Luận văn Laser và ứng dụng (Bộ môn vật lý trường đại học hồng đức)

Luận văn Laser và ứng dụng Lời đầu tiên, cho tôi gửi lời cảm ơn đến tất cả các thầy, cô giáo trong tổ bộ môn Vật lý trường Đại học Hồng Đức đã giúp tôi có những kiến thức cần thiết để hoàn thành khóa luận của mình. Lời tiếp theo,cho tôi gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến thầy Trịnh Xuân Long – người đã tận tình chỉ bảo, giúp đỡ tôi hoàn thành khoá luận này. Đồng thời, cho tôi gửi lời cảm ơn tới tất cả các anh (chị) khóa trước, các thầy cô giáo đã và đang giảng dạy ở các trường phổ thông và các bạn sinh viên lớp K10 ĐHSP Lý – Hóa Trường Đại học Hồng Đức đã có những ý kiến đóng góp giúp tôi hoàn thiện khóa luận của mình. Cuối cùng em xin gửi lời chúc đến tất cả các thầy giáo, cô giáo và các bạn có sức khỏe, công tác tốt. PHẦN MỘT: MỞ ĐẦU 1. LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI Thế kỷ XXI là thế kỷ của khoa học và công nghệ. Sự phát triển của khoa học công nghệ như vũ bão đã tạo ra một khối lượng lớn của cải vật chất, làm cho đời sống con người ngày càng được nâng cao. Tạo nên sự phát triển mạnh mẽ đó là sự đóng góp của tất cả các lĩnh vực, các ngành khoa học, trong đó vật lý học đóng một vai trò không nhỏ. Vật lý học là cơ sở của nhiều ngành kỹ thuật quan trọng, sự phát triển của khoa học vật lý gắn bó chặt chẽ và có tác động qua lại trực tiếp với sự tiến bộ của khoa học và kỹ thuật. Những phát minh, những thí nghiệm trong vật lý học đã được ứng dụng rộng rãi trong đời sống. Trong đó phải kể đến sự ra đời, phát triển và ứng dụng to lớn của công nghệ laser. Laser, một phát minh vĩ đại của thế kỷ XX đã và đang chứng tỏ vai trò của mình trong sự phát triển của khoa học kỹ thuật cũng như các ứng dụng khác nhau của nhiều nền kinh tế. Có thể nói laser có tầm ảnh hưởng sâu rộng đến tất cả các lĩnh vực của đời sống: y học, quân sự, giải trí, khoa học, khí tượng, đo lường….laser gần gũi với tất cả mọi người, hầu hết chúng ta đều nghe nhắc đến cụm từ này ít nhất một vài lần. Đặc biệt các em nhỏ không thể quên được bộ phim “Chiến tranh giữa các vì sao” một bộ phim khoa học viễn tưởng, những chiếc máy ánh sáng thần kỳ gợi lên bao niềm mơ ước cho trẻ em, các nhà khoa học cũng như các kỹ sư. Ngày nay laser hiện diện ở nhiều nơi nhưng khách quan mà nói chúng ta hiểu biết về chúng rất hạn chế. Vật lý học được coi là một khoa học thực nghiệm, có nhiều ứng dụng trong đời sống, sản xuất và khoa học. Đặc biệt trong thời kì hiện nay, khi khoa học kỹ thuật phát triển rất mạnh thì bộ môn vật lý và các kiến thức vật lý lại càng quan trọng đối với nhiều ngành kỹ thuật và là cơ sở để giải quyết nhiều vấn đề trong đời sống xã hội. Do đó việc nâng cao kiến thức vật lý là một vấn đề quan trọng mang nhiều ý nghĩa. Là một giáo viên vật lý tương lai làm công tác giáo dục thì việc hiểu biết về laser và những ứng dụng của nó không chỉ trau dồi vốn hiểu biết cho bản thân mà còn phục vụ trực tiếp cho công tác giảng dạy. Báo cáo chính trị của Đại hội Đảng toàn quốc khóa VII đã nêu rõ “Giáo dục là quốc sách hàng đầu nhằm nâng cao dân trí, đào tạo nhân lực và bồi dưỡng nhân tài”. Vấn đề nguồn lực con người, có phẩm chất đạo đức có sức khỏe và năng lực trí tuệ, biết vận dụng xử lý linh hoạt và thích ứng với sự phát triển nhanh của khoa học kỹ thuật, kinh tế xã hội là yếu tố then chốt quyết định cho sự thành công của sự nghiệp công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước. Như vậy, một người giáo viên thực hiện việc truyền thụ kiến thức cho học sinh, đó không chỉ là những kiến thức vật lý phổ thông cơ bản mà cả những ứng dụng quan trọng nhất của vật lý trong đời sống và trong sản xuất. Việc tìm hiểu và cung cấp cho học sinh những ứng dụng gắn liền với cuộc sống hằng ngày và hướng dẫn học sinh tự thiết kế dụng cụ thí nghiệm để quan sát các hiện tượng vật lý sẽ làm cho bài giảng thêm phong phú, sinh động hơn, tạo được hứng thú trong học tập cho học sinh góp phần tăng hiệu quả dạy học. Với tất cả những lý do trên tôi chọn đề tài “ Laser và ứng dụng” làm đề tài nghiên cứu. 2. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU Tìm hiểu nguyên tắc phát quang của laser. Tìm hiểu một số ứng dụng quan trọng của tia laser. Tìm hiểu một số biện pháp an toàn khi sử dụng tia laser. Thiết kế dụng cụ đo bước sóng tia laser. 3. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU Tia laser, các ứng dụng của nó và thí nghiệm đo bước sóng tia laser. 4. PHẠM VI NGHIÊN CỨU Nghiên cứu về tia laser trong phạm vi cơ sở lý thuyết, ứng dụng cơ bản của tia laser. 5. KHÁCH THỂ NGHIÊN CỨU Tài liệu và nguồn thông tin về laser 6. NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU Nghiên cứu các vấn đề liên quan đến sự phát quang. Nghiên cứu lịch sử quá trình phát minh ra laser. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết hình thành tia laser. Nghiên cứu ứng dụng phổ biến của tia laser. Thiết kế dụng cụ đo bước sóng tia laser. 7. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Nghiên cứu tài liệu về laser, các tài liệu về phương pháp thiết kế và sử dụng thí nghiệm. Tham khảo ý kiến thầy cô và tìm kiếm thông tin trên mạng internet. 8. BỐ CỤC CỦA ĐỀ TÀI Bao gồm các nội dung sau đây: PHẦN MỘT: MỞ ĐẦU 1. LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI 2. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI 3. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU 4. PHẠM VI NGHIÊN CỨU 5. KHÁCH THỂ NGHIÊN CỨU 6. NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU 7. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU PHẦN HAI: NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ LUẬN 1. Sự phát quang 2. Các dạng phát quang 3. Các định luật phát quang CHƯƠNG 2: LASER 1. Laser là gì? 2. Nguyên tắc phát quang của laser . Cơ sở lý thuyết 2.1.1. Sự lượng tử hóa 2.1.2. Tiên đề Borh 2.1.3. Phát xạ cảm ứng 2.1.4. Sự đảo mật độ 2.1.5. Dùng buồng cộng hưởng 2.2. Nguyên tắc hoạt động 2.3. Các tính chất của chùm tia laser 2.4. Cấu tạo của một máy phát laser 2.4.1. Hoạt chất 2.4.2. Buồng cộng hưởng 2.4.3. Bộ phận kích thích hay bơm 3. Phân loại laser 3.1. Laser rắn 3.2. Laser khí 3.3. Laser lỏng CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG CỦA LASER 1. Ảnh toàn ký (Holography) 2. Nghiên cứu plasma nóng và các phản ứng nhiệt hạch 3. Nghiên cứu hóa sinh hiện đại 4. Trong công nghệ gia công kim loại 5. Trong đo lường tiêu chuẩn 6. Trong y học 7. Trong khí tượng 8. Trong khoa học kỹ thuật 9. Đo khoảng cách bằng tia laser 10. Trong đời sống CHƯƠNG 4: AN TOÀN KHI SỬ DỤNG LASER 1. Phân loại độ an toàn của tia laser 2. Các nguyên tắc khi sử dụng laser CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ THÍ NGHIỆM ĐO BƯỚC SÓNG TIA LASER 1. Cơ sở lý thuyết 2. Thiết kế thí nghiệm PHẦN BA: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT TÀI LIỆU THAM KHẢO PHẦN HAI: NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ LUẬN 1. Sự phát quang Sự phát quang là một dạng phát ánh sáng rất phổ biến trong tự nhiên. Có một số chất (ở thể rắn, lỏng hoặc khí) khi hấp thụ năng lượng dưới một dạng năng lượng nào đó, thì có khả năng phát ra các bức xạ điện từ trong miền ánh sáng nhìn thấy. Các hiện tượng đó gọi là sự phát quang. Sự phát quang của đom đóm, sự phát sáng của phôtpho bị oxi hóa trong không khí, sự phát sáng của một số chất hơi và chất rắn khi được chiếu sáng bằng tia tử ngoại … là những ví dụ điển hình về sự phát quang. Không phải mọi sự phát sáng đều là sự phát quang. Chẳng hạn sự phản xạ, tán xạ ánh sáng và bức xạ nhiệt cũng là sự phát sáng nhưng không phải là sự phát quang. Để phân biệt hiện tương phát quang với các hiện tượng phát sáng khác ta cần chú ý đến các đặc điểm sau đây của nó: Ở cùng miền nhiệt độ và đối với cùng một miền quang phổ thì bức xạ phát quang có cường độ lớn hơn nhiều so với cường độ của bức xạ nhiệt. Chẳng hạn, kết quả thực nghiệm cho thấy ở nhiệt độ phòng rất nhiều chất phát quang phát sáng nhìn thấy hoặc tử ngoại; trong khi quang phổ của bức xạ nhiệt ở nhiệt độ này thực tế nhiều khi không chứa các bức xạ đó. Điều này khẳng định sự phát quang không phải là bức xạ nhiệt. Sau khi ngừng kích thích, sự phát quang của một chất còn tiếp tục kéo dài thêm một khoảng thời gian nào đó rồi mới ngừng hẳn. Khoảng thời gian từ lúc ngừng kích thích đến lúc ngừng phát quang gọi là thời gian phát quang. Tùy theo chất phát quang mà thời gian phát quang có thể kéo dài từ 1010s đến vài ngày. Đặc điểm này cho phép phân biệt sự phát quang với sự phản xạ và tán xạ ánh sáng vì sự phản xạ và tán xạ sẽ ngừng tức thời khi ngừng chiếu sáng. Bức xạ phát quang là bức xạ riêng của vật: mỗi chất phát quang có một quang phổ đặc trưng cho nó. Nói cách khác quang phổ phát quang phụ thuộc vào cấu tạo nguyên tử, phân tử của chất phát quang. Điều này cũng cho phép phân biệt sự phát quang với bức xạ nhiệt. Từ các đặc điểm trên Vavilov đã đưa ra định nghĩa về sự phát quang như sau: Sự phát quang của một chất là sự phát ra những bức xạ dư ngoài bức xạ nhiệt do chất đó phát ra và có thời gian phát quang lớn hơn nhiều so với chu kì dao động sáng (1014÷ 1015s). 