Một số laser rắn

Một số laser rắn

Đề tài: Một số laser rắn MỤC LỤC MỤC LỤC .1 MỞ ĐẦU .5 1. Lý do chọn đề tài 5 2. Mục đích nghiên cứu .8 3. Nhiệm vụ nghiên cứu .8 4. Đối tượng nghiên cứu 8 5. Phạm vi nghiên cứu .9 6. Phương pháp nghiên cứu 9 NỘI DUNG 10 Chương 1: Cơ sở lý thuyết 10 1.1. Quá trình hấp thụ, phát xạ tự phát và phát xạ cưỡng bức theo quan điểm lượng tử 10 1.1.1. Quá trình hấp thụ 11 1.1.2. Quá trình phát xạ tự phát 12 1.1.3. Quá trình phát xạ cưỡng bức 13 1.2. Hiện tượng khuếch đại 15 1.3. Sự nghịch đảo mật độ cư trú .16 1.4. Ngưỡng phát 16 Chương 2: Tổng quan về Laser 18 2.1. Khái niệm .18 2.2. Lịch sử nghiên cứu Laser 20 2.3. Cơ chế phát Laser 23 2.4. Cấu tạo của máy phát laser 29 2.4.1. Môi trường hoạt chất 30 2.4.2. Nguồn bơm của Laser .31 2.4.3. Buồng cộng hưởng Laser 32 2.4.3.1 Cấu tạo 32 2.4.3.2 Chức năng .33 2.4.3.3. Hệ số phẩm chất trong buồng cộng hưởng 35 GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên 1 Đề tài: Một số laser rắn 2.4.3.4 Các Mode trong buồng cộng hưởng 35 2.5. Đặc điểm của chùm tia Laser 36 2.5.1. Tính chất vật lý .36 2.5.1.1. Độ định hướng cao .36 2.5.1.2. Tính đơn sắc rất cao .37 2.5.1.3. Có khả năng phát xung cực ngắn .37 2.5.1.4. Độ rộng phổ .37 2.5.1. 5. Cường độ sáng lớn 38 2.5.1.6. Tính kết hợp của Laser .39 2.5.2. Tính chất sinh học .39 2.5.2.1. Hiệu ứng kích thích sinh học .39 2.5.2.2. Hiệu ứng nhiệt 40 2.5.2.3. Hiệu ứng quang ion 40 Chương 3: Một số laser rắn 41 3.1. Khái niệm laser rắn 41 3.2. Đặc điểm của Laser rắn .41 3.3. Laser Ruby .41 3.3.1. Khái niệm 41 3.3.2 Cấu tạo của Ruby .41 3.3.3 Cấu tạo của Laser Ruby .42 3.3.3.1. Môi trường hoạt chất 43 3.3.3.2. Buồng cộng hưởng .44 3.3.3.3. Nguồn bơm 45 3.3.4. Nguyên lý hoạt động của Laser Ruby .46 3.2.5. Ưu và nhược điểm của Laser Ruby 52 3.2.5.1. Ưu điểm .52 3.2.5.2. Nhược điểm 52 GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên 2 Đề tài: Một số laser rắn 3.4. Laser Ti: sapphire 53 3.4.1. Khái niệm 53 3.4.2. Cấu tạo của Sapphire 53 Công thức hóa học của sapphire là Al2O3 ở dạng α-alumina với một phần nhỏ các ion Ti3+ thay thế vị trí của Al3+ trong mạng tinh thể. Mỗi ion Ti3+ liên kết với 6 ion O2- nằm ở các đỉnh của hình tám mặt 53 3.4.3. Cấu tạo của Laser Ti: sapphire .53 3.4.3.1. Môi trường hoạt chất 53 3.4.3.2. Buồng cộng hưởng .54 3.4.3.3. Nguồn bơm 57 3.4.4. Nguyên lý hoạt động của Laser Ti: sapphire 57 3.4.5. Ưu và nhược điểm của Laser Ti: sapphire 59 3.5. Laser dùng nguyên tố đất hiếm .60 3.5.1. Laser Nd:YAG 60 3.5.1.1. Khái niệm .60 3.5.1.2. Cấu tạo của Nd:YAG .60 3.5.1.3. Cấu tạo của Laser Nd:YAG .61 3.5.1.4. Nguyên lý hoạt động của Laser Nd:YAG 62 3.5.1.5. Ưu và nhược điểm của Laser Nd:YAG 66 3.5.2. Laser Yb: YAG .67 3.5.2.1. Khái niệm .67 3.5.2.2. Cấu tạo của Yb:YAG .67 3.5.2.3. Cấu tạo của Laser Yb:YAG .67 3.5.2.4. Nguyên lý hoạt động của Laser Yb:YAG 68 3.5.2.5. Ưu và nhược điểm của Laser Yb:YAG 69 3.5.3. Laser rắn sử dụng một số nguyên tố đất hiếm khác .70 3.6. Laser Tm:Ho: YAG .71 3.7. Ứng dụng của Laser rắn 73 GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên 3 Đề tài: Một số laser rắn 3.7.1 Gia công vật liệu 73 3.7.2 Trong quân sự 80 3.7.3 Dùng trong y học .81 KẾT LUẬN .84 TÀI LIỆU THAM KHẢO .85 GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên 4 Đề tài: Một số laser rắn MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật hiện đại bắt đầu giữa những năm 40 thế kỉ 20. Những phát minh trong khoa học - kĩ thuật cuối thế kỉ 19 đầu thế kỉ 20 là tiền đề của cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật hiện đại này. Cuộc cách mạng trong giai đoạn này chủ yếu về công nghệ. Việc áp dụng những công nghệ hoàn toàn mới đã tạo điều kiện cho sản xuất phát triển theo chiều sâu, giảm hẳn tiêu hao năng lượng và nguyên liệu, giảm tác hại cho môi trường, nâng cao chất lượng sản phẩm và dịch vụ, thúc đẩy mạnh mẽ sự phát triển của sản xuất. Một trong hai đóng góp to lớn cho khoa học kỹ thuật của ngành vật lý trong thế kỷ 20 là laser. Bất kì danh sách nào điểm lại những thành tựu công nghệ chủ yếu của thế kỉ 20 cũng có tên laser đầu tiên. Năm 1960, chiếc laser đầu tiên ra đời do nhà bác học Maiman (Mỹ) chế tạo. Laser là một nguồn phát ánh sáng có tầm quan trọng ngày càng cao trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta. Nó là nguồn ánh sáng nhân tạo thu được nhờ sự khuếch đại ánh sáng bằng bức xạ phát ra khi kích hoạt cao nồng 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. Laser trở thành một vật thiết yếu trong công việc hàng ngày, và thông dụng đến mức có thể mua ở những cửa hàng tạp hóa. Sự thâm nhập của laser vào mọi mặt đời sống hiện nay có thể được đánh giá đúng nhất phạm vi ứng dụng của công nghệ laser. Laser được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực như: trong quân sự, kể cả việc sử dụng laser làm vũ khí chống lại sự tấn công bằng tên lửa, ngay cả những hoạt động thường nhật như nghe nhạc trên đĩa CD, và in GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên 5 Đề tài: Một số laser rắn ấn hoặc in sao các văn bản giấy cũng sử dụng đến laser. Đặc biệt laser được sử dụng rộng rãi trong điều trị y khoa và phẫu thuật, và trong gia công vật liệu. Hay mạng viễn thông trên thế giới phần lớn được truyền dẫn bằng việc gởi những tín hiệu laser dạng xung đi hàng dặm đường trong các sợi cáp quang, và những đồ tạo tác mang ý nghĩa văn hóa như những bức tranh thời cổ đại thường được thẩm định sự rạn nứt, hỏng hóc và phục hồi với sự hỗ trợ của laser. Cùng với máy tính điện tử, mạch tích hợp, và vệ tinh nhân tạo, công nghệ laser phát triển ngày càng trở nên quan trọng trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta, biến những giấc mơ nhiều năm trước đây của loài người thành sự thật. Laser đầu tiên được chế tạo là laser Ruby, laser này sử dụng Ruby làm môi trường hoạt chất. Ngay sau đó các nhà khoa học nghiên cứu và chế tạo ra nhiều laser khác sử dụng nhiều chất khác làm môi trường hoạt chất. Từ đó công nghệ laser trở nên đa dạng với nhiều lĩnh vực: laser rắn, laser khí, laser bán dẫn, laser lỏng . Ban đầu laser tạo ra có công suất thấp ứng dụng không nhiều, các nhà khoa học đã nghiên cứu và dùng nhiều cách đã tạo ra được laser công suất cao với nhiều ứng dụng quan trọng trong thực tế. Công nghệ laser phát triển mạnh mẽ nữa sau thế kỷ 20, nhưng hiện nay công nghệ laser được nghiên cứu theo những hướng mới. Đặc biệt là trào lưu sử dụng đơn nguyên tử vào công nghệ laser. Tùy vào môi trường hoạt chất mà công nghệ laser phân thành nhiều ngành khác nhau: laser rắn, laser lỏng, laser bán dẫn, laser khí . Trong đó laser rắn được phát minh đầu tiên mở màn cho các loại laser sau này phát triển. Laser rắn sử dụng môi trường hoạt chất là chất rắn. Laser rắn được ứng dụng rất nhiều trong các lĩnh vực y học, gia công vật liệu, quân sự . Ở Việt Nam công nghệ laser được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu và đã đạt được rất nhiều thành tựu, nhất là triển khai ứng dụng công nghệ laser GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên 6 Đề tài: Một số laser rắn vào cuộc sống. Ở nước ta có Trung tâm công nghệ Laser ở Hà Nội đã đạt được rất nhiều thành tựu to lớn về công nghệ laser góp phần không nhỏ trong chương trình công nghiệp hoá hiện đại hoá đất nước như: - Laser trong công nghiệp. Nghiên cứu và ứng dụng công nghệ Laser trong xử lý vật liệu (cắt, hàn, khắc, .). Tư vấn chuyển giao công nghệ cho các cơ sở, đơn vị trong lĩnh vực trên. - Laser trong Y tế. Chế tạo các loại Laser He-Ne trị liệu 2-50mW; Các loại Laser CO 2 phẫu thuật 10-40W; Laser Diode châm cứu; Laser He-Cd, Laser Nd: YAG, Laser Ruby. Từ khai thác, làm chủ hệ laser CO 2 công suất lớn, laser bán dẫn, Trung tâm đã chế tạo thành công nhiều hệ laser và đưa vào ứng dụng trong gia công cắt gọt, và sử dụng trong phẫu thuật. Thành công trong nghiên cứu theo phương pháp chuẩn trực công nghiệp chùm tia laser bán dẫn, đã chế tạo thành công những hệ đo laser không tiếp xúc với cự ly từ 30m đến 1500m, phục vụ hiệu quả trong công nghiệp, xây dựng và nhất là trong an ninh quốc phòng. Đặc biệt thiết bị laser He- Ne đã đem lại kết quả tốt trong điều trị các bệnh ngoài da, dị tật phong, nội tĩnh mạch và cai nghiện ma tuý. Ngoài Trung tâm công nghệ laser ra nước ta còn có Phân viện quang học và quang phổ cũng khảo sát các tính chất vật lý của laser bán dẫn, laser công suất cao. Đã phát triển, chế tạo và ứng dụng các laser công suất cao. Ngoài ra có rất nhiều nhà khoa học, nhiều trung tâm khoa học vật liệu như Trung tâm khoa học tự nhiên và công nghệ quốc gia, nhiều Viện khoa học đang nghiên cứu, chế tạo và ứng dụng laser vào cuộc sống. Cùng với những thành tựu đạt được của công nghệ laser vào cuộc sống của Việt Nam cũng như trên thế giới. Laser không còn là lĩnh vực mới lạ đối với nước ta. Khi đi ra đường hay bất kỳ đâu chúng ta đều nghe nhắc đến laser GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên 7 Đề tài: Một số laser rắn như dao laser, máy in laser, bút laser, và ngay cả trò chơi của trẻ em . Rất rất nhiều và bạn có thể mua bút laser bất kỳ đâu. Với những ứng dụng rất rộng rãi của laser ngày nay thì việc tìm hiểu hoạt động, cấu tạo, cơ chế phát laser cũng rất cần thiết đối với mỗi chúng ta. Laser rắn cũng là một trong những laser được biết đến nhiều nhất và được ứng dụng nhiều nhất trong y học, gia công vật liệu. Với những ứng dụng quan trọng đó laser rắn cũng phần nào trở thành một thành phần không thể thiếu trong cuộc sống của con người. Đó chính là lý do tôi chọn đề tài này: “Một số laser rắn”. Để tìm hiểu rõ hơn một số loại laser rắn về cấu tạo, nguyên tắc hoạt động, ứng dụng. 2. Mục đích nghiên cứu Với tầm quan trọng của laser cũng như laser rắn trong cuộc sống của con người ngày nay, tôi nghiên cứu đề tài này với mục đích đặt ra như sau: - Nắm vững được cơ sở lý thuyết của laser rắn. - Nêu được một số loại laser rắn về nhiều phương diện như cấu tạo, cơ chế hoạt động, ứng dụng, và tầm quan trọng của nó trong cuộc sống. - Đề tài phân biệt được laser rắn với các loại laser khác. - Đề tài nêu được những ứng dụng của laser rắn trong cuộc sống. 3. Nhiệm vụ nghiên cứu Để hoàn thành tốt đề tài này nhiệm vụ cụ thể đặt ra là: - Nghiên cứu và nắm vững cơ sở lý thuyết của laser cũng như laser rắn. - Thu thập tài liệu ở các sách và trên mạng Internet. - Tổng hợp, phân tích, so sánh, khái quát tài liệu thu thập được. - Dịch tài liệu tiếng anh để đề tài được phong phú hơn. 4. Đối tượng nghiên cứu Để đạt được mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu tôi