Phân tích một vài khả năng ứng dụng vào nghiên cứu khoa học dựa trên tính chất của chùm tia laser

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH  NGUYỄN HỮU TÀI PHÂN TÍCH MỘT VÀI KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG VÀO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC DỰA TRÊN TÍNH CHẤT CỦA CHÙM TIA LASER LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ VINH, 2013 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH  NGUYỄN HỮU TÀI PHÂN TÍCH MỘT VÀI KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG VÀO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC DỰA TRÊN TÍNH CHẤT CỦA CHÙM TIA LASER CHUYÊN NGÀNH: QUANG HỌC MÃ SỐ: 60.44.01.09 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN VĂN PHÚ Vinh, 2013 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH Người hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Văn Phú Phản biện 1: TS Nguyễn Huy Bằng Phản biện 2: PGS.TS Nguyễn Huy Công LỜI CẢM ƠN Tác giả xin trân trọng bày tỏ lòng kính trọng biết ơn chân thành sâu sắc tác giả đến với Tiến sĩ Nguyễn Văn Phú - thầy giáo hướng dẫn, thầy tận tình hướng dẫn, quan tâm, động viên giúp đỡ tác giả suốt thời gian hoàn thành luận văn Đối với tác giả, học tập nghiên cứu hướng dẫn thầy niềm vinh hạnh lớn Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới Ban chủ nhiệm khoa Sau đại học, khoa Vật lí, quý thầy giáo, cô giáo giảng dạy trình tác giả học tập Đồng thời, tác giả chân thành biết ơn đến TS Nguyễn Huy Bằng (phản biện 1) PGS.TS Nguyễn Huy Công (phản biện 2) tận tình góp ý, giúp đỡ tác giả thực luận văn Cuối cùng, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến với quan tâm, chăm sóc động viên gia đình, cảm ơn Ban giám hiệu trường THPT Mỹ Quí đồng nghiệp, bạn bè đồng hành tạo điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành khóa học Vinh, tháng năm 2013 Tác giả MỤC LỤC Trang Mở đầu Chương TỔNG QUAN VỀ LASER 1.1 Lịch sử hình thành phát triển laser 1.2 Cấu tạo nguyên tắc hoạt động máy phát laser 10 1.3 Một số tính chất đặc biệt chùm tia laser .16 Kết luận chương .24 Chương PHÂN TÍCH MỘT VÀI KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG VÀO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC DỰA TRÊN TÍNH CHẤT CỦA CHÙM TIA LASER 2.1 Dựa tính chất kết hợp không – thời gian 25 2.2 Dựa tính chất cường độ tính chất kết hợp .27 2.3 Dựa tính chất cường độ, định phương, không gian tính chất thời gian 34 2.4 Dựa vào tính chất thay đổi bước sóng 38 2.5 Dựa vào tính chất đơn sắc tính chất kết hợp 48 Kết luận chương 50 KẾT LUẬN CHUNG 51 Tài liệu tham khảo 53 MỞ ĐẦU Laser phát minh lớn kỷ XX Thuật ngữ LASER viết tắt từ từ tiếng Anh là: “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”, nghĩa “khuếch đại ánh sáng xạ cưỡng bức” Vật lí Laser mở rộng tầm nhìn người ánh sáng Ánh sáng thông thường xạ mặt trời, tập hợp xạ điện từ có bước sóng từ 0,2µm đến 40µm Ánh sáng mà nhìn thấy chiếm phần nhỏ (từ 0,35µm đến 0,79µm) toàn xạ điện từ xạ mặt trời Quá trình xạ mặt trời trình tự nhiên, nên xạ không kết hợp, không định hướng Khác với xạ mặt trời, xạ laser chùm ánh sáng kết hợp, có cường độ cực lớn, đơn sắc với độ phân kỳ nhỏ, thay đổi bước sóng vùng phổ định Với khả có chùm ánh sáng thế, laser tạo điều kiện để nghiên cứu hàng loạt tượng khác thường tự nhiên [1] Trong năm gần đây, việc nghiên cứu ứng dụng laser có bước phát triển to lớn Laser áp dụng nhiều ngành khoa học công nghệ, mà sử dụng nghiên cứu thuộc lĩnh vực sống, trực tiếp mang lại hạnh phúc cho cộng đồng Nhiều ý kiến cho “Thời đại Photonic” thay “Thời đại Electronic” tương lai không xa [2] Cách 50 năm, lần laser đời với tư cách nguồn sáng có