2. Các dạng phát quang 2.1. Phân loại theo thời gian phát quang Tùy theo thời gian phát quang, người ta chia sự phát quang thành hai dạng sau: a. Sự huỳnh quang: là sự phát quang có thời gian phát quang ngắn (dưới 106s) b. Sự lân quang là sự phát quang có thời gian phát quang dài (106s trở lên) 2.2. Phân loại theo phương pháp kích thích phát quang Ngoài ra người ta cũng phân loại sự phát quang theo phương pháp kích thích phát quang như sau: a. Khi các chất phát quang được kích thích bằng bức xạ quang học (tia X; tia tử ngoại; ánh sáng nhìn thấy…) thì sự phát quang được gọi là quang phát quang. Thí dụ: Chiếu ánh sáng tử ngoại vào kẽm sunfua (ZnS) nó sẽ phát ánh sáng màu lục. b. Nếu chất phát quang được kích thích bằng cách đặt nó trong điện trường thì sự phát quang được gọi là điện phát quang. c. Nếu chất phát quang được kích thích bằng cách bắn vào nó một chùm electron, thì sự phát quang gọi là âm cực phát quang. d. Nếu chất phát quang được kích thích bằng năng lượng lấy từ các phản ứng hóa học thì sự phát quang được gọi là hóa phát quang. Sự phát quang của cây mục, sự phát quang của photpho bị oxi hóa trong không khí, sự phát quang của đom đóm và một số vi sinh vật trong nước biển chính là dạng phát quang này. e. Sự phát quang do kích thích bằng sản phẩm của sự phân rã phóng xạ như hạt α, hạt β, tia bằng chùm hạt notron hay proton được gọi là phóng xạ phát quang. 3. Các định luật phát quang Hiện tượng phát quang của các phân tử phức tạp đã được Stokes nghiên cứu (1852) và nêu ra định luật sau: Bước sóng của ánh sáng phát quang bao giờ cũng lớn hơn bước sóng của ánh sáng mà chất phát quang hấp thụ. Thí dụ: Khi chiếu ánh sáng tử ngoại vào cadimi sunfua (CdS) thì nó sẽ phát sáng màu da cam. Thực nghiệm chứng tỏ, định luật Stokes không phải luôn luôn được thỏa mãn. Trong hiện tượng phát quang người ta đã quan sát được cả những bức xạ có bước sóng ngắn hơn bước sóng của ánh sáng kích thích. Lômmen đã đưa ra một số định luật tổng quát như sau: Toàn bộ phổ phát quang và cực đại của nó bao giờ cũng dịch chuyển về phía sóng dài so với toàn bộ phổ hấp thụ và cực đại của nó. Định luật này được gọi là định luật Stokes – Lômmen. Phần phổ phát quang gồm những bức xạ có bước sóng nhỏ hơn bước sóng của ánh sáng kích thích gọi là phần đối Stocker, còn phần có bước sóng lớn hơn bước sóng của ánh sáng kích thích gọi là phần Stockes. Thực nghiệm cho thấy ở nhiệt độ thấp cường độ của bức xạ đối Stockes rất nhỏ so với cường độ của bức xạ Stockes. Khi tăng nhiệt độ, cường độ phần bức xạ đối Stockes tăng lên nhưng vẫn nhỏ hơn phần Stockes. Định luật Stockes – Lômmen có thể giải thích dễ dàng nhờ thuyết photon. Giả sử một phân tử của chất phát quang ở trạng thái cơ bản hấp thụ một photon và phát xạ một photon phát quang Trong quá trình này một phần năng lượng A của photon hấp thụ bị hao phí và biến thành nhiệt năng. Theo định luật bảo toàn năng lượng ta có: Giá trị của A luôn dương, do đó nghĩa là hay Trường hợp này định luật Stockes được thỏa mãn Trong trường hợp phân tử hấp thụ ánh sáng đang ở trong một tráng thái kích thích nào đó thì nó sẽ chuyển lên một trạng thái kích thích có năng lượng cao hơn, và từ đó chuyển về trạng thái cơ bản phát ra một photon phát quang có năng lượng lớn hơn năng lượng của photon hấp thụ. Trong trường hợp này nên hay Nghĩa là xảy ra bức xạ đối Stockes. Khi nhiệt độ thấp hầu hết các phân tử đều ở trạng thái cơ bản, do đó cường độ của bức xạ đối Stockes rất nhỏ. Khi nhiệt độ tăng lên số phân tử ở trạng thái kích thích tăng lên nhưng vẫn nhỏ hơn số phân tử phân tử ở trạng thái cơ bản. Điều đó giúp ta giải thích tại sao cường độ của bức xạ đối Stockes tăng khi nhiệt độ tăng nhưng vẫn nhỏ hơn cường độ của bức xạ Stockes. CHƯƠNG 2: LASER 1. Laser là gì? Laser là thuật ngữ phiên âm từ tiếng Anh, đó là từ ghép của các chữ cái đầu tiên của cụm từ tiếng Anh “Light Amplification by stimulated Emission of Radiation” có nghĩa là sự khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ cảm ứng (còn gọi là phát xạ kích thích). 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 cùng một bước sóng. Đó là một ý tưởng khoa học. Nhưng chưa có ai chứng minh nên lý thuyết đó gần như bị lãng quên trong nhiều năm. Mãi tới năm 1951, giáo sư Charles Townes thuộc trường đại học Columbia của thành phố New York 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. Chữ Maser cũng là chữ đầu tiên của nghĩa đó bằng tiếng Anh: Microwave Amplification by stimulated Emission of Radiation. Ông đã thành công tuy phải chi phí khá tốn kém trong phòng thí nghiệm. Cũng vào thời gian này, ở một phương trời khác hai nhà khoa học Xô Viết là N.Batsov và A.Prokhorov cũng phát minh ra máy khuếch đại vi sóng và gần như cùng một dạng nguyên lý. Vì thế cả ba nhà khoa học nói trên đều được nhận giải Nobel vật lý vào năm 1964. Tuy nhiên các nhà khoa học trên chỉ dừng lại ở việc đạt tới việc khuếch đại của các sóng cực ngắn mà không dấn thêm vào các sóng phát sáng. Nhà khoa học Theodora Maiman là nhà khoa học của phòng thí nghiệm Huyher tại Malibu bang Califonia đã dựa vào lý thuyết và nền tảng thực nghiệm của Towner và Schawlow đã công bố, Maiman dành thêm hai năm đi sâu thêm, mở rộng thêm và trở thành người đầu tiên tìm ra tia laser. Ngày 1651960 T.Maiman chính thức tạo laser từ thể rắn hồng ngọc. Tia sáng do ông tìm ra là những luồng ánh sáng rất tập trung và có độ hội tụ lớn hoàn toàn thẳng, rõ nét, thuần khiết, mầu đỏ lộng lẫy và bề dài bước sóng đo được là . Như vậy, giả thuyết mà Einstein nêu ra cách ngày ấy 54 năm đã được chứng minh. Những năm tiếp theo, các nhà khoa học khắp nơi đã nối dài thành quả của laser ra thành nhiều loại, bằng cách: Đưa vào thanh hoạt chất thể khí (ví dụ như CO¬2, hoặc He, Ne, Ar…) ta có tia laser từ thể khí; đưa vào đó asenniure (từ gllium) thì có tia laser từ bán dẫn; đưa vào đó dung dịch các chất nhuộm mầu hữu cơ thì cho ta laser lỏng; sử dụng Oxyiot vạn năng ta có laser hóa học, rồi laser rắn… Điều kì diệu là tùy theo hoạt chất mà tạo ra những mầu sắc khác nhau làm cho tia laser trở nên lung linh huyền ảo, ví dụ như tia laser từ HeliumNeon cho ta mầu đỏ; tia laser của Argon cho ta mầu xanh đậm và màu xanh lá cây. 2. Nguyên tắc phát quang của laser 2.1. Cơ sở lý thuyết 2.1.1. Sự lượng tử hóa Sự lượng tử hóa trong nguyên tử làm cho các nguyên tử có mức năng lượng gián đoạn. Sự chuyển mức năng lượng này sang mức năng lượng khác phải xảy ra cùng với sự phát xạ ánh sáng. 2.1.2. Tiên đề Borh Theo tiên đề Borh: Nếu nguyên tử hay phân tử nằm ở trạng thái năng lượng cao hơn năng lượng ở trạng thái thấp nhất hay trạng thái cơ bản có thể tự phát rơi xuống mức năng lương thấp hơn mà không cần kích thích từ bên ngoài. Một kết quả có thể xảy ra với sự rơi làm giảm trạng thái năng lượng là giải phóng năng lượng dư thừa (ứng với hiệu hai mức năng lượng) dưới dạng một photon ánh sáng. Nguyên tử hay phân tử kích thích có một thời gian phát xạ đặc trưng đó là thời gian mà chúng vẫn giữ được trạng thái năng lượng kích thích cao hơn trước khi chúng chuyển xuống mức năng lượng thấp hơn và sinh ra photon. 