Một số ứng dụng mới nhất của laser

Tuy nhiên chỉ vài tháng trước đó, Gordon Gould, một nghiên cứu sinh cũng đang làm việc tại đại học Columbia, độc lập đưa ra khái niệm về buồng quang học-optical resonator sử dụng các kín

Khoa vật lý

một số ứng dụng mới nhất của laser

khóa luận tốt nghiệp đại học

Chuyên ngành: quang học - quang phổ

Giảng viờn hướng dẫn : TS Đoàn Hoài Sơn Sinh viờn thực hiện : Vũ Thị Vũng

Lớp : 49B - Vật lý

Mssv : 0851050127

nghệ an - 2012

MỤC LỤC

Trang

LỜI CẢM ƠN MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

3 Phương pháp nghiên cứu 2

4 Bố cục luận văn 2

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ LASER 3

1 Lịch sử ra đời và sự phát triển của Laser 3

2 Nguyên lý cấu tạo Laser 5

2.1 Cơ sở lý thuyết 6

2.2 Cấu tạo máy phát laser 9

2.3 Nguyên lý hoạt động của máy phát laser 11

3 Đặc điểm của Laser 13

4 Tính chất của laser 14

4.1 Độ định hướng cao: 14

4.2 Độ đơn sắc rất cao: 14

4.3 Có khả năng phát xung cực ngắn: 14

4.4 Cường độ sáng lớn: 14

4.5 Tính kết hợp: 14

4.6 Tính hội tụ: 15

5 Phân loại laser 15

6 Ưu điểm và nhược điểm của laser 17

6.1 Ưu điểm 17

6.2 Nhược điểm 17

CHƯƠNG II : MỘT SỐ ỨNG DỤNG MỚI NHẤT CỦA LASER 18

1 Ứng dụng của laser trong y học 18

2 Ứng dụng laser trong công nghiệp 21

3 Chíp laser 23

4 Mặt trời nhân tạo 23

5 Ứng dụng laser để tạo xung cực ngắn 24

6 Ứng dụng của laser trong nghiên cứu khoa học 27

7 Ứng dụng laser trong khoa học kỹ thuật 31

8 Ứng dụng laser trong kỹ thuật quân sự 36

10 Laser điểm lượng tử 41

11 Ứng dụng laser trong đời sống 44

12 Ứng dụng laser trong việc tạo ra các từ trường mạnh 46

13 Ứng dụng laser trong thông tin quang 46

14 Dùng laser di chuyển xung sáng trong khí lạnh 49

15 Ứng dụng laser trong vi mạch điện tử 50

KẾT LUẬN 52

TÀI LIỆU THAM KHẢO 53

LỜI CẢM ƠN

Luận văn này được hoàn thành nhờ sự nỗ lực phấn đấu của bản thân và sự

hướng dẫn tận tình của Thầy giáo TS Đoàn Hoài Sơn, cùng với sự giúp đỡ của các

Thầy Cô trong khoa Vật Lý Qua đây tác giả xin gửi tới Thầy giáo TS Đoàn Hoài Sơn,

các Thầy Cô trong khoa Vật Lý lời cảm ơn chân thành nhất

Tác giả cũng xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới gia đình và bạn bè đã tạo điều

kiện và giúp đỡ tác giả để tác giả có thể hoàn thành luận văn

Do điều kiện thời gian và khả năng có hạn nên không thể tránh khỏi những thiếu

sót trong khi thực hiện đề tài Rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của độc giả

để đề tài được hoàn thiện hơn

Sinh viên

Vũ Thị Vòng

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Thế kỷ XXI là thế kỷ của những công nghệ cao, công nghệ kỹ thuật số, chúng ta không những quan tâm tới khả năng đáp ứng nhu cầu công việc của các nhà máy mà còn đánh giá cao sự gọn nhẹ của chúng Các nhà khoa học đã công bố hai phát kiến có tầm ảnh hưởng rất lớn đến nền công nghệ ngày nay

Thứ nhất, sự ra đời của Transitor đã kích thích sự phát triển của vi điện

tử, công nghệ “vi mô ”

Thứ hai, quan trọng hơn là sự phát minh laser, mở ra một con đường

mới cho các nhà phát minh, sáng chế Laser có tầm ảnh hưởng sâu rộng đến tất cả các lĩnh vực trong đời sống

