Laser và ứng dụng

Laser và ứng dụng

1.1.Vài nét về lịch sử phát triển, tiềm năng và

triển vọng của laser

Ngày nay Laser hiện diện ở nhiều nơi, nhưng khách quan mà nói, chúng ta hiểu về nó còn rất hạn chế Laser phát triển mạnh vào những năm 1980, thời điểm này nước ta mới vượt ra khỏi cuộc chiến tranh nên điều kiện tiếp cận với Laser còn chưa nhiều, mặt khác sản phẩm của nó bán trên thị trường quá đắt so với túi tiền khi đó của chúng ta

1 Cơ sở lý thuyết về Laser

Nhưng Laser phát triển rất nhanh, nó đã xâm nhập vào nhiều ngõ ngách của cuộc sống, vậy nên chăng

hãy tìm hiểu kỹ thêm: Laser là gì ? Laser xuất hiện khi nào ? những chặng đường phát triển của nó ? những tính chất gì của Laser được ứng dụng vào trong đời sống, trong kỹ thuật và trong nghiên cứu khoa học như thế nào?

1.1.Vài nét về lịch sử phát triển, tiềm năng và

triển vọng của laser

1 Cơ sở lý thuyết về Laser

Alfered Kastler (1902 – 1984) (1902 – 1984)

Nikolai Gennadiyevich Basov

(1922) (1922)

Charles Townes

(1915) (1915)

Aleksandr Mikhailovich Prokhorov (1916)

(1916)

Ý tưởng về Laser được Einstein đưa ra từ năm 1917

Năm 1958, các nhà bác học Nga và Mĩ , nghiên

cứu độc lập với nhau, đã chế tạo thành công laser

đầu tiên

1.1.Vài nét về lịch sử phát triển, tiềm

năng và triển vọng của laser

1.1.Vài nét về lịch sử phát triển, tiềm năng

và triển vọng của laser

Vào năm 1916, sau khi được bầu vào Viện Hàn lâm Khoa học Đức, A.Einstein 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

1.1.Vài nét về lịch sử phát triển, tiềm năng

và triển vọng của laser

Mãi tới năm 1951giáo sư Charles Townes (Mỹ) mới chú ý đến sự khuếch đại của sóng cực ngắn (vi sóng)

Ông thực hiện một thí nghiệm mang tên Maser (maze) là khuếch đại vi sóng bằng bức xạ cảm ứng

1.1.Vài nét về lịch sử phát triển, tiềm năng

và triển vọng của laser

Ngày 16/5/1960 T Maiman 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 chiều dài bước sóng

đo được là 0,694 micromet

1.1.Vài nét về lịch sử phát triển, tiềm năng

và triển vọng của laser

Những năm tiếp theo, các nhà khoa học khắp nơi đã nối dài thành quả, chế tạo ra thành nhiều loại laze: laze từ thể khí; laze từ bán dẫn; laze lỏng; sử dụng oxy-iot vạn năng ta có laze hoá học và laze rắn v v

Người ta dự đoán, cùng với bán dẫn, laze sẽ là một trong những lĩnh vực khoa học và công nghệ quan trọng vào bậc nhất của thế kỷ XXI.

1.2.1.Laser là gì?

Định nghĩa:

Laser là chữ viết tắt “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation” nghĩa là khuếch đại ánh sáng bằng bức xạ cảm ứng.

Đặc điểm:

Tia laser có tính đơn sắc, tính định hướng, tính kết hợp và có cường độ lớn.

1.2 Cơ sở vật lý về Laser

1.2.2 Cấu tạo chung của máy phát laser:

Một thiết bị laser gồm 3 phần chính sau đây:

-Một môi trường laser ( môi trường hoạt tính)

-Một nguồn năng lượng phát xạ rất mạnh ( nguồn bơm)

-Bộ cộng hưởng quang học.

1.2 Cơ sở vật lý về Laser

Tia laser

1.2 Cơ sở vật lý về Laser

1.2.3 Cơ sở vật lý

Năm 1917 Einstein giả thuyết rằng, khi có sự tương tác giữa ánh sáng với các nguyên tử thì cùng với sự hấp thụ một lượng tử ánh sáng, còn xảy ra 2 loại bức xạ khác nhau đó là : bức xạ tự phát và bức xạ cảm ứng.

