Một số ứng dụng mới nhất của laser

Tr-ờng đại học vinh Khoa vật lý === === mét sè øng dơng míi nhÊt cđa laser khãa ln tốt nghiệp đại học Chuyên ngành: quang học - quang phỉ Giảng viên hướng dẫn : TS Đồn Hồi Sơn Sinh viên thực : Vũ Thị Vòng Lớp : 49B - Vật lý Mssv : 0851050127 nghÖ an - 2012 Khóa luận tốt nghiệp Trường Đại học Vinh MỤC LỤC Trang LỜI CẢM ƠN MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Đối tượng phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu .2 Bố cục luận văn CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ LASER Lịch sử đời phát triển Laser Nguyên lý cấu tạo Laser 2.1 Cơ sở lý thuyết 2.2 Cấu tạo máy phát laser 2.3 Nguyên lý hoạt động máy phát laser 11 Đặc điểm Laser 13 Tính chất laser 14 4.1 Độ định hướng cao: 14 4.2 Độ đơn sắc cao: 14 4.3 Có khả phát xung cực ngắn: 14 4.4 Cường độ sáng lớn: 14 4.5 Tính kết hợp: 14 4.6 Tính hội tụ: 15 Phân loại laser 15 Ưu điểm nhược điểm laser .17 6.1 Ưu điểm 17 6.2 Nhược điểm 17 CHƯƠNG II : MỘT SỐ ỨNG DỤNG MỚI NHẤT CỦA LASER 18 Ứng dụng laser y học 18 Ứng dụng laser công nghiệp 21 Chíp laser 23 Mặt trời nhân tạo 23 SVTH: Vũ Thị Vịng Lớp: 49B – Vật lý Khóa luận tốt nghiệp Trường Đại học Vinh Ứng dụng laser để tạo xung cực ngắn 24 Ứng dụng laser nghiên cứu khoa học 27 Ứng dụng laser khoa học kỹ thuật 31 Ứng dụng laser kỹ thuật quân 36 10 Laser điểm lượng tử 41 11 Ứng dụng laser đời sống .44 12 Ứng dụng laser việc tạo từ trường mạnh 46 13 Ứng dụng laser thông tin quang 46 14 Dùng laser di chuyển xung sáng khí lạnh .49 15 Ứng dụng laser vi mạch điện tử 50 KẾT LUẬN 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO 53 SVTH: Vũ Thị Vòng Lớp: 49B – Vật lý Khóa luận tốt nghiệp Trường Đại học Vinh LỜI CẢM ƠN Luận văn hoàn thành nhờ nỗ lực phấn đấu thân hướng dẫn tận tình Thầy giáo TS Đồn Hồi Sơn, với giúp đỡ Thầy Cô khoa Vật Lý Qua tác giả xin gửi tới Thầy giáo TS Đồn Hồi Sơn, Thầy Cơ khoa Vật Lý lời cảm ơn chân thành Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới gia đình bạn bè tạo điều kiện giúp đỡ tác giả để tác giả hoàn thành luận văn Do điều kiện thời gian khả có hạn nên khơng thể tránh khỏi thiếu sót thực đề tài Rất mong nhận đóng góp ý kiến độc giả để đề tài hoàn thiện Sinh viên Vũ Thị Vòng SVTH: Vũ Thị Vòng Lớp: 49B – Vật lý Khóa luận tốt nghiệp Trường Đại học Vinh MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Thế kỷ XXI kỷ công nghệ cao, công nghệ kỹ thuật số, quan tâm tới khả đáp ứng nhu cầu công việc nhà máy mà đánh giá cao gọn nhẹ chúng Các nhà khoa học công bố hai phát kiến có tầm ảnh hưởng lớn đến công nghệ ngày Thứ nhất, đời Transitor kích thích phát triển vi điện tử, công nghệ “vi mô ” Thứ hai, quan trọng phát minh laser, mở đường cho nhà phát minh, sáng chế Laser có tầm ảnh hưởng sâu rộng đến tất lĩnh vực đời sống Laser gần gũi với tất người Hầu hết nghe nhắc đến cụm từ vài lần Ngày laser diện nhiều nơi, thơng tin đại chúng cịn hạn chế Laser phát triển mạnh vào năm 80 kỷ XX, thời điểm nước ta vừa vực dậy sau chiến tranh nên điều kiện áp dụng thành khoa học đại cịn hạn chế, mặt khác giá thành khơng nhỏ Nhưng laser phát triển nhanh, xâm nhập nhiều vào sống thành tựu ứng dụng rộng rãi ngành: cơng nghiệp, nơng nghiệp, quốc phịng, y học…vậy nên tìm hiểu kỹ nó: laser gì? laser xuất nào? chặng đường phát triển nó? tính chất ứng dụng vào đời sống? Chắc chắn câu hỏi có từ lâu người người ngày chứng kiến bùng nổ công nghệ kỹ thuật, phải tự hỏi câu hỏi Với mong muốn trả lời câu hỏi đó, tơi chọn đề tài: “ Laser số ứng dụng laser ” để tìm hiểu nghiên cứu khóa luận SVTH: Vũ Thị Vịng