nhiều tính chất kỳ diệu nhà kỹ thuật giàu trí tưởng tượng chưa mường tượng có ứng dụng để tận dụng hết đặc tính ưu việt ánh sáng mà laser phát Vậy, số tính chất ưu việt khả ứng dụng cụ thể chùm tia laser gì? Để làm rõ vấn đề nên tác giả chọn đề tài: “Phân tích vài khả ứng dụng vào nghiên cứu khoa học dựa tính chất chùm tia laser” Trong thực tế laser có nhiều ứng dụng khác nhau, lẽ ngày lại có thêm ứng dụng loại laser Khả ứng dụng laser đa dạng rộng lớn, khoảng thời gian ngắn trình bày hết ứng dụng Đối tượng phạm vi nghiên cứu đề tài vài khả ứng dụng cụ thể gần laser Qua luận văn giúp có nhìn sâu sắc số ứng dụng khoa học laser, góp phần hạn chế tác động xấu, đồng thời nâng cao khả ưu việt ánh sáng laser thông qua việc chế tạo, sửa chữa, cải tiến máy móc, thiết bị Bố cục luận văn phần: mở đầu, kết luận chung tài liệu tham khảo, luận văn gồm hai chương chính có nội dung sau: - Chương 1: Tổng quan Laser Trình bày lịch sử hình thành phát triển laser, cấu tạo nguyên tắc hoạt động máy phát laser, số tính chất đặc biệt chùm tia laser Chương sở lý thuyết tiền đề cho chương sau - Chương 2: Một số ứng dụng cụ thể Laser Chương chủ yếu trình bày vài khả ứng dụng gần laser vào nghiên cứu khoa học, dựa tính chất nó, không hàm ý an ninh hay kinh tế Cụ thể nghiên cứu Quang học phi tuyến, Holography, điều khiển phản ứng hóa học, vi kỹ thuật laser công nghệ sinh học, làm lạnh nguyên tử thông tin liên lạc Qua chương giúp có nhìn tổng quan khả ứng dụng laser Chương TỔNG QUAN VỀ LASER 1.1 Lịch sử hình thành phát triển laser Cơ sở lý thuyết định cho laser Anhxtanh đặt từ năm 1917, ông đưa ý tưởng xạ cưỡng tự phát Ông giả thiết rằng: có tương tác ánh sáng với nguyên tử với hấp thụ lượng tử ánh sáng xảy hai loại xạ khác nhau: xạ tự phát xạ cưỡng lượng tử ánh sáng gây lượng tử ánh sáng khác nguyên tử kích thích a) τ E2 hʋ Hấp thụ E2 – E1 = hʋ E1 τ b) E2 hʋ Phát xạ tự phát E1 c) hʋ E2 hʋ hʋ Phát xạ cưỡng E1 Hình 1.1.Quá trình tương tác [3] Hình vẽ thể trình tương tác xạ điện từ với vật chất nguyên tử giả định có hai trạng thái lượng cho phép Hấp thụ (a) xảy lượng lượng tử xạ hʋ hiệu lượng E1 E2 hai trạng thái Sau thời gian tồn trung bình τ hệ kích thích trở trạng thái (b), đồng thời xa tự phát photon hʋ Thông qua tương tác photon hʋ với nguyên tử kích thích, dẫn tới xạ kích thích hay cưỡng (c), có photon hʋ trao cho trường xạ, nguyên tử trở lại trạng thái Ngay từ năm 1928, R Ladenburg cộng tác viên Viện Hóa lý Điện hóa chứng minh xạ cưỡng Họ cho thấy có xạ cưỡng phóng điện dòng điện cao ống thủy tinh có chứa khí Neon Chỉ có điều cần nhiều thời gian người ta dùng xạ cưỡng để khuếch đại ánh sáng Vì có phụ thuộc vào tần số tỷ lệ xạ cưỡng xạ tự phát vừa nói nên lúc đầu người ta thành công miền sóng cao tần Đến năm 1954, maser amoniac giới chế tạo, maser phát xạ miền sóng vô tuyến cao tần Ngày 16/5/1960, phòng thí nghiệm Hughes Laboratory Malibu California, T H Maiman thành công việc chứng minh thực nghiệm cho nguyên lý laser lần ông chế tạo laser ruby bơm đèn chớp Laser ruby (hay laser hồng ngọc) laser chất rắn Hồng ngọc ôxít nhôm pha lẫn crôm Crôm hấp thụ tia sáng màu xanh xanh lục, để lại tia sáng màu hồng phát Laser phát xung ánh sáng kết hợp miền đỏ quang phổ khả kiến với bước sóng 694nm Tiếp sau laser rắn xung, năm 1961, có laser liên tục laser Heli - Neon, đồng thời máy loại laser laser khí (vì môi trường khuếch đại chất khí) nguyên tắc kích thích phóng điện Sau nhiều laser khí đời như: Laser khí ion Argon phát xạ ánh sáng xanh xanh lơ ; Laser khí Cacbonic phát ánh sáng liên tục miền hồng ngoại trung bình (nhiệt) với công 10 suất trung bình cao ; Laser Excimer nguồn ánh sáng mạnh, bền, phát