Bức xạ cảm ứng có một tính chất đặc biệt quan trọng là tần số, phân cực, hướng truyền của các photon bức xạ và trường ngoài là trùng nhau.

1.2 Cơ sở vật lý về Laser

Điều này có nghĩa là trong một điều kiện nào đó, có thể kích thích các nguyên tử hay phân tử của vật chất làm chúng bức ra photon.

Các photon này lại kích thích các nguyên tử làm chúng phát ra các photon thứ cấp giống y như photon ban đầu.

Các photon này có cùng bước sóng, cùng pha và có vectơ phân cực như nhau.

1.2 Cơ sở vật lý về Laser

Hiện tượng phát xạ cảm ứng

1.2 Cơ sở vật lý về Laser

Trên mọi quỹ đạo của e khi quay quanh hạt nhân luôn tồn tại một năng lượng không đổi Khi bị kích thích, e chuyển lên quỹ đạo có mức mức năng lượng cao hơn hoặc thoát ra khỏi nguyên tử Để kích thích e từ mức năng lượng thấp đến mức năng lượng cao thì phải cung cấp năng lượng E = Ecao – Ethấp.

Các e sau khi kích thích lên mức năng lượng cao chúng

sẽ tồn tại một thời gian gọi là thời gian sống của các nguyên tử.

1.3 Nguyên lý hoạt động của laser

Khi nguyên tử chuyển từ mức năng cao về mức năng lượng thấp đồng thời bức xạ một photon có năng lượng

và bước sóng thõa mãn

( h = 6,625.10-34 J.S là hằng số Planck; c = 3.108m/s là vận tốc ánh sáng trong chân không).

λ

hc E

Giả sử rằng nếu nguyên tử chỉ có 2 mức năng lượng

Ethấp và Ecao Khi chuyển từ mức năng lượng cao về mức năng lượng thấp thì các e phát ra ánh sáng đơn sắc.

Các ánh sáng này do bức xạ phát ra nên chúng chưa phải là laser

Để có ánh sáng laser thì các ánh sáng đơn sắc này phải định hướng và đồng pha.

1.3 Nguyên lý hoạt động của laser

Thông thường người ta phân loại laser dựa theo vật liệu cấu tạo nên môi trường hoạt tính của chúng

Có thể chia laser thành các loại sau:

Laser rắn Laser bán dẫn Laser khí

Laser lỏng (laser màu)

.

1.4 Phân loại Laser

6 Thời gian một xung ngắn (khoảng 10 -9 s)

7 Bước sóng ngắn và có dãi sóng bức xạ lớn từ tia tím đến hồng ngoại nên khả năng ứng dụng rộng.

8 Mật độ nguồn nhiệt lớn ( khoảng 10 10 w/cm 2 )

1.5.2 Khả năng ứng dụng của laser

1 Laser trong công nghệ hóa học

2 Laser trong công nghệ vật liệu bán dẫn

3 Laser trong CN chế tạo vật liệu kim loại

4 Laser trong CN gia công vật liệu

5 Laser- công nghệ năng lượng

1.5 Đặc điểm và khả năng ứng

dụng của laser

6 Laser trong lĩnh vực holography

7 Laser trong nghiên cứu khoa học

8 Laser trong các lĩnh vực khác ( kiến trúc, nghệ thuật, y tế….)

1.5 Đặc điểm và khả năng ứng

dụng của laser

2 Ứng dụng Laser trong nghiên

cứu khoa học:

1 Dùng Laser làm chệch hướng thiên thạch

2 Dùng Laser nghiên cứu vũ trụ

3 Laser mô phỏng từ trường trong BEC

4 Làm lạnh không khí – vật thể

5 Quan sát trực tiếp electron chui hầm

6 Laser tái tạo tia X phát ra bởi lỗ đen

7 Laser đo kích cỡ hạt nhân quầng

8 Laser giúp định nghĩa đơn vị Kelvin

9 Nghiên cứu plasma nóng và các phản ứng nhiệt hạch

10 Chụp ảnh khối (Holography)

2 Ứng dụng Laser trong nghiên

cứu khoa học:

Hoạt động của các tiểu hành tinh

rất thất thường Các tiểu hành tinh

vừa di chuyển vừa xoay tròn trong

không gian theo một cách khó có

thể dự đoán Đồng thời, đường bay

của chúng cũng có thể thay đổi

theo thời gian…  tìm ra một

phương thức để dự báo chính xác

quỹ đạo của chúng là một vấn đề

rất quan trọng!