Lớp: 49B – Vật lý Khóa luận tốt nghiệp Trường Đại học Vinh Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đề tài nghiên cứu đến kiến thức laser như: lịch sử đời laser, đặc điểm, cấu tạo, nguyên tắc hoạt động, tính chất laser số ứng dụng laser sống không sâu vào kiến thức chuyên ngành Phương pháp nghiên cứu  Phương pháp lý thuyết: thu thập thông tin tài liệu từ sách, báo, internet…để tìm hiểu vấn đề nghiên cứu  Tổng hợp phân tích tài liệu Bố cục luận văn Ngoài phần mở đầu kết luận, luận văn chia làm hai chương: Chương I: Tổng quan Laser Trong chương chúng tơi tìm hiểu số vấn đề như: Lịch sử phát triển laser, nguyên lý cấu tạo laser, đặc điểm laser, phân loại laser số ưu điểm, nhược điểm laser Chương II: Một số ứng dụng Laser Trong chương nghiên cứu ứng dụng laser y học, cơng nghiệp, qn sự, đời sống… SVTH: Vũ Thị Vịng Lớp: 49B – Vật lý Khóa luận tốt nghiệp Trường Đại học Vinh CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ LASER Lịch sử đời phát triển Laser Laser từ viết tắt cụm từ: Light Amplification by Stimulated Emisson of Radiation, nghĩa xạ ánh sáng xạ cưỡng Người ta nhớ lại vào năm 1916, sau bầu vào viện Hàn Lâm Khoa học Đức, Enstein tư trìu tượng cao, nêu thuyết: “ Nếu chiếu nguyên tử sóng điện từ, xảy xạ “được kích hoạt ” trở thành chùm tia hoàn toàn đơn sắc, tất photon (quang tử) phát có bước sóng ” Đó ý tưởng khoa học, chưa chứng minh nên nhanh chóng lãng quên nhiều năm Mãi đến năm 1951, Giáo sư Charles Townes thuộc trường đại học Columbia thành phố New York (Mỹ) ý đến khuếch đại sóng cực ngắn (vi sóng) Ơng thực thí nghiệm mang tên Maser (Maze) khuyếch đại vi sóng xạ cảm ứng (Chữ Maser từ viết tất cụm từ: Microwave Amplification by Stimulated Emisson of Radiation) Ông thành cơng, phí tốn để nghiên cứu phịng thí nghiệm Cũng vào thời gian này, phương trời khác, hai nhà khoa học Xô Viết Nikolay Gennadiyevich Basov Aleksandr Mikhailovich Prokhoorv phát minh máy khuyếch đại vi sóng gần dạng nguyên lý: tạo hệ thống phóng tia liên tục cách dùng nhiều hai mức lượng, hệ thống phóng tia liên tục mà không cho hạt xuống mức lượng bình thường giữ tần suất Hình 1: Phát Maser vũ trụ SVTH: Vũ Thị Vòng Lớp: 49B – Vật lý Khóa luận tốt nghiệp Trường Đại học Vinh Năm 1958, Townes đồng ơng Arthur Schawlow xuất tạp chí khoa học đăng ký sáng chế cho “Maser quang học”, sử dụng để tạo tia hồng ngoại tạo ánh sáng nhìn thấy Tuy nhiên vài tháng trước đó, Gordon Gould, nghiên cứu sinh làm việc đại học Columbia, độc lập đưa khái niệm buồng quang học-optical resonator sử dụng kính (mirrors) đầu ống thẳng hàng, cho phép mức lượng trung bình đạt tạo lượng quang để trì đảo ngược tạo ánh sáng chuẩn trực, liên kết Gould ghi nhận kết tính tốn ơng vào ghi chép notebook, cho thiết bị ơng laser Hình 2: Máy tạo Maser lịch sử Dựa theo ấn Townes’ Schawlow’s năm 1958, Theodore Maiman, làm việc trung tâm nghiên cứu Hughes, tạo máy Laser sử dụng rod ruby với kính tạo quang hai đầu bóng đèn phát tia xoắn bịt kín xylanh nhơm Ông công bố kết đạt buổi họp báo New York City vào tháng năm 1960 SVTH: Vũ Thị Vòng Lớp: 49B – Vật lý Khóa luận tốt nghiệp Trường Đại học Vinh Hình 3: Laser Ruby Nhiều năm tiếp theo, nhà khoa học khắp nơi nối dài đường phát triển laser thành nhiều loại, nhiều cách: đưa vào hoạt chất thể khí (VD CO2, He, Ne …) ta có tia laser từ thể khí, đưa vào areniure (từ gallium) có tia từ bán dẫn, đưa vào chất dung dịch màu hữu cho ta laser lỏng, …Điều kỳ diệu tùy theo hoạt chất mà tạo nhiều màu sắc khác làm cho tia laser trở nên lung linh huyền ảo Nguyên lý cấu tạo laser Nguyên lý cấu tạo