Nghiên cứu độ rộng vạch phổ laser và một số ứng dụng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH  - ĐẶNG VĂN PHIÊN NGHIÊN CỨU ĐỘ RỘNG VẠCH PHỔ LASER VÀ MỘT SỐ ỨNG DỤNG LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Nghệ An, 2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH  - ĐẶNG VĂN PHIÊN NGHIÊN CỨU ĐỘ RỘNG VẠCH PHỔ LASER VÀ MỘT SỐ ỨNG DỤNG CHUYÊN NGÀNH: QUANG HỌC MÃ SỐ: 60.44.01.09 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Người hướng dẫn khoa học: PGS TS NGUYỄN VĂN PHÚ Nghệ An, 2016 LỜI CẢM ƠN Trước hết tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Nguyễn Văn Phú - thầy giáo hướng dẫn, thầy tận tình hướng dẫn, giúp đỡ nhiều mặt kiến thức phương pháp nghiên cứu cung cấp cho tài liệu để tơi hồn thành luận văn Được làm luận văn hướng dẫn thầy niềm vinh dự may mắn lớn lao Cho phép tơi bày tỏ lịng biết ơn chân thành đến q thầy giáo, giáo có góp ý q báu giúp đỡ tơi q trình thực luận văn Nhân dịp xin gửi lời cảm ơn đến quý thầy giáo, cô giáo giảng dạy cho thời gian vừa qua Đặc biệt xin cảm ơn Ban Chủ nhiệm khoa Sau Đại học, khoa Vật lí Cơng nghệ, trường Đại học Vinh, tập thể anh chị em lớp Cao học 22 chuyên ngành quang học tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ tơi nhiều q trình học tập nghiên cứu Cuối cùng, xin bày tỏ lịng biết ơn gia đình, bạn bè đồng nghiệp, Ban giám hiệu trường THPT Châu Thành tạo điều kiện, giúp đỡ, động viên suốt thời gian học Vinh, tháng năm 2016 Tác giả MỤC LỤC Trang LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC HÌNH MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ LASER 1.1 Tổng quan laser 1.1.1 Khái niệm laser 1.1.2 Lịch sử nghiên cứu Laser 1.1.3 Cơ chế phát Laser 1.1.4 Cấu tạo chung máy phát LASER 11 1.2 Buồng cộng hưởng quang học (BCH) 13 1.2.1 Cấu tạo 13 1.2.2 Hệ số phẩm chất buồng cộng hưởng 15 1.2.3 Các mode buồng cộng hưởng 17 1.3 Các tính chất chùm tia Laser 20 1.3.1 Tính chất kết hợp chùm laser 20 1.3.2 Cường độ lớn 21 1.3.3 Độ định hướng Laser cao 21 1.3.4 Độ đơn sắc cao 22 1.3.5 Tính chất khơng gian tia laser 22 1.3.6 Tính chất thời gian tia Laser 23 Kết luận chương 24 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU SỰ PHỤ THUỘC CỦA ĐỘ RỘNG VẠCH PHỔ VÀO CẤU TRÚC CỦA BUỒNG CỘNG HƯỞNG 25 2.1 Công thức tính độ rộng vạch phổ 27 2.2 Sự phụ thuộc độ rộng vạch phổ vào cấu trúc buồng cộng hưởng 28 2.2.1 Sự phụ thuộc độ rộng vạch phổ vào cấu trúc buồng cộng hưởng laser khí 29 2.2.2 Sự phụ thuộc độ rộng vạch phổ vào cấu trúc buồng cộng hưởng laser rắn 33 2.2.3 Sự phụ thuộc độ rộng vạch phổ vào cấu trúc buồng cộng hưởng laser bán dẫn 36 2.2.4 Sự phụ thuộc độ rộng vạch phổ vào cấu trúc buồng cộng hưởng laser màu 38 Kết luận chương 40 CHƯƠNG MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA LASER 41 3.1 Trong y tế 41 3.1.1 Ứng dụng kỹ thuật laser vào y học cổ truyền 41 3.1.2 Phẫu thuật tia laser 41 3.1.3 