Bài tập lớn môn học vật lý 2 Đề tài laser và Ứng dụng

Laser Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation- sự khuếch đại ánh sáng bằng bức xạ kích hoạt là nguồn ánh sáng nhân tạo thu được nhờ sự khuếch đại ánh sáng nhờ bức xạ phá

[pe

MỤC LỤC

F90 ¡e2 2 I8)¡909M0 c0 .- 3 1.1 Co san 3

1.2.1 Trong thông tin liên lạc ‹ - c S212 2211111115511551 1551155111 x 1E KH kg tk ky 14 1.2.2 Trong nghiên cứu vũ FỤ: TT nnnnnnnnnn TS TT TT TT TT T HH kg kh ky 14 1.2.3 Ứng dụng của tia laser trong quân sự - -:- + 2222 2222222221222 14 1.2.4 Ung dụng của tia laser trong công nghiệp - 525222 2S 2E2E xe csrred 15 1.2.5 Ứng dụng trong y hỌC i5 222112525 11151 1111313151515 11111111111111 10 81g 16

TÀI LIỆU THAM KHẢO -: c5: 212121121121 E22 11g 19

| LOI MO DAU

Năm 1900, nhà vật lý người Dire Max Planck đã suy ra mối liên hệ giữa năng lượng và tần số của bức xạ Ông là người đầu tiên đưa ra giả thuyết rằng năng lượng

có thê được phát ra hoặc hấp thụ theo từng khối hoặc lượng tử riêng biệt

Năm 1905, nhà vật lý người Đức Albert Einstein dựa trên lý thuyết của Planck đề công bố bài báo của mình về hiệu ứng quang điện Ông đề xuất rằng ánh sáng cũng cung cấp năng lượng theo từng khối, hay các hạt lượng tử rời rạc, gọi là photon Điều này đã đặt nền móng cho sự phát triển của tia LASER sau này

Năm 1917, Einstein lần đầu tiên đưa ra giả thuyết về sự kích thích của quá trình phát xạ ánh sáng Ông đã sử dụng định luật bức xạ Planck để mô tả các hệ số xác suất (hệ số Einstein) cho sự hap thu va phát xạ tự phát và kích thích của bức xạ EM (bức xạ điện từ), bao gồm cả ánh sáng Lý thuyết của ông đề xuất rằng các electron có thê bị kích thích để phát ra ánh sáng có bước sóng cụ thẻ

Năm 1954, một nhóm các nhà vật lý người Mỹ bao gồm Charles Hard Townes, Arthur Schawlow, James P Gordon, Herbert J Zeiger đã nghiên cứu ra Khuếch đại vi song bang phat xa kich thich (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation), còn được gọi là MASER

Nam 1955, nha vật lý người Nga Nikolai Basov phát hiện ra khái niệm về sự hấp thụ âm thường được gọi là phương pháp bơm Điều này liên quan đến việc truyền năng lượng từ nguồn bên ngoài vào môi trường khuếch đại trong cụm laser

Năm 1957, Gordon Gould, một sinh viên tốt nghiệp đại học Columbia, lần đầu tiên đề ra khái niệm LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)

Năm 1960, kỹ sư và nhà vật lý người Mỹ Theodore H Maiman đã lần đầu tiên lắp ráp thành công một thiết bị laser hoàn chỉnh

Từ những nghiên cứu và phát hiện đầu tiên của Max Planck, Laser ngày càng

hữu ích khi được ứng dụng mạnh mẽ vảo nhiều lĩnh vực như y học, khoa học kỹ thuật, thông tin liên lạc, quân sự Vì thế, nhóm tác giả chọn đề tài “Laser và các ứng dụng của Laser” làm chủ đề tìm hiểu bài tập lớn Vật Lý 2

Il NOI DUNG

1.1 Cơ sở lý thuyết

1.1.1 Laser là gì?

Laser ( Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)- sự khuếch đại ánh sáng bằng bức xạ kích hoạt là nguồn ánh sáng nhân tạo thu được nhờ sự khuếch đại ánh sáng nhờ bức xạ phát ra khi kích hoạt cao độ của các phần tử của môi trường vật chất tương ứng Laser là ánh sáng có nhiều tính chất đặc biệt hơn hắn ánh sáng tự nhiên hay nhân tạo và có những công dụng hữu ích trong nhiều lĩnh vực khoa học kỹ thuật, đời sông, tạo nên cuộc cách mạng kỹ thuật sau khi nó ra đời