chung máy laser gồm có: buồng cộng hưởng chứa hoạt chất laser, nguồn bơm hoạt chất Trong buồng cộng hưởng với hoạt chất laser phận chủ yếu Buồng cộng hưởng chứa hoạt chất laser, chất đặc biệt có khả khuyếch 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 mặt chắn hai đầu, mặt phản xạ toàn phần photon bay tới, mặt cho phần photon qua phần phản xạ lại làm cho hạt photon va chạm liên tục vào hoạt chất laser nhiều lần tạo mật độ photon lớn Vì cường độ chùm laser khuyếch đại lên nhiều lần Tính chất laser phụ thuộc vào hoạt chất đó, người ta vào hoạt chất để phân loại laser SVTH: Vũ Thị Vòng Lớp: 49B – Vật lý Khóa luận tốt nghiệp Trường Đại học Vinh 2.1 Cơ sở lý thuyết Ta biết, lượng tử hóa nguyên tử làm cho nguyên tử có mức lượng gián đoạn Sự chuyển từ mức lượng sang mức lượng khác phải xảy phát xạ ánh sáng Theo tiên đề Borh, nguyên tử hay phân tử nằm trạng thái lượng cao lượng trạng thái thấp (trạng thái bản) tự chuyển mức lượng thấp mà khơng cần kích thích từ bên ngồi Một kết xảy với chuyển mức lượng giải phóng lượng dư thừa (ứng với hiệu hai mức lượng) dạng photon Ngun tử hay phân tử kích thích có thời gian phát xạ đặc trưng, thời gian mà chúng giữ trạng thái lượng kích thích cao trước chúng chuyển xuống mức thấp phát photon Từ thời gian phát xạ nguyên tử Einstein nghĩ loại phát xạ mới: phát xạ cưỡng Ở trạng thái kích thích, nguyên tử chiếu vào photon có lượng hiệu hai mức lượng mà chuyển trạng thái xảy tự phát, ngun tử bị cưỡng photon đến chuyển xuống mức lượng thấp mức khoảng lượng lượng photon đến, đồng thời phát photon bước sóng với photon đến Một photon riêng lẻ tương tác với ngun tử kích thích tạo hai photon phát xạ Nếu photon xem sóng xạ cưỡng dao dộng với tần số ấnh sáng tới, pha (thỏa mãn tính chất kết hợp) nên làm khuếch đại chùm sáng ban đầu Kết ánh sáng phát xạ khuếch đại SVTH: Vũ Thị Vòng Lớp: 49B – Vật lý Khóa luận tốt nghiệp Trường Đại học Vinh lính ngồi khoang lái dùng cần điều khiển để chọn điểm phóng chùm laser Với công suất từ 500 đến 2.000 Watt, chùm laser xun thủng vỏ thép mìn, đạn, pháo, khiến chúng bùng nổ Theo nhà khoa học, Zeus phát đạn thối, mìn điếc với vỏ nhựa kim loại khoảng cách từ 25 đến 250 mét Tuy nhiên chùm laser khơng thể xun qua đất, nên Zeus thích hợp cho việc dị mìn chiến trường, khơng thể dị mìn chơn sâu đất Laser điện tử tự Khác với laser mô tả, laser điện tử tự FEL (free electron Laser) không dựa điện tử dao động tự quanh hạt nhân Thay đó, người ta dùng điện tử giải phóng khỏi nguyên tử chúng, mà tự bay không gian dạng chùm tia điện tử Chùm tia lái hệ thống nam châm đặc biệt phát xạ mà ta yêu cầu Hình 28 Laser điện tử tự Khác với tia laser thông thường tạo cách sử dụng lăng kính ngược vật liệu đặc biệt để tập trung cường độ ánh sáng, việc tạo chùm tia laser điện tử có chất chùm electron gia tốc tới gần tốc độ ánh sáng, qua dao động từ trường ngang SVTH: Vũ Thị Vòng 39 Lớp: 49B – Vật lý Khóa luận tốt nghiệp Trường Đại học Vinh Bộ dao động tạo cách xếp nam châm xoay cực phận cộng hưởng quang học, dọc theo đường chùm tia điện tử Các xung từ trường ngang hộp cộng hưởng quang học bẻ cong chùm tia electron theo quỹ đạo hình sin Ở đó, tăng tốc electron dọc theo hộp cộng hưởng quang học kết việc giải phóng photon Sự tương tác electron hộp cộng hưởng quang học tạo chùm tia laser điện tử Bộ phận hoạt động máy gia tốc hạt, làm cho chùm tia điện tử mạnh Cường độ chùm tia laser điện tử điều chỉnh thông qua cường độ chùm tia electron tốc độ chùm tia hộp cộng hưởng quang học Hình 29: Cơ chế chùm tia Laser điện tử tự Với laser thông thường, cần