Báo cáo bài tập lớn môn vật lí 2 Đề tài laser và Ứng dụng

Nguyên tử hay phân tử kích thích có một thời gian phát xạ đặc trưng, đó là thời gian trung bình mà chúng tồn tại ở trạng thái năng lượng cao trước khi rơi xuống mức năng lượng thấp hơn v

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

🙦🟔🙤

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN

MÔN : VẬT LÍ 2

GVHD Ts Nguyễn Minh Châu

Ths Lê Nguyễn Bảo Thư

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 6 năm 2024

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MÔN:

VẬT LÍ 2

ĐỀ TÀI: LASER VÀ ỨNG DỤNG

DANH SÁCH THÀNH VIÊN NHÓM 6 – L04

Tên thành viên MSSV Nhiệm vụ được phân công

Nguyễn Bình Minh 2212053 Tìm hiểu ứng dụng của laser

Lương Minh Khoa 2311599 Tìm hiểu ứng dụng của laser

Lê Văn Quân 2312826 Tổng hợp lịch sử ra đời, lý thuyết laser Ngô Minh Trí 2311599 Tổng hợp lịch sử ra đời, lý thuyết laser

1

Mục lục

Đề tài ……….1

I Mở Đầu 3

II Lịch Sử Ra Đời 3

III Lý thuyết về laser 5

1 Nguyên Lý phát sinh tia Laser 5

a Quá trình hấp thụ 5

b Quá trình bức xạ tự phát 5

c Phát xạ cưỡng bức 6

d Cơ chế phát ra tia Laser 6

2 Trạng thái phân bố nghịch đảo – Bơm quang học 7

3 Phân Loại Laser 9

4 Cấu tạo của Laser 11

5 Chế độ hoạt động 12

IV Ứng dụng của laser trong các lĩnh vực. 12

1 Trong quân sự 12

2 Trong y tế 13

3 Trong thẩm mỹ 13

4 Trong xây dựng, khảo sát địa hình, đo đạc không gian 14

5 Trong vi điện tử 15

6 Trong truyền thông, liên lạc 15

7 Trong gia công chi tiết kỹ thuật 16

8 Trong đọc thông tin và lưu trữ dữ liệu 16

V Một số tác hại của laser 17

1 Tổn hại cho mắt: 17

2 Nguy hiểm cho da: 17

3 Tổn thương hệ hô hấp: 17

4 Gây tổn thương hệ thần kinh: 17

5 Tác hại cho hệ thống điện và cảm biến 17

VI Tài liệu tham khảo 17

LỜI CẢM ƠN

Sau khi nhận được đề Bài tập lớn (BTL) , nhóm 6 đã cùng nhau trải qua quá trình họp nhóm, thảo luận và phân chia nhiệm vụ mỗi thành viên, đặt mục tiêu hoàn thành BTL lần này kịp tiến độ, đúng thời hạn quy định Trong suốt quá trình làm BTL, nhóm chúng em đã gặp những khó khăn như: chưa định hướng được bố cục bài báo cáo; chưa biết cách trình bày bài giải hiệu quả, tối ưu, Nhưng với sự quan tâm, hướng dẫn, hỗ trợ giải đáp thắc mắc tận tình từ GVGD và sự tham gia làm việc đầy đủ, đóng góp ý kiến, cố gắng nỗ lực và ý thức trách nhiệm của các thành viên, nhóm 6 đã hoàn thành bài làm kịp tiến độ, đạt được mục tiêu ban đầu đề ra Lời cuối, nhóm chúng em xin phép gửi lời cảm ơn chân thành, sâu sắc nhất đến cô Lê Nguyễn Bảo Thư và thầy Nguyễn Minh Châu cho chúng em những bài giảng tốt nhất Ngoài những giờ học trên lớp, các cô cũng luôn tận tâm chỉ dạy, giải đáp thắc mắc cho chúng em về những khó khăn mà bọn em gặp phải trong quá trình thực hiện đề tài BTL Cảm ơn các cá nhân trong nhóm đã cùng nhau cố gắng, hợp tác để đạt được kết quả cuối cùng của BTL lần này Nhóm xin chân thành cảm ơn!