Các ứng dụng khác y học 45 3.2 Trong công nghiệp 45 3.3 Trong khoa học 50 3.3.1 Làm lạnh nguyên tử laser 50 3.3.2 Nghiên cứu Quang học phi tuyến 53 3.3.3 Holography 54 3.3.4 Nghiên cứu sinh hóa đại 55 3.3.5 Ứng dụng laser khoa học kĩ thuật 56 3.4 Trong quân 57 Kết luận chương 58 KẾT LUẬN CHUNG 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO 60 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT TT Thuật ngữ Giải thích viết tắt BCH Laser Maser TEM FWHM Buồng cộng hưởng Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Microwave Amplification by Stimulated Emisson of radiation Transversal Eletromagnetic độ rộng công tua khuếch đại laser DANH MỤC HÌNH Trang Hình 1.1 Hệ hai mức lượng Hình 1.2 Hệ mức lượng với mức laser mức trung gian Hình 1.3 Hệ mức lượng với laser mức cao Hình 1.4 Sơ đồ mức lượng 10 Hình 1.5 Sơ đồ máy phát laser 12 Hình 1.6 Sự hình thành hồi tiếp dương buồng cộng hưởng 14 Hình 1.7 Một số loại buồng cộng hưởng 15 Hình 2.1 Các mode trục dọc BCH đường bao vạch phổ mode laser 25 Hình 2.2 Số mode buồng cộng hưởng lựa chọn mode buồng cộng hưởng laser He-Ne 26 Hình 2.3 Độ rộng vạch phổ 26 Hình 3.1 Mắt cận thị, hiệu chỉnh mắt mắt sau hiệu chỉnh laser excimer 45 Hình 3.2 Cơ chế bóc vật liệu 46 Hình 3.3 Cắt kim loại 46 Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý cắt 46 Hình 3.5 Khắc kim loại 47 Hình 3.6 Nguyên lý máy khoan laser 48 Hình 3.7 Vòi phun cắt 48 Hình 3.8 Hàn kim loại 49 Hình 3.9 Mơ hình hệ làm lạnh nguyên tử 51 Hình 3.10 Nguyên lý làm lạnh phương pháp Doppler 51 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Ngày khoa học cơng nghệ LASER có bước phát triển vượt bậc LASER sử dụng nhiều ngành khoa học cơng nghệ, mà cịn sử dụng vào nhiều lĩnh vực sống, trực tiếp mang lại hạnh phúc cho cộng đồng Với khả tạo chùm ánh sáng có tính chất đặc biệt tính kết hợp cao, tính đơn sắc cao, tính định hướng, mật độ công suất cao, thay đổi bước sóng với hiệu ứng quang phi tuyến, laser tạo điều kiện để nghiên cứu hàng loạt tượng khác thường tự nhiên Các thành tựu tiên tiến công nghệ laser áp dụng rộng rãi ngành công nghiệp, nông nghiệp, quốc phịng, xây dựng, viễn thơng, đóng tàu, làm lạnh nguyên tử, đặc biệt y học Trong tính chất chùm laser, độ đơn sắc cao tính chất quan trọng nhất, định nghĩa qua độ rộng vạch phổ chùm tia laser Việc tính tốn, nghiên cứu độ rộng vạch phổ laser đóng vai trị quan trọng nghiên cứu, giúp cho thực nghiệm định hướng ứng dụng cho lĩnh vực cụ thể Vì để góp phần tìm hiểu mặt vật lý ứng dụng q trình này, chúng tơi chọn đề tài “Nghiên cứu độ rộng vạch phổ LASER số ứng dụng” để nghiên cứu Mục đích nghiên cứu - Nghiên cứu sở lý thuyết Laser - Tính tốn độ rộng vạch phổ số laser khác - Tìm hiểu ứng dụng laser số lĩnh vực KHCN đời sống Nhiệm vụ nghiên cứu - Tìm hiểu tổng quan laser - Dẫn cơng thức chung tính tốn độ rộng vạch phổ laser - Tính toán, so sánh độ rộng