Lazer nguyên lý và ứng dụng

Lazer nguyên lý và ứng dụng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI

TIỂU LUÂN LAZER- NGUYÊN LÝ VÀ ỨNG DỤNG

Họ và tên: Lương Thị Hà Khoa: Vật lí

Lớp : Ak59 MSSV : 595103019

Hà Nội 2011

I.Lịch sử

Laser được phỏng theo maser, một thiết bị có cơ chế tương tự nhưng tạo ra tia vi sóng hơn là các bức xạ ánh sáng Maser đầu tiên được tạo ra bởi Charles H Townes và sinh viên tốt nghiệp J.P Gordon và H.J Zeiger vào năm 1953 Maser đầu tiên đó không tạo ra tia sóng một cách liên tục Nikolay Gennadiyevich Basov và Aleksandr Mikhailovich Prokhorov của Liên bang Xô viết đã làm việc độc lập trên lĩnh vực lượng tử dao động và 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 Năm 1964, Charles Townes, Nikolai Basov và Aleksandr

Prokhorov cùng nhận giải thưởng Nobel vật lý về nền tảng cho lĩnh vực điện tử lượng tử, dẫn đến việc tạo ra máy dao động và phóng đại dựa trên thuyết maser-laser

Laser hồng ngọc, một laser chất rắn, được tạo ra lần đầu tiên vào năm 1960, bởi nhà vật

lý Theodore Maiman tại phòng thí nghiệm Hughes Laboratory ở Malibu, California Hồng ngọc là ôxít nhôm pha lẫn crôm Crôm hấp thụ tia sáng màu xanh lá cây và xanh lục, để lại duy nhất tia sáng màu hồng phát ra

Robert N Hall phát triển laser bán dẫn đầu tiên, hay laser diod, năm 1962 Thiết bị của Hall xây dựng trên hệ thống vật liệu gali-aseni và tạo ra tia có bước sóng 850 nanômét, gần vùng quang phổ tia hồng ngoại Laser bán dẫn đầu tiên với tia phát ra có thể thấy được được trưng bày đầu tiên cùng năm đó Năm 1970, Zhores Ivanovich Alferov của Liên Xô và Hayashi và Panish của Phòng thí nghiệm Bell đã độc lập phát triển laser diode hoạt động liên tục ở nhiệt độ trong phòng, sử dụng cấu trúc đa kết nối

II Khái niệm về lazer

Laser là tên của những chữ cái đầu của thuật ngữ bằng tiếng Anh “Light Amplification

by 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 xạ phát

ra khi kích hoạt cao độ các phần tử của một môi trường vật chất tương ứng Laser là ánh sáng có nhiều tính chất đặc biệt hơn hẳn ánh sáng tự nhiên hay nhân tạo khác và có những công dụng rất hữu ích có thể áp dụng trong rất nhiều lĩnh vực khoa học kỹ thuật và đời sống, tạo nên cả một cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật sau khi nó ra đời

Sự ra đời cùa Laser bắt nguồn từ Thuyết Lượng tử do nhà bác học A Einstein phát minh

ra năm 1916 Đến năm 1954, các nhà bác học Anh, Mỹ đã đồng thời sáng chế ra máy phát tia laser ứng dụng vào thực tế Các thử nghiệm laser trên người bắt đầu từ những năm 1960 Từ năm1964, đã bắt đầu ứng dụng laser trong các trị liệu về Da (chuyên khoa

da liễu)

