ứng dụng của laser trong không gian

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA SƯ PHẠM BỘ MÔN SƯ PHẠM VẬT LÝ ỨNG DỤNG CỦA LASER TRONG KHÔNG GIAN Luận văn Tốt nghiệp Ngành: SƯ PHẠM VẬT LÝ – CÔNG NGHỆ GV hướng dẫn: Sinh viên: Hà Thanh Huyền ThS Lê Văn Nhạn Lớp: SP Vật Lý- Công Nghệ Mã số SV: 1117590 Khóa: 37 Cần Thơ, 2015 Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn LỜI CẢM TẠ Trong suốt thời gian làm đề tài luận văn tốt nghiệp gặp không khó khăn nhờ giúp đỡ thầy cô, bạn bè ủng hộ nhiệt tình từ phía gia đình mặt tinh thần vật chất nên đến hoàn thành đề tài Đầu tiên xin gửi lời cám ơn đến tất thầy cô khoa Sư Phạm Trường Đại học Cần Thơ truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm qúy báu để bạn sinh viên hoàn thành khóa học Tôi xin gửi lời cảm ơn đến thầy Lê Văn Nhạn – cán hướng dẫn tận tình bảo, giúp đỡ suốt trình nghiên cứu đề tài luận văn Xin gửi lời cám ơn đến anh chị khóa trươc giúp đỡ tất bạn lớp sư phạm Vật Lí – Công Nghệ khóa 37 sát cánh bên để vượt qua khó khăn, trở ngại suốt trình học tập nghiên cứu đề tài Cuối xin ghi lòng biết ơn sâu sắc đến cha mẹ, gia đình, người yêu thương cho niềm tin, động lực để vững bước vượt qua khó khăn trình học tập đến hoàn tất luận văn Kính chúc tất sức khỏe, thành công hạnh phúc sống Cần Thơ, ngày tháng năm 2015 Sinh viên thực Hà Thanh Huyền SVTH: Hà Thanh Huyền i SP Vật Lý – Công Nghệ Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu thực Các số liệu, kết phân tích luận văn hoàn toàn trung thực chưa công bố công trình nghiên cứu trước Mọi tham khảo, trích dẫn rõ nguồn danh mục tài liệu tham khảo luận văn Cần Thơ, ngày tháng năm 2015 Sinh viên thực Hà Thanh Huyền SVTH: Hà Thanh Huyền ii SP Vật Lý – Công Nghệ Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn MỤC LỤC MỞ DẦU 1.LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU PHẠM VI NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU NỘI DUNG CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LASER .2 1.1 Khái niệm 1.2 Lịch sử nghiên cứu laser 1.3 Phân loại laser .3 1.3.1 Laser chất rắn 1.3.2 Laser chất khí 1.3.3 Laser chất lỏng 1.3.4 Laser bán dẫn 1.4 Cơ chế phát laser .4 1.5 Cấu tạo máy phát laser 1.6 Đặc điểm chùm tia laser 1.6.1 Tính chất vật lý 1.6.2 Tính chất sinh học 1.7 Chế độ hoạt động laser 1.7.1 Chế độ phát liên tục 1.7.2 Chế độ phát xung SVTH: Hà Thanh Huyền iii SP Vật Lý – Công Nghệ Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ LASER 10 2.1 Quá trình hấp thụ, phát xạ tự phát phát xạ cưỡng theo quan điểm lượng tử 10 2.1.1 Quá trình hấp thụ 11 2.1.2 Quá trình phát xạ tự phát 12 2.1.3 Quá trình phát xạ cưỡng 12 2.2 Hiện tượng khuếch đại 14 2.3 Sự nghịch đảo mật độ 15 2.4 Ngưỡng phát 15 CHƯƠNG 3: MỘT SỐ ỨNG DỤNG LASER TRONG KHÔNG GIAN 16 3.1 Phóng tàu vũ trụ tia laser 16 3.1.1 Ý tưởng .16 3.2 Tia laser giúp truyền tải lượng Mặt Trời từ vũ trụ Trái Đất .20 3.2.1 Vai trò nguồn lượng Mặt Trời 20 3.2.2 Ý tưởng thử nghiệm thu truyền tải lượng Mặt Trời từ vũ trụ Trái Đất 21 3.2.3 Cấu tạo hệ thống 24 3.2.4 Ưu điểm, nhược điểm 25 3.2.5 Tầm quan trọng phương pháp 25 3.7.1 Nghiên cứu thiên thể lạ vũ trụ 38 3.7.2 Nghiên cứu lõi Trái Đất .39 3.7.3 Sử dụng quan sát thiên văn .39 KẾT LUẬN 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO 50 SVTH: Hà Thanh Huyền iv SP Vật Lý – Công Nghệ Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn MỞ DẦU 1.LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Ra đời vào khoảng kỷ XX, Laser nguồn phát ánh sáng có ứng dụng ngày nhiều sống hàng ngày Nó nguồn ánh sáng nhân tạo thu nhờ khuếch đại ánh sáng xạ phát kích hoạt cao nồng độ phần tử môi trường vật chất tương ứng Laser ánh sáng có nhiều tính chất đặc biệt hẳn ánh sáng tự nhiên hay nhân tạo khác có công dụng hữu ích áp dụng nhiều lĩnh vực công nghiệp, y học, quân sự, thiết bị điện tử gia dụng… năm gần đây, nhà khoa học bắt đầu ý đến việc tìm kiếm ứng dụng laser vào việc nghiên cứu vũ trụ ứng dụng nhiều nhà khoa học giới quan tâm Với hướng nghiên cứu công nghệ laser mở cho người hiểu biết vũ trụ, đến với nguồn lượng vũ trụ hứa hẹn đáp ứng nhu cầu lượng toàn cầu, giải vấn đề rác vũ trụ, lái lệch hướng thiên thạch nhiều vấn đề mang tính cấp bách thời đại Đó lý mà đề tài “Ứng dụng laser không gian” cần tiến hành nghiên cứu MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI - Tìm hiểu tổng quan, sở lý thuyết Laser - Tìm hiểu ứng dụng Laser không gian -Nhưng nghiên cứu không gian sử dụng Laser NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU - Nghiên cứu sở lý thuyết Laser - Thu thập tài liệu từ sách internet - Tổng hợp, phân tích, so sánh tài liệu thu thập ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU - Tổng quan laser: khái niệm, lịch sử nghiên cứu laser, chế phát laser, cấu tạo máy phát laser, đặc điểm chùm tia laser - Cơ sở lý thuyết laser - Ứng dụng laser không gian PHẠM VI NGHIÊN CỨU Nghiên cứu cách tổng quan laser, sở lý thuyết laser, ứng dụng laser nghiên cứu thiên văn tương lai PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU - Thu thập tài liệu - Tổng hợp, xử lý, khái quát, phân tích tài liệu thu - Nghiên cứu sở lý thuyết, sở lý luận đề tài SVTH: Hà Thanh Huyền SP Vật Lý – Công Nghệ Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn NỘI DUNG CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LASER 1.1 Khái niệm Laser chữ viết tắt cụm từ Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (khuếch đại ánh sáng xạ kích thích), cụm từ nêu rõ kiện trình sinh ánh sáng laser Theo trình tự đơn giản hóa nhất, nguồn lượng kích thích nguyên tử môi trường hoạt động (chất khí, chất đặc, chất lỏng) để phát bước sóng ánh sáng đặc biệt Ánh sáng sinh khuếch đại nhờ hệ thống phản hồi quang học làm cho chùm sáng phản xạ qua lại môi trường hoạt động để