vạch phổ số laser thông dụng - Nêu ứng dụng laser lĩnh vực: y tế, công nghiệp, nghiên cứu khoa học, lĩnh vực quân Đối tượng phạm vi nghiên cứu - Đối tượng: Các loại laser thông thường, độ rộng vạch phổ ứng dụng chúng - Phạm vi: + Tính độ rộng vạch phổ laser + So sánh độ rộng vạch phổ số laser khác + Tìm hiểu ứng dụng laser Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu lý thuyết Giả thuyết khoa học Đóng góp đào tạo, nghiên cứu khoa học Bố cục luận văn Ngoài phần mở đầu, kết luận chung tài liệu tham khảo, luận văn gồm ba chương có nội dung sau: Chương Tổng quan LASER Trong chương trình bày tổng quan lịch sử hình thành phát triển laser, cấu tạo nguyên tắc hoạt động máy phát laser, giới thiệu buồng cộng hưởng quang học, tính chất chùm tia laser Chương Nghiên cứu phụ thuộc độ rộng vạch phổ vào cấu trúc buồng cộng hưởng Trong chương chúng tơi tính tốn độ rộng vạch phổ số laser khác nhau, nêu ảnh hưởng cấu trúc buồng cộng hưởng lên độ rộng vạch phổ Chương Một số ứng dụng laser Trong chương chúng tơi tìm hiểu số ứng dụng laser lĩnh vực khác khoa học, công nghệ đời sống Phần kết luận chung nêu số kết mà luận văn đạt 46 tạp, tùy thuộc chủ yếu vào phân tán mát phản xạ chùm tia bề mặt chi tiết Thêm vào đó, truyền nhiệt vào bên chi tiết gây nên chuyển biến pha, chảy, bốc Tùy thuộc vào mật độ lượng thời gian tác động chùm tia mà chế trình từ việc hấp thu nhiệt truyền nhiệt nóng chảy bốc Hình 3.2 Cơ chế bóc vật liệu vật liệu Chùm tia laser với mật độ cao thường gây nên lớp plasma bề mặt vật liệu Hậu làm giảm hiệu suất q trình gia cơng làm giảm hấp thu tập trung nhiệt bề mặt chi tiết Q trình gia cơng xảy mật độ lượng chùm tia lớn phần mát dẫn nhiệt, đối lưu phát xạ Hơn nữa, lượng phát xạ phải thâm nhập vào bên vật liệu Tùy thuộc vào mức độ phản xạ, hấp thụ chùm tia dẫn nhiệt làm cho mức độ nóng chảy bốc vật liệu khác Do yếu tố nói ảnh hưởng đến tốc độ bóc vật Hình 3.3 Cắt kim loại liệu Mức độ phản xạ phụ thuộc vào bước sóng, tính chất vật liệu độ bóng bề mặt chi tiết gia cơng, mức độ oxy hóa vật liệu nhiệt độ Phần chùm tia không bị phản xạ hấp thụ vào chi tiết làm nóng chảy bốc vật liệu * Cắt khắc kim loại Ích lợi laser ứng dụng Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý cắt khoa học, cơng nghiệp, kinh doanh nằm tính đồng pha, đồng màu cao, 47 khả đạt cường độ sáng cao, hay hợp yếu tố Ví dụ, đồng pha tia laser cho phép hội tụ điểm có kích thước nhỏ Đây điều kiện cho phép laser với cơng suất nhỏ tập trung cường độ sáng cao dùng để cắt, đốt làm bốc vật liệu kỹ thuật cắt laser Ví dụ, laser Nd:YAG, sau trình nhân tần, phóng tia sáng xanh bước sóng 523 Hình 3.5 Khắc kim loại nm với cơng suất 10 W có khả năng, đạt đến cường độ sáng hàng triệu Watt centimet vuông Trong thực tế, tập trung hồn tồn tia laser giới hạn nhiễu xạ khó Người ta sử dụng Laser Nd: YAG Ưu điểm laser là: Thao tác với chi tiết nhỏ phần vật liệu