2.1.3. Phát xạ cảm ứng Năm 1917 khi nghiên cứu lý thuyết phát xạ, Einstein đã chứng minh rằng: ngoài hiện tượng phát xạ tự nhiên còn có hiện tượng phát xạ mà ông gọi là phát xạ cảm ứng. Hiện tượng đó như sau: Nếu một nguyên tử đang ở trạng thái kích thích sẵn sàng phát ra một photon có năng lượng bắt gặp một photon có năng lượng đúng bằng bay lướt qua nó, thì lập tức nguyên tử này cũng phát ra photon . Photon có cùng năng lượng và bay cùng phương với photon . Ngoài ra sóng điện từ ứng với photon hoàn toàn cùng pha với sóng điện từ ứng với photon . Nhờ đó có thể tạo ra chùm sáng song song có cường độ mạnh gần các photon kết hợp. Như vậy nếu một photon ban đầu bay qua một loạt nguyên tử đang ở trạng thái kích thích thì số photon sẽ tăng lên theo cấp số nhân. Các photon này có cùng năng lượng (ứng với sóng điện từ có cùng bước sóng do đó tính đơn sắc của chùm sáng rất cao). Chúng bay theo cùng một phương (tính định hướng của chùm sáng rất cao). Tất cả sóng điện từ trong chùm sáng do các nguyên tử phát ra đều cùng pha (tính kết hợp của chùm sáng rất cao). Ngoài ra, vì số photon bay theo cùng một hướng rất lớn nên cường độ chùm sáng rất mạnh. 2.1.4. Sự đảo mật độ Vấn đề quan trọng nhất trong việc thu được phát xạ laser cưỡng bức là dưới những điều kiện cân bằng nhiệt động lực học bình thường thì số nguyên tử hoặc phân tử ở mỗi mức năng lượng không thuận lợi cho việc phát xạ cưỡng bức do các nguyên tử có xu hướng tự rơi xuống các mức năng lượng thấp hơn nên số nguyên tử hay phân tử ở mỗi mức sẽ giảm khi năng lượng tăng. Dưới những điều kiện bình thường thì năng lượng ứng với một quang electron điển hình (1 eV) thì tỉ số giữa các nguyên tử ở trạng thái kích thích mức cao với trạng thái cơ bản mức thấp vào khoảng 1017, hầu như tất cả các nguyên tử hay phân tử ở vào trạng thái cơ bản đối với sự chuyển mức năng lượng ánh sáng khả kiến. Một lí do khiến sự phát xạ cưỡng bức khó thu được trở nên hiển nhiên khi xem xét các sự kiện có khả năng xảy ra quanh sự phân hủy của một electron từ một trạng thái kích thích với sự phát xạ sau đó và tự phát. Ánh sáng phát xạ có thể kích thích sự phát xạ từ các nguyên tử bị kích thích khác nhưng một số có thể gặp phải nguyên tử ở trạng thái cơ bản và bị hấp thụ chứ không phải gây ra phát xạ. Do số nguyên tử ở trạng thái kích thích ít hơn nhiều số nguyên tử ở trạng thái cơ bản nên photon phát xạ có khả năng hấp thụ nhiều hơn bù lại số photon cưỡng bức không đáng kể so với phát xạ tự phát (ở trạng thái cơ bản nhiệt động lưc học). Muốn quá trình hấp thụ ánh sáng xảy ra, phải làm cho số nguyên tử ở trạng thái kích thích nhiều hơn số nguyên tử ở trạng thái cơ bản, sao cho số photon có khả năng gây kích thích phát xạ nhiều hơn là bị hấp thụ. Do điều kiện này là nghịch đảo trạng thái cân bằng nên được gọi là sự nghịch đảo dân cư, tức là tạo ra sự đảo mật độ trong môi trường. Khi có nhiều nguyên tử ở trạng thái năng lượng cao hơn nhiều so với nguyên tử ở trạng thái năng lượng thấp hơn, thì phát xạ cưỡng bức sẽ lấn át và thu được dòng thác photon. Photon phát xạ ban đầu sẽ kích thích sự phát xạ của nhiều photon hơn những photon này sau đó lại kích thích sự phát xạ ra nhiều photon hơn nữa, cứ thế tiếp diễn làm cho dòng thác photon tăng lên. Kết quả là ánh sáng phát xạ được khuếch đại. Nếu sự nghịch đảo dân cư chấm dứt (nguyên tử ở trạng thái cơ bản lấn át) thì phát xạ tự phát lại trở thành chủ yếu. Sự nghịch đảo dân cư có thể tạo ra qua hai cơ chế cơ bản: Hoặc tạo ra số dư thừa số nguyên tử hay phân tử ở trạng thái năng lượng cao, hoặc làm giảm dần số ở trạng thái nặng lượng thấp. Nhưng đối với hoạt động laser liên tục phải chú ý vừa làm tăng dân cư ở mức năng lượng cao vừa làm giảm dân cư ở mức năng lượng thấp. Nếu quá nhiều nguyên tử hay phân tử tích tụ ở mức năng lượng thấp thì sự nghịch đảo dân cư sẽ không còn và hoạt động laser sẽ ngừng lại. Để tạo ra sự nghịch đảo dân cư cho hoạt động laser thì phải kích thích có chọn lọc các nguyên tử hay phân tử lên một mức năng lượng đặc biệt. Ánh sáng và dòng điện là cơ chế kích thích được chọn cho phần lớn laser. Ánh sáng hoặc các electron có thể cung cấp năng lượng cần thiết để kích thích các phân tử hay nguyên tử lên các mức năng lượng cao được chọn. Sau đó sẽ rơi xuống mức laser cao. Thời gian mà một nguyên tử hay phân tử tồn tại ở trạng thái kích thích quyết định nó bị cưỡng bức phát xạ và tham gia vào dòng thác photon hay mất đi năng lượng qua việc phát xạ tự phát. Các trạng thái kích thích thường có thời gian sống khoảng nano giây trước khi chúng giải phóng năng lượng một thời gian không đủ lâu để chúng bị kích thích bởi các photon khác. Do vậy mức năng lượng cao phải có thời gian sống lâu hơn (trạng thái siêu bền). Với thời gian sống trong trạng thái này (khoảng micro giây đến mili giây) các nguyên tử bị kích thích có thể tạo ra một lượng đáng kể phát xạ cưỡng bức. Ở mỗi loại laze có một cách tạo ra sự đảo mật độ riêng. Dưới đây là một cách ở laze Rubi. Rubi (hồng ngọc) là tinh thể Al2O3 có pha Cr2O3, màu đỏ của Rubi do Cr tạo ra.Ta hãy quan tâm đến ba mức năng lượng E1, E2, E3 của Cr. E1 là mức cơ bản, E2 là mức năng lượng ứng với trạng thía kích thích giả bền; thời gian sống của Cr ở trạng thái này cỡ 5.103 s, dài hơn hẳn thời gian sống ở trạng thái kích thích khác cỡ 108 s. Mức kích thích E3 tương đối rộng nghĩa là nguyên tử Cr có thể hấp thụ các photon có năng lượng lân cận giá trị 2,23eV. Người ta dùng ánh sáng xanh (0,556mm; ứng với năng lượng 2,23eV) của một đèn xenon chiếu vào Rubi để làm cho phần lớn nguyên tử Cr chuyển từ trạng thái cơ bản lên trạng thái kích thích E3. Sau khoảng thời gian cỡ 108 s chúng chuyển một cách tự phát về trạng thái E2 và sống ở đó trong khoảng 5.103 s trong khoảng thời gian này có sự đảo lộn mật độ khối Rubi. Khi chuyển từ trạng thái E2 về trạng thái cơ bản thì nguyên tử Cr phát ra ánh sáng đỏ ( 0,694 , ứng với năng lượng 1,79eV). 2.1.5. Dùng buồng cộng hưởng Ngoài việc tạo ra sự nghịch đảo dân cư, cũng cần yếu tố khác để khuếch đại và tập trung ánh sáng thành chùm. Công việc này được thực hiện trong một hộp cộng hưởng, nó phản xạ trở lại một số ánh sáng trở lại môi trường laser và qua nhiều lần tương tác sẽ hình thành hay khuếch đại cường độ ánh sáng. Muốn vậy người ta đặt khối chất nói trên giữa hai gương phẳng song song với nhau, có mặt phản xạ quay vào nhau; gương G1 phản xạ tốt, gương G2 bán mạ chùm tia laser được lấy từ gương G2. Sóng tới phản xạ là các sóng kết hợp nên sẽ tạo thành sóng dừng. Tại các gương G1 và G2 là các nút sóng. Như vậy khoảng cách giữa hai gương phải bằng một số nguyên lần bước sóng. G1G2 = l = Hai gương G1 và G2 tạo thành một buồng cộng hưởng. Sau khi phản xạ một số lần lên hai gương phần lớn photon sẽ đi qua gương bán mạ và tạo thành tia laser. Nguyên tắc hoạt động. ( : e ở mức cơ bản; : e ở mức kích thích; : quĩ đạo photon ) Bình thường các e ở mức cơ bản E1. Sau đó cung cấp năng lượng ( bơm quang học) để tạo ra tình trạng đảo ngược độ cư trú. Lúc này các e đang ở trạng thái kích thích, chúng bức xạ cảm ứng phát ra photon, các photon đầu tiên kích thích các e khác bức xạ. Một photon va chạm với các e của nguyên tử khác để rồi tạo ra hai photon, hai photon tạo ra bốn photon và cứ như thế số photon được nhân lên. Các photon sinh ra chuyển động theo các hướng khác nhau. Một lượng lớn chúng thoát ra khỏi ống, một số còn lại di chuyển dọc theo trục ống. Khi đến hai đầu ống chúng bị hai gương phản xạ lại, va chạm với các e của các nguyên tử khác đang ở trạng thái kích thích và khởi phát thêm bức xạ cảm ứng. Số photon cứ như thế tăng lên không ngừng, tất cả các sự kiện này diễn ra với tốc độ kinh hoàng, trong vài phần triệu giây. Khi số photon chuyển động dọc theo trục ống tăng đến một cường độ nhất định, thì các photon này sẽ đi qua gương bán mạ, và chúng ta thấy một tia laser từ đó đi ra ngoài. 