làm tăng cường độ ánh sáng phát chùm tia laser Vậy laser nguồn sáng phát chùm sáng cường độ lớn dựa việc ứng dụng tượng phát xạ cảm ứng Laser ánh sáng có nhiều tính chất đặc biệt hẳn ánh sáng tự nhiên hay nhân tạo khác có công dụng hữu ích áp dụng nhiều lĩnh vực khoa học kỹ thuật đời sống, tạo nên cách mạng khoa học kỹ thuật sau đời 1.2 Lịch sử nghiên cứu laser Năm 1900 Max Planck người chứng minh lượng sóng điện từ diễn tả gói rời rạc gọi lượng tử, có giá trị lượng tương ứng với tần số sóng Năm 1905, Albert Einstein phát triển giả thuyết Planck lên bước đề xuất thuyết lượng tử ánh sáng Năm 1917, Albert Einstein đưa ý tưởng phát xạ cưỡng Tạo tảng cho nghiên cứu laser sau Năm 1954 công trình maser (Microwave Amplification by Stimulated Emisson of radiation) nghĩa khuếch đại vi sóng phát xạ cưỡng công bố, kết nghiên cứu đồng thời độc lập tiến hành Townes, cộng đại học Colombia Basov, Prokhorov viện Lebedev Năm 1958, Townes đồng ông Arthur Schawlow xuất tạp chí khoa học đăng ký sáng chế cho “MASER quang học” sử dụng để tạo tia hồng ngoại chí ánh sáng nhìn thấy Trong Bloembergen phát triển ngành quang phi tuyến, ứng dụng đặc biệt quang phổ laser Dựa theo ấn Townes Schawlow năm 1958, Theodore Maiman, làm việc trung tâm nghiên cứu Hughes, tạo máy laser Ông công bố kết đạt buổi họp báo New York City vào tháng năm 1960 Năm 1960 Laser Ruby Maiman phát xung ánh sáng đỏ kết hợp cường độ mạnh có bước sóng 694 nm, chùm hẹp có mức độ định hướng cao Năm 1961 có laser liên tục laser phát ánh sáng miền đỏ, laser heli-neon, đồng thời máy loại laser laser khí SVTH: Hà Thanh Huyền SP Vật Lý – Công Nghệ Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn Năm 1963 Alferov Kroemer, nêu nguyên lý cho việc dùng cấu trúc dị tính chất bán dẫn để phát laser 1.3 Phân loại laser 1.3.1 Laser chất rắn Laser rắn có môi trường hoạt chất thể rắn Có khoảng 200 chất rắn có khả dùng làm môi trường hoạt chất laser Hoạt chất laser rắn: Thường điện môi dạng tinh thể vô định hình có dạng hình trụ tròn, đầu phủ lớp lớp điện môi đủ để đảm bảo hệ số phản xạ cần thiết cho sóng laser Hoạt chất có hai thành phần: chất chất kích hoạt Chất chất không tham gia trực tiếp vào trình tạo xạ laser chất thuỷ tinh Ba số loại thuỷ tinh khác Trong chất có chứa nguyên tử ion chất kích hoạt Chất kích hoạt, thường có tỉ lệ nhỏ khoảng vài phần trăm so với chất thường dùng nguyên tố Crôm, Urani, laser thuỷ tinh, chất kích hoạt thường dùng Neodym Một số loại laser chất rắn thông dụng: - YAG-Neodym: hoạt chất Yttrium Aluminium Garnet (YAG) cộng thêm 2-5% Neodym, có bước sóng 1060 nm thuộc phổ hồng ngoại gần Có thể phát liên tục tới 100W phát xung với tần số 1000-10000 Hz - Hồng ngọc (Rubi): hoạt chất tinh thể Alluminium có gắn ion chrom, có bước sóng 694,3 nm thuộc vùng đỏ ánh sáng trắng Đặc điểm Laser rắn: - Laser rắn loại laser mà môi trường hoạt tính chất rắn Chất rắn đơn tinh thể, chất vô định hình (thủy tinh) Trong laser rắn, nghịch đảo nồng độ thường thực mức lượng nguyên từ ion tạp chất - Để tạo nghịch đảo nồng độ laser rắn, người ta dùng bơm quang học, phương pháp chiếu ánh sáng phổ hấp thụ cực đại vào hoạt chất để tạo tích luỹ chủ yếu cho mức laser tạo nồng độ đảo lộn 1.3.2 Laser chất khí Laser khí có môi trường hoạt chất thể khí Một số loại laser chất khí thông dụng: -He-Ne: hoạt chất khí Heli Neon, có bước sóng 632,8 nm thuộc phổ ánh sáng đỏ vùng nhìn thấy, công suất nhỏ từ đến vài chục mW -Argon: hoạt chất khí argon, bước sóng 488 514,5 nm -CO2: bước sóng 10,6 µm thuộc phổ hồng ngoại xa, công suất phát xạ tới megawatt (MW) Đặc điểm Laser khí: SVTH: Hà Thanh Huyền SP Vật Lý – Công Nghệ Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn -Nghịch đảo độ tích lũy trạng thái khích thích nguyên tử phân tử -Do mật độ hạt áp suất thấp nên tương tác it, vạch phổ xạ hẹp cỡ 1Hz hẹp loại Laser - Môi trường hoạt tính khí trung hòa, plasma khí phóng điện - Độ rộng vạch phổ hẹp - Laser khí có chùm xạ định hướng cao độ đơn sắc lớn - Máy phát Laser khí có kích thước lớn 1.3.3 Laser chất lỏng Laser lỏng có môi trường hoạt chất thể lỏng, người ta phân laser lỏng làm ba loại: - Laser chelate hữu – đất - Laser vô oxyd chloride – neodym – selen - Laser màu thông dụng laser màu Laser màu Có thể điều chỉnh tần số bước sóng phát laser cách thay đổi nồng độ dung dịch dung môi môi trường hoạt tính Vì laser màu phát xạ từ tử ngoại gần đến khả kiến đến hồng ngoại gần Có hệ số khuếch đại lớn so với laser rắn, khí dễ chế tạo thay đổi thành phần môi trường hoạt tính Vì thuận lợi cho việc nghiên cứu Độ định hướng cao: tia laser phát chùm tia song song có khả chiếu xa mà không bị phân tán Tính đơn sắc cao: chùm sáng có màu (một bước sóng) Do chùm laser không bị tán xạ qua mặt phân cách hai môi trường có chiết suất khác 1.3.4 Laser bán dẫn Trong truyền thông người ta dùng xung ánh sáng laser bán dẫn để truyền môi trường truyền thông sợi quang học Laser bán dẫn với phát triển sợi quang học Đặc điểm: - Khích thước nhỏ - Hệ số tác dụng có ích lớn - Có khả tạo dãy phát rộng - Bậc đơn sắc độ định hướng - Công suất phát phụ thuộc vào độ lớn nhiệt độ 1.4 Cơ chế phát laser Một ví dụ chế hoạt động laser miêu tả cho laser thạch anh sau: - Dưới tác động hiệu điện cao, electron thạch anh di chuyển từ mức lượng thấp lên mức lượng cao tạo nên trạng thái nghịch đảo mật độ tích lũy electron SVTH: Hà Thanh Huyền SP Vật Lý – Công Nghệ Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn - Ở mức lượng cao, số electron rơi ngẫu nhiên xuống mức lượng thấp, giải phóng hạt ánh sáng gọi photon - Các hạt photon toả nhiều hướng khác từ nguyên tử, tương tác nguyên tử khác, kích thích eletron nguyên tử rơi xuống tiếp, sinh thêm photon tần số, pha hướng bay, tạo nên phản ứng dây chuyền khuếch đại dòng ánh sáng - Các hạt