xung laser miền ánh sáng tử ngoại có công suất trung bình cao Tất loại laser vừa nêu phát loạt bước sóng cố định Năm 1966, Sorokin Lankard biến đổi bước sóng laser laser màu từ đời Laser màu có môi trường hoạt tính chất lỏng mang màu (thật dung dịch thuốc nhuộm có màu) Trước đây, thường quan niệm laser phải hệ thiết bị cồng kềnh với loạt linh kiện quang học điều chỉnh bàn quang học đặc biệt chống rung chống dao động Nhưng từ năm 1960, nhờ kết hợp tài tình quang học điện tử nên người ta chế tạo laser bán dẫn hay laser điốt Như vậy, lại bắt đầu bước phát triển làm đảo lộn quan điểm nói Laser bán dẫn gọn nhẹ mà có độ tin cậy cao Nhưng từ với nhiệm vụ làm nguồn bơm cho laser rắn thông thường, laser bán dẫn thay cho đèn chớp laser khí phức tạp tốn (vì chúng dựa tượng phóng điện khó thực hiện) Với phương pháp ngày xác phức tạp hơn, hệ laser ngày thích nghi Từ năm 70 kỷ trước, laser bán rộng rãi thị trường trở thành công cụ dễ sử dụng phạm vi rộng lớn Từ năm 1980 đời loạt laser rắn, điển hình laser YAG (yttri-aluminium-granat) Để phủ kín miền phổ rộng hơn, phương pháp quan trọng để tạo ánh sáng đơn sắc, kết hợp không phân kỳ, ngày người ta chủ yếu dựa vật liệu chất rắn ngày 40 thuật tế bào [3] Kỹ thuật Flow cytometry: kỹ thuật đếm phân loại tế bào, kỹ thuật cho phép phân lọai tế bào (tế bào riêng rẽ) khác dựa đặc điểm khác chúng, việc xác định dựa sở cách chúng di chuyển dòng dung dịch Thiết bị sử dụng kỹ thuật cho phép thu thập thông tin tế bào thông qua dạng tế bào, phát xạ huỳnh quang, cho phép xếp tế bào dựa sở đặc tính vật lý, hóa học đặc tính kháng nguyên Thiết bị Flow cytometer, gọi Fluorescence Activated Cell Sorter (FACS), có số thành phần chính: Một nguồn sáng nguồn xạ gây Hình 2.10 Thiết bị Flow cytometer [7.(d)] kích thích, dạng laser phát ánh sáng bước sóng xác định Một ống dẫn, cho phép huyền phù tế bào di chuyển qua thiết bị nguồn laser Đầu dò, trường hợp trình bày ống photomultiplier, cho phép đo ánh sáng vừa lóe lên tế bào chúng di chuyển qua chùm tia laser Trong thiết bị Flow cytometer, tế bào di chuyển ngang qua nguồn kích Hình 2.11 Quá trình phân loại tế bào [7.(d)] thích, tia sáng va vào tế bào, chúng bị tán xạ hấp thu phát ánh sáng huỳnh quang, tượng 41 ghi nhận đầu dò ánh sáng Ánh sáng tán xạ hệ chùm sáng va chạm vào tế bào dẫn đến chúng phản xạ khúc xạ đến đầu dò ánh sáng Các dạng sáng tán xạ phụ thuộc hình dạng kích thước tế bào, cho phép đo đạc đặc tính tế bào chúng di chuyển qua nguồn sáng Điều hữu ích, tế bào phân lọai dựa sở kích thước hình dạng ống thu hồi riêng biệt sử dụng kỹ thuật gọi chênh lệch tĩnh điện, áp dụng đĩa tích điện dùng để đổi hướng di chuyển tế bào Ánh sáng huỳnh quang: Việc xác định ánh sáng huỳnh quang phụ thuộc khả hấp thu ánh sáng tế bào tiếp đến khả phát xạ nguồn sáng bước sóng khác Flow cytometers ứng dụng tính chất thông qua việc sử dụng kính lọc để ngăn nguồn sáng ban đầu không cho chúng di vào đầu dò, ánh sáng hùynh quang phát xạ di chuyển tự vào đầu dò ánh sáng, tính hiệu (nhiễu) thấp Khi thí nghiệm với flow cytometry, ánh sáng huỳnh quang thu đuợc từ phát sáng chất thị (thuốc nhuộm) hùynh quang Thuốc nhuộm huỳnh quang phát sáng thứ cấp với nguồn kích thích có bước sóng xác định Ánh sáng thứ cấp (huỳnh quang) phát dùng để xác định diện thuốc nhuộm có tế bào Cách biểu diễn liệu phân tích: Số luợng lọai tế bào gây tán xạ phát hùynh quang đo đầu dò Đặc tính dạng tế bào thường biểu diễn dạng Dot plot dạng biểu đồ 42 Dạng Dot plot sử dụng thông số để vẽ khung liệu tổng quát qúa trình phân tích dòng chảy Y Mỗi điểm thể di chuyển tế bào qua đầu dò (Hình 2.12) Trục X Y đo mức độ phát sáng khác nhau, điểm biểu thị tương ứng với tế bào có dạng phát sáng khác X Trong hình 2.12, điểm chấm Hình 2.12 Dạng Dot plot [7.