III. Con người chế ngự ánh sáng
b.Laser chất khí
• He-Ne: hoạt chất là khí Heli và Neon, có bước sóng 632,8nm thuộc phổ ánh sáng đỏ trong vùng nhìn thấy, công suất nhỏ từ một đến vài chục mW.
• Argon: hoạt chất là khí argon, bước sóng 488 và 514,5nm.
• CO2: bước sóng 10.600nm thuộc phổ hồng ngoại xa, công suất phát xạ có thể tới megawatt (MW). Trong y học ứng dụng làm dao mổ.
c. Laser chất lỏng
Môi trường hoạt chất là chất lỏng, thông dụng nhất là laser màu.
Danh sách các loại laser khí , bước sóng và ứng dụng:
Môi trường kích thích và loại Bước sóng Nguồn kích thích Ứng dụng và ghi chú Laser khí He-Ne 632.8 nm (543.5 nm, 593.9 nm, 611.8 nm, 1.1523 μm, 1.52 μm, 3.3913 μm) Cực phóng điện
Giao thoa kế, holograph, quang phổ học, đọc mã vạch, cân chỉnh, miêu tả quang học. Laser khí ion Argon 488.0 nm, 514.5 nm, (351 nm, 465.8 nm, 472.7 nm, 528.7 nm) Cực phóng điện Chữa trị võng mạc bằng ánh sáng (cho người bệnh tiểu đường), in thạch bản, là nguồn kích thích các laser khác. Laser khí Ion Kryton 416 nm, 530.9 nm, 568.2 nm, 647.1 nm, 676.4 nm, 752.5 nm, 799.3 nm
Cực phóng điện Nghiên cứu khoa học, trình diễn ánh sáng.
Laser khí ion Xenon
Nhiều vạch từ cực
tím đến hồng ngoại. Cực phóng điện Nghiên cứu khoa học.
Laser khí
Nitơ 337.1 nm Cực phóng điện
Là nguồn kích thích cho laser màu, đo độ ô nhiễm, nghiên cứu khoa học, Laser nitơ có khả năng hoạt động ở cường độ yếu.
Laser H-F 2.7 đến 2.9 μm (H-F) Phản ứng cháy Dùng cho nghiên cứu vũ khí
3.6 đến 4.2 μm (D-F) ethylene và NF3 laser, dùng sóng phát ra liên tục và có tính công phá lớn. Laser (cuộn) hóa học Ôxy- Iốt 1.315 μm Phản ứng hóa học trong giữa Ô-xy và I-ốt,
Vũ khí laser, nghiên cứu vật liệu và khoa học.
Laser thán
khí thể khí 10.6 μm, (9.4 μm)
Phóng điện ngang (công suất cao) hay dọc (công suất thấp)
Gia công vật liệu (cắt, hàn), phẫu thuật.
Laser khí CO 2.6 đến 4 μm, 4.8 đến
8.3 μm Cực phóng điện
Gia công vật liệu (chạm khắc, hàn), phổ học quang-âm. Excimer laser 193 nm (ArF), 248 nm (KrF), 308 nm (XeCl), 353 nm (XeF) Excimer tái hợp nhờ phóng điện Quang thạch bản cực tím cho chế tạo link kiện bán dẫn, phẫu thuật laser.
Tính chất
• Độ định hướng cao: tia laser phát ra hầu như là chùm song song do đó khả năng chiếu xa hàng nghìn km mà không bị phân tán.
• Tính đơn sắc rất cao: chùm sáng chỉ có một màu (hay một bước sóng) duy nhất. Do vậy chùm laser không bị tán xạ khi đi qua mặt phân cách của hai môi trường có chiết suất khác nhau. Đây là tính chất đặc biệt nhất mà không nguồn sáng nào có.
• Tính kết hợp: trong trường hợp nguồn sáng laser, các photon phát ra đều đồng pha nên ánh sáng laser là một chùm ánh sáng kết hợp.Chính vì vậy, chùm tia laser có thể gây ra những tác dụng rất mạnh ( tổng hợp các dao động cùng pha ).
• Có khả năng phát xung cực ngắn: cỡ mili giây (ms), nano giây, pico giây, cho phép tập trung năng lượng tia laser cực lớn trong thời gian cực ngắn.
III.2.6.1 Ứng dụng của laser (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Laze được ứng dụng rộng rãi trong rất nhiều lĩnh vực :
- Trong y học, lợi dụng khả năng có thể tập trung năng lượng của chùm tia laze vào một vùng rất nhỏ, người ta đã dùng tia laze như một dao mổ trong các phẫu thuật tinh vi như mắt, mạch máu..Ngoài ra, người ta cũng sử dụng tác dụng nhiệt của tia laze để chữa một số bệnh như bệnh ngoài da..
