Giải thích về cơ sở động học của laser

Laser trong sử dụng các vấn đề vật lý, khoa học, y tế học…đã trở nên quen thuộc đối với đời sống xã hội ngày nay. Tuy nhiên để giải thích các vấn đề chi tiết của laser, cụ thể là cơ sở động học của laser thì không phải là chuyện giản đơn.

Hôm nay hãy cùng thiết bị thẩm mỹ OSAKA tìm hiểu rõ hơn về các cơ sở động học của laser đã được định nghĩa, cùng giải nghĩa một số vấn đề trong sử dụng laser nói chung và ứng dụng trong thẩm mỹ nói riêng.

Các cơ sở học về định nghĩa laser

Định nghĩa

LASER là tên viết tắt từ- Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation – tạm dịch là: Khuếch đại ánh sáng bằng bức xạ cưỡng bức

Theo Lý thuyết của Albert Einstein cho biết về sự hấp thụ và bức xạ

• Khi hệ vật chất tồn tại ở trạng thái cân bằng nhiệt động, không chịu tác động của kích thích từ bên ngoài, hệ ở mức năng lượng thấp nhất, gọi là mức NL cơ bản.

• Khi hệ vật chất chịu tác động của kích thích từ bên ngoài ( bức xạ trường điện từ: ánh sáng, nhiệt độ…) hệ chuyển lên các mức năng lượng cao hơn, gọi là các mức kích thích.

•  Theo Albert Einstein có 3 loại dịch chuyển giữa các mức năng lượng tương ứng với 3 quá trình:
  • Hấp thụ
  • Bức xạ tự phát
  • Bức xạ cưỡng bức (cảm ứng)

Hấp thụ hay phát xạ của vật chất đều là kết quả của sự chuyển trạng thái của nguyên tử từ mức năng lượng này sang mức năng lượng khác.

• Xét một đơn vị thể tích khối chất
• Khi trạng thái của nguyên tử chuyển từ mức năng lượng thấp Wi lên mức lên năng lượng cao hơn Wk thì hệ xảy ra hấp thụ.
• Khi trạng thái của nguyên tử chuyển từ mức năng lượng cao Wk xuống mức có năng lượng thấp hơn Wi thì hệ xảy ra bức xạ.

Quá trình hấp thụ tia laser

Khi hệ vật chất chịu tác động của trường điện từ bên ngoài. Các nguyên tử ở mức năng lượng thấp có thể hấp thụ photon của trường điện từ bên ngoài để chuyển lên mức năng lượng cao hơn. Trong đó:

• Gọi số nguyên tử ở trạng thái k ở thời điểm t là Nk(t)
•  Gọi mật độ năng lượng bức xạ kích thích bên ngoài có tần số vki là P(VKi)

(Mật độ năng lượng bức xạ kích thích đặc trưng cho ảnh hưởng bởi trường điện từ bên ngoài).

Xem thêm: Các loại laser thẩm mỹ trong điều trị các bệnh lý về da

Laser YAG

Quá trình bức xạ tia laser

Quá trình bức xạ tia laser xảy ra 2 loại: Bức xạ tự phát và bức xạ cưỡng bức:

• Bước xạ tự phát: nghĩa là Laser tác vụ bức xạ thông qua Cường độ bức xạ của một vạch phổ (công suất bức xạ) – đây là năng lượng bức xạ của một đơn vị thể tích khối chất trong 1s. Bức xạ tự phát của mỗi nguyên tử trong hệ thực hiện độc lập với nhau nên sóng của mỗi bức xạ có phương thay đổi một cách hỗn loạn dẫn đến bức xạ không đồng bộ.
• Bức xạ cưỡng bức: hay còn gọi là bức xạ cảm ứng – là bức xạ tương ứng với dịch chuyển nhờ tác động của trường điện từ bên ngoài. Bức xạ cưỡng bức có tần số đúng bằng tần số kích thích.

Nhận xét từ lý thuyết Einstein về hấp thụ và bức xạ

Quá trình bức xạ cưỡng bức (bức xạ cảm ứng) và hấp thụ là hai quá trình hoàn toàn đối xứng nhau nên photon được sinh ra không những có tần số đúng bằng tần số của photon tới mà còn có phương truyền và pha giống như photon tới. Do đó photon được sinh ra kết hợp với photon tới. Ta nói bức xạ cưỡng bức (bức xạ cảm ứng) là bức xạ định hướng, đơn sắc và kết hợp.

