tia laser và ứng dụng

tia laser và ứng dụng

Giáo viên: Nguyễn Minh Thủy Sinh viên: Trần Thị Liên 1 MỤC LỤC I. Mở đầu II. Lịch sử ra đời III. Lý thuyết laser 1. Ánh sáng laser và đặc điểm của nó 2. Hấp thụ ,bức xạ tự phát xạ và bức xạ cảm ứng 3. Trạng thái phân bố nghịch đảo –bơm quang học 4. Phân loại 5. Cấu tạy máy laser 6. Chế độ hoạt động IV. Ứng dụng 1. Ngành vi điện tử 2. Y học 3. Xây dựng phân và đo lường 4. Trắc địa và đồ bản 5. Lưu trữ thông tin 6. Liên lạc,viễn thông V. Mở rộng 1. An toàn 2. Sai lầm 2 I. MỞ ĐẦU Vào thời điểm được phát minh năm 1960, laser được gọi là "giải pháp để tìm kiếm các ứng dụng". Từ đó, chúng trở nên phổ biến, tìm thấy hàng ngàn tiện ích trong các ứng dụng khác nhau trên mọi lĩnh vực của xã hội hiện đại, như phẫu thuật mắt, hướng dẫn phương tiện trong tàu không gian, trong các phản ứng hợp nhất hạt nhân Laser được cho là một trong những phát minh ảnh hưởng nhất trong thế kỉ 20. Ích lợi của laser đối với các ứng dụng trong khoa học, công nghiệp, kinh doanh nằm ở tính đồng pha, đồng màu cao, khả năng đạt được cường độ sáng cực kì cao, hay sự hợp nhất của các yếu tố trên. Ví dụ, sự đồng pha của tia laser cho phép nó hội tụ tại một điểm có kích thước nhỏ nhất cho phép bởi giới hạn nhiễu xạ, chỉ rộng vài nanômét đối với laser dùng ánh sáng. Tính chất này cho phép laser có thể lưu trữ vài gigabyte thông tin trên các rãnh của DVD. Cũng là điều kiện cho phép laser với công suất nhỏ vẫn có thể tập trung cường độ sáng cao và dùng để cắt, đốt và có thể làm bốc hơi vật liệu trong kỹ thuật cắt bằng laser. Ví dụ, một laser Nd:YAG, sau quá trình nhân đôi tần số, phóng ra tia sáng xanh tại bước sóng 523 nm với công suất 10 W có khả năng, trên lý thuyết, đạt đến cường độ sáng hàng triệu W trên một cm vuông. Trong thực tế, thì sự tập trung hoàn toàn của tia laser trong giới hạn nhiễu xạ là rất khó. Xem thêm ứng dụng của laser để thêm chi tiết. II. LỊCH SỬ RA ĐỜI Laser được phỏng theo maser, một thiết bị có cơ chế tương tự nhưng tạo ra tia vi sóng hơn là các bức xạ ánh sáng. Maser đầu tiên được tạo ra bởi Charles H. Townes và sinh viên tốt nghiệp J.P. Gordon và H.J. Zeiger vào năm 1953. Maser đầu tiên đó không tạo ra tia sóng một cách liên tục. Nikolay Gennadiyevich Basov và Aleksandr Mikhailovich Prokhorov của Liên bang Xô viết đã làm việc độc lập trên lĩnh vực lượng tử dao động và tạo ra hệ thống phóng tia liên tục bằng cách dùng nhiều hơn 2 mức năng lượng. Hệ thống đó có thể phóng ra tia liên tục mà không cho các hạt xuống mức năng lượng bình thường, vì thế vẫn giữ tần suất. Năm 1964, Charles Townes, Nikolai Basov và Aleksandr Prokhorov cùng nhận giải thưởng Nobel vật lý về nền tảng cho lĩnh vực điện tử lượng tử, dẫn đến việc tạo ra máy dao động và phóng đại dựa trên thuyết maser-laser. Laser hồng ngọc, một laser chất rắn, được tạo ra lần đầu tiên vào năm 1960, bởi nhà vật lý Theodore Maiman tại phòng