Bài thuyết trình 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.. Ở cuối thời gian đó nguyên tử chuyển dời tự ph

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM HUẾ

Khoa Cơ Khí - Công Nghệ

Chủ đề 7:

Laser

SV thực hiên: Trần Văn Hòa

Đỗ Thành Vinh Trần Văn Ninh Đinh Thị Hiệp Lớp: Công thôn 45

GVHD: Nguyễn Đăng Nhật

Năm 2012

I:Khái Niệm:

Laser là từ ghép của các chữ cái

đầu tiên của cụm từ tiếng Anh

“Light Amplifier by Stimulated

of Radiation” nghĩa là khuếch

II: Lịch sử hình thành:

 Laser được phỏng theo maser, một thiết bị có cơ chế tương tự

nhưng tạo ra tia vi sóng hơn là các bức xạ ánh sáng Maser đầu tiên được tạo ra bởi Charles H Townes và sinh viên tốt nghiệp J.P

Gordon và H.J Zeiger vào năm 1953 Maser đầu tiên đó không tạo

ra tia sóng một cách liên tục Nikolay Gennadiyevich Basov và

Aleksandr Mikhailovich Prokhorov của Liên bang Xô viết đã làm việc độc lập trên lĩnh vực lượng tử dao động và tạo ra hệ thống phóng tia liên tục bằng cách dùng nhiều hơn 2 mức năng lượng Hệ thống

đó có thể phóng ra tia liên tục mà không cho các hạt xuống mức năng lượng bình thường, vì thế vẫn giữ tần suất Năm 1964,

Charles Townes, Nikolai Basov và Aleksandr Prokhorov cùng nhận giải thưởng Nobel vật lý về nền tảng cho lĩnh vực điện tử lượng tử, dẫn đến việc tạo ra máy dao động và phóng đại dựa trên thuyết

maser-laser.

 Laser hồng ngọc, một laser chất rắn, được tạo ra lần đầu tiên vào năm 1960, bởi nhà vật lý Theodore Maiman tại phòng thí nghiệm Hughes Laboratory ở Malibu, California Hồng ngọc là ôxít nhôm

pha lẫn crôm Crôm hấp thụ tia sáng màu xanh lá cây và xanh lục,

để lại duy nhất tia sáng màu hồng phát ra.

 Robert N Hall phát triển laser bán dẫn đầu tiên, hay laser diod,

năm 1962 Thiết bị của Hall xây dựng trên hệ thống vật liệu

gali-aseni và tạo ra tia có bước sóng 850 nanômét, gần vùng quang

phổ tia hồng ngoại Laser bán dẫn đầu tiên với tia phát ra có thể thấy được được trưng bày đầu tiên cùng năm đó Năm 1970, Zhores Ivanovich Alferov của Liên Xô và Hayashi và Panish của Phòng thí nghiệm Bell đã độc lập phát triển laser diode hoạt động liên tục ở nhiệt độ trong phòng, sử dụng cấu trúc đa kết nối thu sua

maser

III:Cấu tạo, tính chất:

1:Cấu tạo:

 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.

Cấu tạo cơ bản và cơ chế hoạt động của laser.

2: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.

IV:cơ chế:

 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 nghịch đảo mật độ tích lũy 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

V: Phân loại:

Laser được chia làm 3 loại chủ yếu:

1 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 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.

2 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.

3 LASER chất lỏng

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

VI: Nguyên lý hoạt động:

Gọi W1 và W2 (giả sử W1 < W2) là 2 mức năng lượng tương ứng với 2 trạng thái của cùng một nguyên tử Nguyên tử có thể thực hiện, giữa 2 trạng thái (1) và (2) ba loại chuyển dời bức xạ (nghĩa là các chuyển dời kèm theo sự sản sinh hoặc mất đi một proton)

a) a) Phát bức xạ tự phát xảy ra ngay cả khi nguyên

tử hoàn toàn cô lập và sự phát này không do một nguyên nhân bên ngoài nào gây nên Các nguyên

tử ở trạng thái năng lượng cao W2 trong một

khoảng thời gian rất ngắn Ở cuối thời gian đó

nguyên tử chuyển dời tự phát về trạng thái năng lượng thấp W1 và bức xạ 1 photon tần số v: hv =

W2 – W1

Sự phát bức xạ tự phát này là không kết hợp, bởi vì các nguyên tử của nguồn phát bức xạ là độc lập nhau , pha của những sóng này

là khác nhau , sự phân cực và

hướng truyền của chúng cũng

độc lập nhau Những sóng hỗn

độn đó không thể dùng được

trong truyền thanh và truyền hình.

