SƠ lược về TIA LASER

• Buồng cộng hưởng chứa hoạt chất laser, đó là một chất đặc biệt có khả năng khuyếch đại ánh sáng bằng phát xạ cưỡng bức để tạo ra laser.. mặt khác buồng công hưởng có 2 mặt chắn ở hai đ

SƠ LƯỢC VỀ TIA LASER

1. ĐỊNH NGHĨA

Laser là tên viết tắt của cụm từ Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation trong tiếng Anh, và có nghĩa là "khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ kích thích"

Electron tồn tại ở các mức năng lượng riêng biệt trong một nguyên tử Các mức năng lượng có thể hiểu là tương ứng với các quỹ đạo riêng biệt của electron xung quanh hạt nhân Electron ở bên ngoài sẽ có mức năng lượng cao hơn những

electron ở phía trong Khi có sự tác động vật lý hay hóa học từ bên ngoài, các hạt electron này cũng có thể nhảy từ mức năng lượng thấp lên mức năng lượng cao hay ngược lại Các quá trình này có thể sinh ra hay hấp thụ các tia sáng (photon) theo giả thuyết của Albert Einstein Bước sóng (do đó màu sắc) của tia sáng phụ thuộc vào sự chênh lệch năng lượng giữa các mức

Có nhiều loại laser khác nhau, có thể ở dạng hỗn hợp khí, ví dụ He-Ne, hay dạng chất lỏng, song có độ bức xạ lớn nhất vẫn là tia laser tạo bởi các thành phần từ trạng thái chất rắn

2.Cấu tạo

Cấu tạo cơ bản và cơ chế hoạt động của laser

1) Buồng cộng hưởng (vùng bị kích thích)

2) Nguồn nuôi (năng lượng bơm vào vùng bị kích thích)

3) gươngphản xạ toàn phần

4) gương bán mạ

5) tia laser

• Nguyên lý cấu tạo chung của một máy laser gồm có: buồng cộng hưởng chứa hoạt chất laser, nguồn nuôi và hệ thống dẫn quang Trong đó buồng cộng hưởng với hoạt chất laser là bộ phận chủ yếu

• Buồng cộng hưởng chứa hoạt chất laser, đó là một chất đặc biệt có khả năng khuyếch đại ánh sáng bằng phát xạ cưỡng bức để tạo ra laser Khi 1 photon tới va chạm vào hoạt chất này thì kéo theo đó là 1 photon khác bật ra bay theo cùng hướng với photon tới mặt khác buồng công hưởng có 2 mặt chắn

ở hai đầu, một mặt phản xạ toàn phần các photon khi bay tới, mặt kia cho một phần photon qua một phần phản xạ lại làm cho các hạt photon va chạm liên tục vào hoạt chất laser nhiều lần tạo mật độ photon lớn Vì thế cường độ chùm laser được khuếc đại lên nhiều lần Tính chất của laser phụ thuộc vào hoạt chất đó, do đó người ta căn cứ vào hoạt chất để phân loại laser

3.Cơ chế

Một ví dụ về cơ chế hoạt động của laser có thể được miêu tả cho laser thạch anh

• Dưới sự tác động của hiệu điện thế cao, các electron của thạch anh di chuyển

từ mức năng lượng thấp lên mức năng lương cao tạo nên trạng thái đảo nghịch mật độ của electron

• Ở mức năng lượng cao, một số electron sẽ rơi ngẫu nhiên xuống mức năng lượng thấp, giải phóng hạt ánh sáng được gọi là photon

• Các hạt photon này sẽ toả ra nhiều hướng khác nhau từ một nguyên tử, va phải các nguyên tử khác, kích thích eletron ở các nguyên tử này rơi xuống tiếp, sinh thêm các photon cùng tần số, cùng pha và cùng hướng bay, tạo nên một phản ứng dây chuyền khuyếch đại dòng ánh sáng

• Các hạt photon bị phản xạ qua lại nhiều lần trong vật liệu, nhờ các gương để tăng hiệu suất khuếch đại ánh sáng

• Một số photon ra ngoài nhờ có gương bán mạ tại một đầu của vật liệu Tia sáng đi ra chính là tia laser

4.Phân loại

[ sửa ] Laser chất rắn

Có khoảng 200 chất rắn có khả năng dùng làm môi trường hoạt chất laser Một số loại laser chất rắn thông dụng:

