bài tiểu luận laser

Lê Văn Quân CH 18-Quang học

MỞ ĐẦU
1.Lí do chọn đề tài.
Thế kỷ 21 là thế kỉ của những công nghệ cao, công nghệ kĩ thuật số, chúng ta
không những quan tâm tới khả năng đáp ứng nhu cầu công việc của các máy móc
mà còn đánh giá cao sự gọn nhẹ của chúng. Muốn có như vậy thì chúng ta phải tạo
ra một công nghệ cao, tiên tiến thì mới có thể đáp ứng được. Vì vậy, các nhà khoa
học trên thế giới đang nổ lực nghiên cứu và đã công bố những phát kiến quan trọng
trong khoa học , trong đó đáng chú ý nhất là hai sáng kiến khoa học quan trọng nó
đã ảnh hưởng rất lớn đến nền công nghệ ngày nay:
Thứ nhất: Là sự ra đời của Transitor đã kích thích sự phát triển của vi điện tử,
công nghệ vi mô.
Thứ hai: Sự phát minh ra Laser, mở ra một con đường mới cho các nhà khoa học
sáng chế. Laser có tầm ảnh hưởng sâu rộng đến cả các lĩnh vực của đời sống.
Laser một khái niệm có thể rất gần với tất cả mọi người. Hầu hết chúng ta đều
nghe nhắc đến cụm từ này rồi. Ngày nay, Laser hiện diện ở nhiều nơi, nhưng thông
tin đại chúng về nó thì vẫn còn hạn chế. Laser phát triển mạnh vào những năm của
thế kỉ XX, thời điểm này nước chúng ta vừa vực dậy sau chiến tranh, nên điều kiện
tiếp cận với Laser còn rất nhiều hạn chế, mặt khác giá thành không hề nhỏ. Nhưng
Laser phát triển rất nhanh, nó đã xâm nhập rất nhiều vào cuộc sống, vậy nên chăng
hãy tìm hiểu kỉ hơn về nó? Laser là gì? Laser xuất hiện như thế nào? Cấu tạo và
nguyên lý hoạt động ra sao? Chúng có tính chất và ứng dụng như thế nào ? Cách
điều chỉnh Laser như thế nào ? Với các câu hỏi này, mỗi người trong chúng ta,
những người đang từng ngày chứng kiến sự bùng nổ của công nghệ, kỉ thuật, phải
luôn luôn tìm tòi để trả lời nó. Để trả lời những câu hỏi đó, tôi đã chọn đề tài :
“Sơ lược Laser và Laser bước sóng thay đổi”
Lê Văn Quân CH 18-Quang học

2. Nội dung nghiên cứu
Đề tài nghiên cứu đến những kiến thức cơ bản của Laser ở các phương diện:

Lịch sử ra đời, nguyên tắc cấu tạo, các tính chất, phân loại , ứng dụng và các kỉ
thuật điều chỉnh laser.
3. Phương pháp nghiên cứu.
* Tổng hợp và phân tích tài liệu
* So sánh và khái quát hoá.
4. Giới thiệu đề tài.
Đề tài chỉ tập chung nghiên cứu những vấn đề cơ bản của Laser và những ứng
dụng cơ bản và quan trọng của Laser.
Lê Văn Quân CH 18-Quang học

NỘI DUNG
1.Lịch sử ra đời và phát triển của Laser.
Laser là từ viết tắt của cụm từ trong tiếng Anh: Light Amplification by
Stimulated Emisson of Radiation – nghĩa là Khuyếch đại ánh sang bằng bức xạ
cưỡng bức.
Người ta nhớ rằng vào năm 1916, Enstein đã nêu lên thuyết: Nếu chiếu những
nguyên tử bằng một làn song điện từ, sẽ có thể xảy ra một bức xạ “được kích
hoạt” và trở thành một chum tia hoàn toàn đơn sắc, ở đó tất cả những photon phát
ra sẽ có cùng một bước song”. Đó là một ý tưởng khoa học. Nhưng chưa ai chứng
minh được trong thời gian đó, vì vậy nó bị lãng quên trong nhiều năm.
Mãi đến năm 1951, Giáo sư Charles Townes của trường ĐH Columbia của
thành phố New York – Mỹ, đã chú ý đến sự khuếch đại của song cực ngắn(vi
sóng). Và ông đã thực hiện một thí nghiệm mang tên Maser là khuếch đại vi song
bằng bức xạ cảm ứng, và ông đã thành công. Cũng vào thời điểm này, ở Liên Xô
hai nhà bác học là Nikolay Gennadiyevich Basov và Aleksandr Mikhailovich
Prokhorov cũng đã phát minh ra máy khuếch đại vi sóng và gần như đều cùng 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 tia liên tục mà không cho các hạt xuống
mức năng lượng bình thường, vì thế vẫn giữ tần suất.
Cả ba nhà khoa học nói trên đều nhận được giải Nobel vật lý năm 1964 về nền