Ta lưu ý tới hai loại chuyển

dời bức xạ khác được sinh ra khi mà các nguyên

tử chịu tác động của một số sóng điện từ mà tần

số của nó thỏa mãn điều kiện cộng hưởng

b) Các nguyên tử ở trạng thái năng lượng thấp W1

khi hấp thụ một photon cộng hưởng ,

chuyển lên trạng thái

W2 Số lượng photon

bị hấp thụ Na trong một

đơn vị thời gian là tỉ lệ

với số lượng nguyên tử

P1 ở mức W1 và mật độ phổ năng lượng Uv của sóng ở tần số cộng hưởng v.

Na = Ba.Uv.P1

c:Các nguyên tử ở mức năng lượng W2, khi các

photon tới va chạm với các nguyên tử này gây nên

sự chuyển dời kích thích (cưỡng bức) về mức năng lượng thấp W1 phát ra một photon khác Photon

này có cùng tần số, cùng pha, cùng phân cực và

cùng hướng truyền như photon tới Như vậy một photon tới ta nhận được hai photon như nhau Hai photon này tiêp tục truyền theo một hướng tái tạo

ra bốn photon và quá trình cứ tiếp diễn, nghĩa là

các photon cảm ứng tăng cường thêm vào sóng tới, nói cách khác là sóng tới được khuếch đại lên Đó

là đặc trưng của bức xạ cảm ứng được dùng trong laser.

Số lượng photon Ni sinh ra do phát xạ cảm ứng

trong một đơn vị thời gian là tỉ lệ với số lương P2 ở mức năng lượng W2 và mật độ năng lượng phổ Uv

của sóng tới :

Ni = Bi.Uv.P2

người ta chứng minh rằng hai hệ số tỉ lệ Ba và Bi

bằng nhau, ta đặt bằng B:

Ba = Bi = B Trong điều kiện bình thường, mật độ nguyên tử

P1 va P2 tuân theo định luật Bonltzmann:

P2 =P1.e-(W2-W1)/kT

Vì W2>W1 kéo theo P2<P1 và trong điều kiện này

Ni<Na thì sóng tới sẽ giảm dần khi truyền trong môi trường.

Để quan sát khuếch đại sóng tới (Ni>Na) cần tạo

ra sự nghịch đảo mật độ nguyên tử, nghĩa là cần thực hiện điều kiện sao cho số nguyên tử P2 ở

trạng thái năng lượng cao nhiều hơn số nguyên

tử P1 ở trạng thái năng lượng thấp (P2>P1) Môi

trường này gọi là môi trường hoạt động hoặc môi trường có nhiệt độ âm (vì trong công thức

Boltzmann nếu thay T bởi –T thì P2>P1).

VII: Các sai lầm

 Sự hiện diện của laser trong trong các tác phẩm khoa học viễn

tưởng, hay phim hành động, cũng như lời bình phẩm nói chung dẫn đến các suy nghĩ sai lầm Ví dụ, trái với những gì xuất hiện trên

phim như Star Wars, tia laser không bao giờ nhìn thấy trong chân không, do chân không không có tán xạ ánh sáng Trong không khí, tia laser có thể va chạm với bụi hay vật cản trên đường và bị tán

xạ, tạo ra các tia lóe sáng; tương tự như ánh nắng mặt trời tỏa

sáng trong môi trường bụi Kĩ xảo này ứng dụng cho tia laser có thể nhìn thấy, như trong mục đích chụp ảnh, bằng cách tăng số

lượng các hạt trong không khí, như là dùng bình xịt thơm.