tập trung cường độ ánh sáng để nung nóng vật phá hủy chúng Còn chế hủy diệt chùm tia FEL kết hợp cường độ ánh sáng với khả bắn phá electron nhằm phá hủy mục tiêu Thời gian để phá hủy mục tiêu nhanh thông qua việc điều chỉnh cường độ chùm tia laser điện tử Ứng dụng thành tựu kim phun điện tử mới, làm cho chùm tia điện tử trì thời gian lâu hơn, đồng nghĩa với cường độ chùm tia laser điện tử mạnh Thời gian ngắt quãng hai lần bắn ngắn so với laser thông thường Hiện tại, công suất chùm tia laser điện tử tạo đạt 14kW SVTH: Vũ Thị Vòng 40 Lớp: 49B – Vật lý Khóa luận tốt nghiệp Trường Đại học Vinh Các nhà nghiên cứu tích cực làm việc để tăng công suất chùm tia laser điện tử lên 100kW Khi FEL trở thành vũ khí phịng thủ tầm gần hiệu Thậm chí, tương lai nhà khoa học hy vọng tăng cường độ chùm tia laser điện tử lên 1MW, lúc hệ thống có khả tiêu diệt mục tiêu xa Nếu thử nghiệm thành công, bước đột phá vũ khí cơng nghệ cao Với chùm tia laser điện tử có tốc độ ánh sáng, lượng dịng điện lớn, có khả phá hủy mục tiêu thời gian ngắn, loại vũ khí thơng thường FEL nhà khoa học John Madey ĐH Stanford phát minh vào năm 1976, ứng dụng ban đầu sử dụng lĩnh vực y tế để phẫu thuật giác mạc cho bệnh nhân bị tật khúc xạ Các ứng dụng cho quân bắt đầu nghiên cứu vào năm 2009 Hải quân Mỹ dự định đưa vào sử dụng FEL vào năm 2018 10 Laser điểm lượng tử Từ năm 70 kỷ trứơc, nhiều sở nghiên cứu toàn giới cố gắng thử nhiều phương pháp có kiểm sốt khác để chế tạo hạt bán dẫn siêu nhỏ lại đồng độ lớn, thành phần hóa học, chúng có tên chung điểm lượng tử Người ta hy vọng từ đám xếp cách có trật tự vào ma trận vậy, chế tạo linh kiện quang t điện tử hoàn toàn chẳng hạn Laser điểm lượng tử tranzito-một-điện tử Những linh kiện loại bị giới hạn cực tiểu tuyệt đối mini hóa (tiểu hình hóa) nhất, tác dụng phải dựa vào đến hai điện tử Trong trường hợp laser điểm lượng tử, mơi trường hoạt tính laser có mức lượng mà hai điện tử chiếm giữ, nghĩa hai điện tử đủ để lấp kín mức đó, cần laser điểm lượng tử riêng biệt có xạ cưỡng đặc trưng cho xạ laser Chúng dùng SVTH: Vũ Thị Vịng 41 Lớp: 49B – Vật lý Khóa luận tốt nghiệp Trường Đại học Vinh máy tính để tạo mối liên lạc quang học hai chíp, chúng truyền số liệu ngàn lần nhanh liên lạc điện Đội nghiên cứu Rainer Blatt Piet Schmidt trường đại học Innsbruck vừa thực hóa thành cơng laser đơn ngun tử, biểu tính chất laser cổ điển tính chất lượng tử tương tác nguyên tử-photon Các nhà khoa học công bố kết họ tạp chí Nature Physics Hình 30: Laser đơn ngun tử Một hộp cộng hưởng quang tinh vi gồm hai gương, chúng bắt lấy tích góp photon ion phát vào mode Ion kích thích theo chu kì laser ngồi chu kì, photon thêm vào mode cộng hưởng, kết ánh sáng khuếch đại lên Ảnh: Schmidt Laser phát triển cách 50 năm Ngày nay, tưởng tượng sống không sản sinh nhân tạo sóng ánh sáng-laser trở thành phận thiếu nhiều ứng dụng sử dụng lĩnh vực truyền thông, gia dụng, y khoa, nghiên cứu SVTH: Vũ Thị Vòng 42 Lớp: 49B – Vật lý Khóa luận tốt nghiệp Trường Đại học Vinh Một laser thường gồm môi trường hoạt tính, bơm điện bơm quang học, bên hộp cộng hưởng quang có tính phản xạ cao Ánh sáng hộp phản xạ tới lui dạng mode nhờ khuếch đại liên tục Một đặc điểm bật laser cổ điển tăng đột biến công suất phát đạt tới ngưỡng bơm định Tại điểm độ lợi (sự khuếch đại mơi trường) cân với độ thất ánh sáng chạy hộp Hiện tượng gây khuếch đại tương tác ánh sáng nguyên tử: Càng có nhiều photon có mặt mode, khuếch đại ánh sáng mode mạnh Sự khuếch đại cảm ứng thường thấy laser vĩ mô gồm nhiều nguyên tử photon Các nhà nghiên cứu Innsbruck