(d)] ví dụ biểu diễn hai quần thể tế bào phân tích phương pháp flow cytometry Mỗi tế bào dạng quần thể xác định hiển thị dạng điểm chấm nằm ¼ khung thiết kế cho quần thể Kết phân tích flow cytometry biểu hiễn dạng biểu đồ hình 2.13: trục X biễu diễn tín hiệu thu được, trục Y biểu diễn số lượng tế bào Đồ thị thường dùng để biểu diễn nhiều mẫu sử dụng lọai thuốc nhuộm Trong Hình 2.13 Dạng biểu đồ [7.(d)] thí nghiệm xác định diện vắng mặt chất đánh dấu tăng hay giảm chất đánh dấu sau xử lý, đồ thị biểu diễn mật độ phát sáng tế bào phân tích [7.(d)] 2.4.2 Ứng dụng laser làm lạnh nguyên tử Làm lạnh nguyên tử hay làm đông đặc hệ nguyên tử ứng dụng đại laser, laser bước sóng thay đổi đóng vai trò quan 43 trọng suốt trình Mục đích việc tạo hệ đậm đặc nguyên tử để quan sát cách tốt cấu trúc vật chất mức độ nguyên tử Từ tăng độ xác phép đo đại lượng vật lý tự nhiên Một phương pháp làm lạnh hệ nguyên tử làm lạnh laser Trong trình làm lạnh, ta phải hiệu chỉnh bước sóng phát laser thay đổi phù hợp với tần số cộng hưởng phù hợp với tốc độ giảm dần nguyên tử hoạt tính Các laser bước sóng thay đổi như: laser màu, laser Vibrronic thường dùng kỹ thuật làm lạnh nguyên tử Để làm lạnh nguyên tử, tức làm chậm tốc độ chuyển động chúng thể tích định với xung lượng tương đương với xung lượng nguyên tử, ta sử dụng chùm tia laser với n photon xung lượng k chiếu vào nguyên tử ngược chiều chuyển động “Bẫy” từ trường tuyến tính B(z) = A.z Hình 2.14 Mô hình hệ làm lạnh nguyên tử [1] Bình chứa nguyên tử hoạt tính chuyển động hỗn loạn với vận tốc phụ thuộc nhiệt độ T Bình đặt hệ chân không Khoan lỗ nhỏ thành bình nguyên tử khỏi bình theo lỗ Nếu ta đặt lỗ nhỏ liên tục hướng chuyển động nguyên tử ta chùm nguyên tử chuyển động theo hướng với vận tốc nhau, phụ thuộc nhiệt độ bình Ngược chiều với chùm nguyên tử, ta đặt laser thay đổi bước sóng công suất lớn Laser hạn chế tốc độ 44 chuyển động chúng gọi “bẫy” từ trường tuyến tính Thực tế, phải làm lạnh nguyên tử thể tích định Do đó, trình làm lạnh phải theo không gian ba chiều Ngoài ra, sau làm chậm nguyên tử trình giam “bẫy” chúng quan trọng [1] Lịch sử thành tựu khoa học gắn liền với tên nhà bác học tiếng Trong công trình công bố vào năm 1917, Anhxtanh cho thấy: chất khí dạng phân tử, trường ánh sáng nhiệt xạ đèn dây tóc tạo chấp nhận nhiệt độ trường Nguyên nhân photon ánh sáng va chạm với phân tử truyền lượng, mà truyền xung lượng, thông qua áp suất xạ mà thay đổi vận tốc đối tác va chạm Bởi vậy, ánh sáng nhiệt gắn liền với nhiệt độ cao, vài nghìn độ K không thích hợp với việc làm lạnh Điều kiện thay đổi cách rõ rệt người ta phát minh laser – nguồn sáng tuyệt đối đơn sắc, bước sóng thay đổi Lúc này, laser bước sóng thay đổi dùng để thay cho đèn dây tóc [3] Vào năm 1975, nhà khoa học nghĩ đến phương pháp làm lạnh hiệu dụng cho nguyên tử trung hòa: hạt chất khí nhiệt dộ phòng bay hỗn loạn với vận tốc vài ngàn km/h, chiếu sáng theo hai phương ngược hai tia laser có tần số thấp tần số hấp thụ hạt chất khí chút Những nguyên tử chuyển động ngược với hai tia, sau cộng hưởng với qua hiệu ứng Doppler hấp thụ photon Khi chúng tiếp nhận xung lượng photon rối bị hãm lại Tuy sau chúng cho photon mà chúng tiếp nhận 45 Phương pháp làm lạnh Doppler phương pháp dùng để bẫy làm lạnh nguyên tử ion Phương pháp làm lạnh Doppler phương pháp làm lạnh phổ biến laser Phương pháp làm lạnh đưa Theodor W Hänsch Arthur Leonard Schawlow Đại học Stanford năm 1975 thí nghiệm thành công Steven Chu Phòng thí nghiệm AT&T Bell vào năm 1985 Khi nguyên tử ion bẫy bẫy ion ta dùng laser Hình 2.15 