Đề tài " Laser và triển vọng" doc

Hà Nam Thanh - Laser và triển vọng 1 MỞ ĐẦU 1. Lí do chọn đề tài Thế kỉ XXI là thế kỉ của những công nghệ cao, công nghệ kĩ thuật số, chúng ta không những quan tâm tới khả năng đáp ứng nhu cầu công việc của các máy mà còn đánh giá cao sự gọn nhẹ của chúng. Muốn vậy phải có những công nghệ rất tiên tiến mới đáp ứng được. Các nhà khoa học đã công bố hai phát kiến quan trọng có tầm ảnh hưởng rất lớn đến nền công nghệ ngày nay: Thứ nhất, sự ra đời của Transitor đã kích thích sự phát triển của vi điện tử, công nghệ “vi mô”. Thứ hai, quan trọng hơn là sự phát minh ra laser, mở ra một con đường mới cho các nhà phát minh, sáng chế. Laser có tầm ảnh hưởng sâu rộng đến tất cả các lĩnh vực của đời sống. Laser, có thể rất gần gũi với tất cả mọi người. Hầu hết chúng ta đều nghe nhắc đến cụm từ này một vài lần. Ngày nay laser hiện diện ở nhiều nơi, nhưng những thông tin đại chúng về nó thì vẫn còn rất hạn chế. Laser phát triển mạnh vào những năm 80 của thế kỉ XX, thời điểm này nước ta vừa vực dậy sau cuộc chiến tranh nên điều kiện tiếp cận với thành quả khoa học hiện đại này vẫn còn rất hạn chế, mặt khác giá thành của nó cũng không hề nhỏ. Nhưng laser phát triển rất nhanh, nó đã xâm nhập rất nhiều vào cuộc sống, vậy nên chăng hãy tìm hiều kĩ hơn về nó: laser là gì? laser xuất hiện như thế nào? những chặng đường phát triển của nó? những tính chất gì của nó đã được ứng dụng vào trong đời sống? Chắc hẳn đó là những câu hỏi đã có từ rất lâu, và mỗi người trong chúng ta, những người đang từng ngày chứng kiến sự bùng nổ của công nghệ, kĩ thuật, phải ít nhất tự hỏi mình như vậy. Với mong muốn trả lời những câu hỏi đó, tôi đã chọn đề tài: “Laser và triển vọng” để tìm hiều và nghiên cứu trong tiểu luận này. Hà Nam Thanh - Laser và triển vọng 2 2. Nội dung nghiên cứu Đề tài nghiên cứu đến những kiến thức cơ bản của laser ở các phương diện: Lịch sử ra đời của laser, Nguyên tắc cấu tạo, Các tính chất và Phân loại laser; tìm hiểu những ứng dụng cơ bản và quan trọng của laser trong Y học, Công nghiệp và Khoa học, đặc biệt mở ra những triển vọng phát triển của laser trong tương lai. 3. Phương pháp nghiên cứu • Tổng hợp và phân tích tài liệu. • So sánh và khái quát hóa. 4. Giới hạn đề tài Đề tài chỉ tập trung nghiên cứu những vấn đề cơ bản của laser và những ứng dụng cơ bản và quan trọng của laser, không đi sâu vào kiến thức chuyên ngành. Hà Nam Thanh - Laser và triển vọng 3 NỘI DUNG 1 Lịch sử ra đời và sự phát triển của laser Laser là từ viết tắt của cụm từ: Light Amplification by Stimulated Emisson of Radiation, nghĩa là khuyếch đại ánh sáng bằng bức xạ cưỡng bức. Người ta nhớ lại rằng vào năm 1916, sau khi được bầu vào Viện Hàn lâm Khoa học Đức, Enstein bằng tư duy trừu tượng cao, đã nêu thuyết: “Nếu chiếu những nguyên tử bằng một làn sóng điện từ, sẽ có thể xảy ra một bức xạ “được kích hoạt” và trở thành một chùm tia hoàn toàn đơn sắc, ở đó tất cả những photon (quang tử) phát ra sẽ có cùng một bước sóng”. Đó là một ý tưởng khoa học. Nhưng chưa được ai chứng minh nên nó nhanh chóng lãng quên trong nhiều năm. Mãi đến năm 1951, Giáo sư Charles Townes thuộc trường đại học