vừa chứng minh đạt tới ngưỡng laser viên gạch cấu trúc nhỏ laser: đơn nguyên tử, tương tác với mode đơn hộp cộng hưởng quang Một ion calcium đơn lẻ giam giữ bẫy ion kích thích laser ngồi Một hộp cộng hưởng quang khéo léo gồm hai gương, chúng bắt lấy tích góp photon phát ion vào mode Ion kích thích theo chu kì laser ngồi chu kì, photon thêm vào mode cộng hưởng, kết ánh sáng khuếch đại lên Đối với ghép cặp mạnh nguyên tử hộp quang, chế độ nguyên tử hộp quang thể hành trạng lượng tử: Chỉ photon độc thân đưa vào hộp quang “Hệ phát xạ cảm ứng giỏ tr ngng khụng cú mt, Franỗois Dubin, mt nghiờn cứu sinh hậu tiến sĩ người Pháp tác giả thứ báo Một “laser lượng tử” chứng minh chế độ tương tự cách vài năm trước Cái thí nghiệm nhà nghiên cứu Innsbruck khả điều chỉnh ghép cặp nguyên tử với mode hộp quang Bằng cách chọn thơng số thích hợp laser điều khiển, nhà vật lí thu kích thích SVTH: Vũ Thị Vịng 43 Lớp: 49B – Vật lý Khóa luận tốt nghiệp Trường Đại học Vinh mạnh hơn, hệ thêm nhiều photon vào hộp quang Mặc dù chưa có tới photon hộp, nhà nghiên cứu quan sát thấy phát xạ cảm ứng dạng giá trị ngưỡng “Một đơn nguyên tử khuếch đại yếu Hệ giá trị ngưỡng bật nhiều so với laser cổ điển”, Piet Schmidt giải thích Một kích thích cịn mạnh khơng mang lại cơng suất phát cao hơn, trường hợp laser thông thường, dập tắt công suất phát giao thoa lượng tử Điều góp phần tạo nên giới hạn mini laser đơn nguyên tử Do đó, nhà nghiên cứu trường đại học Innsbruck muốn nghiên cứu thêm chuyển tiếp laser lượng tử laser cổ điển thơng qua việc thêm có kiểm soát ngày nhiều ion tương tác với trường ánh sáng 11 Ứng dụng laser đời sống Laser ứng dụng nhiều đời sống, mà thân quen hữu dụng để ghi đọc đĩa CD DVD …Các đĩa CD (Compact) DVD (Digital Versatile Dise, đĩa số hóa đa dạng) hệ lưu trữ thông tin Người ta dùng chùm laser để ghi thông tin lên màng mỏng nhạy cảm với ánh sáng chiếu vào đĩa, thông tin mã hóa rãnh nhỏ đĩa Để khắc rãnh này, chùm tia laser phải nhỏ cỡ 1micromet, chúng khắc thành đường rãnh xốy chơn ốc với chiều dài lên đến 5km Hình 31: Ghi đọc đĩa Laser SVTH: Vũ Thị Vòng 44 Lớp: 49B – Vật lý Khóa luận tốt nghiệp Trường Đại học Vinh Đầu đọc chùm laser hồng ngoại, ánh sáng laser chiếu vào rãnh, phần vào tận đáy rãnh bị đáy phản xạ, phần lại bị bề mặt xung quanh rãnh phản xạ Khi hai sóng ánh sáng kết hợp với nhau, chúng pha ngược pha làm cường độ tăng cường hay giảm bớt Nếu ánh sáng tới khơng gặp rãnh khơng bị thay đổi cường độ phản xạ Sự thay đổi không cường độ chùm laser electron đầu CD đọc, mã hóa thành số nhị phân 1, mã nhị phân ghi lên đĩa Thông tin đượcc tái tạo lại gần hồn hảo âm hình ảnh ban đầu Người ta dùng tia laser để phục hồi tranh cổ Các nhà khoa học Tây Ban Nha cho biết, công việc làm lớp bụi bám hàng kỷ tranh cổ trở nên dễ dang với ứng dụng tia laser Trước công việc phục hồi trình gian khổ khơng nguy phá hủy tranh Theo cách truyền thống, nhà phục chế tranh phải sử dụng dao nhỏ dung môi để trả lại màu tranh Ông Marta Castillejo, viện nghiên cứu khoa học Tây Ban Nha cho biết “Giờ tia laser hạn chế tối đa cọ xát bề mặt tranh Tia cực tím loại bỏ thành phần bề mặt lớp vécni bảo vệ mà không làm ảnh hưởng đến thành tố hóa học lớp màu bên Khi laser chiếu vào tranh, dụng cụ chuyên dụng hút bụi khí ngồi” Thiết bị Laser hỗ trợ lái xe đêm tối: Hệ thống hoạt động nguyên tắc chùm laser “tằm nhiệt” Đầu quét tia lắp cạnh vị trí đèn pha đèn hậu để phát đối tượng tỏa nhiệt (người, động vật sống…) phía trước sau xe truyền hình ảnh tới tài xế qua hình Cơng nghệ chùm tia laser cảm nhiệt ứng dụng trước tiên lĩnh vực