Nguyên lý làm lạnh phương pháp Doppler [7 để chiếu photon theo nhiều chiều Khi (b)] nguyên tử chuyển động ngược chiều với chiều chiếu photon, nguyên tử chuyển động chậm đi, nhiệt độ nguyên tử giảm Mô tả nguyên lý làm lạnh phương pháp Doppler: Nguyên tử đứng yên thấy photon có bước sóng đỏ xanh dương nên không hấp thụ photon Nguyên tử chuyển động chiều chiếu photon thấy photon có bước sóng ánh sáng đỏ nên không hấp thụ 3.1 Nguyển tử chuyển động ngược chiều chiếu photon nên thấy photon có bước sóng ánh sáng xanh dương nên hấp thụ photon, đồng thời làm giảm momen động lượng nguyên tử 3.2 Nguyên tử bị kích thích photon chuyển sang trạng thái kích thích (có mức lượng cao ban đầu) 3.3 Nguyên tử giải phóng photon theo chiều ngẫu nhiên Và momen động 46 lượng nguyên tử giảm hầu hết trường hợp Khi chiếu chùm photon có bước sóng định phía nguyên tử chuyển động ngược chiều, hiệu ứng Doppler nguyên tử thấy photon có bước sóng dịch chuyển xanh Nếu bước sóng phù hợp, nguyên tử hấp thụ photon chuyển sang trạng thái kích thích khoảng thời gian ngắn Khi hấp thụ photon, nguyên tử nhận momen động lượng photon nên chuyển động chậm lại, chiều chuyển động photon nguyên tử ngược chiều Do trạng thái kích thích không bền, nguyên tử giải phóng photon theo hướng bất kỳ, đồng thời chuyển mức lượng thấp Nếu photon phát theo hướng photon ban đầu nguyên tử momen động lượng Còn photon phát theo hướng ngược lại momen động lượng nguyên tử tăng Nhưng thường photon phát theo nhiều hướng khác nên momen động lượng nguyên tử giảm Sự thay đổi tốc độ nguyên tử hấp thụ photon tính theo công thức: ∆p p photon ∆υ = = p mυ υ ∆υ = p photon m Nếu nguyên tử chuyển động chiều với chiều chiếu photon, theo hiệu ứng Doppler, nguyên tử thấy photon bị dịch chuyển đỏ, lệch khỏi bước sóng thích hợp nguyên tử hấp thụ photon Khi nguyên tử bẫy bẫy ion chiếu laser theo nhiều chiều với tần số thích hợp, nguyên tử liên tục hấp thụ giải phóng photon, momen động lượng nguyên tử giảm dần gần Khi nguyên tử làm lạnh 47 Phương pháp làm lạnh Doppler dùng rộng rãi phương pháp làm lạnh laser, đặc biệt kết hợp với phương pháp làm lạnh khác để tạo hiệu suất làm lạnh tối ưu, làm lạnh vật thể lớn gần nhiệt độ tuyệt đối [7.(b)] Ngay từ năm 1988, Phillips cộng ông xây dựng phương pháp xác để xác định nhiệt độ xirô quang học Họ làm giới khoa học phải ngạc nhiên trị số rõ rang nằm giới hạn Doppler Năm 1989, Dalibard Cohen-Tannougji Chu cộng giải thích kết thí nghiệm bất ngờ đó: người ta không để ý đến chứng cớ hiển nhiên trạng thái điện tử nguyên tử kiềm dùng suy biến, nghĩa gồm nhiều mức có lượng Các mức tương tác với ánh sáng phân cực chúng mà bị dịch chuyển theo mức lượng khác Đồng thời mức phân bố khác tùy thuộc phân cực ánh sáng Ta hình dung sau: Khi chuyển động, nguyên tử trèo lên mức cao hơn, chúng lại hấp thụ photon xạ photon có lượng lớn photon mà chúng vừa hấp thụ, chúng bị rơi mức thấp Phần lượng mà nguyên tử dùng để trèo lên mức cao chuyển thành quang mang theo photon Điều lặp lặp lại hạt chậm để trèo lên múc cao Cơ chế làm lạnh gọi chế làm lạnh Sisyphus [3] Trong loạt thí nghiệm với nguyên tử Hêli, năm 1984 sau năm 1995, nhà khoa học đạt tới trước tiên phương, Hình 2.16 Dùng tia laser làm lạnh khí [7 (e)] 48 sau hai ba phương, nhiệt độ rõ ràng thấp giới hạn phản hồi Hiện có thêm phương pháp mới, đặc biệt phương pháp làm lạnh Raman Marc Kasevich Chu phát biểu lần vào năm 1992 [3] Các nhà nghiên cứu Đức vừa phát minh phương pháp làm lạnh khí áp suất cao đạt tới 100 độ độ không vài phút Bằng việc bắn phá khí áp suất cao tia laser, nhà nghiên cứu tạo hiệu ứng lạnh cực mạnh, làm giảm nhiệt độ khí tới -119 độ tức cách đưa electron vào quỹ đạo cao Điều khiển tuyến đường electron nhiệm vụ nhỏ, nhà nghiên cứu đơn giản hóa quy trình đáng kể cách sử dụng khí áp suất cao Áp suất khiến cho electron hoạt động không ổn định nguyên tử va vào nhau, làm lệch nhẹ hướng chúng Một chệch khỏi tuyến đường thông thường chúng, electron bị buộc vào quỹ đạo cao với mức lượng nhiều mức lẽ cần áp suất thấp Khi va chạm giảm xuống, electron cố gắng trở lại tuyến đường thông thường chúng, quỹ đạo cao Để quỹ đạo cao này, chúng phải hấp thụ lượng xung quanh quy trình làm chậm hạt khí xuống nhiều, gây mức giảm nhiệt nhanh thẳng đứng Nhóm nghiên cứu cho biết, công nghệ có nhiều ứng dụng thương mại, ví dụ sản sinh khí “siêu đông lạnh” có khả tồn dạng khí mức nhiệt độ mà chúng thông thường hóa lỏng [7.(e)] Những thí nghiệm để hiểu kỹ vật lý lượng tử mà ánh sáng laser phương pháp làm lạnh hoàn toàn chẳng thể thực 49 Chẳng hạn việc ngưng tụ Bose-Anhxtanh lần thực chất khí dạng nguyên tử thành hệ lượng tử vĩ mô mà nhận trạng thái chung, tương ứng thể tính chất lạ kỳ Ngoài ra, quan điểm vật lý lý thuyết chất rắn quan niệm dao động Bloch, lần kiểm tra cách tuyệt vời thực nghiệm Việc làm lạnh lưu trữ nguyên tử ánh sáng laser góp phần làm cho ngày nghiên cứu vật lý lý thuyết cách xác trước 2.5 Dựa vào tính chất đơn sắc tính chất kết hợp Với độ đơn sắc kết hợp cao, tia laser sử dụng rộng rãi nhanh ngành thông tin liên lạc Bộ phận PHÁT Bộ phận THU 10 11 12 13 14 - Laser 2, - Máy biến điện 3, - Telescope 4, - Nguồn nuôi 6, 12 – Bộ khuếch đại – Máy tạo mã 10 – Filtre lọc 11 – Nhân quang điện 13 – Máy giải mã 14 – Máy cho tia Tin tức Tinsử tứcdụng đến laser trình bày Sơ phátđồ tổng quát máy liên lạc Hình 2.17 tổng chính: quát củabộ máyphát liên lạc hình 2.17 Máy gồm haiSơbộđồphận phận sử dụng phận thu laser Sử dụng tia laser để truyền tin tức (các bit thông tin) có ưu điểm sau: - So với sóng vô tuyến dải sóng truyền tin laser lớn gấp Ví dụ với sóng vô tuyến tần số sử dụng 104 – 3.1011Hz với tia laser quang học vùng ánh sáng thấy có tần số khoảng 3.10 12 – 15.1015Hz, nên dải sóng truyền tăng lên đến 5.10 lần Do đó, với 50 xạ laser nằm khoảng 0,4 µm – 0,8 µm với kênh truyền tin 6,5 MHz sử dụng laser ta có gần 80.10 kênh truyền lúc rõ ràng gấp 105 lần kênh truyền sử dụng sóng cực ngắn - Do lượng lớn, tia laser xa sóng vô tuyến Theo tính toán, giây sử dụng sóng vô tuyến phải tiêu dùng lượng 10-7W để truyền bit thông tin, với tia laser cần dùng lượng 10-16W (tức giảm hàng tỷ lần) Chính mà người ta sử dụng tia laser để truyền tin tức vũ trụ Với tính toán với laser có, người ta đạt khoảng cách truyền gần 100 ngàn kilomet - Sử dụng bước sóng thích hợp truyền tin môi trường khí tượng khác nhau, sương mù hay biển Ví dụ: cửa sổ khí hợp với xạ 10,6 µm laser CO , nước biển cho truyền qua hấp thụ xạ 0,488 µm laser Argon, … [5] Kết luận chương Trên số ứng dụng quan trọng thường dùng laser: Quang học phi tuyến, Holography, điều khiển phản ứng hóa học, vi kỹ thuật laser công nghệ sinh học, làm lạnh nguyên tử thông tin liên lạc Mỗi ứng dụng có đặc điểm riêng, phục vụ cho lĩnh vực riêng biệt cụ thể, chúng dựa vài tính chất đặc biệt chùm tia laser 51 Còn nhiều ứng dụng khác nữa, muôn hình muôn vẻ Chúng góp phần thúc đẩy khoa học phát triển, cải thiện đời sống cho người toàn xã hội Để kết lại phần này, chắn rằng, với bước tiến nghiên cứu laser nay, người đạt ước mơ mà trước khó đạt “Thời đại Photonic” thay “Thời đại Electronic” tương lai không xa KẾT LUẬN CHUNG Laser đời mở cho người cách nhìn nhận ánh sáng, đồng thời thấy ứng dụng rộng rãi khoa học sống, mang lại cho người nhiều lợi ích Ánh sáng laser khác hẳn ánh sáng thông thường, có tính chất đặc trưng riêng