thí nghiệm Hughes Laboratory ở 3 Malibu, California. Hồng ngọc là ôxít nhôm pha lẫncrôm. Crôm hấp thụ tia sáng màu xanh lá cây và xanh lục, để lại duy nhất tia sáng màu hồng phát ra. Robert N. Hall phát triển laser bán dẫn đầu tiên, hay laser diod, năm 1962. Thiết bị của Hall xây dựng trên hệ thống vật liệu gali-aseni và tạo ra tia có bước sóng 850 nanômét, gần vùng quang phổ tia hồng ngoại. Laser bán dẫn đầu tiên với tia phát ra có thể thấy được được trưng bày đầu tiên cùng năm đó. Năm 1970, Zhores Ivanovich Alferov của Liên Xô và Hayashi và Panish của Phòng thí nghiệm Bell đã độc lập phát triển laser diode hoạt động liên tục ở nhiệt độ trong phòng, sử dụng cấu trúc đa kết nối. III. LÝ THUYẾT LASER 1. Ánh sáng laser và các đặc điểm của nó • Ánh sáng laser: Năm 1960 Laser ( Light Amplification by Simulated Emission of Radiation-khuếch đại ánh sáng bởi bức xạ cảm ứng) ra đời đã mở đường vào lĩnh vực tương tác giữa các photon với các khối vật chất – thường gọi là photonics.Nhờ những tính chất đặc biệt mà tia laser có những ứng dụng đặc biệt quan trọng. • Các đặc điểm của tia laser: Độ định hướng cao: tia laser phát ra hầu như là chùm song song do đó khả năng chiếu xa hàng nghìn km mà không bị phân tán. Tính đơn sắc rất cao: chùm sáng chỉ có một màu (hay một bước sóng) duy nhất. Do vậy chùm laser không bị tán xạ khi đi qua mặt phân cách của hai môi trường có chiết suất khác nhau. Đây là tính chất đặc biệt nhất mà không nguồn sáng nào có. Tính đồng bộ của các photon trong chùm tia laser: Có khả năng phát xung cực ngắn: cỡ mili giây (ms), nano giây, pico giây, cho phép tập trung năng lượng tia laser cực lớn trong thời gian cực ngắn. 4 2. Hấp thụ, bức xạ, tự phát xạ và bức xạ cảm ứng Xét một nguyên tử có thể tồn tại chỉ một trong hai trạng thái với năng lượng tương ứng là E 1 và E 2 (E 1 < E 2 ) Lúc đâu hệ tồn tại ở mức thấp nhất E 1 .ta có thể kích thích hệ bằng cách chiếu vào một phổ liên tục .Photon có năng lượng E 2 tới tương tác với nguyên tử đó.Photon sẽ biến mất sau khi nhường năng lượng của nó cho nguyên tử để nguyên tử chuyển lên trạng thái có năng lượng cao hơn E 2 .Quá trình này gọi là sự hấp thụ photon của nguyên tử hf hf hf (a) (b) (c) Sơ đồ hệ gồm hai mức năng lượng, trước và sau quá trình (a):hấp thụ (b):bức xạ tự phát xạ (c):bức xạ cảm ứng Mức năng lượng cao hơn mà hệ vừa chuyển lên gọi là mức năng lượng kích thích.Mức này không bền vững chỉ tồn tại trong s là hệ chuyển về mức năng lượng thấp hơn cuối cùng chuyển về mức cơ bản- mức bền vững nhất-mức có năng lượng cực tiểu.Khi chuyển từ mức năng lượng cao về mức năng lượng thấp sẽ phát ra photon có năng lượng đúng bằng hiệu năng lượng hai mức này.Quá trình trên gọi là bức xạ tự phát Theo vật lý nguyên tử ,nguyên tử tương tác với sóng điện từ,sự chuyển mức: +Cao về thấp:bức xạ tự phát +Thấp đến cao:hấp thụ Einstein năm 1916 chỉ ra rằng với hai dạng trên không