Laser có thể rất gần gũi với tất cả mọi người Hầu hết chúng ta đều nghe nhắc đến cụm từ này một vài lần Ngày nay laser hiện diện ở nhiều nơi, nhưng những thông tin đại chúng về nó thì vẫn còn rất hạn chế Laser phát triển mạnh vào những năm 80 của thế kỷ XX, thời điểm này nước ta vừa vực dậy sau cuộc chiến tranh nên điều kiện áp dụng những thành quả khoa học hiện đại vẫn còn rất hạn chế, mặt khác giá thành của nó không hề nhỏ Nhưng laser phát triển rất nhanh, nó đã xâm nhập rất nhiều vào cuộc sống và những thành tựu của nó được ứng dụng rộng rãi trong các ngành: công nghiệp, nông nghiệp, quốc phòng, y học…vậy nên chúng ta hãy tìm hiểu kỹ hơn về nó: laser là gì? laser xuất hiện như thế nào? những chặng đường phát triển của nó? những tính chất nào của nó đã được ứng dụng vào trong đời sống? Chắc chắn đó là những câu hỏi có từ rất lâu và mọi người trong chúng ta những người đang từng ngày chứng kiến sự bùng nổ của công nghệ kỹ thuật, phải ít nhất tự hỏi mình những câu hỏi như vậy

Với mong muốn trả lời những câu hỏi đó, tôi đã chọn đề tài: “ Laser và một số ứng dụng mới nhất của laser ” để tìm hiểu và nghiên cứu trong khóa luận này

2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đề tài nghiên cứu đến những kiến thức cơ bản của laser như: lịch sử ra đời của laser, đặc điểm, cấu tạo, nguyên tắc hoạt động, các tính chất của laser

và một số ứng dụng mới nhất của laser trong cuộc sống không đi sâu vào kiến thức chuyên ngành

3 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 và phân tích tài liệu

và một số ưu điểm, nhược điểm của laser

Chương II: Một số ứng dụng mới nhất của Laser

Trong chương này chúng tôi nghiên cứu ứng dụng của laser trong y học, công nghiệp, quân sự, đời sống…

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ LASER

1 Lịch sử ra đời và sự phát triển của Laser

Laser là từ viết tắt của cụm từ: Light Amplification by Stimulated Emisson of Radiation, nghĩa là bức xạ ánh sáng bằng bức xạ cưỡng bức Người ta nhớ lại rằng vào năm 1916, sau khi được bầu vào viện Hàn Lâm Khoa học Đức, Enstein bằng tư duy trìu tượng cao, đã nêu thuyết: “ Nếu chiếu những nguyên tử bằng một làn sóng điện từ, sẽ có thể xảy ra một bức xạ

“được kích hoạt ” và trở thành một chùm tia hoàn toàn đơn sắc, ở đó tất cả những photon (quang tử) phát ra sẽ có cùng một bước sóng ” Đó là một ý tưởng khoa học, nhưng chưa được ai chứng minh nên nó nhanh chóng lãng quên trong nhiều năm

Mãi đến năm 1951, Giáo sư Charles Townes thuộc trường đại học Columbia của thành phố New York (Mỹ) mới chú ý đến sự khuếch đại của sóng cực ngắn (vi sóng) Ông thực hiện một thí nghiệm mang tên Maser (Maze) là khuyếch đại vi sóng bằng bức xạ cảm ứng (Chữ Maser là từ viết tất của cụm từ: Microwave Amplification by Stimulated Emisson of Radiation) Ông đã thành công, tuy phải chi phí khá tốn kém để nghiên cứu trong phòng thí nghiệm Cũng vào thời gian này, ở một phương trời khác, hai nhà khoa học Xô Viết là Nikolay Gennadiyevich Basov và Aleksandr Mikhailovich Prokhoorv cũng phát minh ra máy khuyếch đại vi sóng và gần như một dạng nguyên lý: tạo ra hệ thống phóng tia liên tục bằng cách dùng nhiều hơn hai 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

Hình 1: Phát hiện Maser vũ trụ

Năm 1958, Townes và đồng sự của ông Arthur Schawlow đã xuất bản tạp chí khoa học và đăng ký bằng sáng chế và cho rằng “Maser quang học”, có thể được sử dụng để tạo ra tia hồng ngoại và tạo ra ánh sáng nhìn thấy được Tuy nhiên chỉ vài tháng trước đó, Gordon Gould, một nghiên cứu sinh cũng đang làm việc tại đại học Columbia, độc lập đưa ra khái niệm về buồng quang học-optical resonator sử dụng các kính (mirrors) tại các đầu của một ống thẳng hàng, cho phép một mức năng lượng trung bình đạt được tạo ra năng lượng quang để duy trì một sự đảo ngược và tạo ra ánh sáng chuẩn trực, liên kết Gould đã ghi nhận kết quả và tính toán của ông vào trong ghi chép của mình notebook, cho rằng thiết bị của ông là một laser