nhỏ Cắt tốt vật liệu có hệ số phản xạ cao, hợp kim đồng hay hợp kim bạc Nếu sử dụng sợi cáp quang di chuyển mũi cắt cách dễ dàng Nhược điểm cắt vật liệu hữu cơ, thạch anh, thuỷ tinh Công suất nhỏ Ưu điểm cắt laser: Cắt hầu hết loại vật liệu, vật liệu có từ tính khơng có từ tính Rãnh cắt sắc cạnh, có độ xác cao Có thể cắt theo đường thẳng hay đường cong Không biến dạng học biến dạng nhiệt Tốc độ cắt nhanh Dễ dàng áp dụng vào tự động hoá nâng cao suất Không gây tiếng ồn, không gây ô nhiễm môi trường làm việc bụi Nhược điểm: Chiều dày cắt hạn chế 10 - 20 mm (tuỳ thuộc công suất nguồn laser) Tương tự cắt, người ta sử dụng laser để khắc lên kim loại Khắc laser cho phép độ xác, tinh vi cao dùng phương pháp khác  Khoan laser Máy phát laser để gia công kim loại cấu tạo phần sau: - Đầu phát laser 48 - Bộ phận cung cấp điện điều khiển - Bộ phận gá đặt chi tiết gia công Loại laser rắn thường dùng để khoan tinh thể thủy tinh hợp chất (hồng ngọc, thạch anh,…) Để khoan cần có Hình 3.6 Ngun lý máy khoan laser hội tụ tia, lọc, cấu tập trung chùm laser, vòi phun: - Bộ hội tụ tia: nhiệm vụ tập trung tia laser điểm hay vùng nhỏ, làm cho mật độ lượng nhiệt độ điểm tăng cao cục Bộ phận thường thấu kính hội tụ - Bộ lọc: Do máy phát tia laser bước sóng mà có nhiều bước sóng khác Do sử dụng lọc cho bước sóng để có cộng hưởng cao Thơng thường lọc làm việc theo nguyên tắc phản xạ ánh sáng - Cơ cấu tập trung chùm laser: Để tạo nên mật độ lượng cao vị trí gia cơng tùy thuộc vào mục đích cơng nghệ, dùng nhiều biện pháp khác Các biện pháp thường dùng là: Dùng thấu kính hội tụ, dùng hệ thống chiếu ảnh * Vòi phun cắt: Khi cắt, người ta cho vào luồng khí để hỗ trợ tia laser q trình gia cơng Khi cắt tia laser, dịng khí tạo lực học để đẩy kim loại nóng chảy khỏi vùng cắt gọt làm lạnh dịng đối lưu Lớp nóng chảy khơng bóc cách hiệu dẫn đến chất lượng vết cắt bị giảm sút Hình 3.7.Vịi phun cắt 49 Laser sử dụng để khoan lỗ nhỏ sâu kim loại, ceramic, plastic composite Có thể khoan vật liệu kim loại bao gồm thép không rỉ, vonfram, tantali, bery urani, hợp kim vật liệu phi kim loại Phương pháp khoan tia laser hiệu lỗ nhỏ, tự động hóa dễ dàng, chiều sâu đường kính lỗ hạn chế Khi tập trung laser thành điểm, ta khoan vật liệu có nhiệt độ nóng chảy cao với đường kính lên đến 100 - 250micromet Để khoan lỗ nhỏ phải dùng hệ thống lăng kính hội tụ hệ thống điều chỉnh khí, gia cơng lỗ hay rãnh có đường kính từ - micromet Chiều sâu lỗ điều chỉnh cách điều chỉnh thời gian số lần phát xung  Hàn kim loại Sử dụng chùm laser làm nóng chảy hai phần tiếp xúc để kết dính với Hàn tia laser áp dụng phổ biến công nghệ chế tạo vi mạch Nhờ phương pháp nối đầu nối với mạch in Hàn tia laser áp dụng cơng nghệ làm kín vỏ mạch tích hợp Hình 3.8 Hàn kim loại Phương pháp nối kim loại có tính chất lý hóa khác nhau, nối kim loại với phi kim loại Người ta thường sử dụng Laser Nd: YAG để hàn Mỗi loại vật liệu có khả hàn tia laser khác Sự chuyển lượng laser chuyển thành nhiệt khiến cho kim loại phải trải qua thay đổi pha từ rắn sang lỏng lượng khơng cịn nữa, kim loại trở trạng thái rắn Quá trình hàn chảy kim loại dùng để tạo mối 50 hàn điểm hay lớp hàn liên tục Chiều sâu ngấu hàn tia laser nhỏ phụ thuộc vào tốc độ truyền nhiệt từ lượng bề mặt chi tiết Tuy nhiên hàn laser lượng cao chùm tia tạo lỗ vật liệu lượng laser tập trung vào đáy lỗ, cho phép đạt chiều sâu ngấu lớn Những ưu điểm phương pháp hàn laser: mối hàn không bị bẩn, độ tập trung lượng cao hàng chục kW vào điểm có kích thước 0,2- 0,3 mm, miền truyền nhiệt nhỏ, giảm nhiệt độ nhanh Giảm biến tính vật liệu nhiệt q trình hàn Khơng cần gia công sau hàn Tốc độ hàn nhanh Nhược điểm: Giá thành đầu tư cao Sự làm lạnh nhanh dễ gây nứt gãy 3.3 Trong khoa học 3.3.1 Làm lạnh nguyên tử laser Làm lạnh nguyên tử hay làm đông đặc hệ nguyên tử ứng dụng đại laser, laser bước sóng thay đổi đóng vai trị quan trọng suốt qúa 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 51 nguyên tử, ta sử dụng chùm tia laser với n photon xung lượng k chiếu vào nguyên tử ngược chiều chuyển động Hình 3.9 Mơ hình hệ làm lạnh ngun tử [4] Bình chứa ngun tử hoạt tính chuyển động hỗn loạn với vận tốc phụ thuộc nhiệt độ T Bình đặt hệ chân khơng 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 chuyển động chúng gọi “bẫy” từ trường tuyến tính Thực tế, phải làm lạnh ngun tử thể tích định Do đó, q trình làm lạnh phải theo khơng gian ba chiều Ngoài ra, sau làm chậm nguyên tử trình giam “bẫy” chúng quan trọng [4] Vào năm 1975, nhà khoa học dã nghĩ đến phương pháp làm Hình 3.10 Nguyên lý làm lạnh phương pháp Doppler [13] 52 lạnh hiệu dụng cho nguyên tử trung hòa: hạt chất khí nhiệt độ phịng bay hỗn loạn với vận tốc hai 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 Phương pháp làm lạnh Doppler phương pháp dùng để bẩy làm lạnh nguyên tử ion Phương pháp làm lạnh Doppler phương pháp làm lạnh phổ biến laser Phương pháp làm lạnh đưa Theodor W Hănsch Arthur Leonard Schawlow Đại học Stanford năm 1975 thí nghiệm thành cơng Steven Chu Phịng thí nghiệm AT&T Bell vào năm 1985 Khi nguyên tử ion bẫy bẫy ion ta dùng laser để chiếu photon theo nhiều chiều Khi nguyên tử chuyển động ngược chiều với chiều chiếu photon, nguyên tử chuyển động chậm đi, nhiệt độ nguyên tử giảm Khi chiếu chùm photon có bước sóng định phía nguyên tử chuyển động ngược chiều, hiệu ứng Dopplel 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 khơng 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 53 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 cơng thức: P P Pphoton v v  photon   P mv v 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 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 [13] 3.3.2 Nghiên cứu Quang học phi tuyến Như biết quang học cổ điển nguồn sáng phát sóng nguồn