Columbia của thành phố New York (Mỹ) mới chú ý đến sự khuyếch đại của sóng cực ngắn (vi sóng). Ông thực hiện một thí nghiệm mang tên Maser (maze) là khuyếch đại vi sóng bằng bức xạ cảm ứng (chữ Maser cũng là từ viết tắt của cụm từ Microwave Amplification by Stimulated Emisson of radiation). Ông đã thành công, tuy phải chi phí khá tốn kém để nghiên cứu trong phòng thí nghiệm. Cũng vào thời gian này, ở một phương trời khác, hai nhà khoa học Xô Viết là Nikolay Gennadiyevich Basov và Aleksandr Mikhailovich Prokhorov cũng phát minh ra máy khuyếch đại vi sóng và gần như cùng một dạng nguyên lý: tạo ra hệ thống phóng tia liên tục bằng cách dùng nhiều hơn 2 mức năng 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 tần suất. Cả ba nhà khoa học nói trên đều được giải Nobel vật lý năm 1964 về nền tảng cho lĩnh vực điện tử lượng tử, dẫn đến việc tạo ra máy dao động và phóng đại dựa trên thuyết laser-maser. “Đạt tới việc khuyếch đại các sóng cực ngắn rồi mà sao không dấn thêm vào các sóng phát sáng?”, đó là câu nói thốt lên từ C. Townes. Bởi sau thành công này ông được cấp trên giao cho trọng trách mới. Thực ra nhà khoa học Anthus Schawlow Hà Nam Thanh - Laser và triển vọng 4 (em rể của Townes) đã tốn nhiều công suy nghĩ để biến Maser thành laser, nhưng mới trong phạm vi lý thuyết, và tháng 8/1958 ông công bố phần lý thuyết đó trên tạp chí “Physical Review” rồi cũng dừng lại, để cho Theodora Maiman phát triển thêm lên (Theodora Maiman là nhà khoa học của phòng thí nghiệm Hughes tại Malibu, bang California). Dựa vào lý thuyết và nền tảng thực nghiệm của Townes và Schawlow đã công bố, Townes và Schawlow dành thêm hai năm để đi sâu nghiên cứu, mở rộng thêm và trở thành người đầu tiên tìm ra laser. Hình 1: Máy tạo Maser đầu tiên trong lịch sử Ngày 12/05/1960 là một ngày đáng nhớ, T. Maiman đã chính thức tạo ra laser từ thể rắn hồng ngọc. Tia sáng do ông tìm ra là luồng ánh sáng rất tập trung và có độ hội tụ lớn, hoàn toàn thẳng, rõ nét, thuần khiết, màu đỏ lộng lẫy và bề dài bước sóng đo được là 0,694 micromet. Như vậy là giả thiết mà Einstein nêu ra 54 năm trước đó đã được chứng minh. Nhiều năm tiếp theo, các nhà khoa học khắp nơi đã nối dài con đường phát triển của laser ra thành nhiều loại, và bằng nhiều cách: đưa vào thanh hoạt chất thể khí (ví dụ như cacbonic CO 2 hoặc He, Ne, Ar ) ta có tia laser từ thể khí, đưa vào đó arseniure (từ gallium) thì có tia laser từ bán dẫn, đưa vào đó các chất dung dịch nhuộm màu hữu cơ thì cho ta laser lỏng, sử dụng oxy-iot vạn năng ta có laser hóa học, rồi laser rắn vv Điều kì diệu này là tùy theo hoạt chất mà tạo ra nhiều màu sắc khác nhau làm cho tia laser trở nên lung linh huyền ảo. Hà Nam Thanh - Laser và triển vọng 5 2 Nguyên lý cấu tạo laser Nguyên lý cấu tạo chung của một máy laser gồm có: buồng cộng hưởng chứa hoạt chất laser, nguồn nuôi và hệ thống dẫn quang. Trong đó buồng cộng hưởng với hoạt chất laser là bộ phận chủ yếu. Buồng cộng hưởng chứa hoạt chất laser, đó là một chất đặc biệt có khả năng khuyếch đại ánh sáng bằng phát xạ cưỡng bức để tạo ra laser. Khi 1 photon tới va chạm vào hoạt chất này thì kéo theo đó là 1 photon khác bật ra bay theo cùng hướng với photon tới. Mặt khác buồng cộng hưởng có 2 mặt chắn ở hai đầu, một mặt phản xạ toàn phần các photon khi bay tới, mặt kia cho một phần photon qua một phần phản xạ lại làm cho các hạt photon va chạm liên tục vào hoạt chất laser nhiều lần tạo mật độ photon lớn. Vì thế cường độ chùm laser được khuyếch đại lên nhiều lần. Tính chất của laser phụ thuộc vào hoạt chất đó, do đó người ta căn cứ vào hoạt chất để phân loại laser. 