Bắn vở hay lái chệch: Phương án nào khả thi…?

Sử dụng vũ khí hạt nhân  bắn

các tiểu hành tinh  phải vận

chuyển và phóng nó đi an toàn?

Dùng Laser  hệ thống cảnh

báo  những tàu vũ trụ mang

theo thiết bị phát tia LASER có

khả năng làm chệnh quỹ đạo của

các tiểu hành tinh trong vũ trụ

2.1 Dùng Laser làm chệch hướng

thiên thạch:

2.2 Dùng Laser nghiên cứu vũ trụ:

Tia laser hoạt động trong phòng thí nghiệm, với những bộ

khuếch đại bằng thủy tinh xanh (Ảnh: Roger Highfield)

Để phóng tia laser này, điện phải nạp

vào 20 tụ điện 20.000 volt Những tụ

điện này tiếp năng lượng cho những ống khuếch đại năng lượng Mỗi ống chứa

một vật liệu khuếch đại, thường là thủy tinh, và được kích thích bởi những ngọn đèn do tụ điện cấp điện Mỗi lần tia laser qua một trong những tấm thủy tinh, nó lại thu thêm năng lượng

2.2 Dùng Laser nghiên cứu vũ trụ:

Sử dụng tia laser này để đun nóng và

nghiên cứu vật chất  khám phá nhiều

hiện tượng thiên văn thu nhỏ, như sao

băng mini, sao, những khối khí thể plasma

có mật độ rất cao, những tình trạng xảy ra bên trong các vì sao

2.2 Dùng Laser nghiên cứu vũ trụ:

Nghiên cứu khả năng sáng tạo năng lượng từ phản ứng hợp nhất có kiểm soát, giống quá

trình tạo năng lượng của mặt trời Phun

những chùm nguyên tử deuterium (hydrogen nặng) vào khoang laser, nơi đó tia laser sẽ

hợp nhất các nguyên tử lại và tạo năng lượng hợp nhất

Sử dụng tia laser theo cách này là một

phương pháp truyền thống để nghiên cứu quá trình xảy ra bên trong đầu đạn bom H

2.2 Dùng Laser nghiên cứu vũ trụ:

2.3 Laser mô phỏng từ trường

trong BEC:

Các chùm laser vuông góc

nhau (mũi tên đỏ) được chiếu

vào một BEC (đám mây màu

xanh lá),

Nơi đồng thời đặt trong gradient từ trường (mũi

tên màu tía) Kết quả giống như một trường (mũi

tên màu lam) và các nguyên tử hành xử giống như các hạt tích điện (khung hình nhỏ)

2.3 Laser mô phỏng từ trường

trong BEC:

Ánh sáng laser  nguyên tử cực lạnh, trung hòa hành xử giống như các hạt tích điện trong từ

trường

Dùng làm “vật mô phỏng lượng tử” để nghiên cứu

về cách thức các electron trong chất rắn phản ứng với từ trường Đặc biệt, nó có thể làm sáng tỏ thêm hiệu ứng Hall lượng tử một phần (FQHE)máy tính lượng tử

2.3 Laser mô phỏng từ trường

trong BEC:

2.4 Làm lạnh không khí – vật thể:

Mục đích nghiên cứu trạng thái lượng tử của các vật vĩ mô các vật vĩ mô cũng tuân theo các định luật của cơ học lượng tử