1 Nguyên lý phát sinh LASER:

Theo những khái niệm cơ bản của vật lý lượng tử, khi ta chiếu một chùm ánh sáng vào một môi trường vật chất (thuật ngữ vật lý học gọi là hệ vật lý tượng tử) thì chùm ánh sáng

sẽ yếu dần đi do bị hấp thu bởi môi trường vật chất Bản chất quá trình bị hấp thu ấy là các hạt ánh sáng (photon) đã truyền năng lượng kích hoạt các phân tử vật chất “nhảy” từ trạng thái ổn định A lên một trạng thái B với mức năng lượng cao hơn Vì B là một trạng thái không ổn định, nên sau một thời gian nhất định, các phân tử đang ở mức B lại “nhảy”

về mức A và trong lúc “nhảy về” đó nó cũng phát ra một photon mang năng lượng bằng năng lượng nó đã hấp thu, theo kiểu “vay gì trả nấy” Đó là hiện tượng bức xạ Tuy nhiên các hạt photon bức xạ này không nhiều, vì nó tỉ lệ với số phân tử có ở mức B, mà số phân

tử ở trang thái B bao giờ cũng ít hơn số phân tử ở trạng thái ổn định A Các photon bức

xạ này phát ra theo mọi hướng một cách tự do nên còn gọi nó là bức xạ tự do

Khi ta làm cho các photon tương tác bởi các phân tử ở mức cao B, bắt nó trở về A sớm hơn và phát sinh ra photon, các photon có đồng mức năng lượng và đúng bằng mức năng lượng các photon của nguồn chiếu đã truyền cho nó thì đó là bức xạ kích hoạt

Khi tạo ra bức xạ kích hoạt ở mức độ cao cho các photon bức xạ phát ra liên tục ở mức cao nhất, rồi được chọn lọc và khuyếch đại để chúng phát về cùng một hướng với những tính chất giống nhau ta sẽ thu được chùm sáng laser Như vậy nguyên lý của máy phát laser chính là làm sao cho nguồn sáng chiếu vào môi trường hoạt chất laser không bị yếu

đi để có thể kích hoạt liên tục các phần tử vật chất cho số phân tử ở mức B luôn nhiều hơn ở mức A, như vậy số photon bức xạ sẽ được phát sinh nhiều đến mức tối đa Khi đó, bằng các thiết bị đặc biệt, nguồn sáng bức xạ này sẽ được chọn lọc và khuyếnh đại để phát ra một chùm ánh sáng đơn sắc, gồm những tia sáng có cùng hướng, có bước sóng gần tương đương và có độ tập trung cao Đó chính là laser

2 Cấu tạo máy phát laser, bao gồm các bộ phận chính:

- Hoạt chất laser: Là môi trường chứa các hoạt chất có khả năng phát ra bức xạ laser khi được kích hoạt bằng một nguồn năng lượng

- Nguồn nuôi: Là nguồn năng lượng để duy trì hoạt động của môi trường hoạt chất laser, giữ cho hoạt chất luôn luôn ở trạng thái có số phần tử ởø mức B nhiều hơn ở mức A

- Buồng cộng hưởng: Bao gồm 1 gương phản xạ toàn phần và 1 gương bán mờ

(độ phản xạ từ 70% đến 99%)

Buồng cộng hưởng cho phép nguồn sáng kích thích chất nhiều lần và chùm tia sáng bức

xạ sẽ được khuyếch đại và chọn lọc qua gương phản xạ toàn phần và gương mờ cho đến khi ổn định để phát ra chùm sáng laser

Cấu tạo cơ bản và cơ chế hoạt động của laser.

1) Buồng cộng hưởng (vùng bị kích thích)

2) Nguồn nuôi (năng lượng bơm vào vùng bị kích thích)

3) gương phản xạ toàn phần

4) gương bán mạ

5) tia laser

III Cơ chế

Một ví dụ về cơ chế hoạt động của laser có thể được miêu tả cho laser thạch anh

 Dưới sự tác động của hiệu điện thế cao, các electron của thạch anh di chuyển từ mức năng lượng thấp lên mức năng lương cao tạo nên trạng thái đảo nghịch mật

độ của electron

 Ở mức năng lượng cao, một số electron sẽ rơi ngẫu nhiên xuống mức năng lượng thấp, giải phóng hạt ánh sáng được gọi là 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 khuyếch đại dòng ánh sáng

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

 Một số photon ra ngoài nhờ có gương bán mạ tại một đầu của vật liệu Tia sáng đi

ra chính là tia laser

IV Phân loại laser:

Tùy theo loại hoạt chất laser ta sẽ thu được các tia laser với tên gọi khác nhau:

Laser chất rắn

Có khoảng 200 chất rắn có khả năng dùng làm môi trường hoạt chất laser Một số loại laser chất rắn thông dụng:

 YAG-Neodym: hoạt chất là Yttrium Aluminium Garnet (YAG) cộng thêm 2-5% Neodym, có bước sóng 1060nm thuộc phổ hồng ngoại gần Có thể phát liên tục tới 100W hoặc phát xung với tần số 1000-10000Hz

 Hồng ngọc (Rubi): hoạt chất là tinh thể Alluminium có gắn những ion chrom, có bước sóng 694,3nm thuộc vùng đỏ của ánh sáng trắng

 Bán dẫn: loại thông dụng nhất là diot Gallium Arsen có bước sóng 890nm thuộc phổ hồng ngoại gần

Laser chất khí

 He-Ne: hoạt chất là khí Heli và Neon, có bước sóng 632,8nm thuộc phổ ánh sáng

đỏ trong vùng nhìn thấy, công suất nhỏ từ một đến vài chục mW

 Argon: hoạt chất là khí argon, bước sóng 488 và 514,5nm

 CO2: bước sóng 10.600nm thuộc phổ hồng ngoại xa, công suất phát xạ có thể tới megawatt (MW) Trong y học ứng dụng làm dao mổ

LASER chất lỏng

Môi trường hoạt chất là chất lỏng, thông dụng nhất là laser màu

V Các tính chất của tia Laser :

- Độ đơn sắc cao

Laser là chùm ánh sáng mà các tia sáng của nó có mức chênh lệch bước sóng nhỏ nhất, so với các chùm sáng đơn sắc khác Sự chênh lệch bước sóng này còn gọi là phổ ánh sáng của chùm ánh sáng

Và dĩ nhiên là phổ càng hẹp thì độ đơn sắc của chùm sáng càng cao Trước khi có laser các nhà vật lý đã tạo được các chùm ánh sáng đơn sắc có chênh lệch bước sóng từ 1Ao đến 10nm, nhưng để sử dụng trong nghiên cứu khoa học Trong khi đó mức chênh lệch bước sóng của chùm ánh sáng laser có thể tới 0,1 Ao

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

- Độ định hướng cao

Khác với các nguồn sáng khác, các tia sáng Laser được chọn lọc chỉ phát ra những tia vuông góc với gương, nên hầu như song song với nhau (hay nói theo ngôn ngữ vật lý là góc mở giữa các tia là rất nhỏ) Nhờ vậy, laser có độ định hướng lý tưởng, có thể chiếu đi

rất xa, đến mức người ta có thể dùng laser để đo những khoảng cách trong vũ trụ.

- Mật độ phổ (độ chói) rất cao

Độ chói của nguồn sáng được tính bằng cách chia công suất của chùm sáng cho độ rộng của phổ

Vì độ rộng của phổ Laser rất nhỏ nên laser có độ tập trung các tia sáng rất cao, hay nói cách khác là độ chói rất cao so với các nguồi sáng khác

Ví dụ: laser có công suất thấp là laser He-Ne cũng có độ chói gấp hàng vạn lần độ chói

của ánh sáng mặt trời Những laser có công suất lớn có độ chói cao gấp hàng triệu lần mặt trời

- Công suất của laser

Tùy loại laser mà có nguồi sáng công suất khác nhau Có những loại laser công suất mạnh tương đương công suất 1 vạn nhà máy điện 1 triệu KW Nhựng nguồn laser công suất mạnh có thể sử dụng trong công nghiệp nạêng như khoan cắt vật liệu, hay chế tạo các loại vũ khí, khí tài quân sự

Các loại laser sử dụng trong y học là những laser có công suất thấp như laser He – Ne công suất chỉ khoảng từ 2MW đến 10MW

