tiểu luận LASER KHÍ He-Ne VÀ VŨ KHÍ THẾ HỆ MỚI

Thiết bị này rất nhạy và có thể phát hiện ánh sáng yếu trên 1/tỷ giây...11 Vì tín hiệu truyền đi là khoảng cách rất lớn, nên Laser là loại ánh sáng hiệu quả nhất được các chuyên gia sử d

MỤC LỤC

2.5 Người ngoài hành tinh liên lạc với trái đất bằng Laser 11 Các nhà nghiên cứu thiên văn cho biết người ngoài hành tinh có thể liên lạc với trái đất bằng cách nháy đèn Laser như một ngọn hải đăng vũ trụ Các chuyên gia về Laser tại Đại học công nghệ Vienna, Áo, phát triển một thiết bị nhận tín hiệu Laser

mờ và xuất hiện đều đặn ở khoảng cách xa, với hi vọng xác định sự sống ngoài Trái Đất Thiết bị này rất nhạy và có thể phát hiện ánh sáng yếu trên 1/tỷ giây 11

Vì tín hiệu truyền đi là khoảng cách rất lớn, nên Laser là loại ánh sáng hiệu quả nhất được các chuyên gia sử dụng, nghiên cứu trên tạp chí Astrobiology cho hay:

“Chúng tôi tin người ngoài hành tinh sử dụng cách đơn giản để thu hút sự chú ý của con người, trong đó có cách sử dụng những xung ánh sáng định kỳ” 12 Giáo sư Walter Leeb, trưởng nhóm nghiên cứu nói: nhóm nghiên cứu thực hiện thử nghiệm bằng cách mô phỏng ánh sáng Laser ngoài hành tinh phát đi 10.000 nhịp ánh sáng cận hồng ngoại ở khoảng cách 500 năm ánh sáng 12 Theo các chuyên gia, mặc dù tia Laser được gởi đi với mức năng lượng cao, nhưng

nó vẫn trở nên mờ nhạt khi đến nơi, bởi nó đã trải qua một đoạn đường dài Từng

có nhiều nhà thiên văn học nỗ lực tìm kiếm sự sống trong vũ trụ, nhưng họ đều không thu được kết quả tốt Giáo sư Leeb cho biết thêm rằng dự án hiện vẫn chưa hoàn thiện, song công nghệ này sẽ cung cấp nhiều bằng chứng cho thấy con người không cô độc trong vũ trụ 12 2.6 Laser diệt tên lửa vũ khí tối tân của tương lai 13

LASER KHÍ He-Ne VÀ VŨ KHÍ THẾ HỆ MỚI

I Lí do chọn đề tài

Thế kỉ XXI là thế kỉ của những công nghệ cao, công nghệ kĩ thuật số, nhu cầu sinh hoạt của con người cũng ngày một cao hơn vì thế mà đã có nhiều công nghệ mới, phát minh mới dần ra đời để có thể đáp ứng sự đòi hỏi của con người Tuy nhiên, con người vẫn không dừng lại ở đó, không những quan tâm tới khả năng đáp ứng nhu cầu công việc của các loại máy móc mà còn đánh giá sự gọn nhẹ của chúng Muốn thế phải có những công nghệ tiên tiến mới đáp ứng được

Laser, có thể rất gần gũi với tất cả mọi người Và hầu hết chúng ta đều nghe nhắc tới cụm từ này một vài lần trong cuộc sống Đây là một phát minh vĩ đại của thế kỉ XX đã và đang chứng tỏ vai trò của mình trong sự phát triển của khoa học kĩ

thuật cũng như trong các ứng dụng ở nhiều nghành khác nhau của nền kinh tế quốc gia