3

Laser và ứng dụng

I Mở Đầu:

Vào thời điểm được phát minh năm 1960, laser được gọi là "giải pháp để tìm kiếm các ứng dụng" Từ đó, chúng trở nên phổ biến, tìm thấy hàng ngàn tiện ích trong các ứng dụng khác nhau trên mọi lĩnh vực của xã hội hiện đại, như phẫu thuật mắt, hướng dẫn phương tiện trong tàu không gian, trong các phản ứng hợp nhất hạt nhân Laser được cho là một trong những phát minh ảnh hưởng nhất trong thế kỷ 20

Ích lợi của laser đối với các ứng dụng trong khoa học, công nghiệp, kinh doanh nằm ở tính đồng pha, đồng màu cao, khả năng đạt được cường độ sáng cực kì cao, hay sự hợp nhất của các yếu tố trên

Ví dụ, sự đồng pha của tia laser cho phép nó hội tụ tại một điểm có kích thước nhỏ nhất cho phép bởi giới hạn nhiễu xạ, chỉ rộng vài nanomet đối với laser dùng ánh sáng Tính chất này cho phép laser có thể lưu trữ vài gigabyte thông tin trên các rãnh của DVD Cũng là điều kiện cho phép laser với công suất nhỏ vẫn có thể tập trung cường độ sáng cao và dùng để cắt, đốt và có thể làm bốc hơi vật liệu trong

kỹ thuật cắt bằng laser Ví dụ, một laser Nd:YAG, sau quá trình nhân đôi tần số, phóng ra tia sáng xanh tại bước sóng 523 nm với công suất 10W có khả năng, trên lý thuyết, đạt đến cường độ sáng hàng triệu

W trên một cm vuông Trong thực tế, thì sự tập trung hoàn toàn của tia laser trong giới hạn nhiễu xạ là rất khó Xem thêm ứng dụng của laser để thêm chi tiết

II Lịch Sử Ra Đời:

LASER là chữ viết tắt của cụm từ “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation” nghĩa là khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ cưỡng bức

Ý tưởng về Laser được Einstein đưa ra từ năm 1917 Bằng tư duy trừu tượng cao, ông đã nêu lên 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”

Mãi tới năm 1951, giáo sư Charles H Townes (Mỹ) mới chú ý đến sự khuếch đại của sóng cực ngắn(vi sóng) Ông thực hiện một thí nghiệm mang tên Maser (Microwave Amplification by Emission

of Radiation) khuếch đại vi sóng bằng bức xạ cảm ứng Ông đã thành công và Maser đầu tiên đó không tạo ra tia sóng một cách liên tục Cùng thời gian đó, hai nhà khoa học của Liên Xô là Nikolay Gennadiyevich Basov và Aleksandr Mikhailovich Prokhorov đã làm việc độc lập trên lĩnh vực lượng

tử dao động và tạo ra máy khuếch đại vi sóng có nguyên lí gần như giống với Maser Chính vì thế, năm

1964 cả ba nhà khoa học trên cùng được nhận giải thưởng Nobel vật lý về nền tảng cho lĩnh vực điện

tử lượng tử

Ngày 16/05/1960, Theodore Maiman, nhà khoa học của phòng thí nghiệm Hughes tại Malibu bang California, chính thức tạo ra Laser từ tinh 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

Những năm tiếp theo, các nhà khoa học khắp nơi đã tạo ra nhiều loại Laser bằng cách đưa vào thanh hoạt chất thể khí (như CO2 hoặc He, Ne,…) ta có Laser từ thể khí; đưa vào arsenire thì ta có tia Laser từ bán dẫn; rồi Laser rắn,… Kỳ diệu là tùy theo hoạt chất đưa vào mà màu sắc Laser được tạo ra

có màu sắc trở lên khác nhau và trở nên càng lung linh huyền ảo hơn

Hình 1: Ông Charles Towners người sáng tạo đầu tiên ra tia Laser

Hình 2: Ông Theodore Maiman – người đầu tiên tạo ra laser hồng ngọc

5

III Lý thuyết về laser:

Năm 1960, Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation-khuếch đại ánh sáng bởi bức xạ cảm ứng) ra đời đã mở đường vào lĩnh vực tương tác giữa các photon với các khối vật chất – thường gọi là photonics Nhờ những tính chất đặc biệt mà tia laser có những ứng dụng đặc biệt quan trọng

1 Nguyên lý phát sinh tia Laser:

a Quá trình hấp thụ

Hấp thụ bức xạ là quá trình các electron ở trạng thái cơ bản hấp thụ năng lượng từ các photon để nhảy lên mức năng lượng cao hơn