5 Những công dụng của laser:

Ngày nay, người ta đã chế tạo ra được gần 500 loại laser khác nhau, ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực:

- Đo đạc những khoảng cách cực lớn, như trong nghành thiên văn (đo khoảng cach từ trái đất đến các hành tinh và khoảng cách giữa các hành tinh trong vũ trụ)

- Thiết lập dẫn đường như các loại bom, tên lửa được dẫn đường bằng laser

- Thông tin liên lạc

- Công nghiệp nặng: hàn cắt kim loại

- Công nghiệp chế tạo vũ khí

- Cải tạo giống

- Trong y học (chuẩn đoán và điều trị bệnh, săn sóc thẩm mỹ)

VI : Các ứng dụng của tia lazer

1 Ứng dụng của laser trong nghiên cứu khoa học:

a Nghiên cứu về Quang học phi tuyến:

Như chúng ta đã biết trong quang học cổ điển các nguồn sáng phát sóng là những nguồn không kết hợp và có cường độ nhỏ Khi tương tác của ánh sáng với các môi trường

vật chất, độ phân cực của môi trường chỉ là hàm tuyến tính của cường độ điện trường của sóng tới

P = E

ở đây, P là độ phân cực của môi trường

 là độ cảm điện của môi trường

E là cường độ điện trường

Khi cường độ sóng lớn như cỡ bức xạ laser thì ta có thể biểu diễn lại độ phân cực như sau:

3

2 2

Khi E càng lớn thì số hạng bậc cao của E càng trở nên có tác dụng lớn và chúng dẫn đến những hiệu ứng mới trước đây không quan sát được, đó là các hiệu ứng quang phi tuyến Ngày nay người ta đã nghiên cứu kĩ lưỡng cả trên phương diện lí thuyết lẫn thực nghiệm

về các hiệu ứng quang phi tuyến, mở ra một ngành khoa học mới là ngành Quang học phi tuyến với nhiều hướng nghiên cứu khác nhau và ứng dụng khác nhau ở lĩnh vực này

b Holography:

Holography là tên thường gọi của chụp ảnh khối Nguyên lí của holography được đề xuất năm 1948 nhưng do nguồn sáng để chụp không đủ mạnh nên không thu được kết quả Chỉ từ khi có laser, người ta đã sử dụng nguồn sáng này để thu được ảnh khối của vật và nghiên cứu về holography được phát triển rất nhanh và trở thành một ngành khoa học riêng trong vật lí và quang học kĩ thuật

+ Holography là một phương pháp ghi hình như phương pháp chụp ảnh nhờ máy ảnh Tuy nhiên nó có những ưu điểm nổi bật hơn phương pháp chụp ảnh thông thường

- Phương pháp này chụp ảnh không cần thấu kính

- Nó cho hình ảnh khối của vật, nghĩa là cho hình ảnh 3 chiều

- Holography ghi lại các sóng tán xạ từ vật bao gồm cả biên độ và pha của sóng và

ở bất cứ điểm nào của Holography cũng có các tín hiệu từ toàn vật chụp Do vậy, nếu như ta bẻ gãy Holography tanh nhiều phần thì mỗi mảnh nhỏ đó cũng vẫn có đủ những thông tin của sóng tán xạ từ vật và cho ta hình ảnh cả vật khi phục hồi Đây là một đặc tính quan trọng của Holography để có thể có được nhiều bản sao chép của vật , dễ bảo quản và nhân lên

- Do holography có hình khối nên nó có thể ghi lại tín hiệu từ các vật khác nhau trên các vùng khác nhau, nghĩa là có thể cùng một lúc giữ lại nhiều thông tin + Với những ưu điểm như vừa nêu trên thì hiện tại người ta đang và sẽ mở ra nhiều ứng dụng thú vị và quan trọng như sau:

- Nếu người ta ghi lại một lượng thông tin lớn ở một yếu tố thể tích của holography thì nó có thể trở thành bộ nhớ tốt nhất cho máy tính Vì nó được ghi lại và phục hồi bằng ánh sáng nên dẫn tới việc xây dựng các máy tính điện tử quang học Đối với loại máy tính này thì tốc độ xử lý thông tin nhanh gấp nhiều lần máy tính hiện

có do trong máy tính quang học tốc độ lan truyền tín hiệu là vận tốc ánh sáng trong môi trường

- Khi sử dụng các loại ánh sáng khác nhau để ghi lại Holoraphy thì khi phục hồi bằng ánh sáng trắng ta có thể thấy được hình ảnh màu của vật Đay chính là

nguyên tắc chụp ảnh màu và video màu Và trong tương lai thì kỹ thuật chụp ảnh, truyền hình nổi và màu rất có triển vọng

- Vì holography cho ta hình ảnh khối vật nên người ta có thể sả dụng mẫu để kiểm tra sản phẩm như lốp ô tô khi so sánh với một lốp chuẩn xem có sai hỏng gì không…

- Nhờ phương pháp này người ta dễ dàng ghi lại hình ảnh khối của các sinh vật nhỏ khi chúng đang chuyển động hoặc ngay cả tên lửa, máy bay khi chúng đang chuyển động để có thể nghiên cứu sự thay đổi theo thời gian của các vât trên theo những mục đích nghiên cứu khác nhau

c Nghiên cứu plasma nóng và các phản ứng nhiệt hạch:

Do tia laser có tính chất là công suất cao, ở chế độ phát xung có thể đạt được công suất cỡ 1012 – 1015 W nên khi bắn tia laser vào vật chất có thể tạo ra được plasma ở nhiệt

độ cao Và ở nhiệt độ cao này sẽ có các phản ứng nhiệt hạch, từ đây mở ra khả năng nghiên cứu phản ứng nhiệt hạch có điều khiển được trong phòng thí nghiệm

d Nghiên cứu sinh hóa hiện đại:

Trong các phản ứng hóa học khi có dự tham gia của nhiều đồng vị hóa học thường gặp khó khăn khi ta muốn loại trừ ảnh hưởng của đồng vị nào đó trong liên kết Tuy nhiên, do các đồng vị có năng lượng liên kết hóa học sai khác nhau ít nên chỉ có nhờ tia laser có độ đơn sắc cao mới dễ dàng phá hủy liên kết nào đó khi có sự tương tác cộng hưởng Năng lượng bức xạ laser hf sẽ phá hủy chỉ liên kết nào tương ứng với năng lượng này mà không ảnh hưởng đến các loại dao động với tần số f1, f2, f3,…khác rất ít f Người

ta nói rằng đay chính là sự phá hủy hay kích thích chọn lọc phản ứng hóa học Chính điều này mở ra khả năng nghiên cứu các sản phẩm trung gian của hóa học, nghiên cứu quá trình diễn biến theo thời gian của phản ứng, đây là điều mà khoa học đã mơ ước từ bấy lâu nay Cũng chính nhờ có laser mà các nhà khoa học còn có thể nghiên cứu được phản ứng ở trạng thái kích thích

2 Ứng dụng của laser trong khoa học kĩ thuật:

Có thể nói đây là lĩnh vực rộng rãi của sự áp dụng laser và đang có nhiều kết quả lí thú

a Trong thông tin liên lạc:

Vì laser có tính chất là độ đơn sắc cao và tính kết hợp cao nên laser được sử dụng rộng rãi và nhanh nhất trong ngành thông tin liên lạc

Sử dụng tia laser có những ưu điểm sau:

So với sóng vô tuyến dải sóng truyền tin của tia laser lớn gấp bội ví dụ với sóng vô tuyến tần số sử dụng là 104 – 3.1011Hz nên dải sóng truyền tăng lên đến 5.104 lần Do đó, các

bức xạ laser nằm trong khoảng 0,4 – 0,8 m và với mỗi kênh truyền tin là 6,5 MHz thì

sử dụng laser ta có thể có gần 80.105 kênh truyền cùng một lúc và gấp 105 lần kênh truyền khi sử dụng sóng cực ngắn