tảng cho lĩnh vực điện tử lượng tử, dẫn đến việc tạo ra máy dao động và phóng đại
dựa trên thuyết Laser – maser.

Lê Văn Quân CH 18-Quang học


Ngày 12/05/1960 T.Maiman đã chính thức tạo ra Laser từ thể rắn hồng ngọc. Tia
sáng do ông tìm ra là luồng ánh sáng tập trung và có độ hội tụ lớn, hoàn toàn
thẳng, rõ nét, thuần khiết, màu đỏ lộng lẫy và bề dài bước sóng đo được là
0,694micromet. Như vậy, giả thiết của Einstein nêu ra 54 năm trước đó đã được
chứng minh.
Nhiều năm tiếp theo, các nhà khoa học khắp nơi trên thế giới đã nối dài con
đường phát triển Laser ra thành nhiều loại khác nhau tuỳ theo các loại hoạt chất mà
tạo ra các loại laser có các sắc màu lung linh huyền ảo.
2. Nguyên lý cấu tạo.
Máy Laser gồm có :
- Buồng cộng hưởng chứa hoạt chất laser.
- Nguồn nuôi
- Hệ thống dẫn quang.
Trong đó buồng cộng hưởng và hoạt chất laser là bộ phận chủ yếu.
Buồng cộng hưởng chứa hoạt chất laser, là một chất đặc biệt có khả năng
khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ cưỡng bức để tạo ra laser. Khi một photon tới va
Lê Văn Quân CH 18-Quang học

chạm vào hoạt chất 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 bay tới, còn mặt kia cho một phần photon qua 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 chum laser được khuếch đại lên nhiều lần.
Tính chất của laser phụ thuộc vào hoạt chất đó, do đó người ta căn cứ váo hoạt chất

để phân loại laser.
2.1. Cơ sở lý thuyết.
Theo tiên đề Bohr, nếu nguyên tử hay phân tử nằm ở hai trạng thái năng lượng
cao hơn năng lượng ở trạng thái thấp 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 nguyên tử, Einstein đã nghĩ ra một
loại phát xạ mới là 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 năng lượng trên một năng lượng đúng bằng năng lượng
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 song thì sự bức xạ cưỡng
bức sẽ dao động với tần số của ánh sáng tới, cùng pha( thoả mãn tính chất kết hợp)
Lê Văn Quân CH 18-Quang học

nên làm khuếch đại cường độ của chùm ban đầu.
Vẫn 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 nguyên tử hay
phân 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 điều kiện
bình thường, với năng lượng ứng với một quang electron điển hình là 1eV thì tỉ số
giữa các nguyên tử tử ở trạng thái kích thích mức cao với trạng thái cơ bản mức
thấp là vào khoảng 10
17