photon bị phản xạ qua lại nhiều lần vật liệu, nhờ gương buồng cộng hưởng để tăng hiệu suất khuếch đại ánh sáng, tia không song song với trục gương sau vài lần phản xạ thoát khí môi trường hoạt chất - Một số photon nhờ có gương bán mạ đầu vật liệu Tia sáng tia laser 1.5 Cấu tạo máy phát laser Nguyên lý cấu tạo chung máy laser gồm ba phận chính: buồng cộng hưởng chứa hoạt chất laser, nguồn nuôi hệ thống dẫn quang Trong buồng cộng hưởng với hoạt chất laser phận chủ yếu Hình 1: Cấu tạo chế hoạt động laser 1) vùng bị kích thích 2) lượng bơm vào vùng bị kích thích 3) gương phản xạ toàn phần 4) gương bán mạ 5) tia laser Buồng cộng hưởng chứa hoạt chất laser, chất đặc biệt có khả khuếch đại ánh sáng phát xạ cưỡng để tạo laser Khi photon tới va chạm vào hoạt chất kéo theo photon khác bật bay theo hướng với photon tới Mặt khác buồng cộng hưởng có hai gương phản xạ hai đầu, mặt phản xạ toàn phần photon bay tới, mặt cho phần photon truyền qua phần phản xạ lại làm cho hạt photon va chạm liên tục vào hoạt chất laser nhiều lần tạo mật độ photon lớn Vai trò buồng cộng hưởng làm cho xạ hoạt chất phát SVTH: Hà Thanh Huyền SP Vật Lý – Công Nghệ Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn bị pin uranium đồng vị 235, rơi xuống Ấn Độ Dương Hiện nay, không gian xung quanh trái đất có vật liệu phóng xạ Mỹ quỹ đạo từ độ cao 800 – 1.100km hai vật khác gần quỹ đạo địa tĩnh (khoảng 35.800km) Mối nguy hiểm tiềm ẩn từ vệ tinh “hạt nhân” Nga Mỹ chúng va chạm với rác thải vũ trụ gây ô nhiễm phóng xạ diện rộng không gian quanh trái đất Mặt khác, số mảnh vỡ, với vận tốc nhỏ để giữ lại quỹ đạo, rời khỏi quỹ đạo làm ô nhiễm phần bề mặt trái đất Trong số giải pháp tính đến, cần phải bắt đầu giảm số lượng thiết bị phóng, đồng thời tăng tuổi thọ hoạt động chúng sử dụng vệ tinh đa Các vệ tinh hết hạn sử dụng phải có kho lưu giữ để đưa xuống tầng thấp khí đốt cháy, đặt quỹ đạo có vệ tinh Giải pháp thứ hai ưu tiên “Nghĩa trang” vệ tinh nên đặt độ cao 200-300km phía quỹ đạo địa tĩnh 3.6.5 Các phương án giải Trong số giải pháp tính đến, cần phải bắt đầu giảm số lượng thiết bị phóng, đồng thời tăng tuổi thọ hoạt động chúng sử dụng vệ tinh đa Các vệ tinh hết hạn sử dụng phải có kho lưu giữ nhiên liệu để đưa xuống tầng thấp khí đốt cháy, đặt quỹ đạo có vệ tinh Giải pháp thứ hai ưu tiên “Nghĩa trang” vệ tinh nên đặt độ cao 200300 km phía so với quỹ đạo địa tĩnh Đã có nhiều biện pháp đề để giải “rác vũ trụ”, chẳng hạn dùng loại vệ tinh thu nhặt mảnh vụn giống xe rác, sau đem thả chúng bầu khí Trái Đất để chúng tự đốt cháy tiếp xúc với khí Hollopeater đề phương án đơn giản hiệu để loại bỏ đối tượng thừa khỏi quỹ đạo gần Trái Đất Người ta biết thiết bị hết hạn sử dụng, bay hướng bề mặt Trái Đất, xuyên qua tất lớp khí khả tồn được, bị cháy đường Cựu nhân viên ngành công nghiệp vũ trụ đưa giải pháp dùng tên lửa, nạp đầy nước động bổ sung, để bắn vật thể lớn số rác vũ trụ Khi tính toán quỹ đạo tạo vụ nổ có định hướng va chạm, mà sau mảnh vỡ bay mặt đất cháy hết tầng khí dày đặc Mặc dù phương pháp đòi hỏi tính toán toán học xác, rẻ tiền để dọn dẹp rác không gian gần Trái Đất Tìm cách kiểm soát sản sinh mảnh vụn không gian cách tránh vụ nổ bình chứa nhiên liệu chưa cháy hết hay thay quỹ đạo cho vệ tinh, đưa chúng xuống quỹ đạo thấp chúng hoàn thành nhiệm vụ Kéo vệ tinh hết thời hạn sử dụng lên Mặt Trăng để giải phóng quỹ đạo địa tĩnh, đồng thời tái sử dụng thiết bị không gian thu hồi kim loại quý dùng việc chế tạo vệ tinh SVTH: Hà Thanh Huyền 36 SP Vật Lý – Công Nghệ Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn Gần đây, nhà khoa học Nhật Bản dự định phóng lưới kim loại mỏng rộng vài km, lưới có ba lớp dây kim loại chắn có đường kính mm không gian khoảng vài tuần lần Chiếc lưới có nhiệm vụ thu gom mảnh vỡ bay lơ lửng vũ trụ Sau thu gom đủ lượng rác theo thiết kế mang điện tích kéo nhờ từ trường Trái Đất có chức nam châm Nó mang theo mảnh rác bay vào bầu khí Trái Đất bốc cháy hoàn toàn Sau nhiều năm nghiên cứu thí nghiệm, nghiên cứu viên Viện nghiên cứu hệ thống hàng không vũ trụ (HKVT) quốc gia Nga Viện nghiên cứu lực học ứng dụng thành công việc phát triển bình phong dạng lưới bảo vệ chống va chạm thiết bị HKVT với RVT Bức bình phong có đặc điểm quan trọng quét lớp vật liệu đặc biệt, có va chạm, lượng vụ va chạm sinh làm cho bình phong RVT phát sinh phản ứng hoá học theo phương thức nổ, làm cho mảnh vụn biến thành dạng bột Bức bình phong dạng lưới làm cho mảnh RVT va chạm theo mặt ngang để tăng diện tích tiếp xúc, giảm bớt cường độ va chạm Trong khuôn khổ dự án tài trợ Công ty Vũ trụ EADS Astrium, nhóm nhà khoa học trường Đại học Surrey tạo loại vệ tinh nano trang bị cánh buồm cho phép loại khỏi quỹ đạo thiết bị vũ trụ hết hạn sử dụng Được trang bị cánh buồm linh hoạt dạng màng kim loại diện tích 25 m2, CubeSail nặng 3kg gắn dễ dàng vào vệ tinh thiết bị vũ trụ khác Một trang bị cho vệ tinh vệ tinh hết hạn sử dụng, CubeSail phá huỷ theo lộ trình: giảm tốc độ vệ tinh, lái vệ tinh xuống quỹ đạo tầm thấp vào bầu khí Trái Đất để đốt cháy vệ tinh bầu khí Thử nghiệm với CubeSail tiến hành năm 2011 Các nhà nghiên cứu hy vọng thành công, CubeSail trở thành phần thiếu vệ tinh quỹ đạo Trái Đất, giúp nhân loại giải vấn đề rác thải vũ trụ Việc dọn dẹp không gian quanh Trái Đất đặt nhiều vấn đề tương lai không xa Người ta đề xuất sử dụng tia laser để làm việc Phóng tia laser từ mặt đất để hủy diệt vật thể bay lang thang hay làm thay đổi quỹ đạo bay mảnh rác rác rưởi nhỏ, có đường kính vài cm gây nguy hiểm vận tốc va chạm chúng lớn 3.6.6 Bắn tia laser để giải rác vũ trụ Cơ quan hàng không vũ trụ Mỹ (NASA) xem xét bắn laser để làm chệch hướng mảnh rác vũ trụ có nguy va chạm với vệ tinh Trạm vũ trụ quốc tế Laser mà NASA định sử dụng tương tự loại dùng nhà máy hàn ô-tô