giải thích được sự tồn tại trạng thái cân băng giữa sự chiếu xạ và vật bị chiếu xạ=>phải tồn tại một loại bức xạ khác đó chính là bức xạ cảm ứng 5 hf hf Bức xạ cảm ứng chính là khi nguyên tử ở trạng thái kích thích cao hơn trở về trạng thái thấp hơn nhưng không phải do bức xạ tự phát mà do tác dụng của điện từ trường có tần số thích hợp (xác xuất chuyển mức do bức xạ cảm ứng bằng xác xuất do hấp thụ).Có nghĩa là xác xuất chuyển lên và xuống do chiếu xạ là bằng nhau. Trong trường hợp phát xạ cảm ứng ,tia tới bức xạ cảm ứng có hướng truyền,tần số,pha và phân cực hoàn toàn như nhau.Như vậy hai tia này hoàn toàn đồng bộ 3. Trạng thái phân bố nghịch đảo –Bơm quang học Năm 1939 nhà vật lý người Liên xô chỉ ra rằng có thể nhận được một môi trường mà trong đó cường độ ánh sáng sẽ được tăng cường nhờ vào bức xạ cảm ứng Bức xạ cảm ứng chính là khi chiếu xạ bên ngoài tác động lên hệ ,gây ra sự chuyển mức của hạt không chỉ từ mức thấp tới mức cao mà còn từ mức cao xuống mức thấp Xét một hệ đơn giản gồm 2 mức mỗi mức có năng lượng tuân theo phân bố Boltzmam ,i=1,2 (1) (2) Trong đó= 1,38 J/K = 8.617. eV/K (1)(2)=> năng lượng lớn hơn sẽ có số hạt ít hơn E 2 > E 1 thì n 1 >n 2 E 2 E 2 E 1 E 1 (a) T>0 (b) T<0 6 Muốn cho bức xạ cảm ứng trội hơn, ta phải phá vỡ sự cân bằng –phá vỡ phân bố Boltzmam ,sao cho số hạt ở mức trên nhiều hơn số hạt mực dưới , lúc đó ta nói các nguyên tử có sự phân bố nghịch đảo Trong trường hợp phân bố nghịch đảo ta có : E 1 (T) < E 2 (T) Nếu dùng biểu thức phân bố Boltzmam (1) suy ra lúc này ứng với nhiệt độ T âm .Vì vậy , trạng thái phân bố đảo còn được gọi là trạng thái nhiệt độ tuyệ đối âm Ta đã biết , khi ánh sáng đi qua một môi trường thông thường ,chùm sáng sẽ bị hấp thụ một phần , cường độ của nó bị yếu dần và phụ thuộc vào quãng đường mà nó đi được trong môi trường theo dạng hàm sau: (3) Với I 0 là cường độ sáng tại x=0 khi bắt đầu đi vào môi trường và k là hệ số hấp thụ của môi trường đó l I o I x dx cường độ sáng giảm khi đi qua môi trường hấp thụ Trong trường hợp môi trường có bức xạ cảm ứng thì ngược lại:ánh sáng đi qua môi trường phát sinh ra photon mới giống hệt photon trong chùm sáng tới,kết quả là chúng sẽ phát sáng mạnh lên. Từ biểu thức (3) nếu ánh sáng đi qua ,môi trường mà được tăng cường thì hệ số hấp thụ k có giá trị âm.Ta có sự phụ thuộc của cường độ ánh sáng vào quãng đường đi môi trường có bức xạ cảm ứng như sau: (4) α>0 gọi là hệ số khuếch đại môi trường Về thực nghiệm 2 nhà vật lí Liên xô và Mỹ đã tạo ra máy phát phân tử,có dải bước sóng cỡ cm gọi là maser(Microwave Amplification by Stimulated ò Radiation) .Năm 1960 T.Mayman (Mỹ) tạo ra dụng cụ với nguyên tắc tương 7 tự nhưng làm việc ở vùng sogns quang học,được gọi là Laser((Light Amplification by Simulated Emission of Radiation) 4. Phân loại laser  . Laser rắn rubi Vật liệu đầu tiên có được trạng thái phân bố đảo như vậy được phát