2.3. Các tính chất của chùm tia laser Như chúng ta đã thấy, tia laser là loại sóng điện từ nhưng do nguồn laser khác hẳn nguồn nhiệt, điện v.v…thông thường nên tia laser có những tính chất đặc biệt khác với bức xạ điện từ thông thường. Dưới đây trình bày những đặc chính của tia laser. Cường độ tia laser lớn gấp bội lần tia sáng nhiệt. Để hiểu đặc điểm này hãy so sánh cường độ của bức xạ laser khi công suất phát bình thường với bức xạ nhiệt. Với laser khí He – Ne phát công suất cỡ 1mW ở chế độ liên tục và với photon nằm trong miền thấy được ( ) có năng lượng thì photon laser phát trong một giây sẽ là: (1) Với một nguồn nhiệt có nhiệt độ cỡ , bức xạ từ một diện tích và cùng phát sóng trong vùng nhìn thấy được với độ rộng thì số photon nhiệt tính theo công thức: (2) Ở đây lấy . So sánh (1) và (2) ta thấy số photon laser gấp một vạn lần. Nếu so sánh với bức xạ laser công suất như của laser Ruby có công suất cỡ 1GW thì số photon sẽ là 1028 tức gấp số photon nhiệt hàng tỷ lần. Chính nhờ đặc điểm này mà laser trở thành nguồn sáng quý giá trong nhiều ứng dụng cụ thể. Độ định hướng của laser là cao. Nguồn sáng nhiệt bức xạ theo mọi phương trong không gian. Tuy nhiên, nguồn laser có cơ cấu của buồng cộng hưởng quang học đặc biệt, chỉ phát các dao động ngang và chúng tập trung trong một mặt phẳng phân cực. Công suất phát được phân bố đều và phân bố đẳng pha trong toàn bộ khẩu độ của nguồn. Với chùm laser sóng phẳng, bức xạ từ một buồng cộng hưởng với gương có đường kính d (hoặc diện tích ). Sau gương chùm tia laser sẽ tán xạ, do hiện tượng nhiễu xạ, dưới một góc nhiễu xạ . Ở đây là bước sóng laser và chùm tia sẽ bức xạ trong một góc khối Giá trị góc khối này rất nhỏ so với góc khối bức xạ của một nguồn sáng nhiệt là cỡ rad. Độ định hướng cao cho sự tập trung năng lượng trong một góc khối nhỏ và tạo nên cường độ lớn và do đó hai tính chất trên có mối quan hệ khăng khít với nhau. Độ đơn sắc. Theo định nghĩa độ đơn sắc của một chùm tia được đặc trưng bằng độ rộng vạch của chùm. Khi độ rộng vạch của chùm bằng không thì chùm có độ đơn sắc cao nhất. Có nhiều nguyên nhân dẫn đến bức xạ có một độ rộng nhất định. Trong trường hợp gần đúng với buồng cộng hưởng quang học, độ rộng vạch có thể xác định bằng công thức Ở đây: là tâm tần số phát P là công suất phát của bức xạ là thời sống của photon trong buồng cộng hưởng là mất mát của buồng cộng hưởng h là hằng số planck Với laser công suất phát ; ở vùng bước sóng đỏ sẽ có . Đây là độ rộng rất bé. 2.4. Cấu tạo của một máy phát laser Một máy phát laser gồm 3 bộ phận chính: Hoạt chất, buồng cộng hưởng và bộ phận kích thích. 2.4.1. Hoạt chất Đây là môi trường vật chất có khả năng khuếch đại ánh sáng đi qua nó. Cho đến nay nhiều chất khí, rắn, lỏng, bấn dẫn vv…đã được dùng làm hoạt chất laser. Chúng ta có thể phân loại như sau: Hoạt chất là chất khí bao gồm: + Các khí đơn nguyên tử như ArI; XeI; NeI;… + Các ion khí đơn nguyên tử như ArII; KrII;… + Các khí phân tử như CO2; CO; N2; H2O;… + Các hỗn hợp khí đơn nguyên tử như HeNe hay hỗn hợp khí phân tử như CO2N2He; CON2H2O;… Hoạt chất là chất rắn bao gồm dạng tinh thể hay thủy tinh (glass) được pha trộn thêm các ion nguyên tố hiếm như: Sm+3; Eu+3; Nd+3; Cr+3; vv…laser rắn điển hình là laser Ruby có hoạt chất là tinh thể Al2O3 trộn thêm ion Cr+3 hay laser YAG có hoạt chất là Y3Al5O12 trộn thêm ion Nd+3. Hoạt chất là bán dẫn như GaAs; PbS; PbTe;… Về cơ bản những hoạt chất này phải là những chất phát quang. Hoạt chất là chất lỏng bao gồm các chất Chelaste như Peperidin Eu(BA)4 hòa tan trong dung môi rượu ethol + methol và có thêm ít ion nguyên tố hiếm Eu+3; Nd+3…. 2.4.2. Buồng cộng hưởng Thành phần chủ yếu là hai gương phản xạ. Một gương có hệ số phản xạ rất cao cỡ 99,999% còn một gương có hệ số phản xạ thấp hơn để tia laser thoát ra ngoài. Một trong các gương có thể được thay bằng lăng kính, cách tử tùy theo yêu cầu. Vai trò chính của buồng cộng hưởng là làm cho bức xạ do hoạt chất phát ra có thể đi lại nhiều lần qua hoạt chất để được khuếch đại lên. Hai gương phản xạ có thể đặt xa hoạt chất hay gắn chặt với nó. 2.4.3. Bộ phận kích thích hay bơm Đây là bộ phận cung cấp năng lượng để tạo được nghịch đảo độ tích lũy trong hai mức năng lượng nào đó của hoạt chất và duy trì sự hoạt động của laser. Tùy theo các loại laser khác nhau, nói chung có thể phân loại: Kích thích bằng ánh sáng hay gọi là bơm quang học, đây là loại kích thích phổ biến. Hoạt chất thu năng lượng bơm qua quá trình hấp thụ. Kích thích bằng va chạm điện tử: năng lượng điện tử được gia tốc trong điện trường được truyền cho các hệ nguyên tử hoạt chất nhờ quá trình va chạm. Sự truyền năng lượng kích thích này sang dạng năng lượng bức xạ của laser thường xảy ra phức tạp tùy theo loại laser. Cả ba bộ phận kể trên không thể tách rời và là cơ cấu chính của một máy phát laser. Ví dụ: Cấu tạo của laser Ruby Laser này gồm một thanh Ruby hình trụ (1) có chiều dài thỏa mãn . Hai mặt được mài nhẵn, vuông góc với trục của thanh. Mặt (3) được mạ bạc, mặt (4) là mặt bán mạ. Một bóng đèn xeon (2) được quấn quanh thanh Ruby. Khi laser hoạt động thì thanh Ruby sẽ rất nóng nên người ta phải gắn nó vào những cánh tỏa nhiệt (5). Tuy vậy, laser Ruby cũng chỉ hoạt động ở chế độ xung, lúc phát lúc nghỉ. 3. Phân loại laser 3.1. Laser rắn Theo tài liệu được công bố, các laser rắn hoạt động ở chế độ phát xung hay liên tục đều được chế tạo trên cơ sở tinh thể hay thủy tinh (glass) có đưa vào các ion hoạt chất thuộc về các nhóm sau: Các ion kim loại của nhóm chuyển tiếp với lớp điện tử 3d Các ion đất hiếm với lớp điện tử 4f Các ion Actinic với lớp điện tử 5f Laser rắn cho phép phát các xung có năng lượng lớn nên được sử dụng rộng rãi không những trong mục đích nghiên cứu mà trong các ứng dụng. Hiện nay có rất nhiều laser rắn khác nhau nhưng phổ cập vẫn là laser Ruby và laser YAG Nd+3. 3.2 Laser khí Là loại laser phát chủ yếu trong chế độ liên tục nên có nhiều ứng dụng trong kỹ thuật. Chúng có một số ưu điểm nổi bật so với các loại laser khác ở các điểm sau: dễ chế tạo, cấu trúc phổ năng lượng của các khí nguyên tử hay phân tử đã được nghiên cứu kỹ, vùng bước sóng phát khá rộng từ vùng tử ngoại đến vùng hồng ngoại. Cho đến nay người ta phát hiện được rất nhiều chất khí có khả năng dùng làm hoạt chất phát laser. Số vạch phát hiện đạt tới hàng nghìn nằm trong một vùng rộng từ tử ngoại đến hồng ngoại xa. Có thể tạm phân các laser khí làm 5 loại. Loại khí đơn nguyên tử chủ yếu là các khí hiếm NeI; ArI; hoặc nguyên nhóm Halogen như OI; NI…Đặc điểm chung của loại laser này là có thể kích thích ở dòng phóng điện thấp và hầu hết làm việc ở chế độ làm việc liên tục. Khi dùng hỗn hợp các khí đơn nguyên tử người ta có thể làm tăng hiệu suất do tận dụng được sự truyền năng lượng công hưởng, điển hình của loại này là laser He – Ne. Loại khí ion như laser ArII; ArIII;…KrIII; OIII; OIV; HgII…Có đặc điểm chung là dùng phóng điện cao hàng chục ampe, có công suất phát lớn đến hàng chục oát ở chế độ liên tục dễ dàng cho bước sóng phát nằm ở vùng thấy được và tử ngoại chân không, trong khi các laser khí nguyên tử cho bước sóng phát vùng hồng ngoại và dài hơn nữa. Laser khí phân tử hoạt động ở áp suất thường như N2; H2O; CO; CO2… hay hỗn hợp của chúng. Phần lớn các laser này có bức xạ ở vùng hồng ngoại xa và thuộc về dịch chuyển giữa các mức dao động của phân tử. Chúng có thể cho công suất cao không chỉ ở dạng xung mà còn cả ở dạng liên tục. Khi có sự dịch chuyển giữa các mức điện tử của phân tử, người ta co thể thu được bức xạ vùng tử ngoại. Laser hơi kim loại là laser làm việc ở pha khí sau khi cho kim loại bốc hơi. Loại laser này cho công suất phát lớn và thường phát ở vùng thấy được hoặc tử ngoại xa. Laser excimer là loại laser khí phân tử có dịch chuyển giữa các mức điện tử dao động và chủ yếu cho bức xạ vùng tử ngoại và tử ngoại chân không làm việc ở áp suất cao. 3.3. Laser lỏng Cũng như chất rắn và chất khí, chất lỏng cũng được làm hoạt chất phát laser. So với hai loại trên laser lỏng có một số ưu điểm sau: Không đòi hỏi việc gia công chính xác và khó như đối với tinh thể. Như chúng ta đã biết để có laser rắn đòi hỏi phải tạo được đơn tinh thể với độ tinh thiết cao, phải gia công mặt bên mài nhẵn và cắt mặt thanh hoạt chất với góc định hướng đối với quang trục tinh thể một cách chính xác… Dễ dàng tăng độ tâm kích hoạt và tăng khối lượng hoạt chất để tạo công suất theo ý muốn. Dễ dàng làm lạnh hoạt chất nhờ sử dụng việc cho nước chảy qua hoạt chất. Dễ tiến hành nghiên cứu vì dễ thay đổi thành phần các hoạt chất trong bình chứa. Laser lỏng có nhược điểm là hệ số dẫn nhiệt tương đố lớn nên hoạt chất chóng nóng và dẫn tới sự không ổn định về tần số và công suất phát. Buồng cộng hưởng thường có kích thước không lớn cỡ 1mm – 4mm bằng thạch anh để dễ dàng làm việc trong miền tử ngoại. Hiện nay người ta phân laser lỏng ra làm 3 loại: Laser chelate hữu cơ – đất hiếm. Laser vô cơ oxy – neon – selen. Laser màu. Các loại laser này đều dùng bơm