2.1 Cơ sở lý thuyết Chúng ta cần thêm một vài khái niệm nữa để hiểu rõ nguyên lý cấu tạo laser. Sự lượng tử hóa trong nguyên tử làm cho các nguyên tử có các mức năng lượng gián đoạn. Sự chuyển từ mức năng lượng này sang mức năng lượng khác phải xảy ra cùng sự phát xạ ánh sáng. Theo tiên đề Bohr, nếu nguyên tử hay phân tử nằm ở trạng thái năng lượng cao hơn năng lượng ở trạng thái thấp nhất (trạng thái cơ bản) thì nó có thể tự chuyển về các mức năng lượng thấp hơn mà không cần kích thích từ bên ngoài. Một kết quả có thể xảy ra cùng với sự chuyển mức năng lượng là giải phóng năng lượng dư thừa (ứng với hiệu hai mức năng lượng) dưới dạng một photon. Nguyên tử hay phân tử kích thích có một thời gian phát xạ đặc trưng, đó là thời gian mà chúng vẫn giữ được trạng thái năng lượng kích thích cao hơn trước khi chúng chuyển xuống các mức thấp hơn và phát ra photon. Từ thời gian phát xạ của nguyên tử Einstein đã nghĩ ra một loại phát xạ mới: phát xạ cưỡng bức. Ở trạng thái kích thích, nếu một nguyên tử được chiếu vào một Hà Nam Thanh - Laser và triển vọng 6 photon có năng lượng bằng hiệu hai mức năng lượng mà sự chuyển trạng thái có thể xảy ra tự phát, thì nguyên tử có thể bị cưỡng bức bởi photon đến và chuyển xuống mức năng lượng thấp hơn mức trên một khoảng năng lượng đúng bằng năng lượng photon đến, đồng thời phát ra một photon cùng bước sóng với photon đến. Một photon riêng lẻ tương tác với một nguyên tử kích thích thì có thể tạo ra hai photon phát xạ. Nếu các photon được xem là sóng thì sự bức xạ cưỡng bức sẽ dao động với tần số của ánh sáng tới, cùng pha (thỏa mãn tính chất kết hợp) nên làm khuyếch đại cường độ của chùm sáng ban đầu. Hình 2: Cơ chế phát ra laser Vấn đề quan trọng nhất trong việc thu được phát xạ laser cưỡng bức là dưới những điều kiện cân bằng nhiệt động lực học bình thường thì số nguyên tử hay phân tử ở mỗi mức năng lượng không thuận lợi cho việc phát xạ cưỡng bức. Do các nguyên tử có xu hướng tự chuyển xuống các mức năng lượng thấp hơn nên số nguyên tử hay phân tử ở mỗi mức sẽ giảm khi năng lượng tăng. Dưới những điều kiện bình thường, với năng lượng ứng với một quang electron điển hình là 1eV thì tỉ số giữa các nguyên tử ở trạng thái kích thích mức cao với trạng thái cơ bản mức thấp là vào khoảng 10 17 , hầu như tất cả các nguyên tử hay phân tử ở vào trạng thái cơ bản đối với sự chuyển mức năng lượng của ánh sáng khả kiến. Một lý do khiến bức xạ cưỡng bức khó thu được trở nên hiển nhiên khi xem xét các sự kiện có khả năng xảy ra quanh sự phân hủy của một electron từ một Hà Nam Thanh - Laser và triển vọng 7 trạng thái kích thích với sự phát xạ ánh sáng sau đó và tự phát. Ánh sáng phát xạ có thể kích thích sự phát xạ từ các nguyên