Khoa Sư phạm

Laser Ruby là một laser thể rắn sử dụng tinh thể Ruby tổng hợp làm môi trường laser của nó. Ruby laser là loại laser được phát triển thành công đầu tiên bởi Maiman vào năm 1960.

Ruby laser là một trong số ít các loại laser thể rắn tạo ra ánh sáng nhìn thấy được. Nó phát ra ánh sáng đỏ đậm có bước sóng 694,3 nm.

Cấu tạo của tia laser Ruby

Một tia laser Ruby bao gồm ba yếu tố quan trọng: môi trường laser, nguồn bơm và bộ cộng hưởng quang học.

Môi trường laser hoặc môi trường khuếch đại trong laser Ruby

Trong laser ruby, một tinh thể ruby (Al₂O₃: Cr³⁺) ở dạng hình trụ đóng vai trò là môi trường laser hoặc môi trường hoạt động. Môi trường laser trong laser Ruby được làm từ vật chủ là sapphire (Al₂O₃) được pha tạp với một lượng nhỏ ion crom (Cr³⁺) có đặc tính nhiệt tốt.

Nguồn bơm hoặc nguồn năng lượng trong laser Ruby

Nguồn bơm là phần tử của hệ thống laser ruby cung cấp năng lượng cho môi trường laser. Trong một tia laser hồng ngọc, cần phải có sự đảo ngược mật độ cư trú để đạt được sự phát xạ tia laser. Đảo ngược mật độ cư trú là quá trình đạt được số electron ở trạng thái năng lượng cao lớn hơn so với trạng thái năng lượng thấp hơn.

Trong laser Ruby, người sử dụng flashtube làm nguồn năng lượng hoặc nguồn bơm. Đèn flashtube cung cấp năng lượng cho môi trường laser. Khi các điện tử ở trạng thái năng lượng thấp hơn trong môi trường laser thu được đủ năng lượng từ đèn flashtube, chúng sẽ chuyển sang trạng thái năng lượng cao hơn hoặc trạng thái kích thích.

Hoạt động của tia laser Ruby

Laser Ruby là một laser thể rắn ba mức năng lượng.

Xét một môi trường laser Rruby gồm ba mức năng lượng E1, E2, E3.

Giả định rằng các mức năng lượng sẽ là E1 < E2 < E3. Mức năng lượng E1 được gọi là trạng thái cơ bản hoặc trạng thái năng lượng thấp hơn, mức năng lượng E2 được gọi là trạng thái siêu bền và mức năng lượng E3 được gọi là trạng thái bơm. Ban đầu hầu hết các electron ở trạng thái năng lượng thấp hơn (E1) và chỉ một số lượng nhỏ các electron ở trạng thái kích thích (E2 và E3)

Khi năng lượng ánh sáng được cung cấp cho môi trường laser (ruby), các electron ở trạng thái năng lượng thấp hơn hoặc trạng thái cơ bản (E1) nhận đủ năng lượng và chuyển sang trạng thái bơm (E3).

Sau một thời gian, các điện tử ở trạng thái siêu bền E2 rơi vào trạng thái năng lượng thấp hơn E1 bằng cách giải phóng năng lượng dưới dạng photon. Đây được gọi là sự phát bức xạ tự phát.

Khi photon phát ra tương tác với điện tử ở trạng thái siêu bền, nó sẽ làm cho điện tử đó rơi vào trạng thái cơ bản E1. Kết quả là, hai photon được phát ra. Đây được gọi là sự phát xạ kích thích của bức xạ.

Khi các photon phát ra này lại tương tác với các electron ở trạng thái siêu bền, thì 4 photon được tạo ra. Do sự tương tác liên tục này với các electron, hàng triệu photon được tạo ra.

Trong môi trường hoạt động (ruby), một quá trình được gọi là phát xạ tự phát tạo ra ánh sáng. Ánh sáng được tạo ra trong môi trường laser sẽ phản xạ lại giữa hai gương. Điều này kích thích các electron khác rơi vào trạng thái cơ bản bằng cách giải phóng năng lượng ánh sáng. Đây được gọi là sự phát xạ kích thích. Tương tự như vậy, hàng triệu electron được kích thích để phát ra ánh sáng. Do đó, thu được ánh sáng laser.

Ánh sáng khuếch đại thoát ra qua gương phản xạ một phần để tạo ra ánh sáng laser.