Ngày nay, Laser hiện diện ở nhiều nơi, nhưng những thông tin về nó thì vẫn còn rất hạn chế Nó phát triển rất mạnh mẽ và đã xâm nhập rất nhiều vào cuộc sống Không chỉ có vậy mà Laser hiện nay đã và đang trở thành một loại vũ khí thế

hệ mới, có sức mạnh lớn gấp nhiều lần so với các loại vũ khí thông thường, có thể nói nó chiếm một phần khá quan trong trong tất cả các nghành, đặc biệt là quân sự Tuy nhiên, trên thị trường có rất nhiều loại Laser khác nhau, phong phú và rất đa dạng, mỗi loại có mỗi đặc tính và công dụng riêng Cũng chính vì vậy mà đã có rất nhiều câu hỏi được đặt ra: Laser là gì? Laser xuất hiện như thế nào? Laser có những tính chất và ứng dụng gì trong cuộc sống? Có bao nhiêu loại Laser như thế? Laser nào được sử dụng phổ biến nhất? Và tại sao nó lại được gọi là vũ khí thế hệ mới của nhân loại? vv Với mong muốn trả lời những câu hỏi đó, tôi đã chọn đề

tài “ Laser khí He-Ne và vũ khí thế hệ mới” để tìm hiểu và nghiên cứu trong bài

tiểu luận này Trong quá trình làm bài tiểu luận, không tránh khỏi những thiếu sót Với thời gian và năng lực bản thân còn hạn chế nên trong bài tiểu luận hôm nay thì tôi vẫn chưa có thể trình bày một cách đầy đủ về Laser Tôi xin chân thành chờ đón

sự đóng góp ý kiến của quý thầy cô để bài làm được sửa chữa kịp thời và bổ sung thích hợp để bài tiểu luận được hoàn chỉnh hơn Tôi xin chân thành cảm ơn

II Mục đích nghiên cứu

Khái quát sơ lược về Laser khí và đi sâu tìm hiểu Laser He-Ne về: cấu tạo, tính chất và cơ chế hoạt động…vv

Đưa ra một số thông tin và hình ảnh về những phát hiện mới nhất của Laser

để cho thấy được Laser là một loại vũ khí hiện đại nhất

Từ đó nêu ra một số hạn chế của việc sử dụng Laser và những sai lầm khi nói về Laser

III Đối tượng nghiên cứu

Tập trung nghiên cứu về: Laser khí, Laser He-Ne, những vũ khí thế hệ mới

và một số hạn chế

IV Nội dung nghiên cứu

Đề tài nghiên cứu đến những kiến thức cơ bản của Laser ở các phương diện:

sơ lược về Laser khí, Laser He-Ne, vũ khí thế hệ mới, một số hạn chế của Laser

V Phương pháp nghiên cứu

Tổng hợp và phân tích

So sánh và khái quát

Hướng dẫn của giáo viên

Thu thập tài liệu từ sách giáo trình, internet…vv

B NỘI DUNG

I CƠ SỞ LÍ THUYẾT

1 Sơ lược về Laser khí

Laser khí là loại ánh sáng Laser sinh ra với tác nhân là ion, phân tử chất khí

và các điện tử

Tác nhân của Laser khí thường ở dạng plasma: chuẩn trung hòa, mật độ hạt mang điện lớn

1.1 Cấu tạo cơ bản

- 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 bơm: 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 ở 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

1.2 Đặc điểm và tính chất chung của Laser khí

- Là loại Laser có môi trường hoạt tính nằm trong pha khí

- Laser phát chủ yếu trong chế độ liên tục có nhiều ứng dụng kỹ thuật

- Có thể thực hiện kích thích bằng hai quá trình là bơm điện và bơm quang học

- Hầu hết nguyên tố ở trạng thái khí đều có thể phát Laser

- Rất nhiều nguyên tử, phân tử có thể phát Laser

- Ưu điểm so với Laser khác : dễ chế tạo, cấu trúc phổ năng lượng của khí phân

tử hay nguyên tử đã được nghiên cứu kỹ

- Vùng bước sóng khá rộng từ tử ngoại đến hồng ngoại, có thể đạt công suất lớn

1.3 Phân loại Laser khí

Tùy theo môi trường hoạt tính của laser khí, đến nay ta có thể phân Laser khí thành 5 loại sau:

- Laser khí đơn nguyên tử với môi trường hoạt tính là các khí hiếm: NeI, ArI, OI,NI, He – Ne,…