Ngoài ra, do tia laser có tính chất là mang năng lượng lớn nên nó có thể đi xa hơn các sóng vô tuyến Do nếu sử dụng tia laser thì giảm được hang tỷ lần năng lượng cần dung

Vì vậy, tia laser được sử dụng trong truyền tin trong vũ trụ

Và nếu sử dụng các bước sóng thích hợp có thể truyền tin ở các môi trường khác nhau như trong sương mù, ở dưới biển…

b Trong nghiên cứu vũ trụ:

Tia laser được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu vũ trụ, ví dụ như:

- Tia laser được sử dụng để xác định vị trí các vật thể trong vũ trụ

- Theo dõi các tàu vũ trụ và liên lạc với chúng

- Điều khiển các tàu vũ trụ

3 Trong các ngành khoa học khác:

a Trong công nghệ gia công kim loại:

Dựa vào tính chất tia laser có cường độ lớn nên có thể khoan, hàn, cắt, gọt kim loại Tia laser có đường kính nhỏ nên có thể thu được các lỗ khoan có đường kính cỡ bước sóng khoan được những kim loại cứng như bạch kim, hồng ngọc…Với các laser xung công suất lớn việc gia công kim loại đợc tiến hành nhanh và hiệu suất cao nên ngày nay

nó được sử dụng rộng rãi trong các công đoạn khác nhau

b.Trong đo lường tiêu chuẩn:

Tia laser có độ ổn định về tần số đã trở thành thước đo chiều dài chuẩn Các bức xạ của laser Cd để làm tần số chuẩn, bức xạ của laser He - Ne để đo tốc độ của ánh sáng…

c Trong khí tượng:

Dùng tia laser có thể đo được nồng độ các hạt hơi nước trong các đám mây để dự đoán thời tiết Bằng cách thả các bóng thám không trước đây, việc xác định thời tiết thường lâu và tốn kém

d.Ứng dụng của lazer trong y học

Khi chiếu tia sáng laser vào một hệ sinh vật như cơ thể con người, sẽ có những hiệu ứng sinh học xảy ra trong cơ thể Những hiệu ứng sinh học này là cơ sở để sử dụng laser trong

y học phục vụ con người

Khi sử dụng laser để điều trị thì yếu tố quyết định hiệu quả là liều chiếu, bao gồm các tham số:

- Công suất

- Độ hội tụ (mật độ công suất )

- Thời gian chiếu

- Số lần chiếu

- Khoảng cach giữa các lần chiếu

Bên cạnh đó đặc điểm của tổ chức cơ thể nơi chiếu cũng là yếu tố quan trọng góp phần tạo nên kết quả tốt trong điều trị

Các ứng dụng cơ bản của laser trong y học:

1 Trong chuẩn đoán, có nhiều thiết bị chuẩn đoán sử dụng laser như :

- Máy Dopler Laser thăm dò, đo dòng máu trong cơ thể

- Máy chụp cắt lớp laser

- Các máy dò tìm, đo đạc, dẫn đường trong chuẩn đoán

2 Trong điều trị:

Ứng dụng của laser trong điều trị rất phong phú:

- Da liễu: tẩy xóa các u, mụn, các đốm sắc tố như nốt ruồi tàn nhang, các bớt bẩm sinh vv…

- Nhãn khoa: rất nhiều ứng dụng như điều trị hàn gắn các tổn thương võng mạc, điều trị các tổn thương giác mạc, trong các phẩu thuật sửa chữa các tật khúc xạ của mắt và phẩu thuật điều trị các bệnh lý khác của mắt

- Hệ thống tiêu hóa: tán sỏi ống mật chủ, trong các thủ thuật ngoại khoa điều trị các khối

u đựng tiêu hóa, trong tạo hình thực quản, trong việc hàn gắn các tổn thương mạch máu nội tạng như trong các trường hợp ung thư, viêm loét đường tiêu hóa, v v