khơng kết hợp có cường độ nhỏ Khi tương tác ánh sáng với môi trường vật chất, độ phân cực mơi trường hàm tuyến tính cường độ điện trường sóng tới P  E đây, P độ phân cực môi trường  độ cảm điện môi trường E cường độ điện trường Khi cường độ sóng lớn cỡ xạ laser ta biểu diễn lại độ phân cực sau: 54 P   1E   2E   3E Khi E lớn số hạng bậc cao E trở nên có tác dụng lớn chúng dẫn đến hiệu ứng trước không quan sát được, hiệu ứng quang phi tuyến Ngày người ta nghiên cứu kĩ lưỡng phương diện lí thuyết lẫn thực nghiệm hiệu ứng quang phi tuyến, mở ngành khoa học ngành Quang học phi tuyến với nhiều hướng nghiên cứu khác ứng dụng khác lĩnh vực 3.3.3 Holography Holography tên thường gọi chụp ảnh khối Nguyên lí holography đề xuất năm 1948 nguồn sáng để chụp không đủ mạnh nên không thu kết Chỉ từ có laser, người ta sử dụng nguồn sáng để thu ảnh khối vật nghiên cứu holography phát triển nhanh trở thành ngành khoa học riêng vật lí quang học kĩ thuật * Holography phương pháp ghi phương pháp chụp ảnh nhờ máy ảnh Tuy nhiên có ưu điểm bật phương pháp chụp ảnh thông thường - Phương pháp chụp ảnh khơng cần thấu kính - Nó cho hình ảnh khối vật, nghĩa cho hình ảnh chiều - Holography ghi lại sóng tán xạ từ vật bao gồm biên độ pha sóng điểm Holography có tín hiệu từ tồn vật chụp Do vậy, ta bẻ gãy Holography thành nhiều phần mảnh nhỏ có đủ thơng tin sóng tán xạ từ vật cho ta hình ảnh vật phục hồi Đây đặc tính quan trọng Holography để có nhiều chép vật, dễ bảo quản nhân lên 55 - Do holography có hình khối nên ghi lại tín hiệu từ vật khác vùng khác nhau, nghĩa lúc giữ lại nhiều thơng tin * Với ưu điểm vừa nêu người ta mở nhiều ứng dụng thú vị quan trọng sau: - Nếu người ta ghi lại lượng thông tin lớn yếu tố thể tích holography trở thành nhớ tốt cho máy tính Vì ghi lại phục hồi ánh sáng nên dẫn tới việc xây dựng máy tính điện tử quang học Đối với loại máy tính tốc độ xử lý thơng tin nhanh gấp nhiều lần máy tính có máy tính quang học tốc độ lan truyền tín hiệu vận tốc ánh sáng môi trường - Khi sử dụng loại ánh sáng khác để ghi lại Holoraphy phục hồi ánh sáng trắng ta thấy hình ảnh màu vật Đây nguyên tắc chụp ảnh màu video màu Và tương lai kỹ thuật chụp ảnh, truyền hình màu có triển vọng - Vì holography cho ta hình ảnh khối vật nên người ta sử dụng mẫu để kiểm tra sản phẩm lốp ô tô so sánh với lốp chuẩn xem có sai hỏng khơng… - Nhờ phương pháp người ta dễ dàng ghi lại hình ảnh khối sinh vật nhỏ chúng chuyển động tên lửa, máy bay chúng chuyển động để nghiên cứu thay đổi theo thời gian vật theo mục đích nghiên cứu khác 3.3.4 Nghiên cứu sinh hóa đại Trong phản ứng hóa học có tham gia nhiều đồng vị hóa học thường gặp khó khăn ta muốn loại trừ ảnh hưởng đồng vị liên kết Tuy nhiên, đồng vị có lượng liên kết hóa học sai khác nên có nhờ tia laser có độ đơn sắc cao dễ dàng phá hủy liên kết 56 có tương tác cộng hưởng Năng lượng xạ laser hf phá hủy