tử bị kích thích khác, nhưng một số có thể gặp phải nguyên tử ở trạng thái cơ bản và bị hấp thụ chứ không gây ra phát xạ được. Do số nguyên tử ở trạng thái kích thích ít hơn nhiều số nguyên tử ở trạng thái cơ bản nên photon phát xạ có khả năng hấp thụ nhiều hơn, bù lại số photon cưỡng bức cũng không đáng kể so với phát xạ tự phát (ở trạng thái cân bằng nhiệt động lực học). Cơ chế làm cho sự phát xạ cưỡng bức có thể lấn át là phải có số nguyên tử ở trạng thái kích thích nhiều hơn số nguyên tử ở trạng thái năng lượng thấp hơn, sao cho các photon có khả năng gây kích thích phát xạ nhiều hơn là bị hấp thụ. Do điều kiện này là nghịch đảo trạng thái cân bằng nên được gọi là sự nghịch đảo mật độ cư trú. Miễn là số nguyên tử ở trạng thái cao nhiều hơn ở các mức thấp hơn, thì phát xạ cưỡng bức sẽ lấn át và thu được dòng thác photon. Photon phát xạ ban đầu sẽ kích thích sự phát xạ của nhiều photon khác, các photon này sau đó lại kích thích sự phát xạ ra nhiều photon khác nữa, cứ thế tiếp diễn làm cho dòng thác photon tăng lên. Kết quả là ánh sáng phát xạ được khuyếch đại. Sự nghịch đảo mật độ cư trú có thể tạo ra qua hai cơ chế cơ bản: hoặc tạo ra sự dư thừa các nguyên tử hay phân tử ở trạng thái năng lượng cao, hoặc làm giảm mật độ cư trú ở trạng thái năng lượng thấp. Nhưng đối với laser hoạt động liên tục phải chú ý vừa làm tăng mật độ cư trú ở mức cao, vừa hạ thấp mật độ cư trú ở mức thấp. Nếu quá nhiều nguyên tử hay phân tử tích tụ ở mức thấp thì sự nghịch đảo mật độ cư trú sẽ không còn và laser ngừng hoạt động. Để tạo ra sự nghịch đảo mật độ cư trú thì phải kích thích có chọn lọc các nguyên tử hay phân tử lên một mức năng lượng đặc biệt. Ánh sáng và dòng điện là các cơ chế kích thích được chọn cho phần lớn laser. Ánh sáng và các electron có thể cung cấp năng lượng cần thiết để kích thích các phân tử hay nguyên tử lên các mức năng lượng cao được chọn. Sau đó sẽ chuyển xuống mức laser trên. Như đã nói ở phần trước, khoảng thời gian mà một nguyên tử hay Hà Nam Thanh - Laser và triển vọng 8 phân tử tồn tại ở một trạng thái kích thích quyết định nó bị phát xạ cưỡng bức và tham gia vào dòng thác photon hay mất đi năng lượng qua phát xạ tự phát. Các trạng thái kích thích thường có thời gian sống cỡ nano giây, trước khi chúng giải phóng năng lượng một thời gian không đủ lâu để chúng bị kích thích bởi các photon khác. Do vậy, mức năng lượng cao phải có thời gian sống lâu hơn (trạng thái bền). Với thời gian sống trong trạng thái này (khoảng micro đến mili giây) các nguyên tử bị kích thích có thể tạo ra một lượng đáng kể phát xạ cưỡng bức. Hình 3: Biểu diễn năng lượng Laser bơm 3 mức và 4 mức Ngoài việc tạo ra sự nghịch đảo mật độ cư trú, cũng cần các yếu tố khác để khuyếch đại và tập trung ánh sáng thành một chùm. Công việc này được thực hiện trong một hộp cộng hưởng, nó phát xạ một số ánh sáng trở lại môi trường laser, và qua nhiều lần tương tác sẽ hình thành hay khuyếch đại cường độ ánh sáng. 2.2 Mô hình cấu tạo Hình 4: Mô hình cấu tạo đơn giản của một máy phát laser Hà Nam Thanh - Laser và triển vọng 9 2.3 Nguyên lý hoạt động •: electron ở mức cơ bản, ◦: electron ở mức kích thích →: quĩ đạo