quốc phòng Các kỹ sư tập đoàn General Motor nghiên cứu cải tiến hệ thống để phục vụ việc lái xe đêm Cơng trình họ giải pháp kỹ thuật hay lĩnh vực chế tạo ơtơ năm 1999 SVTH: Vũ Thị Vịng 45 Lớp: 49B – Vật lý Khóa luận tốt nghiệp Trường Đại học Vinh Cấu tạo hệ thống mơ tả camera hồng ngoại, đối tượng nhiệt ống kính đặc biệt thu lên hình đặt salon xe, hình ảnh giống phim âm đen trắng Năm 2000, hệ thống áp dụng lần mẫu xe Cadillac DeVille dành cho nguyên thủ quốc gia Phiên thiết bị laser đặt ôtô cho hình ảnh tơt khoảng cách 50m Các chun gia cố gắng gia tăng độ nhạy cảm biến để cung cấp hình ảnh từ khoảng cách xa rõ nét Kết cải tiến cho thấy thiết bị mơ tả lại đường trước mặt lái xe xa tầm đèn pha Từ đó, chuyên gia GM, Peugeot Citroen hợp tác hoàn thiện sản phẩm Vào năm 2004, thiết bị ứng dụng rộng rãi loại xe phổ thông Giá thành việc lắp đặt hệ thống dự tính khoảng 400 – 500 USD Hiện dã hạ giá nhiều 12 Ứng dụng laser việc tạo từ trường mạnh Bằng cách bắn chùm laser cực mạnh vào chất liệu đặc biệt, nhà khoa học Anh tạo đám mây khí sôi sục trạng thái plasma Từ trung tâm đám khí xuất từ trường mạnh chưa thấy Hiện tượng so sánh với xảy nhãn nơtron Khi ngơi khơng cịn phát sáng nữa, chúng co lại thành lùn trắng hay nơtron Trong nhân chúng, vật chất tồn dạng plasma, gồm hạt điện tích sơi sục Theo giả thiết nhà vật lý, phát trường điện từ cực lớn 13 Ứng dụng laser thông tin quang Các nhà khoa học Mỹ phát triển cơng nghệ mã hóa thơng tin vào chùm laser để gửi qua cáp quang Tại đầu dây cáp, hệ thống nhận tín hiệu giải mã ngược lại chùm laser này, để có liệu ban đầu Đến nay, thông tin thường mã hóa tần số biên độ sóng ánh SVTH: Vũ Thị Vòng 46 Lớp: 49B – Vật lý Khóa luận tốt nghiệp Trường Đại học Vinh sáng chạy qua cáp quang Tuy nhiên thí nghiệm lần này, Tiến sĩ Gregory Van Wiggeren, Viện Công nghệ Georgia, Tiến sĩ Rajarshi Roy, Đại học Maryland (Mỹ), phát triển kỹ thuật truyền tin qua cáp quang, sử dụng chùm laser Với kỹ thuật mới, chuyển động sóng ánh sáng khơng mang theo thơng tin trực tiếp, mà thông tin chứa chùm laser Trên đường đi, chùm laser bị thay đổi liên tục tác động sóng ánh sáng khác Chính thế, thu cuối đường dây có nhiệm vụ tách chùm laser khỏi sóng ánh sáng để giải mã Kỹ thuật cho phép truyền tin nhanh khơng gián đoạn, tìm ứng dụng ngành viễn thông * Các nhà khoa học thuộc Viện công nghệ Karlsruhe (Đức) tạo một kỷ lục tốc độ truyền liệu qua sợi cáp quang cách sử dụng tia laser Theo tờ Daily Mail, nhóm nghiên cứu thuộc Viện cơng nghệ Karlsruhe (Đức) thành công việc gửi 26 terabit liệu, tương đương với dung lượng DVD, qua sợi cáp quang vòng giây Các nhà khoa học Đức gửi thành công 26 terabit liệu/giây qua sợi cáp quang dài 50km, sử dụng tia laser Hình 32: Dữ liệu truyền qua sợi cáp quang tia laser Các nhà khoa học sử dụng biến để tách riêng 325 màu ánh sáng khác tia laser Mỗi màu ánh sáng mã hóa với chuỗi thơng tin riêng Sau đó, màu sắc khác gộp SVTH: Vũ Thị Vòng 47 Lớp: 49B – Vật lý Khóa luận tốt nghiệp Trường Đại học Vinh lại tia laser truyền qua sợi cáp quang Tại đầu nhận liệu, biến tương tự sử dụng để tách màu ánh sáng giải mã chuỗi thông tin Ưu điểm công nghệ tối đa hóa đường truyền liệu tiết kiệm chi phí cách giảm số lượng tia laser qua sợi cáp quang truyền liệu Phương pháp truyền liệu qua sợi cáp quang phổ biến sử dụng nhiều tia laser đơn sắc lúc, khiến chi phí cao “Trước thí nghiệm truyền 100 terabit liệu/giây thực thành công Tuy nhiên, phương pháp cần sử dụng lúc 370 tia laser – khoản chi phí khơng nhỏ Thêm nữa, nhiều tia laser sử dụng làm tăng lượng điện tiêu thụ”, giáo