Hình 2: Máy tạo Maser đầu tiên trong lịch sử

Dựa theo ấn bản của Townes’ và Schawlow’s năm 1958, Theodore Maiman, làm việc tại trung tâm nghiên cứu Hughes, đã tạo ra máy Laser đầu tiên sử dụng thanh rod bằng ruby với các kính tạo quang ở hai đầu bằng một bóng đèn phát tia xoắn bịt kín trong một xylanh bằng nhôm Ông công bố kết quả đạt được này tại buổi họp báo tại New York City vào tháng 7 năm

1960

Hình 3: Laser Ruby

Nhiều năm tiếp theo, các nhà khoa học khắp nơi đã nối dài con đường phát triển của laser ra thành nhiều loại, và bằng nhiều cách: đưa vào thanh hoạt chất thể khí (VD như CO2, He, Ne …) ta có tia laser từ thể khí, đưa vào đó areniure (từ gallium) thì có tia từ bán dẫn, đưa vào đó các chất dung dịch màu hữu cơ thì cho ta laser lỏng, …Điều kỳ diệu này là tùy theo hoạt chất mà tạo

ra nhiều màu sắc khác nhau làm cho tia laser trở nên lung linh huyền ảo

2 Nguyên lý cấu tạo laser

Nguyên lý cấu tạo chung của một máy laser gồm có: buồng cộng hưởng chứa hoạt chất laser, nguồn bơm và hoạt chất 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 laser Khi một photon tới va chạm vào hoạt chất này thì kéo theo đó là một photon khác bật

ra bay theo cùng hướng với photon tới Mặt khác buồng cộng hưởng có hai 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 khuyếch 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

2.1 Cơ sở lý thuyết

Ta đã biết, sự lượng tử hóa trong nguyên tử làm cho các nguyên tử

có các mức năng lượng gián đoạn Sự chuyển từ mức năng lượng này sang mức năng lượng khác phải xảy ra cùng sự phát xạ ánh sáng

Theo tiên đề Borh, nếu nguyên tử hay phân tử nằm ở trạng thái năng lượng cao hơn năng lượng ở trạng thái thấp nhất (trạng thái cơ bản) thì nó

có thể tự chuyển về các mức năng lượng thấp hơn mà không cần kích thích

từ bên ngoài Một kết quả có thể xảy ra cùng với sự chuyển mức năng lượng là giải phóng năng lượng dư thừa (ứng với hiệu hai mức năng lượng) dưới dạng một photon Nguyên tử hay phân tử kích thích có một thời gian phát xạ đặc trưng, đó là thời gian mà chúng vẫn giữ được trạng thái năng lượng kích thích cao hơn trước khi chúng chuyển xuống các mức thấp hơn và phát ra photon Từ thời gian phát xạ của các nguyên tử Einstein đã nghĩ ra một loại phát xạ mới: phát xạ cưỡng bức

Ở trạng thái kích thích, nếu một nguyên tử được chiếu vào một photon có năng lượng bằng hiệu hai mức năng lượng mà sự chuyển trạng thái có thể xảy ra tự phát, thì nguyên tử có thể bị cưỡng bức bởi photon đến và chuyển xuống mức năng lượng thấp hơn mức trên một khoảng năng lượng đúng bằng năng lượng photon đến, đồng thời phát ra một photon cùng bước sóng với photon đến Một photon riêng lẻ tương tác với một nguyên tử kích thích thì có thể tạo ra hai photon phát xạ Nếu các photon được xem là sóng thì sự bức xạ cưỡng bức sẽ dao dộng với tần số của ấnh sáng tới, cùng pha (thỏa mãn tính chất kết hợp) nên làm khuếch đại của chùm sáng ban đầu Kết quả là ánh sáng phát xạ được khuếch đại

Hình 4: Cơ chế phát ra tia Laser

Vấn đề quan trọng nhất trong việc thu được phát xạ laser cưỡng bức là dưới những điều kiện cân bằng nhiệt động lực học bình thường thì số phân tử hay nguyên tử ở mỗi mức năng lượng không thuận lợi cho việc phát xạ cưỡng bức Do các nguyên tử có xu hướng tự chuyển xuống các mức năng lượng thấp hơn nên số nguyên tử hay phân tử ở mỗi mức sẽ giảm khi năng lượng tăng Dưới những điều kiện bình thường, với năng lượng ứng với một quang electron điển hình là 1eV thì tỉ số giữa các nguyên tử ở trạng thái kích thích mức cao với trạng thái cơ bản mức thấp là vào khoảng 1017, hầu như tất cả các nguyên tử hay phân tử ở vào trạng thái cơ bản đối với sự chuyển mức năng lượng của ánh sáng khả kiến Một lý do khiến bức xạ cưỡng bức khó thu được trở nên hiển nhiên khi xem xét các sự kiện có khả năng xảy ra quanh sự phân hủy của một electron từ một trạng thái kích thích với sự phát xạ ánh sáng sau