Buồng cộng hưởng hưởng

Tia Laser Gương phản xạ

Toàn phần Nguồn bơm Gương bán phản xạ

- Laser khí ion có môi trường hoạt tính là các khi như: ArII, ArIII, KrIII,OIII, OIV, HgII,

- Laser khí phân tử có môi trường hoạt tính là các chất khí hoạt động ở áp suất thường như: N2, H2O, CO, CO2,…

- Laser hơi kim loại là Laser khí làm việc ở pha khí sau khi kim loại bị bốt hơi

- Laser excimer

1.4 Quá trình kích thích trong Laser khí

1.4.1 Kích thích trực tiếp

Khi có một chùm điện tử được gia tốc va chạm với hai nguyên tử khí trong buồng cộng hưởng, thì nhờ quá trình va chạm loại 1 năng lượng chuyển động của điện tử sẽ truyền cho hệ nguyên tử để đưa chúng lên trạng thái kích thích Đại lượng tiết diện hiệu dụng có thứ nguyên diện tích và giữ nguyên vai trò như xác xuất dịch chuyển Lý thuyết đã chứng minh rằng trong gần đúng bậc nhất, giá trị của tiết diện hiệu dụng tỷ lệ với bình phương yếu tố ma trận của momen lưỡng cực điện, do đó các nguyên lý chọn lọc trong gần đúng lưỡng cực điện sẽ là chung cho

cả quá trình dịch chuyển quang lẫn dịch chuyển do va chạm Tuy nhiên, do tiết diện hiệu dụng không thuần túy tỷ lệ thuận với cường độ bức xạ rút ra từ dịch chuyển lưỡng cực điện, nên bằng với va chạm điện tử, các hệ nguyên tử có thể trực tiếp

chuyển sang các mức “không liên kết quang” với các mức ban đầu.

Đối với sự va chạm giữa điện tử và các phân tử thì sự kích thích trực tiếp ít nhiều có sự khác biệt và phức tạp hơn Phép lý thuyết đã chứng tỏ rằng, tiết diện hiệu dụng va chạm trực tiếp giữa điện tử và phân tử là nhỏ trong quá trình làm thay đổi mức năng lượng dao động và quay của phân tử Chính vì thế để có được sự nghịch đảo độ tích lũy giữa các mức dao động của phân tử, người ta phải dùng va chạm điện tử để chuyển phân tử ở trạng thái điện tử cơ bản sang trạng thái kích thích, rồi sau đó nhờ sự biến đổi năng lượng xảy ra theo nguyên lý Franck-Condon

mà tạo nên sự nghịch đảo độ tích lũy

1.4.2 Sự truyền cộng hưởng năng lượng kích thích

Là quá trình được sử dụng phổ biến đối với nhiều Laser khí mà hoạt chất bao gồm ít nhất hai loại khí

Nếu hệ nguyên tử A nhờ va chạm điện tử chuyển sang trạng thái kích thích

A*, thì va chạm với hệ nguyên tử B nó sẽ truyền năng lượng kích thích để đưa hệ nguyên tử B từ trạng thái cơ bản sang trạng thái kích thích B*

Khi DE=0, xác suất truyền năng lượng lớn nhất Đó là sự truyền cộng hưởng năng lượng kích thích

Đối với hỗn hợp khí phân tử hoặc nguyên tử và phân tử quá truyền năng lượng kích thích có thể phức tạp hơn

1.4.3 Các quá trình kích thích khác

Ngoài hai dạng kích thích cơ bản trên, còn có nhiều dạng kích thích xảy ra:

- Nhờ va chạm điện tử dẫn đến quá trình ion hóa Penning và ion hóa truyền điên tích

- Nhờ bức xạ tự phát từ các hệ nguyên tử được kích thích

- Nhờ hiện tượng hấp thụ hay bức xạ cưỡng bức

- Nhờ va chạm với thành bình

- Nhờ hiện tượng phân ly, tái hợp và quá trình tạo các phản ứng học

2 LASER He – Ne

2.1 Lịch sử

Laser He – Ne là Laser khí được phát minh đầu tiên vào cuối năm 1960 Là một trong những loại Laser khí được ứng dụng rộng rãi nhất hiện nay trong nhiều lĩnh vực như y học, quân sự, công nghiệp,… và được sản xuất với qui mô công nghiệp