, 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 huỷ của một electron từ một trạng thái kích thích với sự
Lê Văn Quân CH 18-Quang học

paths 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.
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 hấp hơn, sao
cho các photon có khả năng gây kích thích phát xạ nhiều hơn là bị hấp thụ. Do điều
kiện này là nghich 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 các mức ở trạng thái thấp,
thì phát xạ cưỡng bức sẽ bị 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, quá trình cứ tiếp diễn làm cho các
dòng thác photon tăng lên. Kết quả là ánh sáng phát xạ được khuếch đại.
Sự nghịch đảo mật độ cư trú có thể tạo ra qua hai cơ chế cơ bản là: 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 các cơ
chế kích thích được chọn cho phần lớn laser. Ánh sáng và các electron có thể cung
cấp năng lượng cần thiết để kích thích các phân tử hay nguyên tử lên các mức năng
lượng cao được chọn. Sau đó sẽ chuyển xuống mức laser trên.
Như đã nói ở trên, 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
Lê Văn Quân CH 18-Quang học

gian không đủ lâu để chúng bị kich thích bởi các photon khác. Do vậy , mức năng
lượng cao phải có thời gian sống lâu hơn(trạng thái bền). Với thời gian sống trong
trạng thái này các nguyên tử bị kích thích có thể tạo ra một lượng đáng kể phát xạ
cưỡng bức.
Ngoài việc tạo ra sự nghịch đảo mật độ cư trú, cũng cần 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 tường tác sẽ hình thành hay khuếch đại cường độ ánh sáng.
2.2. Mô hình cấu tạo.
Lê Văn Quân CH 18-Quang học

3.Tính chất của laser.
a.Cường độ tia Laser lớn gấp bội lần cường độ tia sáng nhiệt
So sánh cường độ của bức xạ laser khi công suất bình thường với tia sáng nhiệt:
Với laser khí He–Ne phát công suất 1mW ở chế độ liên tục với bước sóng 633nm
có năng lượng hγ = 10-9 J thì số phôton laser phát trong một giây sẽ là:
Với nguồn nhiệt có nhiệt độ T = 1000
0
K bức xạ từ một diện tích ΔA = 1cm2 và
cùng phát sóng trong vùng nhìn thấy được với độ rộng phổ Δγ = 104 nm thì số
phôton nhiệt tính theo công thức:
So sánh ta thấy số phôton laser lớn hơn rất nhiều.
b.Độ định phương của Laser là cao
Lê Văn Quân CH 18-Quang học

Nguồn sáng nhiệt bức xạ theo mọi phương trong không gian. Còn nguồn laser

do cơ cấu của buồng cộng hưởng quang học chỉ phát các dao động ngang và chúng
tập trung trong một mặt phẳng phân cực. Công suất phát được phân bố đều và đẳng
pha trong toàn bộ khẩu độ của nguồn.
Với chùm laser sóng phẳng, bức xạ từ một buồng cộng hưởng với gương có
đường kính d (hoặc diện tích A)
Sau gương chùm tia laser sẽ tán xạ, do hiện tượng nhiễu xạ, dưới một góc nhiễu
xạ.
Chùm tia sẽ bức xạ trong một góc khối:
Giá trị góc khối rất nhỏ so với góc khối bức xạ của một nguồn nhiệt là cỡ
2π.steradians.
Độ định phương cao cho sự tập trung năng lượng trong một góc khối nhỏ và
tạo nên cường độ lớn.
c. Độ đơn sắc.
Theo định nghĩa độ đơn sắc của một chùm tia được đặc trưng bằng độ rộng
vạch của chùm. Khi độ rộng vạch của chùm tia bằng không thì chùm có độ đơn sắc
cao nhất. Trong trường hợp gần đúng với buồng cộng hưởng quang học, độ rộng
vạch có thể xác định bằng công thức.
Lê Văn Quân CH 18-Quang học

Với công suất phát P = 1mW,
Ở vùng bước sóng đỏ sẽ có
Đây là độ rộng rất bé.
d.Tính kết hợp của Laser.
Lê Văn Quân CH 18-Quang học

Một trong các tính chất quan trọng và đặc biệt nhất của laser là tính kết hợp.
Một bức xạ laser bất kỳ đều có tính kết hợp biểu hiện ở độ đơn sắc (kết hợp thời
gian) và tính đẳng pha của mặt sóng (kết hợp không gian).
Sóng có tính kết hợp không gian khi bất kỳ thời điểm nào, ánh sáng có pha
không đổi trên khắp mặt sóng của nó.

Tương tự tại một thời điểm cho trước dọc theo mặt sóng chuyển động nếu pha là
giống pha mà sóng có sau khi đi qua một khoảng cách L với thời gian L/c, dù L có
như thế nào thì sóng được xem có tính kết hợp hoàn toàn.
Các laser hoạt động ở chế độ đơn mode dọc hay ngang được biểu hiện trong các
sóng đơn sắc và đẳng pha nên chúng có bậc kết hợp không gian và thời gian cao,
một cách tự động.
Với các tính chất đặc trưng như trên, các nguồn bức xạ laser, đặc biệt là laser
khí He-Ne được dùng phổ biến để thể hiện đơn vị độ dài mét. Hiện nay, phần lớn
các Viện đo lường quốc gia của các nước tiên tiến đều dùng laser khí He-Ne ổn
định tần số bằng Iodine bước sóng 633nm làm chuẩn đầu quốc gia cho đơn vị độ
dài mét.
Do cơ chế hoạt động của laser khí He-Ne với buồng công hưởng Faby-Perot,
xuất hiện "chỗ lõm Lamb" (Lamb dip). Hiệu ứng này do Lamb chỉ ra bằng lý
thuyết sau đó được thực nghiệm xác nhận lại. Trên côngtua của đường cong
khuyếch đại (Gain line) xuất hiện một chỗ lõm.

Trong Laser khí do
sự chuyển động nhiệt
của các nguyên tử
khí nên xuất hiện nhiều
Lê Văn Quân CH 18-Quang học

nhóm nguyên tử chuyển động với các vận tốc khác nhau. Giả sử bức xạ laser có tần
số ω
0
(tần số ở tâm) đi trong buồng cộng hưởng theo một phương nào đó, nó sẽ
tương tác với các nhóm nguyên tử có tốc độ v ngược lại với phương của bức xạ sẽ
dẫn đến làm giảm nghịch đảo độ tích luỹ và ở đường cong khuếch đại có sự sinh
hốc (hole - burning). Hoàn toàn tương tự với với bức xạ đi theo chiều ngược lại sẽ
gặp các nhóm nguyên tử có vận tốc v, kết quả trên đường công tua đường cong

khuếch đại xuất hiện hai hốc đối xứng so với tâm vạch. Độ rộng của hốc bằng độ
mở rộng tự nhiên trong bức xạ Laser.

Khi ω = ω
0
bức xạ laser sẽ chỉ tương tác với các nhóm nguyên tử có tốc độ v
= 0 và sẽ sinh ra một hốc ở tâm, đó chính là Lamb dip như thường gọi.
Chính nhờ hiệu ứng trên người ta sử dụng nó để ổn định tần số. Vì độ rộng hốc
nhỏ nên vị trí của hốc xác định khá chính xác chỗ cực tiểu của hốc cho phép ổn
định tần số phát Laser. Với nguồn Laser khí He-Ne người ta đã xác định tần số
phát ở chỗ cực tiểu của hốc nói trên với độ chính xác 10
-9

Lê Văn Quân CH 18-Quang học

Ống Iodine được lắp bên trong hốc laser , ở đó bức xạ quang học là rất mạnh
(10 mW). Điều này làm cho các tín hiệu hấp thụ bão hoà rất hẹp, laser được điều
chỉnh và giữ cố định tại một trong bảy vạch hấp thụ của Iodine dưới sự kiểm soát
của thiết bị điện tử.
4.Ứng dụng của laser.
a.Trong y học.
Laser được ứng dụng trong chuẩn đoán và điều trị có bước song ngắn nằm
trong khoảng 193nm đến 10,6μm, thuộc vùng tử ngoại, khả kiến và hồng ngoại
gần, có thể làm việc ở chế độ xung hay chế độ liên tục.
b.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 song 10
-4
cm. Như vậy, laser 1W có thể hội tụ để có một
cường độ 10

-8
W/cm
2
. Chính năng lượng hội tụ cao như vậy nên dung laser công
suất lớn để khoan, cắt, khắc hình ảnh lên kim loại với tốc độ cũng như độ chính
xác rất cao.
c.Trong khoa học kỉ thuật.
*Trong thông tin liên lạc:
Vì laser có tính chất là độ đơn sắc cao và tính kết hợp cao nên laser được sử
dụng rộng rãi và nhanh nhất trong ngành thông tin liên lạc.
Lê Văn Quân CH 18-Quang học