đó và tự phát Ánh sáng phát xạ có thể kích thích sự phát xạ từ các nguyên tử

bị kích thích khác, nhưng một số có thể gặp phải nguyên tử ở trạng thái cơ bản và bị hấp thụ chứ không gây ra phát xạ được Do số nguyên tử ở trạng thái kích thích ít hơn nhiều số nguyên tử ở trạng thái cơ bản nên photon phát

xạ có khả năng hấp thụ nhiều hơn, bù lại số photon cưỡng bức cũng không đáng kể so với sự phát xạ tự phát (ở trạng thái cân bằng nhiệt động lực học)

Cơ chế làm cho sự phát xạ cưỡng bức có thể lấn át là phải có số nguyên tử

ở trạng thái kích thích nhiều hơn số nguyên tử ở trạng thái năng lượng thấp hơn, sao cho các photon có khả năng gây kích thích phát xạ nhiều hơn là bị hấp thụ Do điều kiện này là nghịch đảo trạng thái cân bằng nên được gọi là

sự nghịch đảo mật độ cư trú Miễn là số nguyên tử ở trạng thái cao nhiều hơn

ở các mức thấp hơn, thì phát xạ cưỡng bức sẽ lấn át và thu được dòng thác photon Photon phát xạ ban đầu sẽ kích thích sự phát xạ của nhiều photon khác, các photon này sau đó lại kích thích sự phát xạ ra nhiều photon khác nữa, cứ thế tiếp diễn làm cho dòng thác photon tăng lên Kết quả là ánh sáng phát xạ được khuyếch đại

Sự nghịch đảo mật độ cư trú có thể tạo ra qua hai cơ chế cơ bản: hoặc tạo

ra sự dư thừa các nguyên tử hay phân tử ở trạng thái năng lượng cao, hoặc làm giảm mật độ cư trú ở trạng thái năng lượng thấp Nhưng đối với laser hoạt động liên tục phải chú ý vừa làm tăng mật độ cư trú ở mức cao, vừa hạ thấp mật độ cư trú ở mức thấp Nếu quá nhiều nguyên tử hay phân tử tích tụ ở mức thấp thì sự nghịch đảo mật độ cư trú sẽ không còn và laser ngừng hoạt động

Để tạo ra sự nghịch đảo mật độ cư trú thì phải kích thích có chọn lọc các nguyên tử hay phân tử lên một mức năng lượng đặc biệt Ánh sáng và dòng điện là cơ chế kích thích được chọn cho phần lớn laser Ánh sáng và electron

có thể cung cấp năng lượng cần thiết để kích thích nguyên tử hay phân tử lên các mức năng lượng cao hơn được chọn Sau đó sẽ chuyển xuống mức laser dưới

Ta thấy, khoảng thời gian mà một nguyên tử hay phân tử tồn tại ở một trạng thái kích thích quyết định nó bị phát xạ cưỡng bức và tham gia vào dòng thác photon hay mất đi năng lượng qua phát xạ tự phát Các trạng thái kích thích thường có thời gian sống cỡ nano giây, trước khi chúng giải phóng năng

lượng một thời gian không đủ lâu để chúng bị kích thích bởi các photon khác

Do vậy, mức năng lượng cao phải có thời gian sống lâu hơn (trạng thái bền vững) Với thời gian sống trong trạng thái này (khoảng micro đến mili giây) các nguyên tử bị kích thích có thể tạo ra một lượng đáng kể phát xạ cưỡng bức

Hình 5:Biểu diễn năng lượng laser bơm 3 mức và 4 mức

Ngoài việc tạo ra sự nghịch đảo mật độ cư trú, cũng cần có các yếu tố khác để khuếch đại và tập trung ánh sáng thành một chùm Công việc này được thực hiện trong một hộp cộng hưởng, nó phát xạ một số ánh sáng trở lại môi trường laser, và qua nhiều lần tương tác sẽ hình thành hay khuếch đại cường

độ ánh sáng

2.2 Cấu tạo máy phát laser

Laser hay còn gọi là máy phát lượng tử vùng quang học, cấu tạo chung của một máy laser gồm 3 bộ phận chính: Buồng cộng hưởng, hoạt chất, và nguồn bơm

Buồng cộng hưởng gồm 2 gương phản xạ: Một gương có hệ số phản

xạ rất cao 99.999%, còn một gương là bán mạ có hệ số phản xạ hấp hơn để tia laser có thể thoát ra ngoài

b) Hoạt chất

Hoạt chất là môi trường vật chất có khả năng khuếch đại ánh sáng đi qua

nó Hoạt chất là yếu tố quan trọng nhất trong laser, nó là cơ sở để phân loại laser, hiện nay có rất nhiều chất được sử dụng để làm hoạt chất của laser như rắn, lỏng, khí, bán dẫn…