Bình thường nguyên tử tồn tại ở trạng thái cơ bản, trạng thái có năng lượng thấp nhất Khi cấp năng lượng cho nguyên tử bằng một biện pháp nào đó, ví dụ do sự va chạm với các điện tích khác

b Quá trình bức xạ tự phát

Phát xạ tự phát là quá trình các nguyên tử đang ở mức năng lượng cao hơn tự nhảy xuống mức năng lượng thấp hơn mà không cần kích thích từ bên ngoài Khi đó các nguyên tử sẽ giải phóng năng lượng của mình dưới dạng một photon ánh sáng Năng lượng được giải phóng đúng bằng hiệu hai mức năng lượng

Hình 3: Hình vẽ mô tả quá trình phát xạ tự phát

Nguyên tử hay phân tử kích thích có một thời gian phát xạ đặc trưng, đó là thời gian trung bình mà chúng tồn tại ở trạng thái năng lượng cao trước khi rơi xuống mức năng lượng thấp hơn và phát ra photon Thường sau một khoảng thời gian ngắn 10-7-10-8s, các nguyên tử ở trạng thái kích thích sẽ tự quay về trạng thái năng lượng thấp hơn (trạng thái cơ bản hay trạng thái kích thích nào đó ở mức năng lượng thấp hơn) Vì những sự chuyển tự phát của cùng một nguyên tử ở các thời điểm khác nhau, cũng như của các nguyên tử khác nhau ở cùng một thời điểm không có liên hệ gì với nhau cho nên pha, biên

độ của bức xạ tự phát cũng độc lập với nhau

c Phát xạ cưỡng bức

Khi nguyên tử đang ở trạng thái kích thích sẵn sàng phát ra photon có năng lượng ε=hv, bắt gặp một photon có năng lượng ε' đúng bằng hv , bay lướt qua nó thì lập tức nguyên tử này cũng bị cưỡng bức rời khỏi mức kích thích sớm hơn thời gian sống của nó và phát ra photon e Photon e có cùng năng lượng và bay cùng phương với photon e'

Trong trường hợp này, photon kích thích không bị mất mát như trong trường hợp hấp thụ

Hình 4: Hình vẽ mô tả quá trình phát xạ cưỡng bức

Photon này vẫn tồn tại và duy trì những tính chất ban đầu của nó về pha, tần số,…

Như vậy, khi một photon thích hợp bay qua một nguyên tử ở trạng thái kích thích thì do hiện tượng phát xạ cảm ứng sẽ tạo ra hai photon như nhau bay cùng phương Hai photon này bay qua hai nguyên

tử đang ở trong trạng thái kích thích khác sẽ xuất hiện bốn photon giống nhau bay cùng phương… Do

đó, số photon tăng theo cấp số nhân Như vậy bức xạ cưỡng bức là tăng số photon, túc là có khả năng khuếch đại ánh sáng môi trường Đó cũng chính là nguyên lý của hiện tượng phát laser

d Cơ chế phát ra tia Laser

Ta biết rằng ở điều kiện cân bằng nhiệt động lực học bình thường bao giờ số nguyên tử ở trạng thái năng thấp cũng nhiều hơn số nguyên tử ở trạng thái năng lượng cao Một lí do nữa khiến phát xạ cưỡng bức khó xảy ra trở nên hiển nhiên là khi xem xét các sự kiện có thể xảy ra quanh sự phân hủy của một electron từ trạng thái kích thích với sự phát xạ ánh sáng và tự phát Ánh sáng phát xạ có thể dễ dàng kích thích các nguyên tử bị kích thích khác nhưng nó cũng có thể gặp phải nguyên tử ở trạng thái cơ bản và bị hấp thụ thay vì cưỡng bức kích thích gây ra phát xạ Mà số nguyên tử ở trạng thái kích thích

ít hơn nhiều so với trạng thái cơ bản nên photon phát xạ có khả năng bị hấp thụ nhiều hơn và số phát

xạ cưỡng bức cũng không đáng kể so với số phát xạ tự phát (ở trạng thái cân bằng nhiệt động lực học)

Do đó để sự phát xạ cưỡng bức trở nên lấn át hay nói cách khác là chế tạo ra laser thì ít nhất phải có một trạng thái năng lượng cao có số nguyên tử nhiều hơn một trạng thái năng lượng thấp sao cho số photon phát xạ có khả năng kích thích nhiều hơn là bị hấp thụ Đó được gọi là sự nghịch đảo mật độ

