BÁO cáo bài tập lớn môn vật lý a2 đề tài 22 LASER và ỨNG DỤNG

Đại Học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí MinhTrường Đại Học Bách Khoa

Giảng viên hướng dẫn: Lý Anh Tú

Sinh viên thực hiệnMã số sinh viênĐiểm số

Thành phố Hồ Chí Minh – 2020

LỜI CÁM ƠN

“Để hoàn thành đề tài này, trước hết chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến:Ban giám hiệu trường Đại Học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh vì đã tạo điềukiện về cơ sở vật chất với hệ thống thư viện hiện đại, đa dạng các loại sách, tàiliệu thuận lợi cho việc tìm kiếm, nghiên cứu thông tin.

Xin cảm ơn thầy Lý Anh Tú đã giảng dạy tận tình, chi tiết để chúng em có đủ kiếnthức và vận dụng chúng vào bài báo cáo này Xin cảm ơn cô Nguyễn Thị MinhHương đã hướng dẫn chúng em làm các bài tập từ dễ đến khó, giúp chúng em ápdụng vào các bài toán vật lý - ứng dụng.

Do chưa có nhiều kinh nghiệm làm để tài cũng như những hạn chế về kiến thức,trong bài báo cáo này chắc chắn sẽ không tránh khỏi những thiếu sót Rất mongnhận được sự nhận xét, ý kiến đóng góp, phê bình từ phía Thầy và cô để bài báocáo được hoàn thiện hơn.

Lời cuối cùng, chúng em xin kính chúc thầy và cô nhiều sức khỏe, thành công vàhạnh phúc.”

Xin chân thành cám ơn ạ!

2.1.2 Trong kĩ thuật công nghiệp: 23

2.1.3 Trong thông tin liên lạc: 25

2.1.4 Trong quân sự: 26

2.2 Tác hại của tia laser đối với con người 28

2.2.1 Tác hại của tia laser đối với mắt 28

2.2.2 Tác hại của tia laser đối với da 29

2.3 Thực trạng an toàn khi sử dụng Laser 30

Phần 3: Kết luận 35

Tài liệu tham khảo 36

Mở đầu

Vật Lý là một ngành khoa học tự nhiên rất thú vị Vật Lý bao trùm nhiều lĩnh vực nhưQuang Học (tán sắc, khúc xạ, phản xạ…), Điện (điện trường, từ trường ), Cơ học (lực,chuyển động, dao động, ),Vật Lý hạt nhân( phóng xạ, các đồng vị phóng xạ ) Ngoài raVật Lý còn có các chuyên ngành khác như: Vật lý lý thuyết, điện tử cơ sở Như vậy Vậtlý là một móc xích kết nối nhiều ngành khoa học, nhiều lĩnh vực trong cuộc sống Do đó,Vật Lý đã có rất nhiều công trình được ứng dụng trong khoa học cũng như đời sống phụcvụ trực tiếp nhu cầu của con người như: giao thông vận tải, sản xuất công nghiệp, tronglĩnh vực công nghệ thông tin, truyền thông Bài viết sau chúng em sẽ trình bày về chủ đề

LASER VÀ ỨNG DỤNG LASER? để nói lên sự liên kết giữa Vật Lý với khoa học kỹ

thuật mà ta úng dụng trong cuộc sống thường ngày.

Phần 1: Tổng quan về Laser

1.1 Lịch sử ra đời – sự phát triển

Laser được phỏng theo maser, một thiếtbị có cơ chế tương tự nhưng tạo ra tia visóng hơn là các bức xạ ánh sáng Maser đầutiên được tạo ra bởi Charles H Townes vàsinh viên tốt nghiệp J.P Gordon và H.J.Zeiger vào năm 1953 Maser đầu tiên đókhông tạo ra tia sóng một cách liên tục.Nikolay Gennadiyevich Basov và AleksandrMikhailovich Prokhorov của Liên bang Xôviết đã làm việc độc lập trên lĩnh vực lượngtử dao động và tạo ra hệ thống phóng tialiên tục bằng cách dùng nhiều hơn 2 mứcnăng lượng Hệ thống đó có thể phóng ra

tia liên tục mà không cho các hạt xuống mức năng lượng bình thường, vì thế vẫn giữ tầnsuất

Năm 1964, Charles Townes, Nikolai Basov và Aleksandr Prokhorov cùng nhận giảithưởng Nobel vật lý về nền tảng cho lĩnh vực điện tử lượng tử, dẫn đến việc tạo ra máydao động và phóng đại dựa trên thuyết maser-laser.