Chúng đốt cháy giám sát qua kính viễn vọng để bắn vào mảnh rác vũ trụ sót lại quỹ đạo Trên lý thuyết, hạt photon chùm tia laser mang theo một xung lượng nhỏ điều kiện thích hợp đẩy vật thể không gian giảm SVTH: Hà Thanh Huyền 37 SP Vật Lý – Công Nghệ Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn tốc độ chậm lại 0,1 cm giây Bắn laser vào mảnh rác vài thay đổi đường vật thể khoảng 198 m ngày Trong vai trò "chiếc chổi vũ trụ lớn" máy laser mặt đất, chúng bắn phá rác vũ trụ rơi vào tầm quan sát máy radar Mười năm trước, dự án nhà lãnh đạo phòng thí nghiệm Johnatan Campbell viễn tưởng Song phát triển công nghệ đại cho phép nhìn lại ý tưởng theo cách Ưu điểm rõ ràng dự án tính hợp lý kinh tế - với số tiền giá phóng tàu vũ trụ, tạo hệ thống máy laser đảm bảo cho quỹ đạo gần Trái Đất thời gian năm Tuy nhiên, trình bay hoàn toàn đoạn nhỏ cần nhiều lượng Vả lại, số vật liệu có nguy bị phân tán tác động laser, từ làm tăng số lượng rác thải chuyển động quỹ đạo Cuối cùng, giải pháp dọn dẹp nguy hiểm việc phóng nhiều lượng nguy phá vỡ cân nhiệt khí mà làm thay đổi cấu tạo hóa học “tấm áo giáp” 3.7 Một vài ứng dụng khác 3.7.1 Nghiên cứu thiên thể lạ vũ trụ Với độ sáng petawatt (một ngàn triệu triệu watt), 2.000 lần công suất tất nhà máy điện Mỹ, tia laser từ dự án Petawatt trị giá 14 triệu USD trở thành tia laser cường độ cao giới Tia laser sáng ánh sáng bề mặt Mặt Trời kéo dài 1/10 1.000 tỉ giây (tức 0,0000000000001 giây) Đây chìa khóa lượng laser: Phát lượng vừa phải đơn vị thời gian cực nhỏ Để phóng tia laser này, điện phải nạp vào 20 tụ điện 20.000 volt Những tụ điện tiếp lượng cho ống khuếch đại lượng Mỗi ống chứa vật liệu khuếch đại, thường thủy tinh, kích thích đèn tụ điện cấp điện Mỗi lần tia laser qua thủy tinh, lại thu thêm lượng Nhóm nghiên cứu sử dụng tia laser để đun nóng nghiên cứu vật chất số điều kiện cực độ vũ trụ, nhiệt độ lớn nhiệt độ Mặt Trời áp suất đến nhiều tỉ atmosphere Từ khám phá nhiều tượng thiên văn thu nhỏ, băng mini, sao, khối khí thể plasma có mật độ cao, tình trạng xảy bên mà đến câu hỏi khoa học Một tia laser cường độ lớn cho phép nghiên cứu khả tạo lượng từ phản ứng nhiệt hạch có kiểm soát, giống trình tạo lượng Mặt Trời Phun chùm nguyên tử deuterium (hydrogen nặng) vào khoang laser, nơi tia laser hợp nguyên tử lại tạo lượng nhiệt hạch Sử dụng tia laser theo cách phương pháp truyền thống để nghiên cứu trình xảy bên đầu đạn bom H Đây lý dự án tài trợ Cơ quan An toàn hạt nhân quốc gia thuộc Bộ Năng lượng Mỹ SVTH: Hà Thanh Huyền 38 SP Vật Lý – Công Nghệ Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn 3.7.2 Nghiên cứu lõi Trái Đất Những bí mật bao phủ lõi Trái Đất đưa ánh sáng nhờ vào trợ giúp tia laser mạnh từ trước tới Khác hẳn diễn tiểu thuyết khoa học viễn tưởng Cuộc du hành vào lòng đất tác giả Jules Verne, giới khoa học liên tục vấp phải nhiều trở ngại việc tiếp cận lõi Trái Đất Kết sau vài kỷ nghiên cứu, người mù mờ xảy bên lòng đất sâu hoàn toàn chẳng có khái niệm lõi hành tinh khác thuộc hệ Mặt Trời Sau nhiều nỗ lực, số nhà khoa học tài giỏi rút số đặc điểm, nhiệt độ lõi Trái Đất lên đến 7.000 oC, áp suất phần nhân lớn gấp 3,5 triệu lần so với bề mặt Viện National Ignition Facility Livemore thuộc bang California (Mỹ) chuẩn bị thực thí nghiệm lịch sử, giúp người “thấy” độ sâu chưa chạm đến mà không cần phải đào đường hầm xuyên lòng đất Với thí nghiệm có chi phí khoảng 1,8 tỉ USD, nhà khoa học Mỹ bắn tia laser mạnh từ trước đến vào điểm nhỏ đầu đinh ghim nhằm tái tạo diễn trung tâm hành tinh chí tinh cầu vũ trụ Mục đích cuối nhóm khoa học Livermore gây phản ứng tổng hợp hạt nhân, phản ứng cung cấp lượng cho Mặt Trời, để tạo trạm lượng cung cấp nguồn lượng xanh gần vô tận cho người Tuy nhiên, trước đạt mục tiêu trên, nhà nghiên cứu sử dụng tia laser cực mạnh, tập trung nguồn lượng cao gấp 1.000 lần sản lượng điện Mỹ, phần tỉ giây để tạo áp suất cao 25 triệu lần so với áp suất lòng biển Cuộc thí nghiệm thực bên sở có kích thước lớn gấp lần sân bóng đá, đó, tia laser 500.000 tỉ watt di chuyển xuyên qua gần 1,6 km thấu kính, kiếng máy khuếch đại ánh sáng Sau đó, từ tia đầu tiên, laser tách thành 192 tia khác nhau, tất tập trung vào phần lò phản ứng rộng 10m phủ nhôm bê tông Và phản ứng tái tạo loại hành tinh, lõi hành tinh riêng biệt xảy Các nhà khoa học hy vọng thí nghiệm giúp giải mã nhiều câu hỏi xung quanh phần trung tâm Trái Đất Các nghiên cứu gần phương pháp địa chấn đưa giả thuyết lõi Trái Đất tinh thể khổng lồ đơn có nhiệt độ vượt bề mặt Mặt Trời (trên 6.000 oC) Mặc dù độ nóng chảy kim loại 1.535 oC, áp suất cực lớn phần trung tâm Trái Đất giúp lõi tình trạng rắn 3.7.3 Sử dụng quan sát thiên văn Thiên văn học việc nghiên cứu khoa học vật thể vũ trụ (như sao, hành tinh, chổi, tinh vân, quần tinh, thiên hà) tượng có nguồn gốc bên khí Trái Đất (như xạ vũ trụ) Nó nghiên cứu phát triển, tính chất vật lý, hoá học, khí tượng học, chuyển động vật thể vũ trụ, hình thành phát triển vũ trụ SVTH: Hà Thanh Huyền 39 SP Vật Lý – Công Nghệ Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn Thiên văn học ngành khoa học cổ Các nhà thiên văn học văn minh tiến hành quan sát có phương pháp bầu trời đêm, dụng cụ thiên văn học tìm thấy từ giai đoạn sớm Tuy nhiên, xuất kính viễn vọng thời điểm thiên văn học bắt đầu bước vào giai đoạn khoa học đại Về lịch sử, thiên văn học gồm ngành đo sao, hoa tiêu thiên văn, quan sát thiên văn, làm lịch, chí chiêm tinh học, ngành thiên văn học chuyên môn đại ngày thường có nghĩa vật lý học thiên thể Từ kỷ 20, lĩnh vực thiên văn học chuyên nghiệp chia thành nhánh quan sát lý thuyết Thiên văn học quan sát trọng tới việc thu thập phân tích liệu, sử dụng nguyên tắc vật lý Thiên văn học lý thuyết định hướng theo phát triển mô hình máy tính hay mô hình phân tích để