7

cư trú Như vậy muốn đạt được sự nghịch đảo mật độ cư trú cho hoạt động của laser thì ta phải hoặc tạo ra số nguyên tử ở mức năng lượng cao nhiều hơn số nguyên tử ở trạng thái năng lượng thấp hoặc làm giảm số nguyên tử ở mức năng lượng thấp Mà với hoạt động liên tục của Laser thì phải đảm bảo vừa làm tăng số nguyên tử ở mức năng lượng cao vừa phải làm giảm số nguyên tử ở mức năng lượng thấp khi đó ta mới thu được dòng thác photon Thêm nữa là lượng thời gian mà nguyên tử trải qua ở một trạng thái kích thích là yếu tố quyết định việc xác định nó sẽ bị phát xạ cưỡng bức và tham gia vào dòng thác photon hay sẽ mất năng lượng do quá trình tự phát Các trạng thái kích thích thường có thời gian sống không lâu chỉ vài nano giây trước khi giải phóng năng lượng của mình bằng phát xạ tự phát

Do đó yêu cầu tối thiết cho hoạt động của laser là phải làm cho các mức năng lượng cao phải có thời gian sống lâu hơn Với thời gian sống trong trạng thái này khoảng micro giây các nguyên tử sẽ bị kích thích bởi photon khác, đảm bảo tạo ra một lượng đáng kể phát xạ cưỡng bức

Tùy thuộc vào loại nguyên tử, phân tử người ta có cách để nghịch đảo mật độ cư trú khác nhau Chẳng hạn ta có thể dùng bơm quang học với chất rắn, dùng phương pháp bơm bằng dòng điện đối với bán dẫn,…

2 Trạng thái phân bố nghịch đảo – Bơm quang học:

Năm 1939 nhà vật lý người Liên xô chỉ ra rằng có thể nhận được một môi trường mà trong đó cường

độ ánh sáng sẽ được tăng cường nhờ vào bức xạ cảm ứng

Bức xạ cảm ứng chính là khi chiếu xạ bên ngoài tác động lên hệ ,gây ra sự chuyển mức của hạt không chỉ từ mức thấp tới mức cao mà còn từ mức cao xuống mức thấp

Xét một hệ đơn giản gồm 2 mức mỗi mức có năng lượng tuân theo phân bố Boltztheo:

Trong đó kB = 1,38.10-23 J/K = 8,617.10-5 eV/K

(1)(2)=> Năng lượng lớn hơn sẽ có số hạt ít hơn E2 > E1 thì n1>n2

Muốn cho bức xạ cảm ứng trội hơn, ta phải phá vỡ sự cân bằng – phá vỡ phân bố Boltzmann ,sao cho số hạt ở mức trên nhiều hơn số hạt mực dưới , lúc đó ta nói các nguyên tử có sự phân bố nghịch đảo

Trong trường hợp phân bố nghịch đảo ta có :

E1(T) < E2(T)

Nếu dùng biểu thức phân bố Boltzmann (1) suy ra lúc này ứng với nhiệt độ T âm Vì vậy, trạng thái phân bố đảo còn được gọi là trạng thái nhiệt độ tuyệt đối âm

Ta đã biết , khi ánh sáng đi qua một môi trường thông thường ,chùm sáng sẽ bị hấp thụ một phần , cường độ của nó bị yếu dần và phụ thuộc vào quãng đường mà nó đi được trong môi trường theo dạng hàm sau:

Với I0 là cường độ sáng tại x=0 khi bắt đầu đi vào môi trường và k là hệ số hấp thụ của môi trường đó

Trong trường hợp môi trường có bức xạ cảm ứng thì ngược lại: ánh sáng đi qua môi trường phát sinh

ra photon mới giống hệt photon trong chùm sáng tới,kết quả là chúng sẽ phát sáng mạnh lên

Từ biểu thức (3) nếu ánh sáng đi qua ,môi trường mà được tăng cường thì hệ số hấp thụ k có giá trị âm.Ta có sự phụ thuộc của cường độ ánh sáng vào quãng đường đi môi trường có bức xạ cảm ứng như sau:

α > 0 gọi là hệ số khuếch đại môi trường

9

Về thực nghiệm 2 nhà vật lí Liên xô và Mỹ đã tạo ra máy phát phân tử, có dải bước sóng cỡ cm gọi

là maser(Microwave Amplification by Stimulated ò Radiation) Năm 1960 T.Mayman (Mỹ) tạo ra dụng

cụ với nguyên tắc tương tự nhưng làm việc ở vùng sóng quang học,được gọi là Laser((Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)