 Hoạt chất laser là chất khí bao gồm:

 Các khí đơn nguyên tử như ArI, XeI, NeI…

 Các iôn khí đơn nguyên tử như ArII, KrII…

 Các khí phân tử như CO2, N2, H2O …

 Các hỗn hợp khí đơn nguyên tử như He-Ne, hay hỗn hợp khí phân tử như CO2-N2-He…

 Hoạt chất là chất rắn bao gồm dạng tinh thể hay thủy tinh (glass) được pha trộn thêm các nguyên tố hiếm như Nd+3

, Cr+3….Laser rắn điển hình là laser Ruby có hoạt chất là tinh thể Al2O3 trộn thêm Cr+3

 Hoạt chất là chất bán dẫn như GaAs, PbS, PbTe …Về cơ bản những hoạt chất này phải là những chất phát quang

 Hoạt chất là chất lỏng bao gồm các chất màu hữu cơ với liên kết đôi liên hợp xen kẽ liên kết đơn, hấp thụ mạnh ánh sáng ở vùng nhìn thấy

và vùng tử ngoại

c) Nguồn bơm

Nguồn bơm là bộ phận cung cấp năng lượng để tạo ra sự nghịch đảo

độ tích lũy cho iôn hay phân tử trong hai mức năng lượng nào đó của hoạt chất và duy trì sự hoạt động của laser Có nhiều phương pháp kích thích như:

 Kích thích bằng ánh sáng kích thích hay còn gọi là bơm quang học: Đây là loại kích thích phổ biến, các phân tử vật chất thu được thêm năng lượng qua sự hấp thụ

 Kích thích bằng điện: Điện trường trực tiếp kích thích hoạt chất và truyền năng lượng cho chúng

 Kích thích bằng va chạm điện tử: Năng lượng điện tử được gia tốc trong điện trường và truyền cho các hệ nguyên tử vật chất nhờ quá trình va chạm

2.3 Nguyên lý hoạt động của máy phát laser

: electron ở mức cơ bản,

: electron ở mức kích thích,

: quỹ đạo photon

Bình thường electron ở mức cơ bản E1 như hình vẽ:

Sau đó cung cấp năng lượng (bơm quang học) để tạo ra trạng thái nghịch đảo mật độ cư trú

Lúc này các electron đang ở trạng thái kích thích, chúng bức xạ cảm ứng phát ra các photon, các photon đầu tiên sẽ kích thích các electron khác phát

xạ Một photon va chạm với electron của nguyên tử tạo ra hai photon, hai photon này lại tạo ra bốn photon khác và cứ như thế số photon được tăng lên theo cấp số nhân Các photon sinh ra chuyển động theo các hướng khác nhau

Một lượng lớn chúng thoát ra khỏi ống, một số chuyển động dọc theo trục ống Khi đến đầu ống chúng bị hai gương phản xạ lại, va chạm với các electron của các nguyên tử khác đang ở trạng thái kích thích và khởi phát thêm bức xạ cảm ứng Số photon vẫn tăng lên không ngừng, tất cả những sự kiện này diễn ra với tốc độ kinh hoàng trong vài phần triệu giây

Khi photon chuyển động dọc theo trục ống tăng lên đến một cường độ nhất định, thì các photon này sẽ đi qua hai gương bán mạ và ta thấy một tia laser ló

ra từ đó

3 Đặc điểm của Laser

Laser là từ viết tắt của cụm từ: Light Amplification by Stimulated Emisson of Radiation, nghĩa là khuếch đại ánh sáng bằng bức xạ cưỡng bức, ánh sáng ra của tia laser là nguồn ánh sáng kết hợp, có độ đơn sắc cao, độ phân kỳ nhỏ, mật độ công suất và năng lượng lớn Đồng thời laser không phải

là nguồn ánh sáng tự nhiên hay một nguồn nhân tạo thông thường mà nó là sản phẩm của quá trình khuếch đại các bức xạ cưỡng bức Vì vậy laser có những đặc điểm sau:

 Không dùng buồng chân không

 Không có vấn đề tích điện trong môi trường

 Không có phóng xạ Rơnghen

 Hiệu suất thấp nên khó điều chỉnh công suất

 Khả năng điều chỉnh độ lệch tia kém hơn tia điện tử

 Đường kính nhỏ nhất của điểm chất sáng phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng kích thích…