xác định đối tượng nghiên cứu như sau: GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên 8 Đề tài: Một số laser rắn - Cơ sở lý thuyết của laser. - Cấu tạo, nguyên lý hoạt động, tính chất của laser. - Phân biệt laser rắn với các loại laser khác. - Cấu tạo, đặc điểm, cơ chế phát của laser rắn. - Các loại laser rắn: laser Ruby, Laser Nd: YAG, laser Sapphire, laser Yb: YAG, laser Tm:Ho:YAG, một số laser dùng một số nguyên tố đất hiếm khác. - Ứng dụng của laser rắn trong cuộc sống. 5. Phạm vi nghiên cứu Đề tài chỉ nghiên cứu sơ lược cơ sở lý luận của laser và cấu tạo, cơ chế hoạt động của laser. Đề tài nghiên cứu kỹ các loại laser rắn về cấu tạo, cơ chế hoạt động, ưu và nhược điểm. Đề tài nêu sơ lược ứng dụng của laser rắn trong quân sự, trong y học và trong gia công kim loại. 6. Phương pháp nghiên cứu - Thu thập tài liệu trên mạng, một số sách. - Tổng hợp, xử lý, khái quát, phân tích tài liệu thu được. - Nghiên cứu lý thuyết, cơ sở lý luận. - Dịch và nghiên cứu tài liệu tiếng Anh. GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên 9 Đề tài: Một số laser rắn NỘI DUNG Chương 1: Cơ sở lý thuyết 1.1. Quá trình hấp thụ, phát xạ tự phát và phát xạ cưỡng bức theo quan điểm lượng tử Electron trong nguyên tử không phân bố đều mà xếp theo từng lớp, mỗi lớp chỉ có thể có tối đa một số electron nhất định. Mỗi lớp tương ứng với mỗi mức năng lượng riêng biệt. Các mức năng lượng tương ứng với các quỹ đạo riêng biệt của electron xung quanh hạt nhân. Electron ở bên ngoài sẽ có mức năng lượng cao hơn những electron ở phía trong. Khi có sự tác động vật lý hay hóa học từ bên ngoài, các hạt electron này cũng có thể nhảy từ mức năng lượng thấp lên mức năng lượng cao hay ngược lại. Các quá trình này có thể sinh ra hay hấp thụ, phát xạ các tia sáng, theo giả thuyết của Albert Einstein. Bước sóng (hay màu sắc) của tia sáng phụ thuộc vào sự chênh lệch năng lượng giữa các mức. Giả sử ta có một tập hợp các nguyên tử hoặc phân tử với hai mức năng lượng, trong đó một mức gọi là mức 1 tương ứng với năng lượng là E 1 còn mức kia gọi là mức 2 tương ứng với năng lượng là E 2 . Mật độ cư trú trên các mức đó được xác định là N 1 và N 2 . Theo định luật phân bố Boltzmann thì: 1 2 1 0 2 0 E kT E kT N N e N N e − − = = với N 0 là mật độ cư trú của hạt ở trạng thái cơ bản, k là hằng số Boltzmann, T là nhiệt độ của hệ hạt. GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên 10 Hình 1: Mô tả phát xạ tự phát (a), phát xạ cưỡng bức (b), hấp thụ (c) [...]... là một nguồn sáng phát ra một chùm sáng cường độ lớn dựa trên việc ứng dụng hiện tượng phát xạ cảm ứng Chùm bức xạ phát ra cũng được gọi là chùm tia laser Mỗi loại laser phát ra các bước sóng khác nhau, bảng 1 sau trình bày bước sóng của một số laser thông dụng GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên Đề tài: Một số laser rắn GVHD: Hoàng Hữu Hòa 19 SVTH: Lê Thị Bích Liên Đề tài: Một số laser rắn. .. phát laser GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên Đề tài: Một số laser rắn 30 Về cơ bản cấu tạo chung của một máy laser gồm có 3 bộ phận chính như sau: buồng cộng hưởng chứa hoạt chất laser, nguồn bơm và buồng cộng hưởng Trong đó buồng cộng hưởng và hoạt chất laser là bộ phận quan trọng nhất Ngoài ra máy phát laser còn có thêm một số chi tiết khác nhằm nâng cao tính chất ưu việt của chùm laser. .. trường đại học Innsbruck vừa hiện thực hóa thành công một laser đơn nguyên tử, biểu hiện GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên Đề tài: Một số