• YAG-Neodym: hoạt chất là Yttrium Aluminium Garnet (YAG) cộng thêm 2-5% Neodym, có bước sóng 1060nm thuộc phổ hồng ngoại gần Có thể phát liên tục tới 100W hoặc phát xung với tần số 1000-10000Hz

• Hồng ngọc (Rubi): hoạt chất là tinh thể Alluminium có gắn những ion

chrom, có bước sóng 694,3nm thuộc vùng đỏ của ánh sáng trắng

• Bán dẫn: loại thông dụng nhất là diot Gallium Arsen có bước sóng 890nm thuộc phổ hồng ngoại gần

[ sửa ] 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

[ sửa ] LASER chất lỏng

Môi trường hoạt chất là chất lỏng, thông dụng nhất là laser màu

5.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 đồng bộ của các photon trong chùm tia laser

• 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

6.Các chế độ hoạt động

Laser có thể được cấu tạo để hoạt động ở trạng thái bức xạ sóng liên tục (hay CW -continuous wave) hay bức xạ xung (pulsed operation) Điều này dẫn đến những khác biệt cơ bản khi xây dựng hệ laser cho những ứng dụng khác nhau

[ sửa ] Chế độ phát liên tục

Trong chế độ phát liên tục, công suất của một laser tương đối không đổi so với thời gian Sự đảo nghịch mật độ (electron) cần thiết cho hoạt động laser được duy trì liên tục bởi nguồn bơm năng lượng đều đặn

[ sửa ] Chế độ phát xung

Trong chế độ phát xung, công suất laser luôn thay đổi so với thời gian, với đặc trưng là các giai đoạn “đóng” và “ngắt” cho phép tập trung năng lượng cao nhất có thể trong một thời gian ngắn nhất có thể Các dao laser là một ví dụ, với năng lượng đủ để cung cấp một nhiệt lượng cần thiết, chúng có thể làm bốc hơi một lượng nhỏ vật chất trên bề mặt mẫu vật trong thời gian rất ngắn Tuy nhiên, nếu cùng năng lượng như vậy nhưng tiếp xúc với mẫu vật trong thời gian dài hơn thì nhiệt lượng sẽ có thời gian để xuyên sâu vào trong mẫu vật do đó phần vật chất bị bốc hơi sẽ ít hơn Có rất nhiều phương pháp để đạt được điều này, như:

• Phương pháp chuyển mạch Q (Q-switching)

• Phương pháp kiểu khoá (modelocking)

• Phương pháp bơm xung (pulsed pumping)

• 3/- 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, chỉ với những gì đã biết dưới đây

đã nói lên điều đó:

* Thời chiến tranh lạnh, người Nga đã có cơ sở nghiên cứu vũ khí laze rất sớm ở Smoliachkov (gần St Petersburg), chính họ đã nêu lên nhiều ý tưởng

vũ khí laze hiện đại Nhưng từ 1990 trở lại đây, khả năng tài chính không cho phép, do vậy người Nga chỉ thực hiên được một phần tham vọng của

Mặt khác họ rất kín đáo về lĩnh vực laze trong quốc phòng Người có công lớn trong lĩnh vực mới này là Viện sĩ Fedo Bunkin Ông đã được nhà nước trao giải thưởng về những ứng dụng quan trọng này

* Còn người Mỹ, người Pháp đã và đang thành lập nhà máy laze siêu mạnh,

để phục vụ cho công nghiệp, kỹ nghệ vũ trụ Viện Nghiên cứu Lawrence Livermore National Laboratory ở California (Mỹ) đã lắp đặt một máy laze thuộc loại lớn nhất thế giới, siêu mạnh và siêu hiện đại trên diện tích rộng bằng 2 sân bóng đá, với giá 1,8 tỷ USD Nhưng giới thạo tin thì cho rằng: nó

để tạo thành nguồn điện như dòng điện xuất hiện trong quá trinh phản ứng nhiệt hạch trên mặt trời để từ đó quan sát quá trình phản ứng hạt nhân của hydro phục vụ việc chế tạo và hoàn thiện bom kinh phí có sức phá huỷ khủng khiếp Cũng phải nói thêm rằng: Máy laze dù lớn hay bé, đều có chung một nguyên lý tạo thành giống nhau, chỉ khác ở kích cỡ, công suất năng lượng cho đầu vào và phải giải quyết khâu làm lạnh cho tất cả hệ

thống, để làm lạnh, thường phải nhờ vào nitơ lỏng

Còn máy laze của người Pháp được đặt ở Bordeaux, chủ yếu dưới ngầm, được đầu tư 1,5 tỷ USD Theo họ, đó là để kích thích quá trình gây nổ trong việc thử bom khinh khí Công việc trên sẽ được hoàn thành vào năm 2005