1.1.2 Cầu tạo và tính chất của laser

1.1.2.1 Câu tạo

Cấu tạo đèn laser thường có 3 phần, đó là:

-Nguồn bơm (nguồn năng lượng): có thể sử dụng các nguồn năng lượng khác nhau, bao gồm đèn flash, laser màu xanh, hoặc các diode laser Đối với laser hợp nhất, đèn flash thường được sử dụng đề cung cấp năng lượng trong khoảng ngắn

-Môi trường kích thích (môi trường laser): được chọn dựa trên tính chất quang học của chất đó Ví dụ, ruby (rubi) chứa chromium có thê được sử dụng cho laser ruby, thạch anh (quartz) có thê được sử dụng trong laser thạch anh CO2 và Nd:YAG

là những ví dụ khác của các chất laser thường được sử dụng

-Gương hoặc hệ thống gương dùng để tạo hệ thống khuếch đại ánh sáng: gương

có thể được làm từ các vật liệu phản xạ cao như gương phản xạ kim loại hoặc phản xạ dielectric (co thé là các lớp màng phản xạ trên bề mặt thủy tinh) Các chất liệu này

được chọn đề đảm bảo độ phản xạ cao và ít mat năng lượng nhất có thể trong quá trinh

phản xạ

Vật liệu phát laser cũng thường được gọi là môi trường laser hoặc môi trường khuếch đại Nó năm bên trong khoang quang học, là nơi tạo ra các sóng ánh sáng dừng trong môi trường khuếch đại đề quá trình phát laser xảy ra

Môi trường khuếch đại có thể là chất rắn, chất lỏng hoặc chất khí, mặc dù vật liệu tinh thể được sử dụng phô biến nhất Môi trường khuếch đại được yêu cầu phải có các đặc tính quang học thích hợp cũng như kích thước và hình dạng, nồng độ và độ tỉnh khiết được kiểm soát

Nguồn điện hoặc nguồn ánh sáng cường độ cao, chăng hạn như đèn flash, là ví

dụ về nguồn bơm Môi trường laser hấp thụ năng lượng bơm này, năng lượng này kích thích một số phân tử trong môi trường khuếch đại chuyên sang trạng thái lượng tử bị kích thích hoặc năng lượng cao hơn

Khoang quang học là một loại bộ cộng hưởng khoang Bên trong khoang quang học, chùm ánh sáng kết hợp được giữ giữa hai bề mặt phản xạ Mục đích của các bề mặt phản chiếu là cho phép ánh sáng đi qua môi trường laser nhiều lần trước khi ánh sáng bị mất do nhiễu xạ, hấp thụ hoặc phát ra từ khâu độ đầu ra

Khi chùm ánh sáng truyền qua môi trường laser đi qua khoang quang nhiều lần, công suất của chùm ánh sáng tuần hoàn có thể tăng theo cấp số nhân nếu độ khuếch đại laser trong môi trường laser lớn hơn tôn thất của bộ cộng hưởng

Một môi trường khuếch đại được bơm cuối cùng sẽ chuyển đôi năng lượng của

nó thành sự phát xạ bức xạ kích thích — chùm tia laze Nếu tần số của photon tới trên môi trường khuếch đại phù hợp với chênh lệch năng lượng giữa trạng thái cơ bản và trạng thái kích thích của một nguyên tử đã bị kích thích thì nguyên tử đó sẽ trải qua quá trình phát xạ mô phỏng Đây là nơi nó trở lại trạng thái điện tử cơ bản, giải phóng photon thứ hai có cùng tần số Pha của photon phát ra và hướng của nó

Đề đạt được độ phát laser của môi trường khuếch đại, phải đạt được cái gọi là đảo ngược dân số Sự đảo ngược dân số xảy ra khi số lượng nguyên tử ở trạng thái kích thích lớn hơn trạng thái cơ bản của chúng và được điều khiển bởi sự bơm điện

hoặc quang của môi trường khuếch đại Sự đảo ngược dân số là trạng thái năng lượng không ôn định của hệ thông, do đó các electron bị kích thích sẽ duy trì ở trạng thái năng lượng cao trong một khoảng thời gian ngắn trước khi phân hủy trở lại mức năng lượng thấp hơn Sự phân rã hoặc phát xạ có thê xảy ra theo hai cách: tự phát hoặc kích