 Tia laser với cường độ cao có thể nhìn thấy trong không khí nhờ

vào tán xạ Rayleigh hay tán xạ Raman Với các tia có cường độ cao hơn, tập trung tại một điểm nhỏ, không khí có thể bị nung lên đến trạng thái plasma, do đó laser có thể được thấy nhờ bức xạ từ

plasma này Tuy nhiên sự tăng áp suất đột ngột khi không khí bị nóng nhanh có thể tạo ra tiếng nổ lớn, và tạo ra sự phản hồi của tia laser làm hư thiết bị (tùy vào thiết kế của laser).

 Trong phim khoa học viễn tưởng, các hiệu ứng đặc biệt thường

miêu tả các vũ khí laser truyền đi vài mét trong một giây, trái với thực tế là tia laser di chuyển với vận tốc ánh sáng, nhanh đến mức không thể thấy sự di chuyển của tia laser.

 Một vài cảnh phim miêu tả hệ thống an toàn sử dụng laser đỏ, có thể được vô hiệu hóa bởi các nhân vật bằng việc là sử dụng gương, khi người này nhìn thấy tia laser bằng cách rải các bụi trắng vào không khí Thực tế thì hệ thống an toàn có thể dùng tia laser hồng ngoại hơn là tia laser thấy được.

VIII: Ứng dụng của laser:

1: Ứng dụng chung:

 Vào thời điểm được phát minh năm 1960, laser được gọi là

"giải pháp để tìm kiếm các ứng dụng" Từ đó, chúng trở nên phổ biến, tìm thấy hàng ngàn tiện ích trong các ứng dụng

khác nhau trên mọi lĩnh vực của xã hội hiện đại, như phẫu thuật mắt, hướng dẫn phương tiện trong tàu không gian,

trong các phản ứng hợp nhất hạt nhân Laser được cho là một trong những phát minh ảnh hưởng nhất trong thế kỉ 20

 Ích lợi của laser đối với các ứng dụng trong khoa học, công nghiệp, kinh doanh nằm ở tính đồng pha, đồng màu cao,

khả năng đạt được cường độ sáng cực kì cao, hay sự hợp

nhất của các yếu tố trên Ví dụ, sự đồng pha của tia laser

cho phép nó hội tụ tại một điểm có kích thước nhỏ nhất cho phép bởi giới hạn nhiễu xạ, chỉ rộng vài nanômét đối với

laser dùng ánh sáng Tính chất này cho phép laser có thể lưu trữ vài gigabyte thông tin trên các rãnh của DVD Cũng là

điều kiện cho phép laser với công suất nhỏ vẫn có thể tập trung cường độ sáng cao và dùng để cắt, đốt và có thể làm bốc hơi vật liệu trong kỹ thuật cắt bằng laser Ví dụ, một

laser Nd:YAG, sau quá trình nhân đôi tần số, phóng ra tia

sáng xanh tại bước sóng 523 nm với công suất 10 W có khả năng, trên lý thuyết, đạt đến cường độ sáng hàng triệu W trên một cm vuông Trong thực tế, thì sự tập trung hoàn

toàn của tia laser trong giới hạn nhiễu xạ là rất khó

 Tia sáng laser với cường độ cao có thể cắt thép và các kim loại khác Tia từ laser thường có độ phân kì rất nhỏ, (độ

chuẩn trực cao) Độ chuẩn trực tuyệt đối là không thể tạo

ra, bởi giới hạn nhiễu xạ Tuy nhiên, tia laser có độ phân kỳ nhỏ hơn so với các nguồn sáng Một tia laser được tạo từ laser He-Ne, nếu chiếu từTrái Đất lên Mặt Trăng, sẽ tạo nên một hình tròn đường kính khoảng 1 dặm (1,6 kilômét) Một vài laser, đặc biệt là với laser bán dẫn, có với kích thước

nhỏ dẫn đến hiệu ứng nhiễu xạ mạnh với độ phân kỳ cao Tuy nhiên, các tia phân kỳ đó có thể chuyển đổi về tia

chuẩn trục bằng các thấu kính hội tụ Trái lại, ánh sáng

không phải từ laser không thể làm cho chuẩn trực bằng các thiết bị quang học dễ dàng, vì chiều dài đồng pha ngắn hơn rất nhiều tia laser Định luật nhiễu xạ không áp dụng khi laser được truyền trong các thiết bị dẫn sóng như sợi thủy tinh Laser cường độ cao cũng tạo nên các hiệu ứng thú vị trong quang học phi tuyến tính