- Trong thông tin liên lạc, do có tính định hướng và tần số rất cao nên tia laze có ưu thế đặc biệt trong liên lạc vô tuyến ( vô tuyến định vị, liên lạc vệ tinh, điều khiển các con tàu vũ trụ,…). Do có tính kết hợp và cường độ cao nên các tia laze được sử dụng rất tốt trong việc truyền tin bằng cáp quang.
- Trong công nghiệp, vì tia laze có cường độ lớn và tính định hướng cao nên nó được dùng trong các công việc như cắt, khoan, tôi,.. chính xác trên nhiều chất liệu như kim loại, compôzit,…Người ta có thể khoan được những lổ có đường kính rất nhỏ và rất sâu mà không thể thực hiện được bằng các phương pháp cơ học.
- Trong trắc địa, laze được dùng trong các công việc như đo khoảng cách, ngắm đường thẳng,...
- Laze còn được dùng trong các đầu đọc đĩa CD, trong các bút chỉ bảng, bản đồ, trong các thí nghiệm quang học ở trường phổ thông,..Các laze này thuộc loại laze bán dẫn.
- Laser dùng trong quân sự : Từ khi laze ra đời, một thế hệ vũ khí mới xuất hiện, chúng rất nguy hiểm cho loài người. Chẳng hạn như súng laze, dùng laze để đo
GIẢI MÃ NHỮNG BÍ MẬT VỀ ÁNH SÁNG Phương pháp gia
các mục tiêu quân sự, dùng laze để điều khiển các tên lửa và kích cho nó nổ khi đã đến mục tiêu v.v..
Vận chuyển thông tin bằng cáp quang
Cáp quang là một loại cáp viễn thông làm bằng thủy tinh hoặc nhựa, sử dụng ánh sáng để truyền tín hiệu.
Cấu tạo:
Cáp quang là bó sợi quang. Mỗi sợi quang là một dây trong suốt có tính dẫn sáng nhờ phản xạ toàn phần.
Sợi quang gồm hai thành phần chính :
- Phần lõi trong suốt bằng thủy tinh siêu sạch có chiết suất lớn (n1).
- Phần vỏ bọc cũng trong suốt, bằng thủy tinh có chiết suất n2 nhỏ hơn phần lõi.
Phản xạ toàn phần xảy ra ở mặt phân cách giữa lõi và vỏ làm cho ánh sáng truyền đi được theo sợi quang.
Ngoài cùng là một số lớp vỏ bọc bằng nhựa dẻo để tạo cho cáp độ bền và độ dai cơ học.
III.2.7 Phân loại
Phân loại Cáp quang: Gồm hai loại chính:
Multimode (đa mode)
Đường truyền của tia sáng trong sợi quang
• Multimode stepped index (chiết xuất bước): Lõi lớn (100 micron), các tia tạo xung ánh sáng có thể đi theo nhiều đường khác nhau trong lõi: thẳng, zig-zag… tại điểm đến sẽ nhận các chùm tia riêng lẻ, vì vậy xung dễ bị méo dạng.
• Multimode graded index (chiết xuất liên tục): Lõi có chỉ số khúc xạ giảm dần từ trong ra ngoài cladding (Vật chất quang bên ngoài bao bọc lõi mà phản xạ ánh sáng trở lại vào lõi). Các tia gần trục truyền chậm hơn các tia gần cladding. Các tia theo đường cong thay vì zig-zag. Các chùm tia tại điểm hội tụ, vì vậy xung ít bị méo dạng.
Single mode (đơn mode)
Lõi nhỏ (8 mocron hay nhỏ hơn), hệ số thay đổi khúc xạ thay đổi từ lõi ra cladding ít hơn multimode. Các tia truyền theo phương song song trục. Xung nhận được hội tụ tốt, ít méo dạng.
Ứng dụng:
-Trong y học, người ta dùng bó sợi quang để quan sát các bộ phận ở bên trong cơ thể. Loại cáp quang này gồm các sợi quang rất nhỏ. Một cáp quang thường dùng có thể gồm hàng trăm sợi quang. Đó là phương pháp nội soi.
- Trong công nghệ thông tin, cáp quang được dùng để truyền tải các dữ liệu. Một hệ truyền thông dùng cáp quang gồm ba bộ phận chính: một máy phát biến đổi các tín hiệu điện thành tín hiệu quang, một cáp quang có nhiệm vụ truyền các tín hiệu này đi và một máy thu nhận các tín hiệu ra ở đầu thứ hai của cáp quang và biến chúng trở lại thành các tín hiệu điện.