thích

Anh sáng được khuếch đại khi lượng phát xạ kích thích hoặc phân rã do anh sang truyền qua lớn hơn lượng hấp thụ Sự khuếch đại này sẽ tiếp tục cho đến khi có sự tích

tụ đủ năng lượng để một chùm tia laser truyền qua hộp quang

Chùm tía laser xuất ra có thể được phát ra dưới dạng chùm tia liên tục, được gọi

là hoạt động sóng liên tục hoặc CW Hoặc, nếu muốn có công suất cực đại cao hơn thì đầu ra của tia laser có thể được tạo xung Phương pháp đầu ra này sử dụng các kỹ thuật chuyền mạch Q khóa chế độ hoặc chuyên mạch khuếch đại

Nguyên tắc phát tia laser:

— Dưới tác động của hiệu điện thế lớn, các electron của môi trường hoạt chất di chuyên từ mức năng lượng thấp lên mức năng lượng cao tạo nên trạng thái nghịch đảo mật độ của electron

— Ở mức năng lượng cao, một số electron sẽ rơi ngẫu nhiên xuống mức năng lượng thấp, giải phóng ánh sáng gọi là hạt photon

— Các hạt photon này sẽ toả ra nhiều hướng khác nhau từ một nguyên tử, va phải các nguyên tử khác, kích thích eletron ở các nguyên tử này rơi xuống tiếp, sinh thêm các photon cùng tần số, cùng pha và cùng hướng bay, tạo nên một phản ứng dây chuyền khuếch đại dòng ánh sáng

— Các hạt photon bị phản xạ qua lại nhiều lần trong vật liệu, nhờ các gương dé tăng hiệu suất khuếch đại ánh sáng

— Một số photon thoát ra ngoài nhờ có gương bán mạ tại một đầu của vật liệu Tra sáng đi ra chính là tia laser

1.1.2.2 Tính chất

Độ định hướng cao: tia laser phát ra hầu như là chùm song song, nên có khả năng

chiếu xa hàng nghìn km mà không bị phân tan

Tinh don sac rat cao: chim sáng chỉ có một màu (hay một bước sóng) duy nhất

Do vay chum laser không bị tán xạ khi đi qua mặt phân cách của hai môi trường có chiết xuất khác nhau Đây là tính chất đặc biệt nhất mà không nguồn sáng nảo có Tính đồng bộ của các photon trong chùm tia laser: Có khả năng phát xung cực ngắn: cỡ mili giây (ms), nano giây, pico giây, cho phép tập trung năng lượng tia laser cực lớn trong thời g1an cực ngăn

1.1.3 Hoạt động của laser

1.1.3.1 Nguyên lý hoạt dộng

emission emission emission

- Kich thich hap thy (Stimulated Absorption)

Electron hấp thụ năng lượng từ ánh sáng (photon) hay nhiệt (phonon) đề chuyển đổi từ mức năng lượng thấp lên mức năng lượng cao hơn Sự chuyền đôi giữa các mức năng lượng của electron phải phù hợp năng lượng mà photon hoặc phonon mang theo Tức là với ánh sáng, một chuyên đối mức năng lượng chỉ hấp thụ một bước sóng ánh sáng cụ thể Các photon có bước sóng chính xác có thể khiến electron nhảy từ mức năng lượng thấp lên mức năng lượng cao hơn Quá trình này tiêu thụ photon

- Phát xạ tự phat (Spontaneous emission)

Khi một electron bị kích thích từ mức năng lượng thấp lên mức năng lượng cao hơn, nó khó có thể giữ nguyên trạng thái đó mãi mãi Một electron ở trạng thái kích thích có thể phân rã sang trạng thái năng lượng thấp hơn mà không bị chiếm giữ, tùy theo hằng số thời gian cụ thể đặc trưng cho quá trình chuyển đôi đó Khi một electron như vậy phân rã mà không chịu tác động từ bên ngoài, phát ra một photon, thì đó được gọi là "Phát xạ tự phát" Pha và hướng liên quan đến photon được phát ra là ngẫu nhiên Do đó, một vật liệu có nhiều nguyên tử ở trạng thái kích thích như vậy có thể tạo ra bức xạ có phô hẹp (tập trung quanh một bước sóng ánh sáng), nhưng các photon riêng lẻ sẽ không có mỗi quan hệ pha chung và cũng sẽ phát ra theo các hướng ngẫu nhiên Đây là cơ chế phát huỳnh quang và phát nhiệt