Phương pháp: sử dụng kết hợp hai kĩ thuật

bẫy quang học hãm bằng ánh sáng

2.4 Làm lạnh không khí – vật thể:

Chiếu hai tia laser đến va chạm với cái gương treo lơ lửng, một tia sẽ giữ cái gương ở vị trí của nó, tia này đóng vai trò như lò xo, tia kia thì làm chậm (hay

hãm) vật và lấy đi năng lượng nhiệt của nó

Khi kết hợp với nhau, hai tia laser phát ra một lực

cực mạnh chúng hãm chuyển động của vật đến mức gần như là không còn gì

2.4 Làm lạnh không khí – vật thể:

2.5 Quan sát trực tiếp electron chui hầm:

Xung laser cường độ cao Điện trường mạnh

làm các electron “chui hầm” khỏi một nguyên tử

Nghiên cứu về động lực học của hiệu ứng đường hầm

Một xung laser gồm một số ít các dao động

điện trường  hút các electron lớp ngoài của nguyên tử ra khỏi liên kết với hạt nhân Tại

cực đại của các dao động này, lực hút này có

thể đủ lớn để các electron lớp ngoài cùng có cơ hội thoát (hay chui hầm) khỏi nguyên tử, mặc

dù chúng không có đủ năng lượng để thắng nổi sức hút của hạt nhân

2.5 Quan sát trực tiếp electron chui hầm:

Quá trình này xảy ra rất nhanh  các thiết

bị đo điện chỉ có thể phát hiện nguyên tử

bị ion hóa sau cùng, không kịp ghi nhận

được bất kì trạng thái trung gian nào nữa.

2.5 Quan sát trực tiếp electron chui hầm:

2.6 Laser tái tạo tia X phát

ra bởi lỗ đen:

Vật chất bị hút từ một sao đồng hành sang đĩa bồi tụ bao quanh một lỗ đen, sao neutron hoặc sao lùn

trắng Vật chất này rơi vào trong lỗ đen và phát ra bức xạ làm quang ion hóa vật chất còn lại trong đĩa bồi tụ, làm chúng phát ra tia X

Các nhà vật lí đã mô phỏng lại quá trình này bằng cách cho nổ một bọc đạn nhỏ và quang ion hóa

silicon với bức xạ phát ra

2.6 Laser tái tạo tia X phát

ra bởi lỗ đen:

2.7 Laser đo kích cỡ hạt nhân

Tạo 4 đồng vị khác nhau của beryllium (với

7, 9, 10 và 11 neucleon) bằng cách bắn một chùm proton 1,4 GeV vào bia uranium-

carbide  ion hóa bởi một laser và được

gia tốc đến 50 kV

2.7 Laser đo kích cỡ hạt nhân

quầng:

Các mức năng lượng electron được cảm

ứng bằng cách bắn hai chùm laser tử ngoại vào các ion

Một chùm bắn thẳng vào các ion đang đi vào; chùm kia bắn theo hướng ngược lại từ phía sau các ion để khử sai số thực nghiệm

về động năng của các ion.

2.7 Laser đo kích cỡ hạt nhân

quầng:

Tuy nhiên, bước sóng của ánh sáng bị hấp thụ

và sau đó phát xạ bởi đồng vị quầng beryllium khác rất ít với ánh sáng phát xạ từ các đồng vị beryllium thông thường – sự khác biệt là do sự lệch đồng vị, đó là tổng của sự lệch khối và

lệch thể tích

2.7 Laser đo kích cỡ hạt nhân

quầng:

2.8 Laser giúp định nghĩa

Chiều rộng của sự mở rộng đó được xác định

bởi kB cũng như áp suất và nhiệt độ của chất khí

và tần số của ánh sáng bị hấp thụ Bằng cách đo

độ mở rộng như một hàm của áp suất tại một

nhiệt độ và tần số cố định, Chardonnet và các đồng sự có thể xác định kB với độ chính xác

khoảng 2 phần trong 10 ngàn

2.8 Laser giúp định nghĩa

đơn vị Kelvin:

2.9 Nghiên cứu plasma nóng và

các phản ứng nhiệt hạch

Tia Laser có công suất cao vật chất

 Plasma ở nhiệt độ cao nghiên cứu phản

ứng nhiệt hạch

2.10.1 Giới thiệu:

- Holography thường gọi là chụp ảnh khối

- Được đề xuất từ năm 1948

- Chỉ từ khi có Laser mới thu được ảnh khối của vật, Holography trở thành một ngành khoa học riêng trong vật lý và quang học kỹ thuật

2.10.2 Nguyên lý cơ sở của holography:

2.10.2.1 Giai đoạn chụp:

Sơ đồ nguyên tắc giai đoạn chụp

S: gương bán mạ M: kính ảnh

P: 1 điểm trên vật

Sơ đồ nguyên tắc giai đoạn chụp

2.10.2 Nguyên lý cơ sở của

đến M và được gọi là chùm tựa

- B là chùm truyền qua S đi tới

điểm P trên vật, ánh sáng tán xạ từ P cũng tới M và được gọi là chùm tán xạ.