vượt trội hẳn, là: kết hợp, đơn sắc, cường độ, định phương, không 52 gian, thời gian thay đổi bước sóng tùy vào mục đích sử dụng Do laser có tính chất đặc biệt nên ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực khác nhau, là: Quang học phi tuyến, Holography, điều khiển phản ứng hóa học, vi kỹ thuật laser công nghệ sinh học, làm lạnh nguyên tử thông tin liên lạc Các ứng dụng laser phổ biến xã hội công dụng phát gần ngày Nó mở nhiều triển vọng tươi sáng lớn lao, giải nhiều khó khăn mà với kĩ thuật trước chưa thể làm Hơn 50 năm sau laser đời, chứng kiến tiến triển vượt bậc lĩnh vực khoa học – công nghệ ứng dụng laser, không thực nghiệm mà lý thuyết, khoa học mà ứng dụng Nhiệm vụ công nghệ laser đại không ngừng tạo thay đổi phạm vi ứng dụng cho môi trường ánh sáng Đồng thời thân laser với tư cách máy, cần đơn giản mặt thiết kế, tính gọn nhẹ, an toàn dễ dàng cho người sử dụng có độ tin cậy cao laser đóng vai trò hỗ trợ cho thiết bị khác hoạt động với hiệu cao Nhưng với hai nhiệm vụ số lĩnh vực định chúng thực thi cách đầy ấn tượng Hiện nhiều khả ứng dụng chờ triển khai từ phòng thí nghiệm phòng nghiên cứu Để có ứng dụng có ứng dụng khác phụ thuộc vào công nghệ laser thành công tới mức việc đưa tính chất ưu việt laser vào máy an toàn, gọn nhẹ có độ tin cao Những ứng dụng đại điển hình nêu trên, ứng dụng đại khác mà khoảng thời gian ngắn luận văn nêu hết được! Thời kỳ phát triển dựa vào photon 53 vững bước phát triển theo đường thẳng đứng Công nghệ laser ngày trở thành công nghệ vừa mang tính mở đường, vừa tảng cho thành tựu khoa học khác kỷ mới, kỷ khoa học công nghệ TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Hồ Quang Quý (chủ biên), Vũ Ngọc Sáu (2005), Laser bước sóng thay đổi Ứng dụng, NXB ĐHQG Hà Nội [2] David Halliday, Robert Resnick, Jearl Walker (2011), Cơ sở vật lí (tập 6), NXB Giáo dục Việt Nam [3] Ngụy Hữu Tâm (2003), Những ứng dụng laser, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội 54 [4] Hồ Quang Quý (2008), Quang học phi tuyến ứng dụng, NXB ĐHQG Hà Nội [5] Đinh Văn Hoàng, Trịnh Đình Chiến (1999), Vật lý Laser Ứng dụng, Trường Đại học KHTN, Hà Nội [6] Nguyễn Đại Hưng (2004), Vật lý kỹ thuật laser, NXB ĐHQG Hà Nội [7].Website: (a) http://www.google.com.vn (b) http://vi.wikipedia.org (c) http://thuvienvatly.com (d) http://www.nhasinhhoctre.com (e) http://www.hvacr.vn (tác giả: Nacesti -Tạp chí Hoạt động Khoa Học) [...]... thể thay đổi được bước sóng tùy vào mục đích sử dụng Chương 2 PHÂN TÍCH MỘT VÀI KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG VÀO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC DỰA TRÊN 26 TÍNH CHẤT CỦA CHÙM TIA LASER Sự ra đời của laser với tư cách là một nguồn sáng đặc biệt đã mở ra nhiều hướng phát triển mới của khoa học 2.1 Dựa trên tính chất kết hợp không – thời gian Dựa vào tính chất này, ta có thể ứng dụng laser vào Holography Holography thường... sóng laser) [5] c Sự hội tụ của chùm tia Với các chùm sáng thông thường, ta không thể hội tụ chùm tia vào một điểm với đường kính nhỏ tùy ý do gặp hiện tượng nhiễu xạ 23 Với chùm tia laser thì khác Laser có thể tập trung hội tụ ở một điểm có diện tích cỡ λ2 Chính vì thế, bản thân tia laser đã tập trung năng lượng ở diện tích nhỏ và là một đặc điểm của tính chất không gian Nhờ tính chất này mà với một. .. khoa học đã dựa vào những tính chất này để có thể ứng dụng laser vào nghiên cứu quang học phi tuyến, hoặc điều khiển các phản ứng hóa học xảy ra theo ý muốn 2.2.1 Quang học phi tuyến: là một phân ngành của quang học, nghiên cứu về sự tương tác phi tuyến tính của ánh sáng với môi trường Một khi cường độ ánh sáng đạt đến một mức giới hạn nào đó, ta