- Phat xa kich thich (Stimulated emission)

Khi electron trong nguyên tử thực hiện sự chuyên tiếp giữa hai trạng thái đứng yên (cả hai trạng thái này đều không có trường lưỡng cực), nó chuyển sang trạng thái chuyên tiếp có trường lưỡng cực và hoạt động giống như một lưỡng cực điện nhỏ, và lưỡng cực này đao động với tốc độ tần số đặc trưng Đề đáp ứng với điện trường ngoài

ở tần số này, xác suất electron đi vào trạng thái chuyền tiếp này tăng lên rất nhiều Do

đó, tốc độ chuyền đối giữa hai trạng thái dừng tăng lên vượt hơn tốc độ phát xạ tự phát Một photon có bước sóng chính xác được hấp thụ trong quá trình chuyển đôi cũng có thể làm cho một electron rơi từ mức cao xuống mức thấp hơn, phát ra một photon mới Photon phát ra khớp với photon ban đầu về bước sóng, pha và hướng Quá trình này được gọi là phát xạ kích thích

- Đảo ngược mật độ (Invert population)

Số lượng nguyên tử có ở trạng thái kích thích hoặc trạng thái năng lượng cao hơn nhiều hơn số lượng nguyên tử có ở trạng thái cơ bản hoặc trạng thái năng lượng thấp hơn được gọi là “Đảo ngược mật độ” Nói chung, mức năng lượng thấp hơn có nhiều mật độ cao hơn, nghĩa là nó có nhiều nguyên tử ở mức năng lượng thấp hơn so với mức năng lượng cao hơn Nhưng bằng cách bơm sẽ đạt được trạng thái số lượng nguyên tử có ở trạng thái năng lượng cao hơn số lượng nguyên tử có ở trạng thái năng lượng thấp hơn

normal distribution population inversion

- Khuéch dai anh sang (Light Amplification)

Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

mirror mirror

Hình 3 Khuếch đại ánh sáng

(http://hyperphysics phy-astr.gsu.edu/hbase/optmod/qualig.html) Tấm gương ở một bên của thiết bị quang học của tia laser phan xa photon vé phia các electron Khoảng không gian giữa các gương được thiết kế sao cho photon mong muốn đối với loại môi trường khuếch đại quang học cụ thể được đưa trở lại môi trường

đề kích thích sự phát xạ của một bản sao gần như chính xác của photon đó Cả hai đều

di chuyển theo cùng một hướng và tốc độ, để bật ra một tắm gương khác ở phía bên kia dé lặp lại quá trình nhân bản Hai thành bốn, bốn thành tám, v.v cho đến khi các photon được khuếch đại đủ để chúng di chuyển qua gương và thiết bị quang học một cách đồng nhất hoàn hảo

1.1.3.2 Phân loại một số loại laser

a) Laser khí

Hình 4 Bước sóng của laser có sẵn trên thị trường Các loại tia laser có các vạch laser riêng biệt được hiển thị phía trên thanh bước sóng, trong khi bên dưới là các tia

laser có thê phát ra trong phạm vi bước sóng.(Wikipedia)

Laser khí sử dụng nhiều loại khí khác nhau đã được chế tạo và sử dụng cho nhiều mục đích Laser helium-neon (HeNe) có thê hoạt động ở nhiều bước sóng khác nhau, tuy nhiên, phần lớn được thiết kế để phát laser ở bước sóng 633 nm; những tia laser Có chi phí tương đối thấp nhưng có độ kết hợp cao này cực kỳ phô biến trong các phòng thí nghiệm giáo dục và nghiên cứu quang học Laser carbon dioxide (CO2) thương mại

có thể phát ra hàng trăm watt trong một chế độ không gian duy nhất có thể tập trung vào một điểm nhỏ Sự phát xạ này thuộc vùng hồng ngoại nhiệt ở bước sóng 10,6 um; những tia laser như vậy thường được sử dụng trong công nghiệp để cắt và hàn hay trong y học ứng dụng làm đao mô Laser phóng điện ngang nitơ trong khí ở áp suất khí quyền (TEA) là một laser khí rẻ tiền, thường được chế tạo tại nhà theo thú vui, tạo ra anh sang UV kha roi rac ở bước sóng 337, nm

b) Laser chat ran