4 Tính chất của laser

4.1 Độ định hướng cao: khác với các nguồn sáng khác, các tia laser được

chọn lọc chỉ phát ra những tia vuông góc với gương, các tia laser phát ra hầu như là chùm song song do đó có khả năng chiếu xa hàng nghìn km mà không bị tán xạ, cho nên người ta dùng tia laser để đo khoảng cách vũ trụ

4.2 Độ đơn sắc rất cao: Laser là chùm ánh sáng mà các tia sáng của nó có

mức chênh lệch bước sóng nhỏ nhất, so với các chùm sáng đơn sắc khác Sự chênh lệch bước sóng này còn gọi là phổ ánh sáng của chùm sáng

Và dĩ nhiên là phổ càng hẹp thì độ đơn sắc của chùm sáng càng cao Trước khi có laser các nhà vật lý đã tạo được các chùm ánh sáng đơn sắc có chênh lệch bước sóng từ 1A0 đến 10nm, nhưng để sử dụng trong nghiên cứu khoa học Trong khi đó mức chênh lệch bước sóng của chùm sáng laser có thể tới 0,1A0

Tính chất này rất quan trọng vì hiệu quả tác dụng của laser khi tương tác với vật chất, với các tổ chức sinh học phụ thuộc vào độ đơn sắc này

4.3 Có khả năng phát xung cực ngắn: xung ngắn cỡ ms, ns, ps… cho phép

tập trung năng lượng tia laser cực lớn trong thời gian cực ngắn

4.4 Cường độ sáng lớn: Cường độ sáng phụ thuộc vào:

4.4.1 Tính đồng pha: Toàn bộ năng lượng được truyền từ nguồn đều cùng

pha, biên độ Do đó tính đồng pha của ánh sáng laser được dùng để tạo ra các vân giao thoa trong giao thoa kế

4.4.2 Tính đồng hướng: laser phát ra chùm ánh sáng hẹp tỏa ra rất chậm

và nó chỉ khuếch đại những photon đi theo một đường rất hẹp giữa hai gương

Do đó tính đồng hướng giúp cho dễ dàng thu được toàn bộ năng lượng ánh sáng thành một điểm nhỏ

4.4.3 Tính phân cực: cho phép ánh sáng laser truyền tối đa trong môi

trường laser mà không bị mất mát do phản xạ

4.5 Tính kết hợp: được biểu hiện ở độ đơn sắc và tính đẳng pha của mặt

sóng Đoàn sóng laser có thể dài tới hàng trăm km, diều này có nghĩa là các

vân giao thoa vẫn có thể tạo thành khi chồng chất hai chùm sóng riêng biệt có hiệu quang trình cỡ khoảng cách nói trên

4.6 Tính hội tụ: mật độ năng thông đối với chùm laser cỡ 1016 W/cm2 là hoàn toàn có thể

5 Phân loại laser

Theo môi trường khuếch đại:

Hình 7 : Một số loại laser

Môi trường

khuếch đại

Công suất đỉnh Độ dài xung Bước sóng Công dụng

Liên tục Liên tục Liên tục 20ns

633nm 488nm 10.6m 10.6m

Máy quét đĩa mã vạch

Tiêu khiển, y học Cắt, hàn

Liên tục Biến điệu Biến điệu

840nm 760nm 1.3m

Đĩa laser

In laser Truyền tin sợi quang

10ns Liên tục 20ns 60ps 11ps

649nm 1.06m 1.06m 1.06m 1.06m

ảnh toàn cảnh gia công bán dẫn

áp dụng trong y học

nghiên cứu xung ngắn

nấu chảy bằng laser

Chất lỏng

Chất màu

Rh6G

100mW 10KW

Liên tục 10fs

Thay đổi 600nm

Quang phổ Nghiên cứu khoa học

Hóa học 50MW 50ns 3m Làm vũ khí

6 Ưu điểm và nhược điểm của laser

6.1 Ưu điểm

 Có khả năng làm việc trong môi trường không khí, khí trơ, chân không, trong chất lỏng, chất rắn

 Có thể ra công tất cả các vật liệu

 Phù hợp với các công việc cắt vật liệu

 Không có sự tác dụng lực trực tiếp giữa dụng cụ và phôi

 Sự chính xác và khả năng gia công các lỗ nhỏ, đường cắt chuẩn xác với biến điệu xung và vùng gia công ít

 Có khả năng tạo ra các rãnh và các máng hẹp

 Thời gian tồn tại của xung gia công ngắn

 Thiết lập dẫn đường như các loại bom, tên lửa được dẫn đường bằng laser

 Cải tạo giống

 Trong y học (chuẩn đoán và điều trị bệnh, săn sóc thẩm mỹ)

