Vật lý Laser
Vật lý laser nghiên cứu cách phát xạ kích thích và phản hồi quang học kết hợp để tạo ra ánh sáng kết hợp, định hướng, đơn sắc.
Definition
Nghiên cứu các nguyên tắc mà theo đó một môi trường khuếch đại với sự đảo ngược mật độ dân số, được đặt trong một bộ cộng hưởng quang học, khuếch đại ánh sáng thông qua phát xạ kích thích để tạo ra một chùm tia kết hợp, định hướng, dải hẹp.
Scope
Vật lý laser là lĩnh vực quang học liên quan đến việc tạo ra ánh sáng kết hợp bằng phát xạ kích thích. Nó bao gồm tương tác lượng tử của ánh sáng và vật chất thông qua các hệ số Einstein, việc tạo ra sự đảo ngược mật độ dân số và độ lợi quang học trong một môi trường được bơm, vai trò của bộ cộng hưởng quang học trong việc cung cấp phản hồi và chọn lọc các mode, ngưỡng và hoạt động ổn định của các bộ dao động laser, các loại laser chính và chế độ hoạt động của chúng bao gồm đầu ra liên tục (continuous-wave) và xung (Q-switched và mode-locked), và cấu trúc không gian của chùm tia laser. Nó cung cấp cơ sở vật lý cho các laser được sử dụng trong khoa học, công nghiệp và y học.
Sub-topics
Core questions
- Phát xạ kích thích tạo ra độ lợi quang học như thế nào?
- Những điều kiện nào cần thiết để đạt được và duy trì dao động laser?
- Bộ cộng hưởng định hình các đặc tính phổ và không gian của đầu ra như thế nào?
- Điều gì phân biệt các loại laser chính và các phương pháp tạo xung của chúng?
Key concepts
- phát xạ kích thích
- đảo ngược mật độ dân số
- độ lợi quang học
- bơm
- bộ cộng hưởng quang học
- ngưỡng laser
- các mode dọc và ngang
- độ kết hợp và đơn sắc
Key theories
- Phát xạ kích thích và các hệ số Einstein
- Cách tiếp cận của Einstein về hấp thụ, phát xạ tự phát và phát xạ kích thích liên hệ các tốc độ của chúng và cho thấy rằng một môi trường kích thích có thể khuếch đại ánh sáng một cách kết hợp, nguyên lý cơ bản của tất cả các laser.
- Dao động laser: độ lợi, phản hồi và ngưỡng
- Hiện tượng laser xảy ra khi độ lợi khứ hồi từ một môi trường có sự đảo ngược mật độ dân số cân bằng với tổn thất của bộ cộng hưởng; trên ngưỡng này, một dao động kết hợp, tự duy trì sẽ hình thành trong các mode của khoang.
- Cấu trúc mode của bộ cộng hưởng
- Bộ cộng hưởng quang học áp đặt các tần số dọc rời rạc và các mode không gian ngang lên trường, xác định độ rộng vạch, cấu hình chùm tia và độ kết hợp của laser.
Clinical relevance
Laser được sử dụng rộng rãi trong y học để cắt và đông máu mô trong phẫu thuật, để quang đông và điều chỉnh khúc xạ trong nhãn khoa, cho các phương pháp điều trị da liễu và thẩm mỹ, và làm nguồn sáng cho chẩn đoán hình ảnh và quang phổ, với đầu ra chính xác, kết hợp cho phép phân phối năng lượng có kiểm soát.
History
Einstein đã giới thiệu phát xạ kích thích vào năm 1917, nhưng sự khuếch đại kết hợp chỉ được thực hiện cho đến maser của những năm 1950 bởi Townes và các đồng nghiệp. Schawlow và Townes đã phác thảo laser quang học vào năm 1958, và Maiman đã vận hành laser hoạt động đầu tiên, một thiết bị ruby, vào năm 1960, mở ra lĩnh vực này.
Key figures
- Albert Einstein
- Charles H. Townes
- Arthur L. Schawlow
- Theodore H. Maiman
Related topics
Seminal works
- siegman1986
- svelto2010
Frequently asked questions
- Điều gì làm cho ánh sáng laser khác với ánh sáng thông thường?
- Ánh sáng laser có độ kết hợp cao, gần như đơn sắc và được phát ra dưới dạng một chùm tia định hướng rõ ràng, bởi vì nó phát sinh từ phát xạ kích thích vào một vài mode cộng hưởng thay vì từ phát xạ tự phát độc lập theo nhiều hướng và bước sóng.
- Tại sao laser cần một bộ cộng hưởng?
- Bộ cộng hưởng đưa ánh sáng đi qua môi trường khuếch đại nhiều lần, cho phép trường tăng cường bằng cách phát xạ kích thích lặp đi lặp lại và chọn lọc các tần số và hình dạng chùm tia cụ thể duy trì dao động.