photon. Bình thường các electron ở mức cơ bản E 1 : sau đó cung cấp năng lượng (bơm quang học) để tạo ra trạng thái nghịch đảo mật độ cư trú. Lúc này các electron đang ở trạng thái kích thích, chúng bức xạ cảm ứng phát ra các photon, các photon đầu tiên sẽ kích thích các electron khác phát xạ. Một photon va chạm với electron của nguyên tử tạo ra hai photon, hai photon này lại tạo ra bốn photon khác và cứ như thế, số photon được nhân lên. Các photon sinh ra chuyển động theo các hướng khác nhau. Một lượng lớn chúng thoát ra khỏi ống, một số chuyển động dọc theo trục ống. Khi đến đầu ống chúng bị hai gương phản xạ lại, va chạm với các electron của các nguyên tử khác đang ở trạng thái kích thích và khởi phát thêm bức xạ cảm ứng. Số photon vẫn tăng lên không ngừng, tất cả những sự kiện này diễn ra với tốc độ kinh hoàng, trong vài phần triệu giây. Hà Nam Thanh - Laser và triển vọng 10 Khi photon chuyển động dọc theo trục ống tăng lên đến một cường độ nhất định, thì các photon này sẽ đi qua hai gương bán mạ, và ta thấy một tia laser ló ra từ đó. 3 Tính chất của laser • Độ định hướng cao: tia laser phát ra hầu như là chùm song song do đó có khả năng chiếu xa hàng nghìn km mà không bị tán xạ. Chùm sáng laser không còn tính song song chỉ do các hiệu ứng nhiễu xạ, được quyết định bởi bước sóng của ánh sáng và khẩu độ lối ra. • Tính đơn sắc rất cao: chùm sáng phát ra chỉ có một màu (hay một bước sóng) duy nhất. Đây là tính chất đặc biệt nhất mà không có chùm sáng nào có được. • Tính kết hợp: đoàn sóng laser có thể dài tới hàng trăm km, điều này có nghĩa là các vân giao thoa vẫn có thể tạo thành khi chồng chất hai chùm sóng riêng biệt có hiệu quang trình cỡ khoảng cách nói trên. • Tính hội tụ: mật độ năng thông đối với chùm laser cỡ 10 16 W/cm 2 là hoàn toàn có thể. 4 Phân loại laser Theo môi trường khuyếch đại [...]... thường sử dụng đơtêri và triti, là các đồng vị của hydro, dễ dàng tổng hợp hơn hydro Các xung laser bắn vào các viên tròn đường kính khoảng 2mm chứa vài miligam đơtêri và triti Khoảng một chục chùm tia laser có cường Hà Nam Thanh - Laser và triển vọng 16 độ mạnh tập trung chiếu đồng thời vào viên này từ tất cả các hướng, làm cho nó co lại và nổ, đẩy áp suất và nhiệt độ của hỗn hợp đơtêri và triti tăng lên... thông tin được mã hóa bởi Hà Nam Thanh - Laser và triển vọng 21 các rãnh nhỏ trên đĩa Để khắc được các rãnh này, chùm tia laser phải nhỏ cỡ 1 micromet, chúng được khắc thành đường rãnh xoáy trôn ốc với chiều dài lên đến 5km ! Hình 18: Ghi và đọc đĩa bằng laser Đầu đọc là một chùm laser hồng ngoại, khi ánh sáng laser chiếu vào một rãnh, một phần đi vào tận đáy rãnh và bị đáy này phản xạ, trong khi phần... Khi Hà Nam Thanh - Laser và triển vọng 22 laser chiếu vào tranh, một dụng cụ chuyên dụng sẽ hút bụi và khí ra ngoài.” Thiết bị laser hỗ trợ lái xe trong đêm tối Hệ thống hoạt động trên nguyên tắc chùm laser “tầm nhiệt” Đầu quét tia được lắp cạnh vị trí đèn pha và đèn hậu để có thể phát hiện những đối tượng tỏa nhiệt (người, động vật sống ) phía trước hoặc sau xe và truyền hình ảnh tới tài xế qua một mành... viên khóa sau tiếp tục tìm hiểu Mong rằng đây có thể là một tài