 Máy đo khoảng cách bằng laser trong quân sự là loại thiết bị quan trọng Có nhiều loại khác nhau: máy đo cự ly hàng

không, máy đo cự ly xe tăng, máy đo cự ly xách tay

v.v Máy đo cự ly hàng không đo chính xác cự ly từ máy bay đến mục tiêu trên mặt đất, nâng cao độ trúng đích khi ném bom Nguyên lý hoạt động: đo khoảng thời gian chênh lệch giữa xing laser phát ra và xung phản hồi về rồi nhân với tốc

độ ánh sáng(300.000km/s), lấy kết quả chia 2, được cự ly cần đo

 Rada laser có độ chính xác cao hơn rada thông thường, có thể hướng dẫn hai tàu vũ trụ ghép nối chính xác trên không gian Máy bay chiến đấu bay ở tầm siêu thấp, nếu trang bị rada laser có thể né chính xác tất cả chướng ngại vật, kể cả đường dây điện Tuy nhiên, những thiết bị laser đều chịu ảnh hưởng của thời tiết, trời mù hoặc mưa thì khoảng cách đo bị giảm đi nhiều

 Bom có lắp thiết bị dẫn đường bằng laser và đuôi có lắp hệ thống lái điều khiển sẽ tự động tìm kiếm và đánh trúng mục tiêu

 La bàn laser thay thế la bàn phổ thông, để đo phương vị

máy bay, dùng trong máy bay phản lực cỡ lớn và máy bay chiến đấu tính năng cao

 Tia laser đo khoảng cách từ vệ tinh và mặt trăng đến trái

đất, đo đạc toàn cầu Ngoài ra, chùm tia laser còn làm náo nhiệt không khí lễ hội

 Tia laser còn được dùng làm vũ khí, tuy chưa được phổ biến Được chia làm 2 loại: Vũ khí laser công suất thấp làm loá

mắt đối phương, dùng trong tác chiến gần, khoảng cách chỉ vài km, trời mưa mù khoảng cách còn ngắn hơn, có thể xách tay, lắp trên xe tăng, máy bay trực thăng Vũ khí laser năng lượng cao dùng chùm tia laser cực mạnh chiếu đến một điểm trên mục tiêu, dừng lại một thời gian ngắn để vật liệu chảy

ra hoặc khí hoá Chùm tia laser mạnh có thể phá huỷ đường điện, gây cháy thùng nguyên liệu trong máy bay, gây nổ đạn đạo Lắp đặt trên mặt đất, trên tàu, máy bay, vệ tinh, có tốc

độ nhanh, chính xác cao, không cần thuốc mồi, không sinh lực đẩy phía sau, không tạo ô nhiễm nên nó là loại vũ khí

"sạch sẽ" Vũ khí laser lắp đặt trên vệ tinh có thể bắn hạ

tên lửa đạn đạo và vệ tinh đối phương

 Theo dự tính, để phá huỷ tên lửa đạn đạo cách xa 1000km cần năng lượng laser 20000KW và kính phản xạ đường kính 10m với thời gian chiếu xạ 1 giây Đầu những năm 90, Mỹ có thể tạo ra tia laser năng lượng 5000KW Tuy vẫn còn một

khoảng cách khá xa nhưng trong tương lai, vũ khí laser sẽ trở thành công cụ chiến tranh lợi hại và là cuộc đua công

nghệ của các cường quốc trên thế giới

 Trong y học, laser công suất thấp được sử dụng trong vật lý trị liệu để gây hiệu ứng sinh học [1]; và laser công suất lớn gây hiệu ứng đốt dùng trong điều trị thoát vị đĩa đệm cột

Ứng dụng laser trong công nghệ

Ứng dụng laser gia công vật liệu

Sơ đồ nguyên lý cắt bằng tia laser

Những đặc tính kỹ thuật ảnh

hưởng đến quá trình cắt:

Nguồn laser, dạng xung hay liên tục,

bước sóng,phân cực, dạng chùm tia, vị

trí đầu cắt…

Tốc độ dịch chuyển, điều khiển vị trí

tiêu điểm của chùm tia

Đặc tính của vật liệu cắt

Nd:YAG