Laser hồng ngọc, một laser chất rắn, được tạo ralần đầu tiên vào năm 1960, bởi nhà vật lý TheodoreMaiman tại phòng thí nghiệm Hughes Laboratory ởMalibu, California Hồng ngọc là ôxít nhôm pha lẫncrôm Crôm hấp thụ tia sáng màu xanh lá cây vàxanh lục, để lại duy nhất tia sáng màu hồng phát ra.

Maser nguyên mẫu amoniac đầu tiên và nhà phát minh Charles H Townes. 

Robert N Hall phát triểnlaser bán dẫn đầu tiên, hay laserdiod, năm 1962 Thiết bị củaHall xây dựng trên hệ thống vậtliệu gali-aseni và tạo ra tia cóbước sóng 850 nanômét, gầnvùng quang phổ tia hồng ngoại.Laser bán dẫn đầu tiên với tiaphát ra có thể thấy được đượctrưng bày đầu tiên cùng năm đó

Năm 1970, Zhores Ivanovich Alferov của Liên Xô và Hayashi và Panish của Phòng thínghiệm Bell đã độc lập phát triển laser diode hoạt động liên tục ở nhiệt độ trong phòng,sử dụng cấu trúc đa kết nối.

Ngoài ra laser còn được ứng dụng như một phương tiện hỗ trợ, bổ sung cho cácphương pháp điều trị truyền thống Sau đó laser đã thành một phương tiện độc lập vàtrong rất nhiều trường hợp đã đem lại những kết quả mà không phương pháp nào trướcđây có thể đạt tới nổi Thực tế trên thế giới thời điểm ấy đã hình thành một ngành y họcmới – ngành y học Laser, với chức năng nghiên cứu phát triển và ứng dụng kỹ thuậtLaser phục vụ sức khỏe con người Từ năm 1974 đã có tổ chức “Hội y học Laser thếgiới” với 10.000 hội viên thuộc trên 50 nước tham gia

Laser thay thế các phương pháp điều trị truyền thống14/11/1967 - Theodore Maiman đăng ký

bằng sáng chế cho tia laser đầu tiên trên thế giới.

Thiết bị laser bán dẫn quang trị liệu MultiLaser Plus

1.2 Khái niệm laser

Laser là tên của những chữ cái đầu của thuật ngữ bằng tiếng Anh “Light Amplificationby Stimulated Emission of Radiation ’’ (Sự khuếch đại ánh sáng bằng bức xạ kích hoạt).

Laser là nguồn ánh sáng nhân tạo thu được nhờ sự khuếch đại ánh sáng bằng bức xạphát ra khi kích hoạt cao độ các phần tử của một môi trường vật chất tương ứng Laser làánh sáng có nhiều tính chất đặc biệt hơn hẳn ánh sáng tự nhiên hay nhân tạo khác và cónhững công dụng rất hữu ích có thể áp dụng trong rất nhiều lĩnh vực khoa học kỹ thuật vàđời sống, tạo nên cả một cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật sau khi nó ra đời.

Sự ra đời của Laser bắt nguồn từ Thuyết Lượng tử do nhà bác học A Einstein phátminh ra năm 1916 Đến năm 1954, các nhà bác học Anh, Mỹ đã đồng thời sáng chế ramáy phát tia laser ứng dụng vào thực tế Các thử nghiệm laser trên người bắt đầu từnhững năm 1960 Từ năm 1964, đã bắt đầu ứng dụng laser trong các trị liệu về Da

(chuyên khoa da liễu).

Và dĩ nhiên là phổ càng hẹp thì độ đơn sắc của chùm sáng càng cao Trước khi có lasercác nhà vật lý đã tạo được các chùm ánh sáng đơn sắc có chênh lệch bước sóng từ 1 Å

đến 10nm, nhưng để sử dụng trong nghiên cứu khoa học Trong khi đó mức chênh lệchbước sóng của chùm ánh sáng laser có thể tới 0,1 Å.

Tính chất này rất quan trọng vì hiệu quả tác dụng của laser khi tương tác với vật chất,với các tổ chức sinh học phụ thuộc vào độ đơn sắc này.

Trong trường hợp gần đúng với buồng cộng hưởng quang học độ rộng vạch được xácđịnh bằng công thức:

Δ v=

4 hv0(1

τc)2

Trong đó:

v0 : Là tâm tần số phát

P - Công suất phát của bức xạ

τc- Thời gian sống của phôton trong buồng cộng hưởng

h - Hằng số Planck

 Độ định hướng cao

Khác với các nguồn sáng khác, các tia sáng Laser được chọn lọc chỉ phát ra những tiavuông góc với gương, nên hầu như song song với nhau (hay nói theo ngôn ngữ vật lý làgóc mở giữa các tia là rất nhỏ) Nhờ vậy, laser có độ định hướng lý tưởng, có thể chiếu đirất xa, đến mức người ta có thể dùng laser để đo những khoảng cách trong vũ trụ.