sư Wolfgang Freude, thành viên nhóm nghiên cứu, cho biết Trong thử nghiệm nhất, tiến sĩ Freude cộng gửi thành công 26 terabit liệu/giây qua sợi cáp quang dài 50km, sử dụng tia laser Năm ngối, nhóm nghiên cứu truyền thành công công 10 tarabit liệu phương pháp Mặc dù công nghệ phức tạp giáo sư Wolfgang Freude tin ứng dụng chip vi mạch silicon tốc độ truyền sữ liệu cải tiến tăng cao * Xử lý thông tin với tốc độ ánh sáng Một công ty Israel vừa giới thiệu xử lý sử dụng quang học thay silicon Với 256 nguồn phát tia laser, giải khoảng 8.000 tỷ phép tính giây, nghĩa gấp 1.000 lần so với tốc độ thông thường Được đặt tên Enlight, xử lý hãng Lenslet sản xuất với hỗ trợ Bộ Quốc phòng Israel Về chất, kỹ thuật xử lý tín hiệu số với phận gia tốc quang học gắn kèm, cho phép đẩy tốc độ tính tốn lên cao Theo ơng Aviram Sariel, nhà sáng lập đồng thời Giám đốc điều hành Lenslet, cú nhảy vọt khoảng 20 năm cơng nghệ phần cứng máy tính Tại buổi lễ mắt Boston (Mỹ), ông phát biểu: “Enlight lợi cạnh tranh chiến lược quốc gia Nó cho phép điều SVTH: Vũ Thị Vòng 48 Lớp: 49B – Vật lý Khóa luận tốt nghiệp Trường Đại học Vinh khiển chuyến bay an toàn hơn, tự động hóa hệ thống vũ khí phát triển truyền thơng hệ Giống tên, xử lý mở kỷ nguyên ánh sáng cho cơng nghệ thơng tin tồn giới” Phó chủ tịch tập đoàn Gartner nghiên cứu bán dẫn công nghệ mới, ông Jim Tully, cho biết cơng ty tập trung vào việc chuyển tín hiệu quang thành thông tin Lenslet đơn vị nghĩ đến ý tưởng trực tiếp xử lý thông tin quang học Và họ thành công Khi hỏi khả sản xuất hàng loạt Enlight, ông Tully cho công nghệ bán dẫn phát triển nhanh nên điều hoàn toàn khả thi “Những tia quang học sáng xử lý khoảng 10 năm tới”, ông nói Lenslet nhận khoảng 27 triệu USD tài trợ cho dự án từ nhà đầu tư Goldman Sachs, Walden VC JK&B Capital Ngoài ra, họ liên hệ với cơng ty phủ Mỹ, Nhật Bản, châu Âu để phát triển xử lý cho ứng dụng cụ thể Tuy nhiên, ông Sariel cho biết: “Chúng không định chuyển giao sáng chế Chúng tơi tìm kiếm dây chuyền sản xuất nước song nắm quyền kiểm soát ứng dụng tia laser” 14 Dùng laser di chuyển xung sáng khí lạnh Người ta điều khiển đường xung sáng tần số chùm laser, nguyên tử khí lạnh Kỹ thuật ứng dụng việc chế tạo mạch quang điện, nhớ máy tính lượng tử Nhóm khoa học Marlan Scully, Đại học A&M, Texas (Mỹ), gắn thiết bị phóng laser mơi trường khí nitơ cực lạnh Máy laser thứ (cịn gọi máy phát tín hiệu) phóng xung sáng vào mơi trường khí nitơ Sau đó, thiết bị khác, gọi thiết bị giữ laser, phóng tia, hãm xung sáng lại khí lạnh Tiếp theo, thiết bị phóng laser thứ đẩy xung sáng tới vị trí cách vị trí ban đầu milimét Như vậy, xung sáng giữ "vận chuyển" mơi trường ngun tử khí lạnh Các nhà khoa học cho biết, thí nghiệm này, họ thay đổi SVTH: Vũ Thị Vòng 49 Lớp: 49B – Vật lý Khóa luận tốt nghiệp Trường Đại học Vinh tần số xung sáng cách thay đổi tần số thiết bị giữ laser Đây lần người ta giữ xung sáng, điều chỉnh tần số di chuyển nguyên tử khí lạnh Về nguyên tắc, nhà khoa học mã hóa thơng tin xung sáng để lưu giữ sử dụng Vì thế, thí nghiệm lần bước tiến đường tìm kiếm nhớ lý tưởng cho máy tính lượng tử 15 Ứng dụng laser vi mạch điện tử Các nhà khoa học Mỹ chế tạo thiết bị laser nhỏ bé, đưa vào vi mạch silicon Chúng làm cho cơng nghệ thông tin nhanh hiệu hơn.