laser rắn 23 những tính chất của một laser cổ điển cũng như những tính chất cơ lượng tử của tương tác nguyên tử- photon 2.3 Cơ chế phát Laser Sự nghịch đảo mật độ cư trú và khuếch đại ánh sáng chính là cơ sở cho Laser hoạt động Đầu tiên ta nghiên cứu làm thế nào... thực tế laser hoạt động thường phức tạp hơn mô hình mô tả ở trên Mức laser cao thường không phải là một mức đơn, mà là một nhóm mức năng lượng cho phép năng lượng kích thích cần thiết biến đổi trong một phạm vi rộng trong khi hoạt động Mức thấp cũng gồm nhiều mức, và nếu mỗi mức cao gần nhau phân hủy sang một mức thấp khác, một laser có thể hoạt động ở nhiều sự chuyển trạng thái, tạo ra nhiều hơn một bước... sáng laser Mô tả một cách đơn giản nhất hoạt động của Laser như sau: một nguồn năng lượng kích thích các nguyên tử trong môi trường hoạt chất để phát ra một bước sóng ánh sáng đặc biệt Ánh sáng sinh ra được khuếch đại nhờ một hệ thống phản hồi quang học nó làm cho chùm sáng phản xạ qua lại trong môi trường hoạt chất để làm tăng độ đồng pha cho đến khi ánh sáng được phát ra là một chùm tia laser Vậy Laser. .. 2.4.3.4 Các Mode trong buồng cộng hưởng Mặc dù ánh sáng laser là ánh sáng kết hợp nhất nhưng nó không đơn sắc hoàn toàn Tất cả các laser đều tạo ra ánh sáng trong một dải tần số nào đó Dải tần số hoạt động của laser được xác định chủ yếu bởi môi trường hoạt chất và được gọi là dải tần số khuếch đại Nhân tố thứ hai xác định tần số phát xạ của laser là buồng cộng hưởng Do ánh sáng là sóng, khi bị giữ... gương, nó sẽ tự giao thoa và hình thành sóng dừng Các sóng dừng tạo thành một tập Hình 17: Mode ngang của chùm laser các tần số rời rạc; được gọi là mode dọc của buồng Các mode này là ánh sáng GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên Đề tài: Một số laser rắn 36 có tần số mà buồng cộng hưởng cho phép duy trì, tất cả các tần số khác bị dập tắt do giao thoa Đối với buồng gồm hai gương phẳng, các mode... photon Xác suất phát xạ tự phát từ mức 2 về mức 1 của photon trên một đơn vị thời gian P21 thì: dP21 = A21 , dt với A21 là hệ số Einstein Hệ số này phụ thuộc vào bản chất của các nguyên tử và chỉ xác định được bằng thực nghiệm GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên Đề tài: Một số laser rắn 13 Nguyên tử hay phân tử kích thích có một thời gian phát xạ đặc trưng, đó là thời gian trung bình mà chúng... florescen) Cấu trúc của chất nhuộm quyết định bước sóng hoạt động của laser GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên Đề tài: Một số laser rắn • 31 Laser khí: sử dụng khí đơn nguyên tử, ion khí đơn nguyên tử, phân tử, hoặc hỗn hợp khí đơn nguyên tử hay hỗn hợp phân tử Ví dụ như Argon, Krypton, CO2, Excimer Argon-Fluorua, He-Ne • Laser rắn: sử dụng tinh thể hoặc thủy tinh được pha thêm tạp chất Các tạp... tử này nhảy lên mức năng lượng cao hơn GVHD: Hoàng Hữu Hòa SVTH: Lê Thị Bích Liên Đề tài: Một số laser rắn 32 - Kích thích bằng laser khác: dùng laser để kích thích hoạt chất nhảy mức năng lượng - Kích thích bằng phản ứng hóa học: được dùng cho laser hóa học - Kích thích bằng khí động học 2.4.3 Buồng cộng hưởng Laser Khi môi trường hoạt chất đã được đảo ngược mật độ, cần có hệ thống phản hồi quang học . chế phát của laser rắn. - Các loại laser rắn: laser Ruby, Laser Nd: YAG, laser Sapphire, laser Yb: YAG, laser Tm:Ho:YAG, một số laser dùng một số nguyên. Đề tài: Một số laser rắn - Cơ sở lý thuyết của laser. - Cấu tạo, nguyên lý hoạt động, tính chất của laser. - Phân biệt laser rắn với các loại laser khác.