Nguồn sáng nhiệt bức xạ theo mọi phương trong không gian Nhưng do cơ cấu củabuồng cộng hưởng của máy phát Laser nên nó chỉ phát dao động ngang và chúng tậptrung trong một mặt phẳng phân cực Công suất phát được phân bố đều và phân bố đẳngpha trong khẩu độ của nguồn.

Độ định hướng cao cho sự tập trung năng lương trong một góc khối nhỏ và tạo nêncường độ lớn.

Với laser sóng phẳng bức xạ từ một buồng cộng hưởng với gương đường kính d (hoặcdiện tíchA= πd42), sau gương chùm laser sẽ tán xạ do hiện tượng nhiễu xạ, dưới góc nhiễuxạΔθ= dλ, và chùm tia bức xạ trong một góc khối:

ΔΩ=( Δθ)2=d2/ λ2=A / λ2

Giá trị góc khối này nhỏ so với góc khối bức xạ của một nguồn ánh sáng nhiệt cỡ 2π

 Mật độ phổ (độ chói) rất cao

Độ chói của nguồn sáng được tính bằng cách chia công suất của chùm sáng cho độrộng của phổ Vì độ rộng của phổ Laser rất nhỏ nên laser có độ tập trung các tia sáng rấtcao, hay nói cách khác là độ chói rất cao so với các nguồi sáng khác.

Với laser khí He - Ne có công suất thấp cỡ 1mW ở chế độ liên tục phát ra phôton nằmtrong vùng nhìn thấy được ( 0,6328µm), với năng lượng một phôton là hν = 10−19J thì sốphôton phát ra trong 1 giây là:

 Hiệu ứng nhiệt.

Công suất chùm tia có thể tới hàng trăm Watt, khi đó quang năng của laser biến thànhnhiệt để đốt nóng các tổ chức sinh học Hiệu ứng nhiệt có hai cách tác dụng:

Sự hình thành của tia laser

+ Công suất không cao, thời gian tác động dài: sẽ làm nóng chảy tổ chức sinh học vàsau đó các tổ chức bị đông kết lại (gọi là hiệu ứng quang đông) có tác dụng tốt cho cầmmáu trong ngoại khoa

+ Công suất cao, thời gian ngắn: làm bay hơi tổ chức sinh học (gọi là hiệu ứng bay hơitổ chức) là cơ sở của dao mổ laser với nhiều ưu điểm trong phẫu thật

 Hiệu ứng quang ion.

Hiệu ứng quang ion còn gọi là hiệu ứng quang cơ vì quang năng của laser biến thànhcơ năng để bóc lớp (không có tác động nhiệt) hay phá sỏi với xung cực ngắn, công suấtđỉnh cực cao.

1.4 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động chung của Laser

1.4.1 Cấu tạo

Thông thường một máy phát Laser gồm ba bộ phận chính: môi trường hoạt chất, bộphận kích thích, buồng cộng hưởng.

 Môi trường hoạt chất:

Là môi trường vật chất có khả năng khuếch đại ánh sáng đi qua nó Trong hoạt chất,ánh sáng đi qua không bị hấp thụ mà năng lượng còn được khuếch đại lên.

Cường độ và công suất lối ra luôn lớn hơn lối vào.

Tuỳ theo các loại hoạt chất khác nhau mà ta có các loại laser khác nhau:

+ Hoạt chất là chất rắn: Có khoảng 200 chất rắn có khả năng dùng làm môi trườnghoạt chất laser Đó là các tinh thể hay thuỷ tinh (glass) được pha tạp bằng các iôn hiếmnhư Nd3+¿¿ , Sm+3, Cr+3…

+ Hoạt chất là chất khí: Hoạt chất có thể là khí iôn như ArII, KrII, … hoặc khí đơnnguyên tử và hỗn hợp của chúng như He-Ne; hoặc khí phân tử và hỗn hợp của chúngnhư: CO, H2O, CO2-N2-He, …

+ Hoạt chất lỏng: Các chất lỏng bao gồm các dung dịch vô cơ, hữu cơ và các chất màu.+ Hoạt chất bán dẫn: Thường được tạo nên từ hai hoặc nhiều chất bán dẫn dạng p và nnhư GaAs, InGaAsP PbS, PbTe…

Bộ phận kích thích

Đây là bộ phận cung cấp năng lượng để tạo ra nhiều hạt ở trạng thái có mức nănglượng cao (mà gọi là sự tạo ra nghịch đảo độ tích luỹ trong hai mức năng lượng nào đócủa hoạt chất laser) và duy trì hoạt động của laser.