miêu tả vật thể tượng thiên văn Hai lĩnh vực bổ sung lẫn cho nhau, thiên văn học lý thuyết tìm cách giải thích kết quan sát, việc quan sát lại thường dùng để xác nhận kết lý thuyết Năm 2009 Liên hiệp quốc coi Năm Thiên văn học Quốc tế (IYA2009) Mục tiêu tăng cường nhận thức tham gia người vào thiên văn học Nhiều đài thiên văn lớn giới chiếu chùm tia laser lên bầu trời để đo nhiễu loạn khí Mới đây, kính thiên văn Nam Gemini kiểm tra hệ thống năm laser, theo tường thuật Kelly Beatty tạp chí “Sky and Telescope” Nhiều đài thiên văn lớn có – phát triển – hệ thống sử dụng laser công suất mạnh để chiếu chùm sáng định vị lên cao khí Những chùm sáng đảm đương vai trò dẫn nhân tạo cho hệ thống quang thích ứng nhằm khắc phục “tầm nhìn” lí tưởng (sự nhiễu loạn khí quyển) Khi thứ hoạt động suôn sẻ, mục tiêu thiên thể ghi lại rõ ràng Hình 3.9: Ảnh Đài thiên văn Gemini/AURA SVTH: Hà Thanh Huyền 40 SP Vật Lý – Công Nghệ Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn Đa số đài thiên văn sử dụng đèn phát laser để giới hạn tầm nhìn qua kính thiên văn thao tác với hệ thống quang thích ứng Thường mục tiêu vật thể riêng biệt đôi gần hay đám đông đúc Nhưng phát triển đài thiên văn Nam Gemini (ảnh) cao vùng núi Andes thuộc Chile hứa hẹn mở rộng độ phân giải cao hệ thống quang thích ứng đến vùng nhìn rộng nhiều Hình 3.10: Ảnh Đài thiên văn Gemini/AURA Các nhà nghiên cứu chiếu thử nghiệm laser tạo “chòm sao” gồm sát bầu trời Cerro Pachón Với công suất phát 50 W – mạnh 1000 lần so với đèn laser cầm tay tiêu biểu – laser điều chỉnh sang chế độ phát xạ ánh sáng vàng đậm nguyên tử sodium bước sóng 589 nm Sau phân tách thành chùm tia rời nhau, ánh sáng laser chiếu sáng nguyên tử sodium có mặt tự nhiên lớp tầng khí quyển, cao độ chừng 90 km Những nguyên tử phát huỳnh quang bước sóng tạo năm nhân tạo, có bề ngang chừng giây cung góc vùng chừng phút cung vuông Nam Gemini sở sử dụng kĩ thuật đa chùm tia với laser sodium Nhà lãnh đạo dự án Celine d'Orgeville giải thích hệ thống Quang Thích ứng Đa Liên hợp (MCAO) Gemini cho phép đài thiên văn có độ 8,1m ghi lại hình ảnh sắc sảo vùng nhìn lên tới phút cung ngang [1/15 bề rộng biểu kiến Mặt Trăng] Trong năm tới, nhà thiên văn hi vọng bắt đầu sử dụng hệ thống MCAO để nghiên cứu vật thể đa dạng, từ đời thiên hà xa xôi Ít có hai sở khác theo đuổi hệ thống quang thích ứng sử dụng nhiều dẫn Vào năm 2007, kính thiên văn lớn Đài thiên văn Nam châu Âu kiểm tra hệ thống sử dụng dẫn tự nhiên, việc sử dụng bị hạn chế khó tìm vùng ngắm thiên văn thích hợp Cũng năm đó, Đài thiên văn MMT Arizona (ảnh) kiểm tra hệ thống sử dụng laser màu lục công suất lớn để tạo nhiều nhân tạo, sử dụng tán xạ Rayleigh khí tầng thấp SVTH: Hà Thanh Huyền 41 SP Vật Lý – Công Nghệ Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn Từ hình ảnh thiên văn sắc nét tìm kiếm sóng hấp dẫn việc tạo ngưng tụ Bose–Einstein đo tính chất ADN, laser có tác động to lớn nhiều lĩnh vực khác khoa học Chúng ta biết nhiễu loạn khí làm cho nhấp nháy, làm mờ nghiêm trọng ảnh chụp thiên văn Newton nhận điều tận hồi năm 1730, ông viết Opticks “Không khí mà qua nhìn lên sao, luôn bị rung động Phương thức chữa không khí trẻo tĩnh lặng nhất, thí dụ không khí người ta tìm thấy đỉnh núi cao tầng mây” Trên lí thuyết, kính thiên văn có đường kính lớn phân giải chi tiết nhỏ ảnh chụp thiên văn Nhưng nhòe ảnh nhiễu loạn khí lớn đến mức kính thiên văn mặt đất lớn ngày (đường kính – 10 m) chẳng trông rõ so với kính thiên văn đường kính 20 cm mà nhiều nhà thiên văn nghiệp dư sử dụng Để khắc phục tình hình này, nhà thiên văn chuyển sang quang học thích nghi, kĩ thuật đo ảnh chộp nhanh nhiễu loạn khí sau hiệu chỉnh cho biến dạng quang thu sử dụng gương có khả biến dạng đặc biệt (thường gương nhỏ đặt phía sau gương kính thiên văn) Vì nhiễu loạn khí thay đổi liên tục theo thời gian, nên phép đo hiệu chỉnh phải thực hàng trăm lần giây Những hệ quang học thích nghi ban đầu sử dụng ánh sáng phát sáng để đo nhiễu loạn Tuy nhiên, đa số vật thể thiên văn muốn nghiên cứu sáng đủ gần, bao quát bầu trời quang học thích nghi hạn chế Sau đó, vào đầu năm 1980, nhà thiên văn nhận họ sử dụng laser để tạo “ngôi sao” nhân tạo thay cho tự nhiên Sự sáng suốt mở rộng đáng kể phạm vi bao quát hệ quang thích nghi, laser chiếu vào hướng mục tiêu quan sát bầu trời Trong thời gian qua, hệ quang thích nghi “ngôi dẫn hướng” laser thật mang lại thành quả, đến mức kính thiên văn – 10 m ngày có hệ thống đèn hiệu laser riêng Các laser dùng đèn hiệu có công suất trung bình chừng – 15 W (một đèn trỏ laser tiêu biểu, trái lại, có công suất chưa tới mW) Thật vậy, dự luật liên bang yêu cầu đài thiên văn Mỹ phải tắt đèn laser họ có máy bay tiến đến gần; đài thiên văn phải đệ trình kế hoạch quan sát họ với Bộ huy Vũ trụ để tránh va chạm với tài sản vũ trụ nhạy cảm Hai loại laser chiếm ưu Thứ hệ chế tạo theo đơn đặt hàng phát vạch cộng hưởng vàng 589 nm sodium trung hòa, tạo dẫn hướng độ cao khoảng 95 km cách kích thích nguyên tử sodium có mặt tự nhiên khí tầng Trái Đất Loại thứ hai phát bước sóng màu lục chí SVTH: Hà Thanh Huyền 42 SP Vật Lý – Công Nghệ Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn bước sóng cực tím sử dụng tán xạ Rayleigh phân tử hạt bụi khí để tạo dẫn hướng độ cao 15-20 km Ưu điểm laser xanh laser tử ngoại chúng có sẵn thị trường, khiến chúng rẻ tiền dùng hệ quang thích nghi khai thác ánh sáng màu vàng Nhờ quang học thích nghi dẫn hướng laser, kính thiên văn 8-10 m ngày có độ phân giải không gian tốt bước sóng quan sát hồng ngoại so với kính thiên văn vũ trụ Hubble, đơn giản kích cỡ lớn gương chúng Những kính thiên văn khổng lồ lắp đặt, thí dụ kính thiên văn ba mươi mét, kính thiên văn Magellan lớn, kính thiên văn cực Lớn châu Âu, có kế hoạch sử dụng nhiều dẫn hướng laser