Các Loại và Hoạt Động của Laser

Laser được phân loại theo môi trường khuếch đại và phương pháp bơm, và hoạt động ở chế độ liên tục hoặc xung được tạo ra bằng cách chuyển mạch Q (Q-switching) và khóa mode (mode-locking).

Definition

Việc phân loại laser theo môi trường khuếch đại và cơ chế kích thích, cũng như các chế độ hoạt động, sóng liên tục hoặc xung, qua đó công suất đầu ra và cấu trúc thời gian của chúng được kiểm soát.

Scope

Chủ đề này khảo sát các loại laser chính và cách chúng hoạt động. Nó bao gồm các loại laser khí như helium-neon và carbon-dioxide, laser rắn như ruby, neodymium và titanium-sapphire, laser diode bán dẫn, laser nhuộm và laser sợi quang, cùng với các bước sóng đặc trưng và phương pháp bơm của chúng. Nó cũng đề cập đến các chế độ hoạt động: đầu ra sóng liên tục, và việc tạo ra các xung ngắn và siêu ngắn bằng cách chuyển mạch Q và khóa mode, cùng với công suất đỉnh và thời lượng xung thu được. Nó kết nối vật lý khuếch đại cơ bản với các thiết bị thực tế đa dạng.

Core questions

• Các môi trường khuếch đại nào được sử dụng trong laser và chúng tạo ra bước sóng nào?
• Các loại laser khác nhau được bơm như thế nào để tạo ra sự đảo ngược mật độ hạt?
• Chuyển mạch Q và khóa mode tạo ra các xung ngắn như thế nào?
• Những đánh đổi nào phân biệt hoạt động sóng liên tục với hoạt động xung?

Key concepts

• laser khí
• laser rắn
• laser diode bán dẫn
• laser sợi quang
• hoạt động sóng liên tục
• chuyển mạch Q
• khóa mode
• xung siêu ngắn

Key theories

Phân loại theo môi trường khuếch đại

Laser được nhóm thành laser khí, laser rắn, laser bán dẫn, laser nhuộm và laser sợi quang; môi trường khuếch đại xác định các bước sóng khả dụng, hiệu suất và công suất, và quy định phương pháp bơm phù hợp bằng ánh sáng, dòng điện hoặc phóng điện.

Hoạt động xung bằng chuyển mạch Q và khóa mode

Chuyển mạch Q làm hỏng và sau đó đột ngột khôi phục hệ số chất lượng khoang để giải phóng năng lượng dự trữ dưới dạng xung nanosecond cường độ cao, trong khi khóa mode đồng bộ nhiều mode dọc với nhau để tạo ra một chuỗi xung picosecond hoặc femtosecond.

Clinical relevance

Các loại laser khác nhau phù hợp với các mục đích sử dụng y tế khác nhau: laser carbon-dioxide để cắt mô mềm, laser neodymium và erbium cho các thủ thuật nhãn khoa và da liễu, laser excimer để định hình lại giác mạc và laser diode để quang đông, với hoạt động xung cho phép tương tác mô chính xác, ít tổn thương phụ.

History

Maiman đã chế tạo laser đầu tiên, một thiết bị ruby xung, vào năm 1960; Javan và các đồng nghiệp đã trình diễn laser khí helium-neon liên tục ngay sau đó, và nhóm của Hall đã sản xuất laser diode bán dẫn đầu tiên vào năm 1962. Các thập kỷ tiếp theo đã bổ sung laser carbon-dioxide, nhuộm, sợi quang và titanium-sapphire cùng với các kỹ thuật chuyển mạch Q và khóa mode.

Key figures

• Theodore H. Maiman
• Ali Javan
• Robert N. Hall

Seminal works

• svelto2010
• salehteich2019

Frequently asked questions

Sự khác biệt giữa laser sóng liên tục và laser xung là gì?

Laser sóng liên tục phát ra một chùm tia ổn định với công suất không đổi, trong khi laser xung tập trung năng lượng của nó thành các đợt ngắn, đạt được công suất đỉnh cao hơn nhiều so với công suất trung bình của nó cho các ứng dụng cần phơi sáng cường độ cao, ngắn.

Các xung femtosecond siêu ngắn được tạo ra như thế nào?

Khóa mode buộc nhiều mode dọc của laser dao động với mối quan hệ pha cố định, do đó chúng giao thoa để tạo thành một xung cực ngắn lưu thông trong khoang và được phát ra dưới dạng một chuỗi đều đặn.