG) Nói chung, chiều dài bước sóng của laser càng ngắn, năng lượng của laser càng cao và tỷ lệ hấp thụ của laser với vật liệu càng cao. Mặc dù ánh sáng laser YAG và YVO₄ không dễ bị hấp thụ, nhưng ánh sáng laser xanh lá thích hợp để sử dụng với các vật liệu khó khắc.
Máy khắc bằng laser UV	Chiều dài bước sóng 355 nm: (Chiều dài bước sóng THG) Laser này có chiều dài bước sóng thậm chí còn ngắn hơn SHG trong vùng UV. Laser UV cung cấp tỷ lệ hấp thụ cao bất kể vật liệu và gây ra ứng suất nhiệt tối thiểu. Điều này giúp giảm thiểu hư hỏng sản phẩm và cho phép khắc với độ tương phản cao.

Tải xuống PDF
để biết đầy đủ chi tiết

Nguyên lý dao động laser

Phần này giới thiệu các nguyên lý dẫn đến dao động ánh sáng laser.

1. Kích thích

Khi ánh sáng được cung cấp từ nguồn sáng bên ngoài, các electron trong nguyên tử sẽ hấp thụ ánh sáng, do đó làm thay đổi thái năng lượng từ cơ bản (năng lượng thấp nhất) sang kích thích (năng lượng cao hơn). Khi năng lượng tăng lên, các electron di chuyển từ quỹ đạo bình thường sang quỹ đạo xa hơn. Hiệ tượng gia tăng năng lượng này được gọi là “kích thích”.

Trạng thái nguyên tử: Nguyên tử ở trạng thái cơ bản

Nguyên tử ở trạng thái kích thích

Trạng thái electron

2. Phát xạ tự nhiên

Các electron ở trạng thái kích thích có mức năng lượng tăng lên khác nhau tùy thuộc vào lượng năng lượng được hấp thụ. Các electron có năng lượng tăng lên sẽ có xu hướng ổn định sau một thời gian nới lỏng, trong đó, năng lượng tăng được giải phóng để trở về trạng thái năng lượng thấp. Khi quá trình này xảy ra, ánh sáng có cùng năng lượng với năng lượng giải phóng sẽ được phát ra. Đây được gọi là phát xạ tự nhiên.

Trạng thái nguyên tử

Trạng thái electron

3. Phát xạ kích thích

Như trình bày trong hình bên dưới, khi ánh sáng truyền qua electron có cùng mức năng lượng, thì sẽ tạo ra các photon ánh sáng bổ sung có cùng năng lượng, pha và hướng. Khi phát xạ kích thích, cứ mỗi photon ánh sáng đi qua một electron thì sẽ phát ra hai photon. Hiện tượng này được gọi là phát xạ kích thích.
Vì ánh sáng phát xạ kích thích có cùng năng lượng, pha và hướng di chuyển như ánh sáng tới, nên việc kích thích và giải phóng lượng lớn ánh sáng có thể tạo ra ánh sáng mạnh thông qua ba yếu tố này. Ánh sáng laser được tạo ra bằng cách sử dụng phát xạ kích thích để khuếch đại ánh sáng tới. Như vậy, ánh sáng laser có tính đơn sắc (vì năng lượng của ánh sáng phải giống nhau), đồng pha (vì các pha đã được căn chỉnh) và có tính định hướng cao (vì hướng di chuyển đã được căn chỉnh).

Trạng thái nguyên tử

Trạng thái electron

4. Nghịch đảo mật độ

Để tạo dao động ánh sáng laser bằng cách sử dụng phát xạ kích thích, trước hết mật độ của các electron năng lượng cao phải gia tăng áp đảo mật độ của các electron năng lượng thấp. Đây được gọi là nghịch đảo mật độ. Việc đảm bảo rằng số lượng photon ánh sáng phát ra vượt quá số lượng photon ánh sáng hấp thụ thì có thể tạo ra ánh sáng laser một cách hiệu quả.

Nghịch đảo mật độ electron

= Nhiều electron năng lượng cao
= Ít electron năng lượng cao

5. Dao động laser

Khi một electron phát ra ánh sáng thông qua phát xạ tự nhiên trong quá trình nghịch đảo mật độ, ánh sáng đó sẽ bắt đầu phát xạ kích thích từ một electron khác, và khi mỗi electron kích thích các electron lân cận làm gia tăng số lượng photon ánh sáng, thì ánh sáng mạnh được tạo ra. Đây được gọi là dao động laser.

Nghịch đảo mật độ electron: A: Phát xạ tự nhiênB: Phát xạ kích thích

Cấu trúc của ống dao động laser

Ba yếu tố laser

Ống dao động laze bao gồm ba yếu tố sau đây.

Môi trường laser
Nguồn kích thích
Bộ khuếch đại

Môi trường laser
Nguồn kích thích
Bộ khuếch đại

CHỈ SỐ

Tìm hiểu thêm về tia laser

“Chính xác thì tia laser là gì?” “Các nguyên lý đằng sau tia laser là gì?” Cho dù là bạn đang quan tâm đến những câu hỏi về kiến thức cơ bản như những câu hỏi này hay thông tin chuyên sâu hơn như cấu trúc bộ dao động, tài liệu tham khảo kỹ thuật này đều sẽ cung cấp câu trả lời cho bạn theo một cách dễ hiểu.

Tải xuống