hiện là tinh thể rubi (hồng ngọc) có pha crom. Laser đầu tiên được làm từ một hình trụ bằng tinh thể rubi,đường kính 1cm,dài 5cm.Hai đầu của hình trụ được mài rất cẩn thận sao cho tạo thành hai gương hoàn toàn song song với nhau.Một đầu được tráng bạc không cho ánh sáng đi qua,đầu kia tráng bạc cho 8% ánh sáng đi qua,như hình 6.4a. Về thành phần,rubi là tinh thể điện môi oxit nhôm Al 2 O 3 ,trong đó ở một vài chỗ,nguyên tử Al được thay thế bằng nguyên tử Crom Cr(ở dạng Cr +3 ),khoảng 0,05% tức là khoảng 1,6.10 9 ion Cr +3 trong 1cm 3 .Sơ đồ mức năng lượng của các ion crom trong tinh thể rubi như trong hình,trong đó E 3 và E 4 là các trạng thái được kích lên từ mức E 1 nhờ bơm quang học. Khi chiếu ánh sáng trắng vào rubi,ion Cr từ trạng thái cơ bản E 1 chuyển sang trạng thái kích thích E 3 và E 4 .Những chuyển mức,từ mức E 1 chuyển sang 8 mức E 3 và E 4 có năng lượng ứng với ánh sáng xanh lá cây và xanh da trời.Vì vậy,khi rọi ánh sáng trắng vào rubi,các dải màu này bị hấp thụ mạnh,cho nên chỉ còn lại màu hồng tới mắt ta,do vậy ta thấy rubi có màu hồng. E 4 E 3 E 2 bơm bức xạ cảm E 1 ứng Sơ đồ các mức năng lượng-cơ sở hoạt động của laser rubi. Trong laser rubi,người ta dùng đèn xenon cấp những xung ánh sáng để bơm kích thích các ion Cr +3 lên các mức E 3 và E 4 (xem hình ).Các mức E 3 và E 4 không bền,sự chuyển dời từ đó về các mức thấp hơn được tiến hành theotheo hai bước: Bước 1:chuyển về trạng thais trung gian E 2 không kèm theo bức xạ.Các ion ở mức E 3 ,E 4 truyền một phần năng lượng của mình cho dao động mạng (photon) và chuyển vào trạng thái trung gian là mức E 2 .Điều đặc biệt ở đây là trạng thái trung gian E 2 là trạng thái giả bền,có thời gian sống trung bình cỡ 10 -2 s,lớn chừng 10 5 lần thời gian sống ở trạng thái kích thích thông thường,cho nên mật độ hạt ở mức này có thể đạt được rất lớn,lớn hơn hẳn mức E 1 ,để ta có phân bố nghịch đảo là điều kiện cần cho bức xạ cảm ứng. Bước 2:chuyển từ E 2 về trạng thái ban đầu E 1 tuân theo qui luật tự phát và phát ra phô tôn có bước sóng 694,3nm (màu đỏ) 9 Chú ý ở đây ta đang có điều kiện phân bố nghịch đảo cho hai mức E 1 E 2 khi có sự chuyển mức tự phát trạng thái trung gian E 2 về trạng thái ban đầu E 1 , một phô ton (bước sóng 694,3nm) được phát ra.Do sự phân bố nghịch đảo ,photon này có thể gây ra bức xạ cảm ứng làm xuất hiện thêm photon mới giống hệt photon ban đầu .Photon mới này tạo ra bức xạ cảm ứng mới và quá trình này cứ tiếp diễn Kết quả là số photon được nhận thêm .Cần nhớ là mới có hướng truyền ,tần số,pha,và phân cực hoàn toàn với photon đã tạo ra chúng.Do vậy các photon có hướng trùng với trục của hình trụ rubi sẽ được phản xạ nhiều lần qua hai đầu hình trụ ,trên đường đi gặp các ion Cr +3 ,làm photon mới được nhận thêm ,nên chùm sáng theo hướng trục sẽ mạnh lên rất nhiều lần .Các photon theo hướng khác cuối cùng cũng sẽ đi ra khỏi tinh thể qua mặt bên của hình trụ Ngoài tác dụng nhân photon ,hệ thống thanh rubi với hai mặt gương còn có tác dụng cộng hưởng các sóng phản xạ trong nó.