Tuỳ theo từng loại laser mà có nhiều phương pháp kích thích để cung cấp năng lượng.Năng lượng cung cấp có thể dưới dạng ánh sáng gọi là bơm quang học, hoặc là nhờ quátrình va chạm giữa điện tử được gia tốc trong điện trường được truyền cho các nguyên tửhoạt chất, hoặc thông qua các phản ứng hoá học… 

Buồng cộng hưởng

 Là bộ phận dùng để khuếch đại các tia sáng laser trước khi đi ra khỏi máy phát Nógồm hai gương, một gương có hệ số phản xạ rất cao (coi là phản xạ hoàn toàn), còngương kia có một phần phản xạ, một phần truyền qua (gương bán mạ).

Tia laser trước khi đi ra ngoài, sẽ truyền qua truyền lại nhiều lần trong môi trường hoạtchất trong buồng cộng hưởng Mỗi lần đi qua môi trường số hạt được kích thích để phátxạ cảm ứng tăng lên, vì vậy cường độ bức xạ cảm ứng được khuếch đại, tăng lên liên tụctương tự như hiện tượng cộng hưởng.

Cụ thể, khi một phôtôn có bước sóng thích hợp đi trong môi trường kích hoạt gây nênsự phát xạ cảm ứng của nhiều hạt và tạo ra các phôtôn cảm ứng Các phôtôn này chạy dọctheo trục của buồng cộng hưởng, phản xạ nhiều lần qua hai gương làm cho cường độ bứcxạ cảm ứng được khuếch đại ánh sáng laser được phát ra dọc theo trục của buồng cộnghưởng có độ phân kì rất nhỏ Các gương này không chỉ tạo ra ánh sáng cường độ cao màcòn làm cho tia laser có dải tần cực hẹp khi khoảng cách giữa hai gương thoả mãn hệthức:

Giản đồ mô tả sơ đồ nguyên lý laser Ruby (hồng ngọc) đầu tiên được phát triển bởi Theodore Maiman

Dưới đây là sơ đồ máy phát laser hồng ngọc:

Thanh Ruby được đặt giữa hai gương phản xạ đặt song song với nhau Muốn cho laserhoạt động thì phải tích điện cho tụ điện đủ lớn, sau đó cho phóng điện qua đèn xoắn flash.Đèn xoắn flash phát ra những xung sáng màu xanh lục có công suất lớn kích thích laserhoạt động

 Laser khí

Có thể chia thành 3 loại :+ Laser khí nguyên tử (He-Ne)+ Laser khí iôn (laser Ar+)

+ Laser khí phân tử (laser C O2, laser N2)Laser khí thông dụng đó là laser He-Ne.Laser này dùng một hỗn hợp khí gồm90% khí He và 10% khí Ne ở áp suất thấp

làm môi trường hoạt chất Laser He-Ne có  = 632,8 nm thuộc phổ ánh sáng đỏ trongvùng nhìn thấy, công suất nhỏ từ 1 đến vài chục mW.

Laser Argon có hoạt chất là khí Argon có  = 488 - 514,5 nm

Laser CO2 có  = 1060 nm thuộc phổ hồng ngoại xa, công suất phát xạ có thể đạt tớimê ga oát (MW) Trong y học nó được dùng làm dao mổ

Laser He-Ne

 Laser lỏng Gồm 3 loại:

+ Laser chelate hữu cơ-đất hiếm

+ Laser vô cơ oxyd cloride-neodym-selen+ Laser màu

Trong đó, laser màu đang có nhiều ứng dụng phổ biến nhất

Laser màu.

Laser bán dẫn

Laser diode đầu tiên được làm bằng vật liệu bán dẫn GaAs pha tạp để tạo thànhchuyển tiếp p-n Tuy nhiên các thiết bị này có mật độ dòng ngưỡng cao và là nhữngnguồn sáng hiệu suất thấp Do đòi hỏi mật độ dòng cao nên khi làm việc ở 300 K phảihoạt động ở chế độ xung nhằm hạn chế nhiệt độ ở lớp chuyển tiếp, tránh hư hỏng Sựphát triển của công nghệ vật liệu bán dẫn đã cho phép nhanh chóng giảm ngưỡng phátlaser và tạo ra được các laser phát ở chế độ liên tục tại nhiệt độ phòng Dưới đây trìnhbày cấu trúc cơ bản và bức xạ laser ra của một laser diode (hình 1.8).