quang học kích thích bằng đèn xung hay bằng chính laser rắn dưới dạng xung.Trong ba loại laser lỏng trên laser màu hiện đang có nhiều ứng dụng trong khoa học kỹ thuật. Bảng dưới đây giới thiệu một số loại laser, công suất đỉnh, độ dài xung, bước sóng và công dụng của nó. Môi trường khuyếch đại Công suất đỉnh Độ dài xung Bước sóng Công dụng Khí He Ne Argon CO2 CO2 TEA 10 nW 210W 200W 5MW Liên tục Liên tục Liên tục 20 ns 633 nm 488nm 10.6µm 10.6 µm Máy quét mã vạch Tiêu khiển, y học Cắt, hàn Xử lý nhiệt Bán dẫn GaAs Al GaAs GaInAsP 5mW 50mW 20mW Liên tục Biến điệu Biến điệu 840nm 760nm 1.3 µm Đĩa laser In laser Truyền tin sợi quang Chất rắn Hồng ngọc Nd:YAG Nd:YAG(QS) Nd:YAG(ML) Nd: thủy tinh 100MW 50W 50MW 2KW 100TW 10ns Liên tục 20ns 60ps 11ps 694nm 1.06 µm 1.06 µm 1.06 µm 1.06 µm ảnh toàn cảnh gia công bán dẫn áp dụng trong y học nghiên cứu xung ngắn nấu chảy bằng laser Chất lỏng Chất màu Rh6G 100mW 10KW Liên tục 10fs Có thể thay đổi 600nm Quang phổ Nghiên cứu khoa học Hóa học Hf 50MW 50ns 3µm Làm vũ khí CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG CỦA LASER 1. Ảnh toàn ký (Holography) Holography thường gọi là chụp ảnh khối, tuy nhiên chữ Hologaphy còn có nghĩa rộng hơn. Nguyên lý của Holography được Gabor đề xuất từ 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 dụng nguồn sáng này để thu được ảnh khối của vật và nghiên cứu về Holography được phát triển rất nhanh đã trở thành một ngành khoa học riêng trong vật lý và quang học kỹ thuật. Trong phạm vi đề tài tôi trình bày các giai đoạn trong Holography và một số ứng dụng của Holography. 1.1.Các giai đoạn trong Holography Về nguyên tắc trong Holography có hai giai đoạn: Giai đoạn chụp và giai đoạn phục hồi ảnh. .1.1. Giai đoạn chụp: sơ đồ nguyên tắc được trình bày trên hình a. P’ Hologram B a, P M A S b, P S Hologram S Một chùm laser song song được cho đi qua một gương bán mạ S để tạo ra tia chùm tia A và B. Chùm a là chùm phản xạ đi trực tiếp đến kính ảnh M và được gọi sau này là chùm tựa. Chùm B là chùm ánh sáng truyền qua đi tới vật ví dụ tại điểm P, từ P ánh sáng tán xạ từ vật cũng sẽ

Lời cảm ơn Lời đầu tiên, cho gửi lời cảm ơn đến tất thầy, cô giáo tổ môn Vật lý trường Đại học Hồng Đức giúp tơi có kiến thức cần thiết để hồn thành khóa luận Lời tiếp theo,cho tơi gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy Trịnh Xuân Long – người tận tình bảo, giúp đỡ tơi hồn thành khố luận Đồng thời, cho gửi lời cảm ơn tới tất anh (chị) khóa trước, thầy giáo giảng dạy trường phổ thông bạn sinh viên lớp K10 ĐHSP Lý – Hóa Trường Đại học Hồng Đức có ý kiến đóng góp giúp tơi hồn thiện khóa luận Cuối em xin gửi lời chúc đến tất thầy giáo, giáo bạn có sức khỏe, cơng tác tốt PHẦN MỘT: MỞ ĐẦU LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI Thế kỷ XXI kỷ khoa học công nghệ Sự phát triển khoa học công nghệ vũ bão tạo khối lượng lớn cải vật chất, làm cho đời sống người ngày nâng cao Tạo nên phát triển mạnh mẽ đóng góp tất lĩnh vực, ngành khoa học, vật lý học đóng vai trị khơng nhỏ Vật lý học sở nhiều ngành kỹ thuật quan trọng, phát triển khoa học vật lý gắn bó chặt chẽ có tác động qua lại trực tiếp với tiến khoa học kỹ thuật Những phát minh, thí nghiệm vật lý học ứng dụng rộng rãi đời sống Trong phải kể đến đời, phát triển ứng dụng to lớn công nghệ laser Laser, phát minh vĩ đại kỷ XX chứng tỏ vai trò phát triển khoa học kỹ thuật ứng dụng khác nhiều kinh tế Có thể nói laser có tầm ảnh hưởng sâu rộng đến tất lĩnh vực đời sống: y học, quân sự, giải trí, khoa học, khí tượng, đo lường….laser gần gũi với tất người, hầu hết nghe nhắc đến cụm từ vài lần Đặc biệt em nhỏ quên phim “Chiến tranh sao” phim khoa học viễn tưởng, máy ánh sáng thần kỳ gợi lên bao niềm mơ ước cho trẻ em, nhà khoa học kỹ sư Ngày laser diện nhiều nơi khách quan mà nói hiểu biết chúng hạn chế Vật lý học coi khoa học thực nghiệm, có nhiều ứng dụng đời sống, sản xuất khoa học Đặc biệt thời kì nay, khoa học kỹ thuật phát triển mạnh mơn vật lý kiến thức vật lý lại quan trọng nhiều ngành kỹ thuật sở để giải nhiều vấn đề đời sống xã hội Do việc nâng cao kiến thức vật lý vấn đề quan trọng mang nhiều ý nghĩa Là giáo viên vật lý tương lai làm cơng tác giáo dục việc hiểu biết laser ứng dụng khơng trau dồi vốn hiểu biết cho thân mà phục vụ trực tiếp cho cơng tác giảng dạy Báo cáo trị Đại hội Đảng tồn quốc khóa VII nêu rõ “Giáo dục quốc sách hàng đầu nhằm nâng cao dân trí, đào tạo nhân lực bồi dưỡng nhân tài” Vấn đề nguồn lực người, có phẩm chất đạo đức có sức khỏe lực trí tuệ, biết vận dụng xử lý linh hoạt thích ứng với phát triển nhanh khoa học kỹ thuật, kinh tế xã hội yếu tố then chốt định cho thành công nghiệp cơng nghiệp hóa đại hóa đất nước Như vậy, người giáo viên thực việc truyền thụ kiến thức cho học sinh, khơng kiến thức vật lý phổ thông mà ứng dụng quan trọng vật lý đời sống sản xuất Việc tìm hiểu cung cấp cho học sinh ứng dụng gắn liền với sống ngày hướng dẫn học sinh tự thiết kế dụng cụ thí nghiệm để quan sát tượng vật lý làm cho giảng thêm phong phú, sinh động hơn, tạo hứng thú học tập cho học sinh góp phần tăng hiệu dạy học Với tất lý chọn đề tài “ Laser ứng dụng” làm đề tài nghiên cứu MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU - Tìm hiểu nguyên tắc phát quang laser - Tìm hiểu số ứng dụng quan trọng tia laser - Tìm hiểu số biện pháp an tồn sử dụng tia laser - Thiết kế dụng cụ đo bước sóng tia laser ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU Tia laser, ứng dụng thí nghiệm đo bước sóng tia laser PHẠM VI NGHIÊN CỨU Nghiên cứu tia laser phạm vi sở lý thuyết, ứng dụng tia laser KHÁCH THỂ NGHIÊN CỨU Tài liệu nguồn thông tin laser NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU - Nghiên cứu vấn đề liên quan đến phát quang - Nghiên cứu lịch sử trình phát minh laser - Nghiên cứu sở lý thuyết hình thành tia laser - Nghiên cứu ứng dụng phổ biến tia laser - Thiết kế dụng cụ đo bước sóng tia laser PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU - Nghiên cứu tài liệu laser, tài liệu phương pháp thiết kế sử dụng thí nghiệm - Tham khảo ý kiến thầy tìm kiếm thơng tin mạng internet BỐ CỤC CỦA ĐỀ TÀI Bao gồm nội dung sau đây: PHẦN MỘT: MỞ ĐẦU LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU PHẠM VI NGHIÊN CỨU KHÁCH THỂ NGHIÊN CỨU NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU PHẦN HAI: NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ LUẬN Sự phát quang Các dạng phát quang Các định luật phát quang CHƯƠNG 2: LASER Laser gì? Nguyên tắc phát quang laser Cơ sở lý thuyết 2.1.1 Sự lượng tử hóa 2.1.2 Tiên đề Borh 2.1.3 Phát xạ cảm ứng 2.1.4 Sự đảo mật độ 2.1.5 Dùng buồng cộng hưởng 2.2 Nguyên tắc hoạt động 2.3 Các tính chất chùm tia laser 2.4 Cấu tạo máy phát laser 2.4.1 Hoạt chất 2.4.2 Buồng cộng hưởng 2.4.3 Bộ phận kích thích hay bơm Phân loại laser 3.1 Laser rắn 3.2 Laser khí 3.3 Laser lỏng CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG CỦA LASER Ảnh tồn ký (Holography) Nghiên cứu plasma nóng phản ứng nhiệt hạch Nghiên cứu hóa sinh đại Trong công nghệ gia công kim loại Trong đo lường tiêu chuẩn Trong y học Trong khí tượng Trong khoa học kỹ thuật Đo khoảng cách tia laser 10 Trong đời sống CHƯƠNG 4: AN TOÀN KHI SỬ DỤNG LASER Phân loại độ an toàn tia laser Các nguyên tắc sử dụng laser CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ THÍ NGHIỆM ĐO BƯỚC SĨNG TIA LASER Cơ sở lý thuyết Thiết kế thí nghiệm PHẦN BA: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT TÀI LIỆU THAM KHẢO PHẦN HAI: NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ LUẬN Sự phát quang Sự phát quang dạng phát ánh sáng phổ biến tự nhiên Có số chất (ở thể rắn, lỏng khí) hấp thụ lượng dạng lượng đó, có khả phát xạ điện từ miền ánh sáng nhìn thấy Các tượng gọi phát quang Sự phát quang đom đóm, phát sáng phơtpho bị oxi hóa khơng khí, phát sáng số chất chất rắn chiếu sáng tia tử ngoại … ví dụ điển hình phát quang Không phải phát sáng phát quang Chẳng hạn phản xạ, tán xạ ánh sáng xạ nhiệt phát sáng phát quang Để phân biệt tương phát quang với tượng phát sáng khác ta cần ý đến đặc điểm sau nó: - Ở miền nhiệt độ miền quang phổ xạ phát quang có cường độ lớn nhiều so với cường độ xạ nhiệt Chẳng hạn, kết thực nghiệm cho thấy nhiệt độ phịng nhiều chất phát quang