Để thu được cộng hưởng (như sóng dừng vừa hình thành trong môi trường hữu hạn ) thì độ dài l của hình trụ (gọi là hốc cộng hưởng ) phải bằng số nguyên lần nửa bước sóng của bức xạ (5) n là số dương nguyên:1,2, Nhờ hiện tượng cộng hưởng này mà tính đơn sắc của ánh sáng laser rất cao Laser rubi làm việc ở chế độ xung ,vài xung trong một phút.Bên trong tinh thể ,mooth nhiệt lượng tỏa ra,vì vậy phải luôn luôn làm lạnh nó bằng các chất lỏng Tia laser rubi mang tính chất đặc biệt:  Đơn sắc cao(bước sóng 694,3 nm,sai lệch 0,1 nm)  Tính đồng bộ cao về không gian và thời gian:cường độ rất lớn và kích thước chùm rất nhỏ  Laser khí Phần lớn các laser rắn làm việc theo chế độ xung thì các laser khí có khả năng làm việc liên tục.Laser khí gồm một ống chứa đầy nguyên tử hoặc phân tử khí,đặt trong một hốc cộng hượng quang học.năng lượng bơm được cung cấp bằng dòng điện cao thế ,sự phóng điện qua ống làm các nguyên tử bị nâng lên mức kích thích 10 [...]... và đủ khả năng tác chiến trong điều kiện mây và khói dày đặc 5 laser trong ngành vi điện tử Ánh sáng laser có thể được bắt và hội tụ tới mật độ cực cao vào một điểm rất nhỏ, cỡ vài micromet, do đó laser được ứng dụng trong vi điện tử học, tạo các vi mạch tinh xảo, hàn kết nối các kim loại nặng với cấu trúc rất nhỏ 6 Laser trong xây dựng và đo lường, xác định khoảng cách Nhờ có tính định hướng tốt và. .. thường miêu tả các vũ khí laser truyền đi vàimét trong một giây, trái với thực tế là tia laser di chuyển với vận tốc ánh sáng, nhanh đến mức không thể thấy sự di chuyển của tia laser Một vài cảnh phim miêu tả hệ thống an toàn sử dụng laser đỏ, có thể được vô hiệu hóa bởi các nhân vật bằng việc là sử dụng gương, khi người này nhìn thấy tia laser bằng cách rải các bụi trắng vào không khí Thực tế thì... khiển bức xạ,các laser phân tuer khí có thể tạo ra những xung nano giây nhọ mà năng lượng tập trung ,cho công suất lớn lên nghìn lần Ngoài laser rắn và laser khí kể trren còn một số loại laser khác như laser bán dẫn ,phổ biến như GaAs ,có nhiều tiện lợi vì kích thước rất nhỏ mà vẫn cho công suất cao; hay laser thủy tinh neeoodym công suất cao ,tạo được 16 tỉ oát và laser tia X có những ứng dụng đặc biệt,... quá trình bức xạ cảm ứng và sự chuyển dời giữa các mức 5S và 4S xuống 4P,3P cho ta những tia bức xạ cảm ứng laser. Các tia bức xạ có bước sóng là: o 1152,3 nm (ứng với chuyển mức 4S xuống 3P) trong vùng hồng ngoại o 3391,2nm( ứng với chuyển mức 5S xuống 4P) trong vùng hồng ngoại o 632,8nm (ứng với bức xạ 5S xuống 3P)trong vùng khả kiến Người ta chọn kích thước hộp cộng hưởng sao cho laser có bước sóng... không khí, tia laser có thể va chạm với bụi hay vật cản trên đường và bị tán xạ, tạo ra các tia lóe sáng; tương tự như ánh nắng mặt trời tỏa sáng trong