liệu tham khảo hữu ích cho các bạn sinh viên khóa sau đam mê tìm hiểu về laser, rất mong các bạn đóng góp ý kiến và tiếp tục hoàn thiện hơn về đề tài này Hà Nam Thanh - Laser và triển vọng 34 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1 Hồ Quang Quí, Vũ Ngọc Sáu (2005), Laser có bước sóng thay đổi và ứng dụng, NXB ĐHQG Hà Nội 2 Trịnh Xuân Thuận, Phạm Văn Thiều,... đầu với một vấn đề hết sức nan giải: Làm thế nào để cơ thể con người có thể thích ứng được với nhiệt độ “băng hà” ấy để “du hành” trong thời gian? (Hiện nay, Mallet mới chỉ tiến hành những thực nghiệm nhỏ ở bước thứ nhất là đo những tác động của vòng quay laser vào một nguyên tử đơn) Hà Nam Thanh - Laser và triển vọng 33 KẾT LUẬN Sự phát triển nhanh chóng và vượt bậc của laser đến nay đều đã được mọi... dịch chuyển của laser Ngoài ra, một vài cảnh phim miêu tả hệ thống an toàn sử dụng laser đỏ có thể được vô hiệu hóa bằng các nhân vật bằng cách sử dụng các gương, khi người này nhìn thấy tia laser bằng cách rải các bụi trắng trong không khí; nhưng thực tế đa số hệ thống an toàn sử dụng laser hồng ngoại hơn là laser có thể nhìn thấy bằng cách như trên 7 7.1 Triển vọng Chip laser Phát triển này là kết... đã mở đường cho một loạt các thí nghiệm để tạo ra các sức nóng và áp suất như ở lõi Mặt trời Hình 20: Hội tụ cường độ laser để tạo ra năng lượng lớn Theo các nhà khoa học, tia laser của NIF có thể tạo ra năng lượng Hà Nam Thanh - Laser và triển vọng 26 trong một loạt các thí nghiệm vào năm 2010 theo đúng mục tiêu đề ra là tạo đủ độ nóng và áp suất để đốt cháy các nguyên tử hydro trong mục tiêu hình... mới tốt hơn, nhanh hơn, nhạy hơn và chính xác hơn , và laser là một trong những công cụ như thế 7.4 Việc tạo ra các từ trường mạnh nhờ laser Bằng cách bắn những chùm laser cực mạnh vào một chất liệu đặc biệt, các nhà khoa học Anh mới đây đã tạo ra một đám mây khí sôi sục ở trạng thái plasma Từ trung tâm đám khí xuất hiện một từ trường mạnh chưa Hà Nam Thanh - Laser và triển vọng 29 từng thấy Hiện tượng... học như bị “bóc từng lớp” Laser excimer được ứng dụng trong y học với tên gọi là “dao cắt lạnh” (phi nhiệt) Hai trong nhiều ứng dụng quan trọng của laser excimer là phẫu thuật tạo hình tim mạch bằng laser chọc qua da và điều trị tật Hà Nam Thanh - Laser và triển vọng 13 khúc xạ của mắt Hình 6: Thiết bị laser- excimer Bằng cách quét qua lượng máu dự trữ trong ngân hàng máu, laser có thể diệt rất nhiều... khoa, ứng dụng của laser trong chuẩn đoán và điều trị bệnh từ đó mở ra nhiều triển vọng trong chữa bệnh và làm đẹp cho con người Laser được ứng dụng trong chuẩn đoán và điều trị có bước sóng nằm trong khoảng từ 193 nm đến 10.6µm, thuộc vùng tử ngoại, khả kiến và hồng ngoại gần, có thể làm việc ở chế độ xung hay chế độ liên tục Hiệu ứng quang đông (nhiệt): bức xạ laser có năng lượng vừa đủ và được giải phóng . chọn đề tài: Laser và triển vọng” để tìm hiều và nghiên cứu trong tiểu luận này. Hà Nam Thanh - Laser và triển vọng 2 2. Nội dung nghiên cứu Đề tài nghiên. Tổng hợp và phân tích tài liệu. • So sánh và khái quát hóa. 4. Giới hạn đề tài Đề tài chỉ tập trung nghiên cứu những vấn đề cơ bản của laser và những ứng