- Cáp quang có nhiều ưu điểm hơn so với cáp kim loại. Trong đó, có hai ưu điểm rất đáng để ý. Cáp quang truyền được một số lượng dữ liệu lớn gấp nhiều lần (có thể hàng nghìn lần ) so với cáp kim loại cùng đường kính. Ngoài ra, cáp quang rất ít bị nhiễu bởi điện từ ngoài, vì các sợi quang được làm bằng chất điện môi. Ngoài ra, cáp (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
quang còn có đặc điểm nhỏ và nhẹ, dễ vận chuyển, dễ uốn. Không có rủi ro cháy( vì không có dòng điện).
III.3 Thế kỷ 21 - Thế kỷ của phôtôn
Giấc mơ chinh phục tự nhiên từ ngàn xưa đến nay của con người đã đóng góp rất nhiều đến sự tồn tại phát triển của nhân loại. Một trong những giấc mơ đó là làm chủ được ánh sáng. Cách đây nhiều thiên niên kỷ, người cổ đại đã biết cách tạo ra lửa và sử dụng nó để phục vụ cho cuộc sống. Kể từ đó, rất nhiều những thành tựu lớn, những công cụ, thiết bị được chế tạo dựa trên sự hiểu biết về ánh sáng đã ra đời nhằm cải thiện cuộc sống.
Trong giai đọan cuối của thế kỷ 20, có một lĩnh vực nghiên cứu mới được hình thành, đó là “quang tử học” (photonics). Quang tử học được xây dựng dựa trên các tính chất và quy luật điều khiển phôtôn. Lĩnh vực này có liên quan đến rất nhiều ngành khác đã có từ lâu như quang học, khoa học vật liệu, kỹ thuật điện tử, công nghệ nano, vật lý và hóa học. Trước đây, sự kết hợp giữa ánh sáng và điện tử đã tạo ra những điều kỳ diệu không ai có thể mơ tới cho đến khi Pierre Aigrain (một nhà khoa học người Pháp) đặt ra thuật ngữ “photonics” vào năm 1967.
-Photonics là một ngành khoa học về ánh sáng.
-Photonics vây quanh các vấn đề: tạo ra ánh sáng, thu nhận, điều khiển, khuếch đại và sử dụng ánh sáng như một công cụ phục vụ cho lợi ích lòai người. Cho đến đầu thế kỷ 21, các nhà khoa học và kỹ sư đang chuẩn bị làm chủ ánh sáng trên một phương diện mới, mang lại sự đột phá trong việc phát triển và tăng cường cạnh tranh về kinh tế.
Lịch sử đã cho chúng ta thấy rằng một nguyên lý kỹ thuật có tính đột phá có thể kích thích cuộc cách mạng công nghiệp trong những thập kỷ sau khi nó được khám phá ra. Transistor đã từng ngay lập tức đóng vai trò quan trọng trong việc khuếch đại tín hiệu điện khi nó được khám phá ra vào năm 1948 và không ai có thể tưởng tượng những sự
thay đổi cách mạng do linh kiện này mang lại. Công nghệ transistor đã “lót đường” cho ngành công nghiệp vi điện tử và máy tính – hai ngành có ảnh hưởng lớn đến nền kinh tế toàn cầu. Vài năm sau, chính xác vào năm 1958, Laser đã được phát minh và tại thời điểm đó không ai có thể ngờ tới laser đã tạo ra cuộc cách mạng trong truyền thông, khoa học sự sống, sản xuất và giải trí như ngày nay…
Thế kỷ 20 thường được gọi là thế kỷ của điện tử bởi những thành tựu kỷ thuật có được là nhờ khả năng làm chủ electron mang lại. Tương tự như vậy, thế kỷ 21 sẽ được biết đến như là thế kỷ của photon!
Sự kỳ diệu của photons:
Những đặc tính của phôtôn:
Ánh sáng được tạo bởi nhiều Phôtôn. Cũng giống như electron, phôtôn là một hạt cơ bản của vũ trụ. Phôtôn có những tính chất nổi bật và phi thường:
- Không vật thể gì có thể chuyển động nhanh hơn vận tốc ánh sáng, hay vận tốc của phôtôn.
- Không giống như electrons, phôtôn không có trọng lượng và không tạo ra ma sát. - Những tia sáng được hội tụ tạo ra bởi tia lasers có độ tập trung năng lượng cao nhất từng được biết đến cho đến thời điểm này.
- Một xung phôtôn có thể ngắn chỉ khoảng một phần triệu hay một phần tỉ giây – đây là cấp thời gian xảy ra những phản ứng nguyên tử và phân tử.
- Những tia sáng thích hợp không chỉ giúp chúng ta nhìn thấy mà còn cho phép chúng ta giữ và điều khiển các nguyên tử.