Sử dụng tia laser có những ưu điểm sau:
So với sóng vô tuyến dải sóng truyền tin của tia laser lớn gấp bội ví dụ với
sóng vô tuyến tần số sử dụng là 10
4
– 3.10
11
Hz nên dải sóng truyền tăng lên đến
5.10
4
lần. Do đó, các bức xạ laser nằm trong khoảng 0,4 – 0,8
m
µ
và với mỗi kênh
truyền tin là 6,5 MHz thì sử dụng laser ta có thể có gần 80.10
5
kênh truyền cùng
một lúc và gấp 10
5

lần kênh truyền khi sử dụng sóng cực ngắn.
Ngoài ra, do tia laser có tính chất là mang năng lượng lớn nên nó có thể đi xa
hơn các sóng vô tuyến. Do nếu sử dụng tia laser thì giảm được hang tỷ lần năng
lượng cần dung. Vì vậy, tia laser được sử dụng trong truyền tin trong vũ trụ.
Và nếu sử dụng các bước sóng thích hợp có thể truyền tin ở các môi trường
khác nhau như trong sương mù, ở dưới biển…
* Trong nghiên cứu vũ trụ:
Tia laser được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu vũ trụ, ví dụ như:
- Tia laser được sử dụng để xác định vị trí các vật thể trong vũ trụ.
- Theo dõi các tàu vũ trụ và liên lạc với chúng.
- Điều khiển các tàu vũ trụ.
d. Ứng dụng của laser trong nghiên cứu khoa học:
*Nghiên cứu về Quang học phi tuyến:
Như chúng ta đã biết trong quang học cổ điển các nguồn sáng phát sóng là
những nguồn không kết hợp và có cường độ nhỏ. Khi tương tác của ánh sáng với
các môi trường vật chất, độ phân cực của môi trường chỉ là hàm tuyến tính của
cường độ điện trường của sóng tới.
P =
E
χ
Lê Văn Quân CH 18-Quang học

Ở đây, P là độ phân cực của môi trường.
χ
là độ cảm điện của môi trường.
E là cường độ điện trường
Khi cường độ sóng lớn như cỡ bức xạ laser thì ta có thể biểu diễn lại độ phân cực
như sau:
P =

3
3
2
21
EEE
χχχ
++
Khi E càng lớn thì số hạng bậc cao của E càng trở nên có tác dụng lớn và
chúng dẫn đến những hiệu ứng mới trước đây không quan sát được, đó là các hiệu
ứng quang phi tuyến. Ngày nay người ta đã nghiên cứu kĩ lưỡng cả trên phương
diện lí thuyết lẫn thực nghiệm về các hiệu ứng quang phi tuyến, mở ra một ngành
khoa học mới là ngành Quang học phi tuyến với nhiều hướng nghiên cứu khác
nhau và ứng dụng khác nhau ở lĩnh vực này.
*Holography:
Holography là tên thường gọi của chụp ảnh khối. Nguyên lí của holography
được đề xuất năm 1948 nhưng do nguồn sáng để chụp không đủ mạnh nên không
thu được kết quả. Chỉ từ khi có laser, người ta đã sử dụng nguồn sáng này để thu
được ảnh khối của vật và nghiên cứu về holography được phát triển rất nhanh và
trở thành một ngành khoa học riêng trong vật lí và quang học kĩ thuật.
+ Holography là một phương pháp ghi hình như phương pháp chụp ảnh nhờ máy
ảnh. Tuy nhiên nó có những ưu điểm nổi bật hơn phương pháp chụp ảnh thông
thường.
- Phương pháp này chụp ảnh không cần thấu kính.
- Nó cho hình ảnh khối của vật, nghĩa là cho hình ảnh 3 chiều.
Lê Văn Quân CH 18-Quang học

- Holography ghi lại các sóng tán xạ từ vật bao gồm cả biên độ và pha của
sóng và ở bất cứ điểm nào của Holography cũng có các tín hiệu từ toàn vật
chụp . Do vậy, nếu như ta bẻ gãy Holography tanh nhiều phần thì mỗi mảnh
nhỏ đó cũng vẫn có đủ những thông tin của sóng tán xạ từ vật và cho ta hình