phát sáng nhìn thấy tử ngoại; quang phổ xạ nhiệt nhiệt độ thực tế nhiều không chứa xạ Điều khẳng định phát quang xạ nhiệt - Sau ngừng kích thích, phát quang chất tiếp tục kéo dài thêm khoảng thời gian ngừng hẳn Khoảng thời gian từ lúc ngừng kích thích đến lúc ngừng phát quang gọi thời gian phát quang Tùy theo chất phát quang mà thời gian phát quang kéo dài từ 10 -10s đến vài ngày Đặc điểm cho phép phân biệt phát quang với phản xạ tán xạ ánh sáng phản xạ tán xạ ngừng tức thời ngừng chiếu sáng - Bức xạ phát quang xạ riêng vật: chất phát quang có quang phổ đặc trưng cho Nói cách khác quang phổ phát quang phụ thuộc vào cấu tạo nguyên tử, phân tử chất phát quang Điều cho phép phân biệt phát quang với xạ nhiệt Từ đặc điểm Vavilov đưa định nghĩa phát quang sau: Sự phát quang chất phát xạ dư xạ nhiệt chất phát có thời gian phát quang lớn nhiều so với chu kì dao động sáng (10-14÷ 10-15s) Các dạng phát quang 2.1 Phân loại theo thời gian phát quang Tùy theo thời gian phát quang, người ta chia phát quang thành hai dạng sau: a Sự huỳnh quang: phát quang có thời gian phát quang ngắn (dưới 10-6s) b Sự lân quang phát quang có thời gian phát quang dài (10-6s trở lên) 2.2 Phân loại theo phương pháp kích thích phát quang Ngồi người ta phân loại phát quang theo phương pháp kích thích phát quang sau: a Khi chất phát quang kích thích xạ quang học (tia X; tia tử ngoại; ánh sáng nhìn thấy…) phát quang gọi quang phát quang Thí dụ: Chiếu ánh sáng tử ngoại vào kẽm sunfua (ZnS) phát ánh sáng màu lục b Nếu chất phát quang kích thích cách đặt điện trường phát quang gọi điện phát quang c Nếu chất phát quang kích thích cách bắn vào chùm electron, phát quang gọi âm cực phát quang d Nếu chất phát quang kích thích lượng lấy từ phản ứng hóa học phát quang gọi hóa phát quang Sự phát quang mục, phát quang photpho bị oxi hóa khơng khí, phát quang đom đóm số vi sinh vật nước biển dạng phát quang e Sự phát quang kích thích sản phẩm phân rã phóng xạ hạt α, hạt β, tia χ chùm hạt notron hay proton gọi phóng xạ phát quang Các định luật phát quang Hiện tượng phát quang phân tử phức tạp Stokes nghiên cứu (1852) nêu định luật sau: Bước sóng ánh sáng phát quang lớn bước sóng ánh sáng mà chất phát quang hấp thụ Thí dụ: Khi chiếu ánh sáng tử ngoại vào cadimi sunfua (CdS) phát sáng màu da cam Thực nghiệm chứng tỏ, định luật Stokes luôn thỏa mãn Trong tượng phát quang người ta quan sát xạ có bước sóng ngắn bước sóng ánh sáng kích thích Lơmmen đưa số định luật tổng quát sau: Toàn phổ phát quang cực đại dịch chuyển phía sóng dài so với tồn phổ hấp thụ cực đại Định luật gọi định luật Stokes – Lômmen Phần phổ phát quang gồm xạ có bước sóng nhỏ bước sóng ánh sáng kích thích gọi phần đối Stocker, cịn phần có bước sóng lớn bước sóng ánh sáng kích thích gọi phần Stockes Thực nghiệm cho thấy nhiệt độ thấp cường độ xạ đối Stockes nhỏ so với cường độ xạ Stockes Khi tăng nhiệt độ, cường độ phần xạ đối Stockes tăng lên nhỏ phần Stockes Định luật Stockes – Lơmmen giải thích dễ dàng nhờ thuyết photon Giả sử phân tử chất phát quang trạng thái hấp thụ photon hγ ht phát xạ photon phát quang hγ pq Trong trình phần lượng A photon hấp thụ bị hao phí biến thành nhiệt Theo định luật bảo tồn lượng ta có: hλ pq = hγ ht − A Giá trị A ln dương, hγ pq < hγ ht nghĩa γ pq < γ ht hay λ pq > λ ht Trường hợp định luật Stockes thỏa mãn Trong trường hợp phân tử hấp thụ ánh sáng tráng thái kích thích chuyển lên trạng thái kích thích có lượng cao hơn, từ chuyển trạng thái phát photon phát quang có lượng lớn lượng photon hấp thụ Trong trường hợp hγ pq > hγ ht nên γ pq > γ ht hay λ pq < λht Nghĩa xảy xạ đối Stockes Khi nhiệt độ thấp hầu hết phân tử trạng thái bản, cường độ xạ đối Stockes nhỏ Khi nhiệt độ tăng lên số phân tử trạng thái kích thích tăng lên nhỏ số phân tử phân tử trạng thái Điều giúp ta giải thích cường độ xạ đối Stockes tăng nhiệt độ tăng nhỏ cường độ xạ Stockes CHƯƠNG 2: LASER Laser gì? Laser thuật ngữ phiên âm từ tiếng Anh, từ ghép chữ cụm từ tiếng Anh “Light Amplification by stimulated Emission of Radiation” có nghĩa khuếch đại ánh sáng phát xạ cảm ứng (cịn gọi phát xạ kích thích) Năm 1916, sau bầu vào viện hàn lâm khoa học Đức, A.Einstein tư trừu tượng cao, nêu thuyết: Nếu chiếu nguyên tử sóng điện từ, xảy xạ “được kích hoạt” trở thành chùm tia hồn tồn đơn sắc, tất photon (quang tử) phát bước sóng Đó ý tưởng khoa học Nhưng chưa có chứng minh nên lý thuyết gần bị lãng quên nhiều năm Mãi tới năm 1951, giáo sư Charles Townes thuộc trường đại học Columbia thành phố New York ý đến khuếch đại sóng cực ngắn (vi sóng) Ơng thực thí nghiệm mang tên Maser (maze) khuếch đại vi sóng xạ cảm ứng Chữ Maser chữ nghĩa tiếng Anh: Microwave Amplification by stimulated Emission of Radiation Ơng thành cơng phí tốn phịng thí nghiệm Cũng vào thời gian này, phương trời khác hai nhà khoa học Xô Viết N.Batsov A.Prokhorov phát minh máy khuếch đại vi sóng gần dạng nguyên lý Vì ba nhà khoa học nói nhận giải Nobel vật lý vào năm 1964 Tuy nhiên nhà khoa học dừng lại việc đạt tới việc khuếch đại sóng cực ngắn mà khơng dấn thêm vào sóng phát sáng Nhà khoa học Theodora Maiman nhà khoa học phịng thí nghiệm Huyher Malibu bang Califonia dựa vào lý thuyết tảng thực nghiệm Towner Schawlow công bố, Maiman dành thêm hai năm sâu thêm, mở rộng thêm trở thành người tìm tia laser Ngày 16-5-1960 T.Maiman thức tạo laser từ thể rắn hồng ngọc Tia sáng ơng tìm luồng ánh sáng tập trung có độ hội tụ lớn hoàn toàn thẳng, rõ nét, khiết, mầu đỏ lộng lẫy bề dài bước sóng đo 0,694µm Như vậy, giả thuyết mà Einstein nêu cách ngày 54 năm chứng minh Những năm tiếp theo, nhà khoa học khắp nơi nối dài thành laser thành nhiều loại, cách: Đưa vào hoạt chất thể khí (ví dụ CO2, He, Ne, Ar…) ta có tia laser từ thể khí; đưa vào asenniure (từ gllium) có tia laser từ bán dẫn; đưa vào dung dịch chất nhuộm mầu hữu cho ta laser lỏng; sử dụng Oxy-iot vạn ta có laser hóa học, laser rắn… Điều kì diệu tùy theo hoạt chất mà tạo mầu sắc khác làm cho tia laser trở nên lung linh huyền ảo, ví dụ tia laser từ Helium- khác nên có nhờ tia laser có độ đơn sắc lớn dễ dàng phá hủy liên kết có tương tác cộng hưởng Năng lượng xạ laser hγ phá hủy liên kết tương ứng với lượng mà không ảnh hưởng đến loại dao động với tần số γ , γ khác γ Người ta nói phá hủy hay kích thích chọn lọc phản ứng hóa học Chính điều mở khả nghiên cứu sản phẩm phản ứng trung gian hóa học Cũng nhờ laser mà nhà hóa học cịn nghiên cứu phản ứng trạng thái kích thích, mà trước thời gian sống nhỏ không kịp quan sát Những điều vừa nêu quan trọng nghiên cứu hóa sinh đại cho phép điều khiển phản ứng hóa học Trong cơng nghệ gia công kim loại Người ta lợi dụng cường lớn tia laser để khoan cắt, hàn gọt kim loại Do đường kính chùm tia laser nhỏ nên thu lỗ khoan có đường kính cỡ λ khoan kim loại cứng invar, tinh thể cứng bạch kim Hồng ngọc (Ruby) Ví dụ để khoan chân kính đồng hồ kính hồng ngọc sử dụng phương pháp thông thường nhà máy đồng hồ trước đây, người ta phải sử dụng từ 7-25 phút để khoan lỗ Khi sử dụng laser cần vài giây, nâng cơng suất khoan lên hàng trăm lần Với laser xung cơng suất lớn việc gia cơng kim loại nói tiến hành nhanh hiệu suất cao nên ngày người ta sử dụng rộng rãi laser công đoạn khác Trong đo lường tiêu chuẩn Tia laser với độ ổn định tần số trở thành thước đo chiều dài chuẩn Người ta sử dụng xạ laser Cd để làm tần số chuẩn, sử dụng xạ laser He-Ne để đo tốc độ ánh sáng với sai số hàng thứ 12 sau dấu phẩy mở triển vọng nghiên cứu biến đổi số vũ trụ, có… Trong y học Nghiên cứu ứng dụng laser y học sớm từ năm 1962-1963 kỷ trước Lúc đầu laser dùng để điều trị bệnh võng mạc, từ laser sử dụng rộng rãi y khoa, ứng dụng laser chuẩn đoán điều trị từ mở nhiều triển vọng chữa bệnh làm đẹp cho người Laser ứng dụng chuẩn đốn điều trị có bước sóng nằm khoảng từ 193nm đến 10,6 µm , thuộc vùng tử ngoại, khả kiến hồng ngoại gần, làm việc chế độ xung hay chế độ liên tục Trong y học người ta sớm dùng laser loại dao mổ, kết hợp với nội soi nên tăng thêm xác điều trị phẫu thuật bướu lành tính u ác tính nội tạng bệnh nhân, laser kết nối với máy tính phẫu thuật mắt, phẫu thuật thần kinh, tai mũi họng khai thông mạch máu bị tắc xác hiệu Có thể dùng laser để đốt vết mổ da, tẩy vết săm tẩy mụn Hiệu ứng quang đông (nhiệt): Bức xạ laser có lượng vừa đủ giải phóng thời gian thích hợp làm nhiệt độ vùng tổ chức tăng lên khoảng 60-1000C Khi tổ chức sinh học bị đơng kết dẫn đến hoại tử Ứng dụng hiệu ứng nhiệt nhãn khoa như: Quang đông võng mạc, quang đông điều trị tân mạch hắc mạc, quang đông phù điểm vàng,… Hiệu ứng bay tổ chức (nhiệt): Tương tự hiệu ứng quang đông nhiệt độ vùng tổ chức tăng lên đạt đến 300 0C, matrix rắn tổ chức sinh học nhận đủ lượng để bay Ứng dụng hiệu ứng phẫu thuật, chùm tia sử dụng dao mổ tạo vết cắt nhỏ, không đau chảy máu vô trùng Tiêu biểu tia laser CO2; laser YAG… biết với tên gọi “dao mổ nhiệt” Thiết bị laser excimer điều trị tật khúc xạ mắt Hiệu ứng bóc lớp (quang – phi nhiệt): Chúng ta dùng xung cực ngắn (ns), công suất đỉnh cực cao, bước sóng vùng tử ngoại gần, chiếu vào tổ chức sinh học Bức xạ laser vùng tử ngoại bị phần tử hữu hấp thụ, lượng hấp thụ đủ lớn, mạch hữu bị đứt gãy, xảy “vi nổ” từ nước bị đẩy khỏi tổ chức, cuối tổ chức sinh học giống bị “bóc lớp” Laser excimer ứng dụng y học với tên gọi “dao cắt lạnh” (phi nhiệt) Hai nhiều ứng dụng quan trọng laser excimer phẫu thuật tạo hình tim mạch laser cho qua da điều trị tật khúc xạ mắt Bằng cách quét qua máu dự trữ ngân hàng máu, laser diệt nhiều loại vi rút nguy hiểm virut gây bệnh AIDS, sởi herpes…Với loại laser phát xung Ruby… người ta sử dụng để đục giác mạc, hàn giác mạc, dán vết bong giác mạc vv…để chữa mắt Hình trình bày sơ đồ máy sử dụng laser để chữa mắt, yêu cầu chữa khác y học Đèn chiếu Hệ thống quan sát laser Gương bán mạ Gương bán mạ Thấu kính Vật quan sát Ngồi ra, với laser xung hay liên tục bước sóng khác laser bán dẫn (GaAs,…) người ta sử dụng chúng để thay kim châm kim không gây đau hậu khác cho người sử dụng Trong khí tượng Với tia laser, người ta đo nồng độ hạt nước đám mây để dự đoán thời tiết Bằng cách thả bóng thám khơng trước đây, việc xác định thời tiết thường lâu tốn Với laser người ta xác định thời tiết điểm bất kỳ, độ cao xác, thích hợp với yêu cầu sân bay, hay mục đích quân Trong khoa học kỹ thuật 8.1 Trong thông tin liên lạc Với độ đơn sắc kết hợp cao tia laser sử dụng rộng nhanh nghành thông tin liên lạc Sử dụng tia laser để truyền tin tức (các bít thơng tin) có ưu điểm sau: - So với sóng vơ tuyến, dải sóng truyền tin laser lớn gấp bội Ví dụ với sóng vô tuyến tần số sử dụng 10 4-3.1011 Hz với tia laser quang học vùng ánh sáng thấy có tần số khoảng 3.10 12-15.1015 Hz nên dải sóng truyền tăng lên đến 5.104 lần Do với xạ laser nằm khoảng 0,4 − 0,8µm với kênh truyền tin 6,5 MHz sử dụng laser ta có gần 80.105 kênh truyền hình sử dụng sóng cực ngắn - Do lượng lớn tia laser xa sóng vơ tuyến Theo tính tốn 1s, sử dụng sóng vơ tuyến phải tiêu dùng lượng 10 -7 W để truyền bít thơng tin, với tia laser cần dùng lượng 10-19 W tức giảm hàng tỷ lần Chính mà người ta sử dụng tia laser để truyền tin vũ trụ Với tính tốn với laser có người ta đạt khoảng cách truyền 100000 km - Sử dụng bước sóng thích hợp truyền tin mơi trường khí tượng khác sương mù, biển vv…Ví dụ, cửa sổ khí hợp với xạ 10,6µm laser CO2, nước biển cho truyền qua, hấp thụ xạ laser Argon ( λ = 0,4880 µm ) vv… 8.2 Trong nghiên cứu vũ trụ Tia laser sử dụng rộng rãi nghiên cứu vũ trụ Có thể nêu ba ứng dụng sau: - Sử dụng laser để xác định vị trí vật thể vũ trụ - Theo dõi tàu vũ trụ liên lạc với chúng - Điều khiển tàu vũ trụ a Muốn xác định vị vật thể vũ trụ, người ta đặt gương phản xạ tia laser vật thể Từ trái đất, đo thời gian tín hiệu truyền xác định khoảng cách L với t = 2L Năm 1970 trạm tự động Mặt c trăng 17 đặt gương phản xạ biển Mưa Mặt trăng, gương có khối lượng 3kg, dài 44cm, rộng 19,5cm gồm 14 lăng kính cạnh làm việc khoảng biến thiên rộng nhiệt độ (như ngày đêm mặt trăng) Với tia laser Ruby có độ dài xung 0,001s cho phép xác định khoảng cách Trái đất- Mặt trăng với sai số 15cm b Với vệ tinh Trái đất S66 Mỹ người ta xác định khoảng cách 1517km so với Trái đất với sai số 8m Điều đáng ý vệ tinh S66 có đường kính 60cm với tốc độ bay 20000 km/h Điều cho thấy việc xác định vệ tinh quỹ đạo độ xác nói tương đương với việc quan sát ruồi cách xa 50 km mà ruồi lại bay với tốc độ 100 km/h Điều cho thấy tia laser có tác dụng việc đo xa vật thể chuyển động, điều quan trọng mục đích quân c Việc điều khiển tàu vũ trụ dựa khả truyền lệnh thông tin đến tàu người ta bắt xác vị trí quỹ đạo thời điểm Hiện việc điều khiển tàu vũ trụ thoi Mỹ, điều khiển việc lắp ráp tàu vũ trụ trạm Hòa Bình Nga vv…là chứng minh hùng hồn việc sử dụng laser việc điều khiển xác tàu vũ trụ Đo khoảng cách tia laser Ánh sáng laser có tính định hướng cao nên chùm tia giữ độ mạnh suốt thời gian lan truyền khoảng cách lớn Chùm tia laser có cơng suất vài oát dễ dàng vượt qua khoảng cách Trái đất Mặt trăng (384000km) bị bề Mặt trăng phản xạ quay lại Trái đất Một chùm tia laser ban đầu có kích thước bút chì lên mặt trăng có kích thước vịng trịn đường kính vài km Sự loe rộng chùm tia laser 0,001% khoảng cách Trái đất Mặt trăng Bằng cách đo thời gian chùm tia laser nhà thiên văn dựng đồ Mặt trăng Trong thập niên 70 nhà du hành phi hành đoàn Apollo để lại mặt trăng gương phản xạ đặc biệt có khả phản xạ chùm tia laser Ánh sáng phản xạ kính thiên văn mặt đất quan sát Bằng cách nhà thiên văn xác định quỹ đạo mặt trăng với độ xác tới vài centimet Đối với khoảng cách Trái đất - Mặt trăng độ xác tới phần mười tỷ Bằng cách thực phép đo từ lục địa khác nhà thiên văn đo tốc độ trơi dạt mảng lục địa vận tốc vài centimet năm 10 Trong đời sống Ngày buổi trình diễn nghệ thuật, thể thao cơng viên nước, vũ trường, … thiếu ánh sáng kỳ diệu nhiều mầu sắc, xanh đỏ, hồng vàng,…của laser Laser ứng dụng để đọc đĩa CD DVD Các đĩa CD (đĩa compact) DVD (Digital versatile Disc, đĩa số hóa đa dạng) hệ quang học lưu giữ thông tin Người ta dùng chùm laser để ghi thông tin lên màng mỏng nhạy cảm Với ánh sáng đĩa, thông tin mã hóa lỗ nhỏ đĩa Để khắc phục lỗ nhỏ đường kính chùm tia laser phải nhỏ 1µm Chúng khắc theo rãnh hình xoắn trơn ốc dài đến 5km Đầu đọc chùm laser hồng ngoại, ánh sáng laser chiếu vào lỗ, phần vào tới tận đáy lỗ bị đáy phản xạ, phần lại bị bề mặt xung quanh lỗ phản xạ Khi hai sóng ánh sáng kết hợp với nhau, chúng pha ngược pha làm cường độ tăng giảm Nếu ánh sáng tới không gặp lỗ không thay đổi cường độ Sự thay đổi hay không thay đổi cường độ chùm tia laser detector đầu CD đọc chuyển hóa thành chuỗi số 1, phản ánh mã nhị phân ghi đĩa Thơng tin tái tạo lại hồn hảo âm hình ảnh CHƯƠNG 4: AN TOÀN KHI SỬ DỤNG LASER Phân loại độ an toàn tia laser Laser với cường độ thấp vài milimet nguy hiểm với mắt người bước sóng mà giác mạc mắt thủy tinh tập trung tốt nhờ tính đồng định hướng cao laser công suất lượng lớn tập trung vào điểm cực nhỏ võng mạc Kết vết cháy tập trung phá hủy tế bào mắt vĩnh viễn vài giây chí nhanh Độ an toàn laser xếp từ I đến IV Với độ I, tia laser tương đối an toàn, với độ IV chí chùm tia laser phân kì làm hỏng mắt hay bỏng da Các sản phẩm laser cho đồ dân dụng máy chơi CD bút laser dùng lớp học xếp hạng an toàn từ I, II hay III Sau chuẩn ANSI Z136 độ an toàn laser viện tiêu chuẩn quốc gia Hoa Kỳ - Laser loại I: Được xem an toàn, dựa hiểu biết độ phơi sáng vốn có thiết kế sản phẩm dụng cụ cơng suất thấp (0,4 mW bước sóng khả kiến) sử dụng laser thuộc loại bao gồm máy in laser, máy hát CD thiết bị trắc địa - Laser loại IA: thiết bị chuyên dùng cho laser khơng có khuynh hướng nhìn, ví dụ máy quét laser mã vạch siêu thị Được phép có cơng suất cao laser loại I (khơng q 4mW) không vượt giới hạn loại I khoảng thời gian phát xạ 1000s - Laser loại II: laser công suất thấp phát chùm tia nhìn thấy Độ sáng chùm tia dựa sở ngăn cản việc nhìn chằm chằm vào chùm tia thời gian đủ lâu để làm cho mắt bị hỏng Những loại laser bị giới hạn công suất phát 1mW, thấp độ phơi sáng lớn cho phép phơi sáng thời 0,25s Phản ứng khó chịu tự nhiên ánh sáng khả kiến có độ sáng giúp bảo vệ mắt khỏi bị phá hủy cố ý nhìn thời gian dẫn tới hỏng mắt Một số ví dụ laser thuộc loại laser thuyết trình dùng lớp học, trỏ laser dụng cụ đo xa - Laser loại IIIA: dụng cụ phát sáng liên tục, cơng suất trung bình (1 – 5mW) có ứng dụng tương tự laser loại II Gồm máy quét laser trỏ laser Chúng xem an tồn nhìn chốc lát (dưới 0,25) khơng nên nhìn trực diện nhìn qua dụng