Trên M có 2 chùm sáng gặp nhau và giao thoa với

nhau, khi rửa kính ảnh M sẽ thu được 1 bản hình ảnh giao

thoa Đó là bản Hologram

2.10.2 Nguyên lý cơ sở của

holography:

2.10.2.2 Giai đoạn phục hồi:

Sơ đồ nguyên tắc giai đoạn phục hồi

Thay kính ảnh M bằng Hologram,

sử dụng chùm tựa như lúc chụp

Sơ đồ giai đoạn phục hồi

2.10.2 Nguyên lý cơ sở của

holography:

2.10.2.2 Giai đoạn phục hồi:

- Chùm tựa sẽ tán xạ qua Hologram.

- Đặt mắt quan sát ánh sáng truyền qua Hologram, ta sẽ thu được hình ảnh của điểm P của vật lúc chụp

- Với điểm P bất kỳ trên vật ta đều thu được ảnh của nó trên Hologram với vị trí khác

nhau của góc nhìn lúc phục hồi.

- Khi phục hồi các điểm đó lại

ta sẽ thấy vật toàn cảnh như

thực đó là ảnh khối => Chụp

ảnh khối

2.10.3 Cơ sở lý thuyết của

holography:

2.10.3.1 Giai đoạn chụp:

Xét vật điểm ( P ) như hình sau:

2.10.3 Cơ sở lý thuyết của

2.10.3 Cơ sở lý thuyết của

⇒ I là hàm tuần hoàn theo ro

⇒ Thu được các vân giao thoa là các vành tròn như hình b, khoảng cách giữa các vành thỏa mãn hệ thức giao thoa:

∆ro = λ = PO’-PO

(1)

2.10.3 Cơ sở lý thuyết của

holography:

2.10.3.2 Giai đoạn phục hồi:

Kính ảnh Hologram khi sau khi rửa sẽ có một độ đen tỷ

lệ với cường độ tới I Gọi T là độ truyền qua thì độ đen là:

Suy ra độ truyền qua Hologram là:

Ánh sáng truyền qua Hologram tới mắt người quan sát là:

(2)

2.10.3 Cơ sở lý thuyết của

Sơ đồ giai đoạn phục hồi

thay (1), (2) vào (3) ta được:

1 2

2.10.3 Cơ sở lý thuyết của

- V’’ là sóng cầu phân kỳ xuất

phát từ điểm P, biên độ giảm

dần theo ro

- V’’ là sóng cầu hội tụ tại P’,

đối xứng với P qua hologram

- V’’ và V’’’ cho ảnh ảo và ảnh

thật của P lúc chụp

2.10.3 Cơ sở lý thuyết của

2.10.4 Ưu điểm của Holography

- Chụp ảnh không cần thấu kính

- Holography cho ảnh 3 chiều(ảnh khối)

- Ở bất cứ điểm nào của hologram cũng có được hình ảnh của toàn vật khi phục hồi

- Hologram có thể lưu được rất nhiều thông tin: 1cm3 hologram có thể ghi được 1011bit

2.10.5 Một vài ứng dụng quan

trọng của holography

-Làm bộ nhớ máy tính điện tử quang học(thế hệ thứ năm của máy tính)

- Chụp ảnh màu 3 chiều và video màu 3 chiều

- Sử dụng ảnh của holography làm ảnh mẫu kiểm tra sản phẩm: lốp ôtô,

- Ghi ảnh của vi sinh vật, máy bay, tên lửa, khi chúng đang chuyển động, để nghiên cứu sự thay đổi theo thời gian của chúng.