liên kết tương ứng với lượng mà không ảnh hưởng đến loại dao động với tần số f1, f2, f3,… khác giá trị f Người ta nói phá hủy hay kích thích chọn lọc phản ứng hóa học Chính điều mở khả nghiên cứu sản phẩm trung gian hóa học, nghiên cứu trình diễn biến theo thời gian phản ứng 3.3.5 Ứng dụng laser khoa học kĩ thuật  Trong thông tin liên lạc: Do tia laser có tính định hướng cao, độ đơn sắc cao tính kết hợp cao nên laser sử dụng rộng rãi liên lạc vô tuyến vô tuyến định vị, liên lạc vệ tinh, điều khiển tàu vũ trụ, tên lửa, truyền tin cáp quang Sử dụng tia laser có ưu điểm sau: So với sóng vơ tuyến dải sóng truyền tin tia laser lớn gấp bội ví dụ với sóng vơ tuyến tần số sử dụng 104 - 3.1011 Hz nên dải sóng truyền tăng lên đến 5.104 lần Do đó, xạ laser nằm khoảng 0.4m  0,8m với kênh truyền tin 6,5 MHz sử dụng laser ta có gần 80.10 kênh truyền lúc gấp 105 lần kênh truyền sử dụng sóng cực ngắn Ngồi ra, tia laser có tính chất mang lượng lớn nên xa sóng vơ tuyến Khi sử dụng tia laser giảm hàng tỷ lần lượng cần dùng, tia laser sử dụng truyền tin vũ trụ Và sử dụng laser có bước sóng thích hợp truyền tin môi trường khác sương mù, biển…  Trong nghiên cứu vũ trụ: Tia laser sử dụng rộng rãi nghiên cứu vũ trụ, ví dụ như: - Tia laser sử dụng để xác định vị trí vật thể vũ trụ - Theo dõi tàu vũ trụ liên lạc với chúng 57 - Điều khiển tàu vũ trụ  Trong xây dựng đo lường, xác định khoảng cách: Nhờ có tính định hướng tốt cường độ cao, tia laser có tiết diện khơng đổi, cỡ 1mm, khoảng cách lớn, trải qua dãy núi, Người ta dùng laser để phục vụ phép đo địa hình phức tạp rộng lớn Phép đo độ dài xác tiến hành nhờ laser, sử dụng phương pháp giao thoa Michelson  Trong khí tượng: Dùng tia laser đo nồng độ hạt nước đám mây để dự đoán thời tiết Bằng cách thả bóng thám khơng trước đây, việc xác định thời tiết thường lâu tốn  Trong ngành vi điện tử: Ánh sáng laser bắn hội tụ tới mật độ cực cao vào điểm nhỏ, cỡ vài micromet, laser ứng dụng vi điện tử học, tạo vi mạch tinh xảo, hàn kết nối kim loại nặng với cấu trúc nhỏ  Trong lưu trữ thông tin: Người ta sử dụng laser làm nguồn để ghi đọc thông tin đĩa quang, đĩa CD, VCD… thay cho băng từ trước Các đĩa quang có nhiều ưu hẳn băng từ, gọn nhẹ, nhớ lớn, độ bền học cao, giá thành thấp… 3.4 Trong quân Một số laser dùng mục đích qn Chùm tia laser có khả tạo mật độ lượng đủ lớn để đốt cháy mục tiêu bị chiếu vào Từ cơng dụng đó, người nhanh chóng biến laser thành loại vũ khí đầy tiềm năng, chia thành loại: Vũ khí laser cơng suất thấp làm lố mắt đối phương Vũ khí laser lượng cao dùng chùm tia laser cực mạnh chiếu 58 đến điểm mục tiêu, dừng lại thời gian ngắn để vật liệu chảy khí hố Kết luận chương Việc phát minh laser đem lại cho người nhiều lợi ích sống hàng ngày khoa học kỹ thuật Với tính chất đặc trưng riêng tính kết hợp, cường độ tia laser lớn gấp bội lần cường độ tia sáng nhiệt, độ định hướng cao, độ đơn sắc cao, tính chất khơng gian, tính chất thời gian thay đổi bước sóng Trong chương chúng tơi trình bày số ứng dụng laser khoa học, công nghệ đời sống làm lạnh nguyên tử laser, ứng dụng laser y tế, ngành cơng nghiệp hay mục đích qn 59 KẾT LUẬN CHUNG Trong luận văn này, tập trung tìm hiểu, nghiên cứu, khảo sát vấn đề sau: - Nêu tổng quan laser, lịch sử đời, chế phát laser - Đã tìm hiểu cấu tạo chung máy phát laser, cấu trúc buồng cộng hưởng - Đã tính toán độ mở rộng vạch phổ số laser thơng thường Các kết tính tốn thu cho thấy độ rộng vạch phổ tia laser phụ thuộc vào cấu trúc buồng cộng hưởng (khoảng cách hai gương L) vào chất môi trường hoạt chất bước sóng phát laser Kết thu cho thấy laser khí có độ rộng vạch phổ nhỏ nhất, laser màu có độ mở rộng lớn Các tính tốn thu cho loại laser khác phù hợp với công bố thực nghiệm độ rộng phổ - Đã trình bày số ứng dụng laser khoa học, công nghệ đời sống làm lạnh nguyên tử laser, ứng dụng laser y tế, ngành cơng nghiệp hay mục đích qn 60 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Đào Khắc An (2002), Vật liệu linh kiện quang tử ứng dụng thông tin quang, NXB ĐHQG Hà Nội [2] Đinh Văn Hoàng- Trịnh Đình Chiến, Vật lý laser ứng dụng (2005), NXB Đại học quốc gia Hà Nội [3] Hồ Quang Quý (2006), Laser rắn, công nghệ ứng dụng, NXB ĐHQG Hà Nội [4] Hồ Quang Quý (chủ biên), Vũ Ngọc Sáu (2005), Laser bước sóng thay đổi Ứng dụng, NXB ĐHQG Hà Nội [5] Nguyễn Đại Hưng (2004), Vật lý kỹ thuật laser, NXB ĐHQG Hà Nội [6] Nguyễn Thế Bình (2004), Kỹ thuật laser, NXB Đại học quốc gia Hà Nội [7] Ngụy Hữu Tâm (2005), Những ứng dụng laser, NXB khoa học kỹ thuật Hà Nội [8] Trần Đức Hân - Nguyễn Minh Hiển (2005), Cơ sở kỹ thuật laser, NXB Giáo dục [9] E K A, Advanced Physics Laboratory, Physics 3081, 4051, The He-Ne laser and optical resonators [10] Orizio Svelto (2010), Principles of Lasers, Springer [11] Subhash Chandra Singh, Haibo Zeng, Chunlei Guo, and Weiping Cai (2012), Lasers: Fundamentals, Types, and Operations, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co KGaA [12].course.ee.ust.hk/elec342/notes/Lecture%2013_laser%20diodes%282%29.p df [13] http:// vi.wikipedia org [14].http//www.hvacr.vn [15] https://spie.org/Documents/05.pdf [16] www.fitartueelabsmtllasergif_files.laser_en.html ... Các loại laser thông thường, độ rộng vạch phổ ứng dụng chúng - Phạm vi: + Tính độ rộng vạch phổ laser + So sánh độ rộng vạch phổ số laser khác + Tìm hiểu ứng dụng laser Phương pháp nghiên cứu Phương... độ rộng vạch phổ laser - Tính tốn, so sánh độ rộng vạch phổ số laser thông dụng - Nêu ứng dụng laser lĩnh vực: y tế, công nghiệp, nghiên cứu khoa học, lĩnh vực quân Đối tượng phạm vi nghiên cứu. .. hướng ứng dụng cho lĩnh vực cụ thể Vì để góp phần tìm hiểu mặt vật lý ứng dụng q trình này, chúng tơi chọn đề tài ? ?Nghiên cứu độ rộng vạch phổ LASER số ứng dụng? ?? để nghiên cứu Mục đích nghiên cứu