cụ quang học - Laser loại IIIB: có cơng suất trung bình (sóng liên tục 5-500mW) khơng an tồn nhìn trực diện nhìn qua phản xạ, phản chiếu Ứng dụng laser loại quang phổ kế, kính hiển vi đồng tiêu xơ diễn ánh sáng giải trí - Laser loại IV: phát công suất cao, vượt qua gới hạn dành cho dụng cụ IIIB yêu cầu phải điều khiển ngiêm ngặt để loại trừ nguy hiểm lúc sử dụng chúng Cả chùm tia trực tiếp, chùm tia khuếch tán từ laser loại làm hỏng mắt da có khả gây cháy tùy thuộc vào chất liệu mà chúng chạm tới Đa số tổn thương cho mắt laser phản xạ ánh sáng laser loại IV bề mặt phản xạ phải giữ xa chùm tia phải đeo kính bảo vệ mắt thích hợp lúc làm việc với loại laser Laser loại dùng cho phẫu thuật cắt, khoan, vi gia công cắt gọt hàn Các nguyên tắc sử dụng laser Tia sáng đèn laser có công suất cao nguy hiểm chiếu trực tiếp vào mắt Vì người phải tuân thủ nguyên tắc sử dụng chế tạo đèn laser Tất tia laser có cơng suất từ 1mW trở lên gây nguy hiểm cho mắt đặc biệt với tia laser có cơng suất vài trăm mW gây mù mắt tức chiếu trực tiếp vào mắt Sau nguyên tắc an tồn bản: - Khơng chiếu tia laser trực tiếp vào mắt dù công suất 1mW - Khi sử dụng đèn laser có cơng suất cao (> 5mW) khơng nên dùng khơng gian chật hẹp, có nhiều kính có khả tia laser bị phản chiếu vào mắt - Không chiếu tia laser vào máy bay, xe cộ chạy đường tia laser khiến phi cơng tài xế chói mắt khơng nhìn thấy đường gây tai nạn - Không sử dụng tia laser công suất cao nơi đông người - Khi chế tạo, sửa chữa chơi laser công suất cao khu vực chật hẹp phải đeo kính bảo hộ chống tia laser ( loại kính bình thường khơng có tác dụng chống tia laser, phải mua kính chuyên dụng dành cho tia laser) CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ DỤNG CỤ ĐO BƯỚC SÓNG TIA LASER Cơ sở lý thuyết Mục đích thiết kế Có nhiều phương pháp đo bước sóng tia laser nhiều dụng cụ khác nhau, có cách đo bước sóng tia laser phương pháp giao thoa Chúng ta tạo giao thoa ánh sáng nhiều cách khe Iâng, gương Fresnel hay giao thoa phản xạ ( thí nghiệm Lloyd) Trên sở tơi thiết kế dụng cụ thí nghiệm để học sinh quan sát tượng giao thoa ánh sáng trắng qua khe Iâng, đồng thời xác định bước sóng tia Laser dựa tượng giao thoa qua khe Iâng vật liệu dễ kiếm, đơn giản, dễ tiến hành Cơ sở lý thuyết Hiện tượng giao thoa ánh sáng Khi hai hay nhiều sóng ánh sáng gặp miền khơng gian miền người ta thấy có dải sáng tối xen kẽ Hiện tượng gọi giao thoa ánh sáng, miền khơng gian có giao thoa ánh sáng gọi trường giao thoa Thực nghiệm cho thấy rằng, có sóng phát từ nguồn kết hợp tạo tượng giao thoa Cách tạo hai sóng ánh sáng kết hợp Ta biết ánh sáng nguyên tử nguồn sáng phát Thực nghiệm chứng tỏ ngun tử phát sóng khơng liên tục; chúng phát đồn sóng một, đồn sóng khơng liên hệ với nên pha ban đầu chúng khác Nếu ta xét ánh sáng phát từ hai nguồn sáng riêng biệt ( từ hai bóng đèn điện chẳng hạn) điểm nhận cặp đồn sóng hai nguồn gửi tới, cặp đồn sóng có hiệu số pha Hiệu pha thay đổi số không đổi Kết hai sóng hai nguồn riêng biệt phát hai song không kết hợp Tuy nhiên, cách ta tách sóng ánh sáng phát từ nguồn sáng thành hai sóng truyền thao hai đường khác nhau, sau lại cho chúng gặp hiệu pha hai sóng khơng phụ thuộc vào thời gian Khi ta có hai sóng kết hợp Như nguyên tắc tạo hai sóng ánh sáng kết hợp từ sóng ánh sáng tách hai sóng ánh sáng riêng biệt Để tạo sóng ánh sáng kết hợp người ta dùng số dụng cụ như: Khe Iâng, gương Fresnel,… Khe Iâng Khe Iâng dụng cụ nhà bác học Iâng sử dụng thí nghiệm tượng giao thoa ánh sáng ( năm 1801) Iâng dùng nguồn sáng điểm S chiếu vào hai lỗ tròn nhỏ S S2 đục không suốt P; P đặt cho S S2 cách S Hai lỗ S1 S2 chiếu sáng nguồn S nên xem hai nguồn kết hợp Sau P hai sóng kết hợp phát từ S S2 gặp miền khơng gian giao thoa với Miền khơng gian gọi trường giao thoa Đặt E sau P song song với P ta quan sát hình ảnh giao thoa Dù đặt E vị trí trường giao thoa ta quan sát vân giao thoa Vì người ta gọi loại vân giao thoa vân giao thoa không định sứ Giao thoa qua khe Iâng với nguồn phát Laser Laser chùm sáng song song đơn sắc, kết hợp Khi chiếu chùm tia laser vng góc với chắn P có hai khe hẹp song S1, S2 S1, S2 trở thành hai nguồn đồng phát óng ánh sáng phía trước Cách P khoảng D ta đặt quan sát E song song với P Các sóng ánh sáng từ S 1, S2 gặp giao thoa với nhau, E xuất hệ vân màu đỏ gồm dải sáng, tối xen kẽ Khoảng vân i ( khoảng cách hai vân sáng hai vân tối liên tiếp) liên hệ với a D theo công thức i = λD ia ⇒λ = a D Đo khoảng cách a hai khe, đo khoảng cách D khoảng vân i, ta tính bước sóng λ tia Laser Thiết kế dụng cụ Quy trình thiết kế Dụng cụ - Lưỡi dao lam - Ống nước nhựa - Đĩa nhựa tròn ( khoét khe hở) - Dây đồng nhỏ - Băng dính màu Thiết kế Bước 1: Tạo khe S (Đĩa 1) Dùng hai nửa lưỡi dao lam cố định băng dính màu đĩa nhựa tròn khoét lỗ hổng, hai nửa lưỡi dao lam đặt song song cách tạo thành khe hẹp Lưỡi dao lam Lưỡi dao lam Bước 2: Tạo khe Iâng (Đĩa 2) Dùng hai nửa lưỡi dao lam cố định băng dính màu đĩa nhựa tròn khoét lỗ hổng, hai nửa lưỡi dao lam đặt song song cách tạo thành khe hẹp Dùng dây đồng nhỏ đặt khe hẹp song song với hai nửa dao lam Lưỡi dao lam Dây đồng Lưỡi dao lam Có thể xác định đường kính dây đồng hai cách sau: - Quấn dây đồng quanh bút chì thành 50 vịng sát nhau, dùng thước có độ chia nhỏ 1mm, đo độ dài 50 vòng lấy kết chia cho 50 - Có thể đo kính lúp kính hiển vi Bước 3: Lắp ráp dụng cụ Lắp dụng cụ hình vẽ: Đĩa Đĩa 2.2.Tiến trình thí nghiệm 2.2.1 Quan sát tượng giao thoa Đặt mắt đầu A (Khe S1, S2) điều chỉnh đầu ống B có chứa khe S hướng vào nguồn sáng Thì ta quan sát thấy tượng giao thoa 2.2.2 Đo bước sóng tia Laser Cố định nguồn phát Laser đầu ống chứa khe S cho nguồn sáng chiếu vào khe S Vì nguồn sáng Laser nguồn hội tụ kết hợp nên chiếu trực tiếp qua khe S1, S2 - Đo khoảng cách D từ mặt phẳng chứa hai khe tới - Đánh dấu vị trí hai vân sáng E phân bố n khoảng vân (n tùy chọn từ đến khoảng) Sau tiến hành đo khoảng cách L hai vân sáng đánh dấu - Khoảng vân i tính theo cơng thức: i = - L n Bước sóng chùm tia Laser tính theo công thức: λ = La = D nD Có thể xác định bước sóng cách khác: - Gắn thước chia đến 1/10 mm để đo khoảng vân - Dịch chuyển ống (kéo đẩy vào) tới điểm tất vân sáng tất vân tối trùng với vạch chia thước Khi khoảng vân i 0,1 mm - Dùng thước đo khoảng cách từ khe đến - Bước sóng chùm tia Laser tính theo cơng thức: λ = D Các thí nghiệm lặp lại nhiều lần để có kết xác PHẦN BA: KẾT LUẬN Trong đề tài thu kết sau: - Giới thiệu vấn đề liên quan đến phát quang lịch sử trình phát minh laser - Trình bày sở lý thuyết hình thành tia laser ứng dụng phổ biến tia laser - Qua việc nghiên cứu lý thuyết giao thoa ánh sáng qua khe Iâng hướng dẫn học sinh thiết kế dụng cụ quan sát tượng giao thoa ánh sáng đo bước sóng tia laser Qua q trình nghiên cứu rút số kết luận sư phạm sau: - Laser phát minh vĩ đại kỷ XX chứng tỏ vai trị phát triển khoa học kỹ thuật ứng dụng khác kinh tế Việc tìm hiểu ứng dụng laser để đưa vào học tăng thêm hứng thú tích cực học tập cho học sinh, làm giảng thêm phong phú sinh động nâng cao hiệu dạy học - Hướng dẫn học sinh tự thiết kế dụng cụ thí nghiệm vừa giúp học sinh rèn luyện kiến thức đồng thời tạo điều kiện phát huy tính động sáng tạo tư học sinh TÀI LIỆU THAM KHẢO Ứng dụng laser, Elsa Garmire, Đại học Nam California ( Phan văn Thích dịch) Vật lý laser ứng dụng, Tạ Đình Chiến, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội Sách giáo khoa vật lý lớp 12 nâng cao, NXB Giáo dục Đào tạo Laser triển vọng, TSKH Lê văn Hoàng, Đại học sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh Quang học, Đặng Thị Mai, NXB Giáo Dục Google.com.vn ... tư học sinh TÀI LIỆU THAM KHẢO Ứng dụng laser, Elsa Garmire, Đại học Nam California ( Phan văn Thích dịch) Vật lý laser ứng dụng, Tạ Đình Chiến, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội Sách giáo khoa vật lý. .. nghiệm vật lý học ứng dụng rộng rãi đời sống Trong phải kể đến đời, phát triển ứng dụng to lớn công nghệ laser Laser, phát minh vĩ đại kỷ XX chứng tỏ vai trị phát triển khoa học kỹ thuật ứng dụng. .. học sinh, khơng kiến thức vật lý phổ thông mà ứng dụng quan trọng vật lý đời sống sản xuất Việc tìm hiểu cung cấp cho học sinh ứng dụng gắn liền với sống ngày hướng dẫn học sinh tự thiết kế dụng