6.2 Nhược điểm

 Có kỹ thuật cao, đầu tư lớn

 Giá thành cao

 Cần phải chính xác điểm gia công

 Sự phá hủy về nhiệt có ảnh hưởng tới phôi

CHƯƠNG II : MỘT SỐ ỨNG DỤNG MỚI NHẤT CỦA LASER

1 Ứng dụng của laser trong y học

Nghiên cứu quan trọng của laser trong y học cũng khá sớm từ những năm 1962-1963 của thế kỷ trước Lúc đầu laser được dùng để điều trị bệnh bong võng mạc, từ đó laser được sử dụng rộng rãi trong y khoa, ứng dụng của laser trong chuẩn đoán và trong điều trị bệnh từ đó mở ra nhiều triển vọng trong chữa bệnh và làm đẹp cho con người

Laser được ứng dụng trong chuẩn đoán và điều trị có bước sóng nằm trong khoảng từ 193nm đến 10.6m, thuộc vùng tử ngoại, khả kiến

và hồng ngoại gần, có thể làm việc ở chế độ xung hoặc chế độ liên tục Hiệu ứng quang đông (nhiệt): bức xạ laser có năng lượng vừa đủ và được giải phóng trong thời gian thích hợp thì có thể làm nhiệt độ vùng tổ chức tăng lên 60-1000

C Khi đó tổ chức sinh học bị đông kết và dẫn đến hoại tử Hiệu ứng được ứng dụng nhiều trong lĩnh vực nhãn khoa học như: quang đông võng mạc, quang đông điều trị tân hạch hắc mạc, quang thông phù điểm vàng …

Hình 8: Điều trị võng mạc bằng laser quang đông

Hiệu ứng bay hơi tổ chức (nhiệt): tương tự như hiệu ứng quang đông, nhiệt độ vùng tổ chức tăng lên và khi đạt đến 3000C thì các matrix rắn của tổ chức sinh học nhận đủ năng lượng để bay hơi Hiệu ứng này được ứng dụng trong phẫu thuật, chùm tia được dùng như chiếc dao mổ tạo ra những vết cắt nhỏ, không đau, ít chảy máu Tiêu biểu là laser CO2, laser YAG…được biết đến với tên gọi là dao mổ nhiệt

Laser CO2 Laser YAG

Hình 9: Một số loại Laser dùng trong y học

Laser excimer được ứng dụng trong y học với tên gọi là dao cắt lạnh (phi nhiệt) Hai trong nhiều ứng dụng quan trọng của laser excimer là phẫu thuật tạo hình tim mạch bằng laser chọc qua da và điều trị tật khúc xạ của mắt

Hình 10: Thiết bị Laser-excimer

Bằng cách quét qua lượng máu dự trữ trong ngân hàng máu, laser có thể tiêu diệt nhiều loại vius nguy hiểm như vius gây bệnh AIDS, sởi…

Hình 11: Thiết bị châm cứu bằng Laser

Ngoài ra, tác dụng nhiệt của tia laser được dùng để chữa một số bệnh như bệnh ngoài da, xóa vết xăm

Hình 12: Tia Laser dùng để xóa xăm

Dùng laser đưa các gene lạ vào tế bào

Hai nhà nghiên cứu Đức đã thành công trong một kỹ thuật mới đưa ADN vào

tế bào, bằng cách dùng tia laser khoét một lỗ hổng trên lớp màng, cho phép ADN dễ dàng lọt vào trong Kỹ thuật này có thể sẽ thúc đẩy sự phát triển của các liệu pháp gene

Uday Tirlapur và Karsten Konig của Đại học Friedrich Schiller ở Jena đã sử dụng một tia laser hồng ngoại để tạo ra lỗ thủng trên màng tế bào của động

vật có vú, sau đó đưa ADN vào trong ADN này mã hóa cho một protein phát

ra ánh sáng xanh lục, vì thế nhóm nghiên cứu có thể xác nhận sự tồn tại của

nó nhờ vào hiện tượng phát sáng của tế bào

Các nhà khoa học cho biết, phương pháp cấy ADN này rất hiệu quả và

có tính chọn lọc cao, không gây ảnh hưởng đến "thân chủ" (những tế bào được ghép ADN lạ vẫn sinh trưởng và phân chia bình thường) Đây là bước tiến đáng kể so với các kỹ thuật hiện nay Chẳng hạn, một trong kỹ thuật thông dụng nhất hiện được sử dụng là electroporation - dùng xung điện để xé rách màng tế bào tạm thời Phương pháp này không những "bất lực" trước các

tế bào đơn lẻ, mà hiệu quả chuyển gene cũng rất thấp

Một kỹ thuật khác là dùng virus (đã được biến đổi gene để trở nên vô hại), cho xâm nhập vào tế bào Virus sau đó sẽ bơm vật liệu di truyền của nó cho vật chủ Tuy nhiên, kỹ thuật này cũng gặp khó khăn do virus không có tính chọn lọc, và hiệu quả chưa đạt 100%