3 Phân Loại Laser:

• Laser rắn ruby:

Vật liệu đầu tiên có được trạng thái phân bố đảo như vậy được phát hiện là tinh thể ruby (hồng ngọc)

có pha crom

Hình 5: Hình vẽ mô tả cấu tạo của laser ruby Laser đầu tiên được làm từ một hình trụ bằng tinh thể ruby, đường kính 1cm, dài 5cm Hai đầu của hình trụ được mài rất cẩn thận sao cho tạo thành hai gương hoàn toàn song song với nhau.Một đầu được tráng bạc không cho ánh sáng đi qua,đầu kia tráng bạc cho 8% ánh sáng đi qua như hình 5

Về thành phần, ruby là tinh thể điện môi oxit nhôm Al2O3, trong đó ở một vài chỗ, nguyên tử Al được thay thế bằng nguyên tử Crom Cr (ở dạng Cr+3), khoảng 0,05% tức là khoảng 1,6.109 ion Cr+3 trong 1cm3 Sơ đồ mức năng lượng của các ion crom trong tinh thể rubi như trong hình, trong đó E3 và E4 là các trạng thái được kích lên từ mức E1 nhờ bơm quang học

Khi chiếu ánh sáng trắng vào rubi,ion Cr từ trạng thái cơ bản E1 chuyển sang trạng thái kích thích E3 và E4 Những chuyển mức,từ mức E1 chuyển sang mức E3 và E4 có năng lượng ứng với ánh sáng xanh lá cây và xanh da trời Vì vậy, khi rọi ánh sáng trắng vào rubi, các dải màu này bị hấp thụ mạnh, cho nên chỉ còn lại màu hồng tới mắt ta, do vậy ta thấy ruby có màu hồng

• Laser Khí:

Phần lớn các laser rắn làm việc theo chế độ xung thì các laser khí có khả năng làm việc liên tục Laser khí gồm một ống chứa đầy nguyên tử hoặc phân tử khí, đặt trong một hốc cộng hưởng quang học.năng lượng bơm được cung cấp bằng dòng điện cao thế, sự phóng điện qua ống làm các nguyên tử

bị nâng lên mức kích thích

Xét tia laser khí heli-neon, gồm một ống chứa đầy một hỗn hợp khí heli-neon theo tỉ lệ 80%-20% Neon là môi trường phát tia laser Trong tia laser khí này, sự đảo ngược mật độ được tạo ra nhờ sự truyền năng lượng thông qua va chạm của các nguyên tử heli-neon

Hình 6: Sơ đồ các mức năng lượng trong hoạt động của laser khí Heli-Neon

Nhờ bơm phóng điện qua chất khí, các nguyên tử He bị kích thích nhảy lên mức 21S và 23S Hai mức này có năng lượng gần với mức 4S và 5S của nguyên tử Ne Vì vậy các nguyên tử He dễ dàng chuyển năng lượng cho các nguyên tử Ne khi chúng va chạm Các va chạm này là không đàn hồi, các nguyên tử Ne lưu lại trên mức 4S và 5S tạo thành trạng thái phân bố nghịch đảo đối với các mức 4P và 3P của nguyên tử Ne Chuyển mức giữa 4S và 5S bị cấm lượng tử Các photon tự phát sẽ bắt đầu quá trình bức xạ cảm ứng và sự chuyển dời giữa các mức 5S và 4S xuống 4P,3P cho ta những tia bức xạ cảm ứng laser Các tia bức xạ có bước sóng:

• 1152,3 nm (ứng với chuyển mức 4S xuống 3P) trong vùng hồng ngoại

• 3391,2nm( ứng với chuyển mức 5S xuống 4P) trong vùng hồng ngoại

• 632,8nm(ứng với bức xạ 5S xuống 3P)trong vùng khả kiến

Người ta chọn kích thước hộp cộng hưởng sao cho laser có bước sóng cộng hưởng 632,8 nm, nên laser He-Ne có ánh sáng màu đỏ.Cuối cùng ,từ các mức 4P, 3P lại có chuyển dời về mức 2S và từ 3S

về trạng thái cơ bản khi chúng va chạm với thành ống.cá bức xạ 4S,3P xuống 3S chỉ là bức xạ tự phát