đồng thời Điều cho phép nhà thiên văn đo hiệu chỉnh nhiễu loạn khí toàn cột không khí 3D phía kính thiên văn Những hệ laser bội sử dụng kĩ thuật xạ quang – tương tự kĩ thuật dùng máy quét xạ quang trục lập trình hóa kĩ thuật chụp ảnh y khoa – để tái dựng lại đặc trưng nhiễu loạn, cho phép hiệu chỉnh quang thích nghi trường nhìn rộng nhiều so với kính thiên văn trước 3.7.4 Tăng tốc săn lùng người trái đất Các nhà thiên văn học Mỹ mở rộng tìm kiếm tín hiệu phát từ văn minh trái đất (SETI) hệ thống dò ánh sáng nhất, nhận biết xung laser cực ngắn cực mạnh Theo ông Frank Drake, Chủ tịch Học viện SETI (Mỹ), "cuộc săn lùng văn minh trái đất quy mô từ trước đến nay" Năm 1960, Drake người chủ trương tìm kiếm SETI cách kết nối ăng ten thành hệ thống đa kênh tiếp nhận tín hiệu radio Tuy nhiên, lần khác Drake đồng nghiệp "sẽ tìm kiếm xung laser cực ngắn cực mạnh từ hành tinh khác tín hiệu radio" Hệ thống dò ánh sáng thiết kế lắp ráp nhà nghiên cứu California, gồm máy dò laser ghép lại Các nhà khoa học hy vọng thông báo sai nhiều lần năm Hiện nay, nhóm khoa học dò khoảng 300 hệ thống rời rạc số nhóm Trong năm tới, họ dự định quan sát hệ tuần 3.7.5 Mỹ phát triển vũ khí laser chống tên lửa pháo Quân đội Mỹ vừa thử nghiệm thành công loại vũ khí tầm ngắn có tên "laser lượng cao chiến thuật di động" bang New Mexico Ngay sau bắn ra, đạn pháo bị radar thiết bị tầm nhiệt hồng ngoại bám đuôi, bị tia laser đốt nóng khiến phát nổ trước đến đích Trong lần thử nghiệm dùng laser chiến thuật trước, quân đội Mỹ bắn hạ 25 tên lửa Katyushas cách dễ dàng Tuy nhiên, đạn pháo khó tìm diệt tỏa nhiệt SVTH: Hà Thanh Huyền 43 SP Vật Lý – Công Nghệ Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn Trông giống đèn pha, "laser lượng cao chiến thuật di động" nhiều thiết bị laser mà Lầu Năm Góc phát triển cho mục đích phòng thủ Từ năm 2007, loại vũ khí chuyển động với tốc độ ánh sáng sử dụng để đánh chặn đạn pháo, đạn cối, tên lửa đạn đạo tầm ngắn, tên lửa hành trình, vũ khí không đối đất, trực thăng phi cỡ nhỏ Kể từ năm 1996, quân đội Mỹ, Bộ Quốc phòng Israel công ty TRW đổ 250 triệu USD vào việc chế tạo laser chiến thuật Israel muốn phá hủy tên lửa Katyusha mà du kích Hezbollah Libăng phóng từ vùng biên giới Các quan chức Mỹ Israel hy vọng TRW thu nhỏ kích thước loại vũ khí để gắn xe tải Quân đội Mỹ thực dự án trị giá 3,7 tỷ USD - gắn máy phát laser máy bay Boeing 747 để triệt hạ tên lửa đạn đạo cách nhanh chóng 3.7.6 Dùng tia laser để chống sét Các nhà khoa học Mỹ giới thiệu công nghệ chùm tia laser tạo mưa nhân tạo hỗ trợ kiểm soát thời tiết Công nghệ kiểm soát thời tiết hoạt động dựa hệ thống hai chùm laser tổng hợp Chùm laser trung tâm lượng cao nằm vị trí trung tâm, bao quanh chùm tia thứ hai Chùm tia thứ hai hoạt động phận tiếp nhiên liệu, có chức hỗ trợ lượng đảm bảo tính xác cho chùm laser trung tâm khoảng cách xa a) Sét ? Sét hay tia sét tượng phóng điện khí đám mây đất hay đám mây mang điện tích khác dấu xuất trận phun trào núi lửa hay bão bụi (cát) Khi phóng điện khí tia sét di chuyển với tốc độ 36.000 km/h sét di chuyển ion hình ảnh sét dòng plasma phát sáng tạo nên thấy trước nghe tiếng động tiếng động di chuyển với tốc độ 1.230 km/h điều kiện bình thường không khí ánh sáng 299.792.458 m/s Sét đạt tới nhiệt độ 30.000 °C gấp 20 lần nhiệt độ cần thiết để biến cát silica thành thủy tinh (chỉ cần 1330 °C để làm nóng chảy SiO2), viên đá tạo sét đánh vào cát gọi fulgurite (thường có dạng hình ống sét di chuyển vào lòng đất) Có khoảng 16 triệu dông năm a) Thảm họa từ sét Có vẻ xác suất bị sét đánh trúng trở nên cao thường lệ, số vùng giới Số người chết bị sét đánh chí cao thiên tai khác lụt lội, lở đất hạn hán Nhà khí tượng học Ron Holle Công ty Vaisala (Phần Lan) cho biết trường hợp tử vong sét không gia tăng Uganda mà xuất toàn châu lục đen.“Trong 10 năm qua, phát Malawi, Swaziland, Zimbabwe phần Nam Phi có tỷ lệ sét đánh chết người gia tăng so với Mỹ cách 100 năm”, theo chuyên gia Holle SVTH: Hà Thanh Huyền 44 SP Vật Lý – Công Nghệ Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn Hình 3.11: Sét đánh tượng Nữ thần Tự Mỹ - (Ảnh: Livejournal.com) Ngoài châu Phi, loạt chuyên gia khí tượng châu Á Nam Mỹ báo cáo tình trạng tương tự khu vực Bên cạnh Uganda, vùng Đông Nam Á thường xuyên đón bão sét cố có liên quan đến sét thực tế tăng, kéo theo vụ chết người bị thương nghiêm trọng Tuy nhiên, nước Campuchia, Thái Lan thiếu chuyên gia lĩnh vực này, nên vấn đề không lưu ý đến Những vụ sét đánh chết người xảy Nam Á Mỹ La tinh Bão lớn kèm theo sấm sét thường xảy vùng cận nhiệt đới, nơi tập trung hầu hết quốc gia phát triển Còn theo báo cáo chuyên gia Osmar Pinto Junior Viện Nghiên cứu không gian quốc gia Brazil, thành phố Manaus, nằm trung tâm rừng nhiệt đới Amazon, có số lượng sét tăng 50% 30 năm qua, dừng tỷ lệ 13,5 đợt sét/km² năm Robert Holzworth, Giáo sư Đại học Washington (Mỹ), cho hay phương pháp dự báo sét trở nên hiệu nhờ công nghệ ngày phát triển Hiện mạng lưới định vị sét toàn cầu Giáo sư Holzworth đứng đầu nhận nhiều thông tin vụ sét đánh so với thời gian trước Nhưng theo chuyên gia trên, số người chết trúng sét giảm thấp Mỹ, theo thời gian Vào năm 1940, bắt đầu thống kê, năm có khoảng 125 người thiệt mạng sét đánh Tính đến thập niên trước, năm trung bình 40 trường hợp sét đánh chết Vào năm 2011, có 26 người gặp xui xẻo, số thấp lịch sử Mỹ Vẫn chưa rõ sét lại xuất tần suất cao trước, số chuyên gia cho xu hướng liên quan đến tình trạng thay đổi khí hậu, diện tích rừng bị thu hẹp, dân số tăng… Ước tính giây lại có 100 cú sét giáng xuống trái đất, 70% số xảy vùng nhiệt đới cận nhiệt đới Trong trường hợp chết sét đánh giảm mạnh gần đến zero nước phát triển, nước nghèo SVTH: Hà Thanh Huyền 45 SP Vật Lý – Công Nghệ Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn hơn, nhiều người sống dựa vào canh tác nông nghiệp sống nhà không trang bị chống sét b) Sử dụng tia Laser chống sét Một nhóm nhà nghiên cứu đến từ Đại học Arizona Central Florida (Mỹ) tin rằng, làm đổi hướng hoàn toàn “lộ trình” tia sét cách sử dụng chùm tia lazer thiết kế đặc biệt, thay sử dụng cách truyền thống sử dụng cột thu lôi để “vận chuyển” an toàn tia sét mức trung bình lượng chừng tỷ Joule (J) vào lòng đất ExtremeTech cho biết, theo nguyên tắc chung, tia sét chọn lộ trình có trở kháng để xuống đất Một kim loại lớn, với dây điện dẫn vào lòng đất, có trở kháng không khí (vốn có điện tích cao), lẽ mà tia sét chọn kim loại để truyền điện xuống đất Trong đó, tia laser di chuyển xuyên qua không khí để lại loại khí gas ion hóa (hay gọi khí plasma), vốn chứa hay chí không chứa điện tích với độ dẫn điện cao Và tia sáng (trong trường hợp tia sét) qua vùng không gian với điện dung tối thiểu lượng chúng theo lý thuyết thay đổi theo Tuy nhiên, vấn đề đặt tia laser di chuyển với khoảng cách xa không khí không “defocus” (tạm dịch khuyếch đại tập trung) Do đó, để tạo cột/kênh khí plasma đủ dài từ mặt đất lên đỉnh tòa cao ốc, nhà nghiên cứu tạo phương pháp để chiếu (beam) tia laser“năng lượng cao” xuyên vào không khí Phương pháp đặt tên “phễu tiếp tế quang học bên ngoài” (externally refuelled optical filament), tạo tia laser có cường độ lượng khác Ông Maik Scheller, nhà nghiên cứu Đại học Arizona ví von phương pháp giống hai máy bay bay nhau, máy bay chiến đấu nhỏ trang bị khoang nhiên liệu lớn Cụ thể, tia laser với lượng thấp “xé toạc” bầu trời, tia laser thứ hai mức lượng cao tiếp tế (năng lượng) cho tia để không bị lạc“mục tiêu”, hay nói xác trường hợp điểm tiếp nhận tia sét Mặc dù phương pháp thành công thử nghiệm thực tế với cột plasma cao 2,1 m (khoảng feet) song nhóm nghiên cứu tin họ sớm đạt đến mức 49,5 m (165 feet), theo ExtremeTech 3.7.7 Tia laser giúp phi bay quanh năm Trong tương lai phi không người lái bay quanh năm suốt tháng trời nhờ công nghệ sạc pin tia laser mặt đất Viễn cảnh phi không người lái bay vĩnh viễn trở nên rõ ràng sau Lockheed Martin – tập đoàn sản xuất khí tài quân Mỹ thử nghiệm công nghệ sạc pin cho phi tia laser Chuyến bay thử SVTH: Hà Thanh Huyền 46 SP Vật Lý – Công Nghệ Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn nghiệm diễn đường hầm rộng Các nhân viên kỹ thuật tạo gió đường hầm để mô điều kiện bay thực tế Stalker, tên phi tự động thử nghiệm, bay liên tục 48 Trong trình bay, tiếp nhận tia laser từ mặt đất để sạc pin Tia laser phóng hệ thống đặc biệt công ty LaserMotive, Space đưa tin Hinh 3.12: Một máy bay không người lái Stalker “Thử nghiệm bước cuối trình đưa công nghệ sạc pin máy bay tia laser thực địa”, Tom Nugent, chủ tịch LaserMotive, phát biểu LaserMotive đoạt giải cao thi thiết kế thang máy không gian Cơ quan Hàng không Vũ trụ Mỹ (NASA) Trong thi đó, NASA yêu cầu ứng viên chế tạo cỗ máy có khả nhận điện từ tia laser để di chuyển dọc theo dây cáp lên trời “Chúng cảm thấy hài lòng với kết chuyến bay thử Năng lượng laser trở thành thứ đầy triển vọng việc kéo dài thời gian bay Stalker”, Tom Koonce, giám đốc chương trình máy bay Stalker Lockheed Martin, phát biểu Trong thử nghiệm tiếp theo, Koonce đồng nghiệp cho phi Stalker bay thử trời 3.7.8 Bắn hạ máy bay nhờ không khí Hải quân Mỹ nghiên cứu thành công loại súng phòng khả tiêu diệt máy bay nhờ không khí xung quanh Fox News cho biết, nhà khoa học hải quân Mỹ vừa thử nghiệm loại vũ khí chống máy bay hệ có khả tạo tia laser từ điện tử (electron) không khí Những tia laser mà chúng tạo có công suất cực mạnh (lên tới vài triệu Watt) “Thiết bị phóng tia laser hoạt động mong đợi chúng tôi”, Dinh Nguyen trưởng nhóm nghiên cứu thuộc chương trình Free Electron Laser (FEL) Phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos, Mỹ - phát biểu SVTH: Hà Thanh Huyền 47 SP Vật Lý – Công Nghệ Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn Nhóm ông hy vọng lập kỷ lục giới với loại vũ khí laser Công nghệ FEL tạo chùm laser siêu mạnh cách đẩy luồng hạt điện tử qua nhiều từ trường Thông thường, tạo tia laser từ khí gas, người ta phải dùng số hóa chất Kỹ thuật sản nhiệt trình tạo tia laser, khiến công suất tia laser giảm Nhờ sử dụng điện tử, nhóm ông tránh tượng sản nhiệt trình tạo laser, nhờ sức hủy diệt tia laser tăng mạnh Những tia laser tạo từ điện tử không khí phát huy hiệu cao hoạt động phòng không, đặc biệt độ ẩm cao nhiều mây Nhóm nghiên cứu cố gắng tạo phiên mẫu hoàn chỉnh trước năm 2018 Phiên mẫu có khả bắn mục tiêu độ cao, vào thời điểm Các tàu chiến ngày trở nên yếu trước tên lửa siêu hệ thống phòng thủ tàu chiến sau tên lửa mặt công nghệ “FEL giúp tàu chiến Mỹ có khả tự vệ gần tức thời tia laser điều kiện hải dương khắp giới”, Quentin Saulter, người quản lý chương trình FEL, nhận định.Ngoài ra, theo Saulter, tàu chiến tương lai trang bị động đẩy điện tử nên vũ khí FEL có nguồn cung cấp điện tử dồi SVTH: Hà Thanh Huyền 48 SP Vật Lý – Công Nghệ Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn KẾT LUẬN Với bước tiến nghiên cứu laser người đạt ước mơ mà trước khó đạt Công nghệ laser công cụ đắc lực ngành khoa học nghiên cứu vũ trụ tương lai, hứa hẹn mở nhiều bất ngờ, giải mã bí ẩn không gian mà người chưa khám phá Đặc biệt, công nghệ laser phương án khả thi hiệu giúp người giải nhiều vấn đề như: ô nhiễm không gian, dọn rác vũ trụ, làm lệch hướng quỹ đạo thiên thạch, vấn đề lượng toàn cầu dần cạn kiệt hay góp phần nghiên cứu nhiều lĩnh vực khác Hiện nay, giới nghiên cứu thử nghiệm ứng dụng công nghệ laser không gian nên đề tài trình bày cách tổng quan nghiên cứu đưa mà Trong trình nghiên cứu đề tài giúp mở rộng nhiều kiến thức laser Những kiến thức hỗ trợ nhiều trình giảng dạy trường lớp kiến