môi trường bụi 34 Kĩ xảo này ứng dụng cho tia laser có thể nhìn thấy, như trong mục đích chụp ảnh, bằng cách tăng số lượng các hạt trong không khí, như là dùng bình xịt thơm Tia laser với cường độ cao có thể nhìn thấy trong không khí nhờ vào tán xạ... sử dụng máy MRI, các bác sĩ phẫu thuật đã cẩn thận điều chỉnh các đầu dò laser nhỏ và linh hoạt trong bộ não và hướng đến khối u 16 Đây là một phương pháp mới trong việc sử dụng công nghệ laser, ông Richard Ellenbogen, Giám đốc phẫu thuật thần kinh cho biết Trước đó Ellenbogen đã sử dụng laser để điều trị các khối u ở trẻ em Ông nói: "Ưu điểm của công nghệ này là bạn có thể bẻ cong tia sáng và sử dụng. .. biệt, 5 Cấu tạo máy laser 12 Cấu tạo cơ bản và cơ chế hoạt động của laser 1) Buồng cộng hưởng (vùng bị kích thích) 2) Nguồn nuôi (năng lượng bơm vào vùng bị kích thích) 3) gương phản xạ toàn phần 4) gương bán mạ 5) tia laser  Nguyên lý cấu tạo chung của một máy laser gồm có: buồng cộng hưởng chứa hoạt chất laser, nguồn nuôi và hệ thống dẫn quang Trong đó buồng cộng hưởng với hoạt chất laser là bộ phận... Sử dụng cầu nối laser, các nhà khoa học đã có thể rút ngắn thời gian truyền tin từ các vệ tinh ở quỹ đạo thấp xuống mặt đất Đồng thời, đường truyền bằng laser cũng tỏ ra ổn định hơn rất nhiều 8 Laser trong nghiên cứu vũ trụ Laser giúp con người đi sâu hơn vào vũ trụ 8.1: Phóng tàu vũ trụ bằng tia laser Tàu con thoi truyền thống phải mang theo hàng tấn nhiên liệu và hai tên lửa đầy lớn è Ý tưởng sử dụng. .. tính cách mạng này Tia laser carbon dioxit: Tia laser xung 10 kW đang được sử dụng để thử nghiệm con tàu nhẹ này là một trong số những tia mạnh nhất thế giới Gương parabole: Phần đáy của tàu vũ trụ là một gương để hội tụ chùm laser vào khoang chứa không khí hay chất nổ đẩy trên tàu Vật truyền thứ hai, nằm trên mặt đất, là một gương giống như kính viễn vọng được dùng để hướng chùm tia laser lên con tàu... để tiếp cận các khu vực mà bình thường không thể" 1.3: Dùng laser để cai nghiện ma túy Qua nghiên cứu về khả năng ứng dụng của laser cũng như thuốc gây nghiện và cơ chế gây nghiện, Viện Nghiên cứu Ứng dụng công nghệ, Bộ Khoa học và Công nghệ nhận thấy điều trị hỗ trợ bệnh nhân cai nghiện bằng laser giúp tăng dòng máu ở các phần được chiếu laser kích thích sinh hồng cầu ở tủy sống, tăng độ thẩm thấu . suất cao; hay laser thủy tinh neeoodym công suất cao ,tạo được 16 tỉ oát và laser tia X có những ứng dụng đặc biệt, 5. Cấu tạo máy laser 12 Cấu tạo cơ bản và cơ chế hoạt động của laser. 1) Buồng. là photonics.Nhờ những tính chất đặc biệt mà tia laser có những ứng dụng đặc biệt quan trọng. • Các đặc điểm của tia laser: Độ định hướng cao: tia laser phát ra hầu như là chùm song song do đó. 1.3: Dùng laser để cai nghiện ma túy Qua nghiên cứu về khả năng ứng dụng của laser cũng như thuốc gây nghiện và cơ chế gây nghiện, Viện Nghiên cứu Ứng dụng công nghệ, Bộ Khoa học và Công nghệ