III.3.1 Những khả năng không giới hạn:
Chúng ta dễ dàng nhận thấy nhiều thành tựu kỹ thuật ngày nay đều có sự đóng góp đáng kể của quang tử học. Không những thế, quang tử học có một tiềm năng phi thường thể hiện qua các ví dụ thực tế từ trước đến nay: Công nghệ quang tử cho phép xử lý, lưu trữ, truyền dẫn một khối lượng lớn thông tin. Để đáp ứng được sự bùng phát thông tin thời đại ngày nay, những hệ thống truyền dẫn quang học tương lai sẽ có băng thông rộng gấp 1000 lần ngày nay và tất cả mọi người đều có thể tiếp cận với thông tin qua môi trường
băng thông rộng một cách dễ dàng.
- Trong lĩnh vực sản xuất, laser là một công cụ được dùng cho rất nhiều mục đích, từ việc góp phần tạo ra những bồn chứa khổng lồ đi xuyên đại dương cho đến những cấu trúc nhỏ chỉ ở cấp độ nano.
- Những hệ thống chiếu sáng mới có thể tiết kiệm năng lượng rất nhiều. Với hệ thống chiếu sáng bằng diode phát quang, chúng ta sẽ tiết kiệm được ít nhất 2 tỉ thùng dầu mỗi năm.
- Những thiết bị quang học nói chung và laser nói riêng dùng trong chẩn đoán, điều trị và phẫu thuật đã làm nên một cuộc cách mạng thật sự trong lĩnh vực chăm sóc sức khoẻ. - Trong lĩnh vực công nghệ sinh học, dược phẩm và gen, những công cụ ứng dụng quang tử học vừa có khả năng điều khiển nguyên tử vừa có thể điều khiển những tế bào sống mà không làm hại đến chúng.
Tuy nhiên những ví dụ nên trên chỉ là bước khởi đầu. Trong thế kỷ 21 này: - Quang tử học sẽ mở ra những giải pháp mới trong khi những công nghệ truyền thống đã đạt đến tới hạn về vận tốc, công suất và độ chính xác.
- Các ngành khoa học sự sống, y tế, công nghệ thông tin, truyền thông, năng lượng và sản xuất sẽ phải phụ thuộc nhiều vào công nghệ quang tử.
III.3.1.1 Thời đại photons
Quang tử học là một trong số những công nghệ then chốt của thế kỷ 21. Nó ảnh hưởng đến tất cả mọi phương diện của cuộc sống và đóng vai trò cốt yếu đối với cuộc cạnh tranh trong công nghiệp tại châu Âu. Kỹ nghệ quang tử chi phối 5 thị trường lớn sau: - Công nghệ thông tin, truyền thông & màn hình.
- Chiếu sáng và hiển thị. - Sản xuất và đo lường.
- Khoa học sự sống và chăm sóc sức khoẻ. - Công nghệ bảo mật và an toàn.
Rất nhiều phát minh dựa trên cuộc cánh mạng phôtôn như: sợi quang học, thiết bị khuếch đại quang, thiết bị phát tín hiệu truyền thông, thiết bị thu nhận tín hiệu, thiết bị hiển thị, hệ thống đo lường, lasers…
III.3.1.2 Công nghệ thông tin, truyền thông và màn hình: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Vào thời cổ đại, người ta truyền thông tin đi xa bằng cách sử dụng tín hiệu khói. Phương pháp truyền thông này đã tồn tại trong vài thế kỷ và sau đó con người đã cải tiến thành hệ thống mạng truyền thông phức tạp hơn với những trạm lặp xemapho (hệ thống truyền tín hiệu bằng cách đặt tay hoặc 2 lá cờ theo một vị trí xác định để biểu thị các con chữ và vần của chữ cái).Trong thời đại ngày nay, con người đã chuyển sang việc truyền dữ liệu bằng những hệ thống điện tử, giúp kết nối mọi người trên toàn thế giới. Kỹ thuật điện tử đã từng tạo nên cuộc cách mạng trong đời sống chúng ta. Tuy nhiên cách đây 20 năm, kỹ thuật này đã đạt đến ngưỡng giới hạn trong khi chúng ta vẫn mong muốn truyền dữ liệu nhiều hơn và nhanh hơn nữa. Công nghệ truyền thông tin bằng quang học xuất hiện như một vị cứu tinh mở ra cánh cửa cho hầu hết những hệ thống truyền thông số, vốn đã đạt đến ngưỡng giới hạn với công nghệ điện tử.
Quang tử đã chi phối công nghệ thông tin và truyền thông về mọi mặt. Ngày nay, người ta có thể sản xuất được những con chip máy tính siêu nhỏ với kích cỡ nano bằng phương pháp optical lithography. Tốc độ truyền dữ liệu trên internet tỉ lệ với sự phát triển của công nghệ lasers, sợi quang và kỹ thuật mã hoá quang.Cách đây gần 5 năm, kỹ thuật kết nối sợi quang đã đạt được trình độ rất cao giúp cho những hệ thống sợi quang có thể chịu đựng được trong những môi trường khắc nghiệt như trong xe hơi, dưới lòng biển và