2.2 Đặc điểm laser He – Ne

- Là loại Laser khí nguyên tử có môi trường hoạt tính là khí He – Ne

- Sự phát Laser xảy ra trên các mức năng lượng của Ne, còn He thêm vào là tác nhân truyền kích thích cộng hưởng trong quá trình bơm

- So với Laser rắn thì độ rộng các mức năng lượng của Laser khí là khá nhỏ nên

ta phải dùng bơm điện thay vì bơm quang học như Laser rắn Vì vậy, có thể kích thích Laser khí hoạt động ở dòng phóng điện thấp

- Vùng bước sóng khá rộng từ tử ngoại đến hồng ngoại, bước sóng 632,8 mm

- Là một loại Laser công suất thấp được sử dụng phổ biến nhất, công suất phát từ 20-30mW

- Phát tia Laser có màu đỏ

2.3 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động laser He – Ne

2.3.1 Cấu tạo

Laser He – Ne cấu tạo gồm các bộ phân chủ yếu sau:

- Buồng cộng hưởng chứa khí He – Ne

- Một gương phản xạ toàn phần

- Một gương bán phản xạ

- Nguồn điện

2.3.2 Sơ đồ các mức năng lượng

2.3.3 Cơ chế hoạt động

Hoạt động trên cơ sở sự truyền năng lượng kích thích cộng hưởng giữa nguyên tử He và Ne Bằng va chạm điện, các nguyên tử He ở trạng cơ bản 11S được chuyển lên trạng thái siêu bền 21S và 23S Do hai trạng thái này nằm rất gần các mức kích thích 3s và 2s của nguyên tử Ne, nên nhờ va chạm không đàn hồi loại

1 có sự truyền cộng hưởng năng lượng kích thích từ He sang Ne và tạo được sự nghịch đảo độ tích lũy giữa các mức 3s, 2s với các mức 3p, 2p trong Ne

Sơ đồ lý thuyết:

Sơ đồ thực tế:

Với Laser He-Ne, ta tập trung chú ý mấy tham số tối ưu sau:

+ Đường kính ống phóng

+ Mật độ dòng phóng điện

+ Áp suất riêng phần của Ne tỷ số áp suất PHe/PNe

Tất cả ba tham số trên đều có liên quan với nhau nên chúng phải thõa mãn đồng thời thì mới đạt được công suất phát tối ưu

2.3.4 Ứng dụng

Định hướng và xác định vị trí

Đọc mã vạch

Ghi đĩa CD

Y học

Trình diễn

II VŨ KHÍ THẾ HỆ MỚI

2.1 Làm sao để biến Laser thành vũ khí?

Cơ bản mà nói Laser chính là chùm ánh sáng, ánh sáng chính là sự chuyển động của năng lượng Laser sản sinh ra năng lượng với cường độ cao chính vì vậy nó có thể trở thành vũ khí

Laser nghĩa là khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ kích thích, nói cách khác là kích thích các hạt proton Để làm điều đó cần có:

+ Môi trường hoạt chất (chất rắn, lỏng, khí): một chất đặc biệt có khả năng khuyếch đại ánh sáng bằng phát xạ cưỡng bức để tạo ra Laser

+ Nguồn năng lượng : tác động lên nguyên tử trong môi trường hoạt chất để đạt trạng thái kích thích

+ Gương phản xạ : một gương toàn phần và bán phần, phản xạ lại làm cho các hạt photon va chạm liên tục vào hoạt chất Laser nhiều lần tạo mật độ photon lớn

+ Thấu kính : giúp tập trung các chùm tia Laser

Bước cuối cùng là chứa và phát năng lượng Một nguồn năng lượng được truyền vào môi trường hoạt chất, kích thích các electron, đẩy mức năng lượng lên cao Khi đó nó phát ra photon, các hạt photon này sẽ toả ra nhiều hướng khác nhau,

va phải các nguyên tử khác, kích thích eletron ở các nguyên tử này, 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