Cấu trúc cơ bản và bức xạ laser ra của một laser diode Loại thông dụng nhất là diodeGallium Arsen (GaAs) có bước sóng 890 nm thuộc phổ hồng ngoại gần.

1.4.3 Nguyên lý hoạt động của Laser

 Điều kiện làm việc 

Xét một môi trường có hai mức năng lượng 1 và 2 (hình 1.9 Mật độ tích luỹ tươngứng là N1 và N2, ta có thể biểu diễn các quá trình dịch chuyển bức xạ trong các nguyêntử này như trên hình vẽ sau đây:

Các quá trình dịch chuyển bức xạ

Sự biến thiên độ tích luỹ của các mức có thể gây nên bởi các quá trình sau:

+ Quá trình bức xạ tự phát từ mức 2 xuống mức 1 (hình a), quá trình này được quyđịnh bởi:

Trong đó, B21 là xác suất dịch chuyển cưỡng bức;

B21  ❑21.F với F là mật độ dòng phôtôn của sóng tới, ❑21là thiết diện của bức xạcưỡng bức

+ Quá trình hấp thụ 1-2 (hình c).

Nguyên tử ở trạng thái 1 có thể hấp thụ năng lượng phôtôn có tần số f để chuyển lêntrạng thái 2 Do đó:

(N¿¿1)ht¿   B12.N1

Trong đó, B12  ❑12.F với ❑12 là thiết diện hấp thụ.

Theo Einstein, ❑12  ❑21  nghĩa là xác suất bức xạ cưỡng bức và hấp thụ là bằngnhau.

Giả sử trong môi trường này theo hướng z có một sóng phẳng đơn sắc tần số f , cườngđộ ứng với mật độ dong phôtôn F truyền qua Khi đó, biến thiên mật độ dòng phôtôn dFqua một lớp dz của môi trường được xác định như sau:

dF  F N2 N1dz

Ở trạng thái cân bằng nhiệt động, độ tích luỹ mức năng lượng tuân theo định luật phânbố Boltzman:

E2− E1

Trong đó, k là hằng số Boltzman, T là nhiệt độ tuyệt đối.

Như vậy, ở cân bằng nhiệt động dễ thấy rằng N2 N1 và môi trường hấp thụ ánh sángtần số f. Do vậy, để có môi trường khuếch đại thì ta phải tạo được trạng thái không cânbằng nhiệt động, tức là N2> N1 Khi đó, người ta nói rằng đã tạo được nghịch đảo độ tíchluỹ Đây cũng chính là điều kiện phát ra tia laser

Tuy nhiên, ngoài việc thoả mãn điều kiện nghịch đảo độ tích luỹ, sự phát ra tia laserchỉ xảy ra khi thực hiện được điều hiện ngưỡng đảm bảo sự khuếch đại của môi trườngbù trừ được những mất mát trong buồng cộng hưởng.

Lấy tích phân ta được:

Fvao  eN2N1l ( l là độ dài hoạt chất)

Nếu mất mát trong buồng cộng hưởng chỉ do hai gương phản xạ gây nên thì ngưỡngphát được xác định bởi điều kiện sau:

R1.R2 e2 N2N1l  1 Với R1 và R2 là hệ số phản xạ của hai gương

Điều kiện này chỉ ra rằng, ngưỡng phát chỉ đạt được khi nghịch đảo độ tích luỹ (N2N1)tiến đến một giá trị tới hạn nào đó Khi đó, các phôtôn bức xạ tự phát đi dọc buồng cộnghưởng sẽ dẫn đến bức xạ cưỡng bức và bức xạ này khuếch đại thành tia laser

 Các phương pháp tạo ra sự nghịch đảo mật độ tích luỹ

- Sử dụng bơm quang học

Sử dụng một nguồn ánh sáng mạnh thích hợp chiếu vào một môi trường chọn lọc, lúcđó hạt ở môi trường thấp được bơm lên các mức năng lượng cao.

Phương pháp này đặc biệt thuận lợi với các máy phát laser rắn và lỏng.

- Phương pháp bơm điện

Sử dụng sự phóng điện đủ mạnh qua một môi trường chọn lọc để bơm các hạt từ mứcnăng lượng thấp lên mức năng lượng cao.

Phương pháp này thuận lợi cho máy phát loại khí và bán dẫn.

 Nguyên lý hoạt động của laser (các sơ đồ bơm)

Để tạo ra nghịch đảo độ tích lũy ta phải kích thích môi trường hoạt chất bằng một cáchnào đó Có nhiều có khác nhau để kích thích các mức năng lượng hoạt động laser, ngườita gọi chung là bơm.