thức sở giúp học tập nghiên cứu bậc cao Với cố gắng mục đích đề ra, hoàn thành Luận Văn tương đối tốt Tuy nhiên, hạn chế tài liệu thời gian nên nghiên cứu mặc lý thuyết không sâu sở thực tế chúng Và công nghệ Laser không dừng lại đây, phát triển mạnh mẽ tương lai để góp phần nhiều cho sống ngày đại người Nếu có điều kiện, tìm hiểu thực tế để nghiên cứu sâu đề tài SVTH: Hà Thanh Huyền 49 SP Vật Lý – Công Nghệ Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trần Đức Hân, Cơ sở kỹ thuật laser (2005), Nhà xuất giáo dục [2] Đinh Văn Hoàng-Trịnh Đình Chiến, Vật lý laser ứng dụng (2003), NXB Đại học quốc gia Hà Nội [3] Nguyễn Hữu Tâm, Những ứng dụng Laser (2005), NXB Khoa học kỹ thuật [3] http:// www.Wikipedia.com [4] http://www.vatlytrilieu.com [5] http://thuvien24.com/ [6] http://vietsciences1.free.fr/vietscience/docbao/ [7] http://360.thuvienvatly.com/bai-viet/dien-quang/207-tong-quan-ve-laser [8]http://www.vatlyphothong.net/vat-ly-12/laze [9]http://www.khoahocquiz.com/index.php/component/content [10]http://khoahoc.tv/congnghemoi/cong-nghe-moi/54999 SVTH: Hà Thanh Huyền 50 SP Vật Lý – Công Nghệ [...]... sáng truyền tối đa trong môi trường laser mà không bị mất mát do phản xạ f) Tính kết hợp của laser Một bức xạ laser bất kỳ đều có tính kết hợp biểu hiện ở độ đơn sắc (kết hợp thời gian) và tính đẳng pha của mặt sóng (kết hợp không gian) Các laser hoạt động ở chế độ đơn mode dọc hay ngang được biểu hiện trong các sóng đơn sắc và đẳng pha nên chúng có bậc kết hợp không gian - thời gian cao, một cách tự... tia laser lái chệch hướng thiên thạch 3.5.1 Thiên thạch là gì? Thiên thạch trong tiếng Việt hiện nay được dùng không thống nhất, để chỉ nhiều loại thiên thể với các bản chất hoàn toàn khác nhau Thiên thạch là một vật thể tự nhiên từ ngoài không gian và tác động đến bề mặt Trái Đất Còn trong khi ở trong không gian thì nó được gọi là vân thạch Khi thiên thạch từ trong không gian vào đến bầu khí quyển của. .. khả thi về mặt kỹ thuật trong vòng một, hai thập kỷ tới, dựa trên các công nghệ ứng dụng trong phòng thí nghiệm hiện nay Trong một báo cáo dài 248 trang của nhóm cho rằng dự án này có thể được đưa vào ứng dụng thương mại trong vòng chưa đầy 30 năm tới Tiến sĩ John Mankins, chuyên gia của Cơ quan Hàng không Vũ trụ Mỹ (NASA) có thâm niên 25 năm và là cựu Giám đốc phụ trách dự án của cơ quan này, cũng nhận... không cao, thời gian tác động dài: sẽ làm nóng chảy tổ chức sinh học và sau đó các tổ chức bị đông kết lại (gọi là hiệu ứng quang đông) có tác dụng tốt cho cầm máu trong ngoại khoa - Công suất cao, thời gian ngắn: làm bay hơi tổ chức sinh học (gọi là hiệu ứng bay hơi tổ chức) là cơ sở của dao mổ laser với nhiều ưu điểm trong phẫu thuật c) Hiệu ứng quang ion Hiệu ứng quang ion còn gọi là hiệu ứng quang cơ... ngữ gắn bó nhất với laser Ánh sáng laser chiếu lên một mặt thô sinh ra một hình ảnh lấp lánh đặc trưng gọi là đốm laser (laser speckle) Hiện tượng này là do sự phản xạ không đều của ánh sáng đồng pha cao tạo ra những hình (hoặc đốm) giao thoa không đều -Phân cực Nhiều loại laser phát ánh sáng phân cực thẳng Phân cực là một khía cạnh khác của tính đồng pha Tính phân cực trong hệ thống laser cho phép ánh... lũy Trong buồng cộng hưởng của laser xảy ra cả hai quá trình: khuếch đại photon và photon bị mất mát Mất mát này có thể do nhiễu xạ, phản xạ, tán xạ, … SVTH: Hà Thanh Huyền 15 SP Vật Lý – Công Nghệ Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD: Th.S Lê Văn Nhạn CHƯƠNG 3: MỘT SỐ ỨNG DỤNG LASER TRONG KHÔNG GIAN 3.1 Phóng tàu vũ trụ bằng tia laser 3.1.1 Ý tưởng Để thoát khỏi sức hút trái đất, lâu nay, loài người vẫn sử dụng. .. hưởng làm hao hụt vật liệu trong vùng bức xạ laser chiếu tới, gây ra bởi nhiệt độ plasma cao gần bề mặt Báo cáo của Pirri năm 1974 về việc sử dụng chất khí nổ đẩy trong động cơ đẩy laser đã nêu lên cách tốt nhất để đạt được xung lực mạnh là cho laser chiếu thẳng vào khí chứ không chỉ cho laser chiếu vào chất nổ đẩy trước Và để cải thiện hơn nữa động cơ laser, một hỗn hợp của chất nổ đẩy có nguyên tử... argon bằng hydro, vận tốc các sản phẩm của nhiệt sẽ cao hơn cho cùng một trọng lượng, hơn nữa hydro nhẹ sẽ chiếm phần nhỏ hơn trong khối lượng của tàu vũ trụ Trong thực tế, ông Aydar Bikmuchev không thấy vấn đề gì về nguồn năng lượng: “Nguồn năng lượng laser có thể được bố trí trong khoang tàu vũ trụ Trong không gian, trọng lượng tải trọng rất quan trọng Năng lượng laser luôn luôn được bổ sung do được... sắc của chùm sáng càng cao 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 Tính chất này rất quan trọng vì hiệu quả tác dụng của laser khi tương tác với vật chất, với các tổ chức sinh học phụ thuộc vào độ đơn sắc này Do vậy chùm laser ít bị tán sắc (hầu như không) khi đi qua mặt phân cách của. .. động Tính kết hợp thời gian liên hệ chặt chẽ với độ đơn sắc của sóng laser vì chỉ có những sóng đơn sắc mới cho được hình ảnh giao thoa rõ ràng khi xuất phát từ cùng một nguồn Tính kết hợp không gian cũng được thấy trong hình ảnh giao thoa khi sóng xuất phát từ hai điểm khác nhau Nói cách khác nó được biểu hiện trong hiện tượng giao thoa của khe Young g) Công suất của laser Tùy loại laser mà có nguồn sáng ... mỏy phỏt laser, c im ca chựm tia laser - C s lý thuyt v laser - ng dng ca laser khụng gian PHM VI NGHIấN CU Nghiờn cu mt cỏch tng quan v laser, c s lý thuyt v laser, v nhng ng dng ca laser nghiờn... ng dng ca laser khụng gian cn c tin hnh nghiờn cu MC CH CA TI - Tỡm hiu tng quan, c s lý thuyt v Laser - Tỡm hiu nhng ng dng Laser khụng gian -Nhng nghiờn cu mi v khụng gian s dng Laser NHIM... cht lng Laser lng cú mụi trng hot cht th lng, ngi ta phõn laser lng lm ba loi: - Laser chelate hu c t him - Laser vụ c oxyd chloride neodym selen - Laser mu thụng dng nht l laser mu Laser mu