ảnh cả vật khi phục hồi. Đây là một đặc tính quan trọng của Holography để
có thể có được nhiều bản sao chép của vật , dễ bảo quản và nhân lên.
- Do holography có hình khối nên nó có thể ghi lại tín hiệu từ các vật khác
nhau trên các vùng khác nhau, nghĩa là có thể cùng một lúc giữ lại nhiều
thông tin.
+ Với những ưu điểm như vừa nêu trên thì hiện tại người ta đang và sẽ mở ra
nhiều ứng dụng thú vị và quan trọng như sau:
- Nếu người ta ghi lại một lượng thông tin lớn ở một yếu tố thể tích của
holography thì nó có thể trở thành bộ nhớ tốt nhất cho máy tính. Vì nó được
ghi lại và phục hồi bằng ánh sáng nên dẫn tới việc xây dựng các máy tính
điện tử quang học. Đối với loại máy tính này thì tốc độ xử lý thông tin nhanh
gấp nhiều lần máy tính hiện có do trong máy tính quang học tốc độ lan
truyền tín hiệu là vận tốc ánh sáng trong môi trường.
- Khi sử dụng các loại ánh sáng khác nhau để ghi lại Holoraphy thì khi phục
hồi bằng ánh sáng trắng ta có thể thấy được hình ảnh màu của vật. Đay
chính là nguyên tắc chụp ảnh màu và video màu. Và trong tương lai thì kỹ
thuật chụp ảnh, truyền hình nổi và màu rất có triển vọng.
- Vì holography cho ta hình ảnh khối vật nên người ta có thể sả dụng mẫu để
kiểm tra sản phẩm như lốp ô tô khi so sánh với một lốp chuẩn xem có sai
hỏng gì không….
- Nhờ phương pháp này người ta dễ dàng ghi lại hình ảnh khối của các sinh
vật nhỏ khi chúng đang chuyển động hoặc ngay cả tên lửa, máy bay khi
Lê Văn Quân CH 18-Quang học

chúng đang chuyển động để có thể nghiên cứu sự thay đổi theo thời gian của
các vât trên theo những mục đích nghiên cứu khác nhau.
*Nghiên cứu plasma nóng và các phản ứng nhiệt hạch:
Do tia laser có tính chất là công suất cao, ở chế độ phát xung có thể đạt được
công suất cỡ 10
12

– 10
15
W nên khi bắn tia laser vào vật chất có thể tạo ra được
plasma ở nhiệt độ cao. Và ở nhiệt độ cao này sẽ có các phản ứng nhiệt hạch, từ đây
mở ra khả năng nghiên cứu phản ứng nhiệt hạch có điều khiển được trong phòng
thí nghiệm.
*Nghiên cứu sinh hóa hiện đại:
Trong các phản ứng hóa học khi có dự tham gia của nhiều đồng vị hóa học
thường gặp khó khăn khi ta muốn loại trừ ảnh hưởng của đồng vị nào đó trong liên
kết. Tuy nhiên, do các đồng vị có năng lượng liên kết hóa học sai khác nhau ít nên
chỉ có nhờ tia laser có độ đơn sắc cao mới dễ dàng phá hủy liên kết nào đó khi có
sự tương tác cộng hưởng. Năng lượng bức xạ laser hf sẽ phá hủy chỉ liên kết nào
tương ứng với năng lượng này mà không ảnh hưởng đến các loại dao động với tần
số f
1
, f
2
, f
3
,…khác rất ít f. Người ta nói rằng đay chính là sự phá hủy hay kích thích
chọn lọc phản ứng hóa học. Chính điều này mở ra khả năng nghiên cứu các sản
phẩm trung gian của hóa học, nghiên cứu quá trình diễn biến theo thời gian của
phản ứng, đây là điều mà khoa học đã mơ ước từ bấy lâu nay. Cũng chính nhờ có
laser mà các nhà khoa học còn có thể nghiên cứu được phản ứng ở trạng thái kích
thích.Ngoài những ứng dụng trên laser còn rất nhiều các ứng dụng khác nữa.
5.Laser bước sóng thay đổi.
a. Thay đổi bước sóng bằng buồng cộng hưởng lọc lựa.
Lê Văn Quân CH 18-Quang học