Nhận xét từ lý thuyết Einstein về hấp thụ và phát xạ

Khi ta kích thích vào hệ vật chất bằng việc chiếu một chùm tia sáng, laser đó sẽ làm cho một số nguyên tử chuyển từ trạng thái năng lượng thấp lên trạng thái năng lượng cao và được hấp thụ từ vật thể sau một khoảng thời gian rất ngắn.

Từ bức xạ tự phát, laser sẽ được chuyển xuống mức năng lượng thấp hơn một cách tự nhiên. Hoặc chuyển đến trạng thái bức xạ cưỡng bức một năng lượng tia laser sẽ chạm với photon kích thích quay về trạng thái có năng lượng thấp hơn đồng thời phát ra một photon có cùng tần số với photon kích thích.

Để thu được bức xạ có cường độ mạnh hơn, thì khuếch đại chùm bức xạ cưỡng bức (bức xạ cảm ứng) cần có độ đơn sắc cao và độ định hướng cao. Đó chính là nguyên lý tạo ra laser (Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation – khuếch đại ánh sáng bằng bức xạ cưỡng bức).

Điều kiện để một môi trường có thể khuếch đại ánh sáng

Cấu tạo của máy phát laser

Máy phát laser gồm có 3 bộ phận chính:

• Hoạt chất.
• Buồng cộng hưởng.
• Bộ phận kích thích hay nguồn bơm

Hoạt chất bộ phát laser

Hoạt chất là môi trường vật chất (rắn, lỏng, khí, bán dẫn, …) có khả năng khuếch đại ánh sáng đi qua nó.

• Hoạt chất là chất khí gồm có các khí đơn nguyên tử (Ar, Xe, Ne, …); khí đa nguyên tử (CO2 , N2 , CO, …) và các hỗn hợp khí (He-Ne, CO-N2 -He, …).
• Hoạt chất là chất rắn bao gồm dạng tinh thể hay thủy tinh được pha trộn thêm các ion nguyên tố hiếm như Sm+3 , Nd+3, Cr+3, … Loại laser rắn điển hình là laser Ruby có hoạt chất là tinh thể Al2O3 trộn thêm Cr+3 hay laser YAG có hoạt chất là Y3Al5O12 trộn thêm ion Nd+3.

• Hoạt chất là chất bán dẫn như GaAs, PbS, PbTe…. Về cơ bản, những hoạt chất này phải là những chất phát quang.

• Hoạt chất là chất lỏng có thể là các chất Chelaste như Peperidin Eu (BA)4 hòa tan trong dung môi rượu ethanol+methol và có thêm ít ion nguyên tố hiếm Eu+3, Nd3…; hoạt chất có thể là các chất màu hữu cơ như Rhodamine B (RhB); Rhodamine 6G (Rh6G), …

Buồng cộng hưởng (BCH) bộ phát laser

BCH có vai trò là làm cho bức xạ do hoạt chất phát ra có thể đi lại nhiều lần qua hoạt chất để được khuếch đại lên.

Thành phần chủ yếu của BCH là hai gương phản xạ. Một gương có hệ số phản xạ rất cao, cỡ 99,99%, và một gương có hệ số phản xạ thấp hơn để tia laser có thể thoát ra ngoài. Một trong các gương có thể được thay bằng lăng kính hoặc cách tử tùy theo yêu cầu. Hai gương phản xạ có thể để xa hoạt chất hoặc gắn chặt với hoạt chất.

Nguồn bơm bộ phát laser

Nguồn bơm là bộ phận cung cấp năng lượng để tạo sự đảo lộn mật độ trong 2 mức nào đó củ hoạt chất và duy trì sự hoạt động của laser.

Trên là bài viết chia sẻ về cơ sở động học và định nghĩa về laser cùng bộ phát laser với các hoạt động của chúng. Bài viết được lấy tư liệu từ tư liệu: “Cơ sở động học và ứng dụng của laser – được thực hiện bởi: Nguyễn Thị Phương, Bùi Thị Thu”.

Hy vọng đây sẽ là nguồn thông tin giúp bạn đọc hiểu rõ hơn về các cơ sở tạo ra nguồn laser mà trước đây chúng ta chưa từng được nghe qua. Đồng thời có thể thấy rõ về sự hoạt động, cấu tạo của bộ phát laser rằng bấy lâu nay chúng ta chưa được giải thích.

Để hiểu rõ hơn về các dòng laser thẩm mỹ nói riêng và những thông tin xoay quanh về laser nói chung. Mời bạn đọc cùng đón xem tiếp vào những bài viết tiếp theo vào các kỳ sau.