Kể từ năm 1999, hãng Boeing của Mỹ đã sản xuất và đã thử nghiệm bước đầu loại máy bay có trang bị vũ khí laze Trên đó có buồng chứa 6 máy laze hoá học và hệ thống ống tele đường kính 1,8m để hội tụ và hướng tia laze vào mục tiêu Máy laze này được coi là một thứ súng, nhưng tính năng của súng này phụ thuộc vào khí quyển Được biết, nếu súng này ở tầm cao 11 ngàn km (tức là nơi không còn khí quyển nữa) thì tầm hiệu dụng của súng là

300 km Nếu vượt quá tầm này thì tia laze không đủ sức làm nóng chảy kim loại, nghĩa là không sát thương được mục tiêu

* Súng Laser dùng cho bộ binh thường hướng vào: làm thế nào vô hiệu hoá được chiến binh của đối phương, cản trở sự triển khai vũ khí và phương tiện chiến tranh của đối phương Ví dụ, ta biết rằng, hệ tiêu hoá của chúng ta

luôn có tần số tự nhiên khoảng dưới 10 hertz Do vậy vào những năm sau

1960, người Mỹ đã chế tạo ra “súng âm thanh trầm” có tần số tương ứng như vậy Khi súng hướng vào bụng, dạ dầy của đối phương tạo ra sự cộng hưởng với biên độ tăng dần, làm cho đối phương buồn nôn kèm theo chóng mặt, hoa mắt mà không sao cưỡng lại được Người trúng loại “đạn âm

thanh” đó tức khắc bị loại ra khỏi cuộc chiến Cũng như vậy, người ta đã dùng sóng radio xấp xỉ với sóng của não người để gây rối loạn đầu óc của đối phương Những loại súng này thường gọn nhẹ (chỉ bằng cây bút chì) Có khi dùng tia laze làm mù mắt của đối phương

Người ta dùng laze để chế tạo ra súng phun nhựa (lanceglu) phun vào đối phương, ngay tức khắc người bị dính nhựa không cựa quây được (giống như mạng nhện bao bọc lấy con ruồi), đến mức không thể sử dụng súng để chống trả được nữa, chỉ chờ được cứu, hoặc chờ bị bắt Vẫn biết rằng, không thiếu

gì dung môi hoà tan nhựa, nhưng hoà tan được nhựa thì cũng hoà tan cả tế bào da, nên lại bị bỏng nặng Hoặc có khi bơm vào đối phương “những bọt dầu nhớt” như bọt xà phòng làm đối phương không nghe thấy gì v.v

* Ngoài ra, laze còn dùng để đo khoảng cách các mục tiêu quân sự , biết được thời gian đi và về của tia sáng ta dễ dàng tính ra được khoảng cách Bằng cách này, các nhà khoa học đã dùng laze để đo khoảng cách từ trái đất tới mặt trăng một cách chính xác Như trong cuộc chiến ở Irắc vừa qua, người Mỹ dùng laze để điều khiển các tên lửa và kích cho nó nổ khi đã đến mục tiêu v.v

Qua đây ta thấy, laze dùng trong quân sự là khá nguy hiểm Nếu những nghiên cứu của các nước giầu nêu trên thành công thì trở thành mối lo ngại cho loài người Cũng phải nói thêm rằng, kể từ năm 1997, Bộ quốc phòng

Mỹ ngang nhiên xem xét đạo luật “coi khoảng không gian gần trái đất là vùng quyền lợi của nước Mỹ” (!) Một mặt, họ đẩy nhanh việc phóng vệ tinh lên đây và dự kiến đến 2010 sẽ có 1.700 vệ tinh trên đó là của người Mỹ Mặt khác, họ tăng cường vũ khí laze ở trên vùng này để bảo vệ “quyền lợi” của họ Vậy mà vũ khí laze vẫn không có một tổ chức nào, một cơ chế nào của cộng đồng quốc tế để kiểm soát chúng Phải chăng đó là một tai hoạ khủng khiếp vẫn còn được che đậy?./