2.2 Siêu Laser

Công nghệ Free Electron Laser được phát minh vào năm 1976 bởi giáo sư vật

lý John Madey ở ĐH Standford Loại Laser này có các thuộc tính quang học giống những chùm tia Laser thông thường nhưng khác về nguyên lý phát ra Free Electron Laser không được phát ra nhờ quá trình kích thích để tăng mức năng lượng của các electron như thông thường mà nhờ một chùm tia điện tử đi qua một cấu trúc từ tính Do đó, tránh được hiện tượng sinh nhiệt và sức hủy diệt của tia Laser tăng mạnh FEL đang được nghiên cứu ứng dụng trong một số lĩnh vực, trong đó có quân sự

2.3 Laser: Làm thay đổi diện mạo chiến tranh trong tương lai

Sử dụng các loại vũ khí cực chính xác dựa trên sức mạnh sắc bén của các tia sáng năng lượng cao với tốc độ ánh sáng, vũ khí Laser được đánh giá sẽ góp phần thay đổi hình thức tác chiến trong chiến tranh tương lai, bởi hiện vẫn chưa có phương pháp hữu hiệu nào chống lại loại vũ khí này

Phát hiện mới nhất, bằng thiết bị phóng Laser trong một thử nghiệm của Mỹ vào giữa năm ngoái tại căn cứ hải quân Mỹ trên đảo San Nicolas, cách Los Angeles, bang California khoảng 120km về phía Tây, 4 máy bay không người lái

trên Thái Bình Dương đã biến thành “tro bụi”

Trong những thử nghiệm vũ khí Laser trước đây, quân đội Mỹ chỉ bắn các mục tiêu bất động hoặc di chuyển chậm trên mặt đất Nhưng với thử nghiệm mới nhất, hải quân Mỹ chứng minh vũ khí Laser có thể tiêu diệt mục tiêu di động từ một khoảng cách lớn

2.4 Công nghệ Laser phát triển nhất thế giới

Bắt đầu chú ý tới vũ khí Laser từ rất sớm - cuối những năm chiến tranh Lạnh, song phải từ năm 2000, Mỹ mới thực sự chú trọng phát triển loại vũ khí này

và đã đạt được nhiều thành công đáng kể Mỹ hiện đang tiến hành thử nghiệm ứng dụng vũ khí Laser này trên tất cả các quân binh chủng hải, lục, không quân và trên tất cả các phương tiện tiến công hiện đại

Mỹ đã đầu tư “không tiếc tiền” để nghiên cứu Nổi tiếng nhất và tốn kém

nhất là chương trình Airborne Laser Test của Mỹ, đã tiêu tốn hết 5 tỉ USD của Ngũ Giác Đài trong 15 năm Đây là nỗ lực để gài một cỗ súng Laser khổng lồ vào chiếc máy bay Boeing 747 nhằm bắn hạ các tên lửa đạn đạo Trong một chương trình khác, Mỹ cũng đã sử dụng tia Laser để chế tạo cảm biến tinh vi chuyên phát hiện

và theo dõi các loại máy bay Dữ liệu từ cảm biến sẽ được đưa vào bộ xử lý của hệ thống bắn Laser Sau đó, hệ thống sẽ phóng đồng loạt 6 tia Laser tới các mục tiêu Khác với tên lửa và đạn, tia Laser không gây ra tiếng nổ khi chạm vào máy bay Thay vào đó, tia Laser truyền năng lượng cực lớn vào mục tiêu và biến nó thành khối lửa

Quốc phòng DARPA thuộc Bộ Quốc phòng Mỹ cũng đang hoàn thiện hệ thống vũ khí Laser mang tên HELLADS trang bị cho máy bay tiêm kích và dự kiến

sẽ đưa vào ứng dụng cuối năm nay Ngoài ra, HELLADS cũng có thể được trang bị cho máy bay không người lái Với công suất 150 Kw, tia Laser do vũ khí này bắn

ra đủ sức tiêu diệt máy bay có điều khiển và máy bay không người lái Trong tương lai, HELLADS còn có thể tiêu diệt các mục tiêu mặt đất, gồm cả bộ binh từ khoảng cách hàng chục kilomet