Được chế tạo Charles Lieber đồng nghiệp thuộc Đại học Harvard, thiết bị dây đơn làm chất bán dẫn cadmium sulphide Chúng có có đường kính trăm phần triệu 1mm gọi nanowire Các thiết bị laser sợi quang tiêu chuẩn viễn thông y học Thu nhỏ kích cỡ chúng khoảng nghìn lần mở ứng dụng Chẳng hạn thiết bị laser nanowire làm cho phẫu thuật laser xác Các nguồn ánh sáng nhỏ bé thăm dị thành phần tế bào sống Laser đóng vai trị trung tâm truyền tải thơng tin: loạt xung truyền tín hiệu từ mạch điện tử xuống sợi quang Hiện thiết bị laser lớn nên gắn lên vi mạch silicon Laser nanowire giải đề Hình 33: Laser nanowire Nhiều nhóm bao gồm nhóm Lieber chế tạo nanowire có cấu tạo kích cỡ xác định Gần chúng sử dụng để chế tạo nhiều thiết bị điện tử Trên thực tế, thiết bị laser nanowire đời vào năm 2001 SVTH: Vũ Thị Vịng 50 Lớp: 49B – Vật lý Khóa luận tốt nghiệp Trường Đại học Vinh làm từ kẽm oxide Chúng phát ánh sáng vùng tử ngoại Tuy nhiên, chúng phát ánh sáng bơm ánh sáng từ thiết bị laser khác Đối với ứng dụng, thiết bị laser phải có khả bật, tắt điện tử Lieber đồng nghiệp ông đạt tới điều Họ tạo nanowire cadmium sulphide bề mặt silicon Sau đó, họ cho silicon tiếp xúc điện Ở hiệu điện định, dòng điện truyền từ silicon vào nanowire ánh sáng xanh phát từ đầu sợi dây Khi dòng điện đủ lớn, ánh sáng gần hoàn toàn có màu đơn Nó có dải bước sóng hẹp Đây tín hiệu ánh sáng laser Các nguồn chẳng hạn bóng đèn sáng chói diốt tạo dải bước sóng rộng Màu sắc ánh sáng phụ thuộc vào chất bán dẫn chế tạo dây Gallium nitride tạo ánh sáng từ xanh tới cực tím, idium phosphide tạo xạ hồng ngoại Nhóm Lieber tạo nanowire từ tất vật liệu SVTH: Vũ Thị Vòng 51 Lớp: 49B – Vật lý Khóa luận tốt nghiệp Trường Đại học Vinh KẾT LUẬN Trong xã hội ngày phát triển nhanh chóng vượt bậc laser người công nhận, laser ứng dụng rộng rãi thực tiễn nghiên cứu khoa học Việc tìm hiểu laser số ứng dụng laser có ý nghĩa vơ quan trọng sinh viên Vật lý Trong khoảng thời gian có hạn khóa luận đạt số kết sau: Khi tìm hiểu cách tổng quan laser như: trình hình thành phát triển laser, cấu tạo nguyên lý hoạt động laser giúp tơi có kiến thức laser, đồng thời nâng cao hiểu biết sinh viên Vật lý laser Khi tìm hiểu số ứng dụng laser đời sống, quân sự, y học,…cũng nhiều lĩnh vực khác laser nhiều năm trở lại đây, giúp hệ thống thông tin laser ứng dụng rộng rãi lĩnh vực Tri thức nhân loại rộng lớn ngày, công nghệ laser không dừng lại đó, phát triển mạnh mẽ nhiều năm tới để đóng góp ứng dụng nhiều cho tiện ích sống người, trình độ người nhiều hạn chế Với thời gian lực thân có hạn, khn khổ khóa luận tơi chưa thể trình bày hết nhiều khía cạnh khác laser ứng dụng Vì vậy, tơi mong nhận ý kiến đóng góp thầy giáo, bạn để đề tài tơi hồn thiện nữa, đồng thời giúp tơi có kiến thức, kinh nghiệm cho sau SVTH: Vũ Thị Vòng 52 Lớp: 49B – Vật lý Khóa luận tốt nghiệp Trường Đại học Vinh TÀI LIỆU THAM KHẢO 1.Ngụy Hữu Tâm, Những ứng dụng laser, NXB KH & KT Hà Nội Nguyễn Hữu Trí, Trần Tuấn, Vật lý laser, ĐHQG TPHCM Trần Đức Hân, Nguyễn Minh Hiển (2003), Cơ sở kỹ thuật laser, NXB Giáo dục Đinh Văn Hồng, Trịnh Đình Chiến (2003), Vật lý laser ứng dụng, ĐHQG Hà Nội http://meslab.org/mes/archive/index.php http://www.zewail.caltech.edu/nobel/index.html http://www.cct.nrcan.gc.ca SVTH: Vũ Thị Vòng 53 Lớp: 49B – Vật lý ... II : MỘT SỐ ỨNG DỤNG MỚI NHẤT CỦA LASER Ứng dụng laser y học Nghiên cứu quan trọng laser y học sớm từ năm 1962-1963 kỷ trước Lúc đầu laser dùng để điều trị bệnh bong võng mạc, từ laser sử dụng. .. 24 Ứng dụng laser nghiên cứu khoa học 27 Ứng dụng laser khoa học kỹ thuật 31 Ứng dụng laser kỹ thuật quân 36 10 Laser điểm lượng tử 41 11 Ứng dụng laser đời sống... quan Laser Trong chương tìm hiểu số vấn đề như: Lịch sử phát triển laser, nguyên lý cấu tạo laser, đặc điểm laser, phân loại laser số ưu điểm, nhược điểm laser Chương II: Một số ứng dụng Laser