Các nhà khoa học nhận định phương pháp mới sẽ rất hữu ích trong việc tiêm chủng ADN Chẳng hạn, nó trang bị cho tế bào những gene sản sinh yếu tố miễn dịch, giúp tế bào chống lại vi khuẩn, virus và vật ký sinh Nếu thành công, nó cũng giúp các bác sĩ chữa trị dễ dàng hơn những căn bệnh có

liên quan đến gene

2 Ứng dụng laser trong công nghiệp

Sự kết hợp các pha cho phép hội tụ ánh sáng laser thành một điểm nhỏ

có đường kính khoảng bằng bước sóng ( 10-4cm ) Như vậy laser 1W có thể hội tụ để có một cường độ 10-8

W/cm2 Chính năng lượng hội tụ cao như vậy nên dùng laser công suất lớn để khoan, cắt, khắc hình ảnh lên kim loại với tốc

độ cũng như độ chính xác cao

Hình 13: Dùng Laser để hàn vật liệu với độ chính xác cao

Hình 14: Laser cường độ mạnh dùng để cắt vật liệu rất nhanh và chính xác

3 Chíp laser

Phát triển này là kết quả ngiên cứu của Intel, nhà sản xuất chip lớn nhất thế giới, và đại học California, SantaBarbara Con chíp này có thể chuyển dữ liệu gấp 100 lần tốc độ so với chíp hiện nay ở các thiết bị truyền thông Kết quả trên mang lại một khả năng tạo trên mỗi con chíp hàng trăm thậm trí hàng ngàn tia laser sáng cực nhỏ

Hình 15: Chíp Laser cực nhỏ

4 Mặt trời nhân tạo

Các laser bức xạ ánh sáng rất đặc biệt, đó là ánh sáng kết hợp Ánh sáng do laser phát ra là một sóng điện từ có tần số và pha hoàn toàn xác định Tính kết hợp đó là do kết quả ở lối ra được trực chuẩn đơn sắc

Bằng phương pháp chiếu tia laser cực mạnh vào một quả cầu khí, các nhà khoa học Mĩ hy vọng sẽ làm không khí nén đặc nóng chảy, tạo ra một chuỗi phản ứng hạt nhân Quá trình này sẽ giải phóng nhiệt lượng vô cùng lớn, khiến quả cầu bé nhỏ cháy sáng, phát hiện tương tự Mặt trời Tia laser này do cơ sở NIF thuộc phòng thí nghiệm quốc gia Mĩ tạo ra Với tính năng có thể dự đoán chức năng của đầu đạn hạt nhân, tia laser của NIF có thể được sử dụng trong lĩnh vực vạt lý thiên thể, cho phép các nhà khoa học đưa ra những điều kiện giống với lõi hành tinh và hệ Mặt trời mới

Bằng việc xác nhận tia laser của NIF, Bộ năng lượng Mĩ đã mở đường cho một loạt các thí nghiệm để tạo ra các sức nóng và áp suất như ở lõi Mặt trời

Hình 16: Hội tụ cường độ Laser để tạo ra năng lượng lớn

5 Ứng dụng laser để tạo xung cực ngắn

Nhờ một hệ thống laser siêu mạnh, các nhà vật lý Mĩ hy vọng tạo ra được tia chớp ngắn nhất trên thế giới Theo dự kiến, nó chỉ lóe sáng trong vòng một phần nghìn tỉ-tỉ giây (10-21

s) Với chớp sáng loại này, người ta

sẽ quan sát được những phản ứng hóa học trong hạt nhân

Alexander Kaplan và Peter Shkolnilov, hai tác giả của dự án, cho biết chớp sáng được chế tạo nhờ việc dùng tia laser cực mạnh kích thích các điện tử, đẩy chúng lên các mức năng lượng cao hơn Theo lý thuyết, khi các hạt này đòng thời bị hãm về trạng thái đứng im, chúng sẽ giải phóng ra một tia chớp cực ngắn

Hệ thống laser cũng sản sinh ra một từ trường siêu mạnh, mạnh gấp

10 tỉ lần từ trường Trái đất Do vậy người ta cũng có thể sử dụng nó để nghiên cứu tính chất của những thiên thể lạ trong vũ trụ, ví dụ như sao neutron Trước đó, một số nhà nghiên cứu khác cũng đã đạt được nhiều thành tựu trong việc chế tạo xung laser ở cấp độ vài trăm atto giây (1 atto giây = 10-18 s) Một nhóm các nhà khoa học châu Âu đã tạo ra các xung