Có ba loại buồng cộng hưởng lọc lựa chủ yếu, phụ thuộc vào linh kiện quang :

buồng cộng hưởng sử dụng lăng kính, buồng cộng hưởng kèm bản song song và
buồng cộng hưởng sử dụng các cách tử.
*Buồng cộng hưởng lăng kính.
Buồng cộng hưởng này bao gồm một gương ra, một gương phản xạ 100% và
một lăng kính đặt xen giữa hai gương. Các tia sáng khi đi qua buồng cộng hưởng
sau khi đi qua lăng kính bị khúc xạ và vuông góc với gương quay 100% sẽ bị phản
xạ theo lộ cũ. Và đi lại nhiều lần qua hoạt chất và được khuếch đại. Vì vậy, bước
sóng đó phát ra laser có bước sóng đã lựa chọn.
Khi quay gương 100% sẽ thay đổi góc tạo bởi tia khúc xạ với mặt phẳng gương
và các tia khác nhau với các bước sóng khác nhau sẽ được khuếch đại và phát ra
khỏi buồng cộng hưởng.
*Buồng cộng hưởng lọc lựa cách tử.
Buồng cộng hưởng lọc lựa cách tử(Littrov) được cấu tạo bởi một gương ra và
một cách tử. Các tia sáng ứng với bước sóng λ nằm trong phổ phát xạ của hoạt chất
sẽ đi tới cách tử. Trên cách tử các tia sáng ứng với các bước sóng nhau sẽ bị nhiễu
xạ theo các góc khác nhau so với pháp tuyến của cách tử.Một số bước sóng đó nằm
trong phổ phát xạ của hoạt chất sẽ bị nhiễu xạ theo góc trùng với góc tạo bởi trục
quang của buồng cộng hưởng và được khuếch đại. Số còn lại sẽ bị đi lệch ra ngoài
hoạt chất. Nếu ta quay cách tử đi các gọc khác nhau thì quá trình khuếch đại sẽ xẩy
ra với tia khác nhau. Như vậy, các tia laser có bước khác nhau trong vùng phổ phát
xạ của hoạt chất sẽ được lần lượt phát ra khỏi buồng cộng hưởng khi ta quay cách
tử quanh trục của nó.
Lê Văn Quân CH 18-Quang học

Cách tử là một bản mặt kim loại, thuỷ tinh hoặc một số vật liệu khác, trên đó
người ta sử dụng phương pháp khắc quang hoặc khắc cơ tạo ra các rãnh song song
với nhau có khoảng cách d. Một tia sáng có bước sóng λ chiếu vào cách tử dưới
góc α so với pháp tuyến của mặt cách tử thì sẽ bị phản xạ trên mặt cách tử và đi ra
đổi hướng theo góc khác β. Góc này được xác định theo phương trình cách tử sau :
d(sinα

±
sinβ) = mλ
trong đó m là bậc nhiễu xạ của cách tử.
Đối với buồng cộng hưởng cách tử ta sử dụng trường hợp khi α = β, tức là khi
tia tán xạ ngược chiều với tia tới. Như vậy trong trường hợp này phương trình trên
trở thành :
2dsinα = mλ
Như vậy với một cách tử có tham số đặc trưng d xác định, thì chỉ có bước sóng
nào có bước sóng thoả mãn phương trình trên mới khuếch đại trong buồng cộng
hưởng.
b. Thay đổi bước sóng bằng nhiệt độ.
* Thay đổi nhiệt độ làm thay đổi mật độ cư trú mức laser dưới.
Qua nhiều nghiên cứu về hoạt chất laser ta thấy rằng cấu trúc phổ của chúng là
một băng rộng gồm nhiều mức dao động.Băng rộng này chủ yếu nằm ở mức laser
dưới. Đối với hoạt chất lỏng và rắn thì phân bố mật độ cư trú của các mức năng
lượng tuân theo định luật Maxwell – Boltzmann :