có thể quan sát được những tương tác phi tuyến tính liên... thích bằng phản ứng hóa học, kích thích bằng khí động học, Tuy nhiên, mỗi một loại laser chỉ có thể áp dụng một phương pháp kích thích, phụ thuộc vào bản chất của hoạt chất [5] * Ngoài ba bộ phận chính vừa nêu ở trên thì trong cấu tạo của laser còn có thêm một số chi tiết khác nhằm nâng cao tính chất ưu viêt của chùm tia laser, như: hộp phản xạ – tập trung năng lượng bơm vào hoạt chất (dùng trong... quang học (OR) Ngày nay, người ta đã nghiên cứu kỹ lưỡng cả trên phương diện lý thuyết lẫn thực nghiệm về các hiệu ứng quang học phi tuyến, mở ra một ngành khoa học mới: ngành Quang học phi tuyến, với rất nhiều hướng nghiên cứu khác nhau và nhiều ứng dụng khác nhau ở lĩnh vực này, mà công cụ không thể thiếu được là laser 2.2.2 Ứng dụng laser vào điều khiển các phản ứng hóa học Hóa học với tư cách là một. .. ảnh toàn ký) để thu được những hình ảnh ba chiều của vật thể, một ngành khoa học cho phép tạo ra các ảnh nổi ba chiều mà không cần sử dụng các thấu kính Đây là một trong những ứng dụng quan trọng nhất của laser, dựa trên tính chất kết hợp không – thời gian của chùm tia laser Phương pháp ghi và phục hồi hình ảnh dựa trên hiện tượng giao thoa sóng Nguyên lý của Holography được Dennis Gabor đề xuất từ năm... chuyển Γ21 lớn hơn rất nhiều Γ42 và Γ12 [5] 1.3 Một số tính chất đặc biệt của chùm tia laser Bức xạ đặc biệt của laser là gì mà đã làm cho laser trở nên một nguồn sáng có ứng dụng đặc biệt và đa dạng như thế? Vì laser có những tính chất đặc biệt khác ánh sáng thông thường, như là: 1.3.1 Kết hợp Trước hết, nhất thiết phải kể đến tính kết hợp của ánh sáng laser Điều đó có nghĩa là trong trường bức xạ,... trước chiều hướng cho một biến đổi hóa học Xung đầu tiên đưa phân tử lên một trạng thái chồng chất, bằng cách làm cho phân tử quay và dao động theo một 35 cách nhất định ; dạng chính xác của chuyển động phụ thuộc vào các tính năng của phân tử và của xung laser Xung thứ hai mới bẻ gẫy phân tử làm cho phân tử vỡ ra Có thể thông qua khoảng cách thời gian giữa hai xung laser và phổ tần số của chúng mà định... (ở 1064nm) có công suất liên tục 2W, thiết bị này có chức năng như một kìm gắp quang học Thiết bị này là công cụ thông dụng trong sinh học, đó là một kính hiển vi được gắn thêm vào hai laser Nhưng chỉ qua đó đã tạo nên những kỹ thuật hoàn toàn mới trong nghiên cứu sinh học và y học [3] 2.3.1 Ứng dụng kỹ thuật laser trong nghiên cứu sinh học phân tử Công việc đọc trình tự bộ gen người hiện nay đã được... điểm của ảnh toàn ký chứa toàn bộ vật (một đặc điểm không có ở ảnh thông thường) Đó là tính tổng thể của ảnh toàn ký Nhờ phương pháp Holography, người ta dễ dàng ghi và tái tạo lại được ảnh khối của các sinh vật nhỏ, hoặc ngay cả tên lửa, máy bay khi chúng đang 28 chuyển động, để nghiên cứu sự thay đổi theo thời gian của các vật thể 2.2 Dựa trên tính chất cường độ và tính chất kết hợp Các nhà khoa học ... Một số tính chất đặc biệt chùm tia laser .16 Kết luận chương .24 Chương PHÂN TÍCH MỘT VÀI KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG VÀO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC DỰA TRÊN TÍNH CHẤT CỦA CHÙM TIA LASER 2.1 Dựa. .. chất ưu việt khả ứng dụng cụ thể chùm tia laser gì? Để làm rõ vấn đề nên tác giả chọn đề tài: Phân tích vài khả ứng dụng vào nghiên cứu khoa học dựa tính chất chùm tia laser Trong thực tế laser. .. gian thay đổi bước sóng tùy vào mục đích sử dụng Chương PHÂN TÍCH MỘT VÀI KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG VÀO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC DỰA TRÊN 26 TÍNH CHẤT CỦA CHÙM TIA LASER Sự đời laser với tư cách nguồn sáng