−
−=
kT
EE
NN
i
i
0

0
exp
Lê Văn Quân CH 18-Quang học

Trong đó : N
i
, E
i
là mật độ cư trú và năng lượng mức i, N
0
, và E
0
là mật độ cư trú
và năng lượng mức cơ bản, T là nhiệt độ tuyệt đối của môi trường. Khi nhiệt độ
tăng thì mật độ cư trú cũng tăng.
*Thay đổi nhiệt độ làm thay đổi năng lượng vùng cấm.
Do cấu trúc băng, nên phổ phát của chúng là một công tua và tần số phát đỉnh ν
đ

của công tua đó được xác định :
2
kT
Eh
gđ
+=
ν
Trong đó : T là nhiệt độ tuyệt đối của hoạt chất bán dẫn, k là hằng số Planck.
*Thay đổi nhiệt độ làm thay đổi chiết suất.
Thay đổi nhiệt độ làm thay đổi chiết suất là một ứng dụng nhằm thay đổi bước
sóng phát trong máy phát thông số quang học. Giả sử ta có một môi trường điện

môi phi tuyến bậc hai lớn.Khi một chùm laser có mật độ công suất lớn tương tác
với môi trường này thì trong môi trường xuất hiện phân cực phi tuyến bậc hai
2
pht
P

khác không :
)()(~
2211
2
ωωχ
EEP
pht
Trong đó : χ là hệ số phi tuyến bậc hai, E
1
(ω
1
) là cường độ trường laser bơm tần số
ω
1
, và E
2
(ω
2
) là trường ký sinh trong tinh thể với ω
2
.
c.Thay đổi bước sóng bằng hiệu ứng quang phi tuyến.
Thay đổi bước sóng quang học bằng hiệu ứng quang học phi tuyến được đề suất
khi laser ra đời. Về định lượng phân cực điện môi được mô tả bởi vecsto phân cực

P

là momem lưỡng cực điện của một đơn vị thể tích môi trường gây ra bởi trường
Lê Văn Quân CH 18-Quang học

ngoài. Liên hệ giữa vecto phân cực
P

và vecto điện trường
E

được mô tả bởi
phương trình vật chất sau :
P

= α
E

Trong đó : α là ten xơ độ cảm điện môi.
Độ cảm điện môi sẽ không phụ thuộc vào cường độ điện trường khi trường yếu,
ngược lại sẽ phụ thuộc khi trường mạnh.
Khi độ cảm phụ thuộc vào cường độ điện trường, phương trình vật chất trên có
thể viết lại như sau :
P

= α
1
E

+ α

2
E

E

+α
3
E

E

E

Trong đó : α
i
(i =1,2,3) là hệ số đặc trưng cho phân cực của độ cảm phi tuyến tính,
bậc hai và bậc ba tương ứng. Thực tế giá trị của ba hệ số này chênh lệch nhau rất
lớn. Nếu α
1
=1(đơn vị esu) thì khi đó α
2
~ 10
-9
đến 10
-8
và α ~ 10
-18
đến 10
-17
. Như

vậy, qua phương trình trên thấy rằng các hiệu ứng do phân cực bậc cao gây ra khi
và chỉ khi
E

rất lớn. Điều này chỉ có trường laser mới đáp ứng được.
Vậy, trong phần này chúng ta đã nghiên cứu về các phương pháp thay đổi bước
sóng laser. Dựa vào các phương pháp này nhiều chùm laser có bước sóng khác
nhau, hoặc thay đổi liên tục, hoặc không liên tục được thiết kế, chế tạo và đưa vào
ứng dụng trong thực tế.
Tài liệu tham khảo :
1.Hồ Quang Quý, Luận án PTS, 1992.
2.Hồ Quang Quý, Vũ Ngọc Sáu, Laser bước sóng thay đổi và dụng – NXB ĐH QG
Hà Nội.
3.Nguyễn Đại Hưng, Vật lý và kỹ thuật laser – NXB ĐH QG Hà Nội.
Lê Văn Quân CH 18-Quang học

4.