Kiến thức cơ bản về Laze(sưu tầm)

Laser
Bách khoa toàn thư mở Wikipedia
Bước tới: menu, tìm kiếm
Laser He-Ne
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.
Mục lục
• 1 Lịch sử
• 2 Cấu tạo
• 3 Cơ chế
• 4 Phân loại
o 4.1 Laser chất rắn
o 4.2 Laser chất khí
o 4.3 LASER chất lỏng
• 5 Tính chất
• 6 Các chế độ hoạt động
o 6.1 Chế độ phát liên tục
o 6.2 Chế độ phát xung
• 7 An toàn
• 8 Ứng dụng của laser
• 9 Các sai lầm

• 10 Xem thêm
• 11 Liên kết ngoài
[sửa] Lịch sử
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.
[sửa] 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) gương phản 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.
[sửa] 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.
[sửa] 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.
[sửa] 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.
[sửa] 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)
[sửa] An toàn
Laser với cường độ thấp, chỉ là vài miliwatt, cũng có thể nguy hiểm với mắt người. Tại
bước sóng mà giác mạc mắt và thủy tinh thể có thể tập trung tốt, nhờ tính đồng nhất và sự
định hướng cao của laser, một công suất năng lượng lớn có thể tập trung vào một điểm
cực nhỏ trên võng mắt. Kết quả là một vết cháy tập trung phá hủy các tế bào mắt vĩnh
viễn trong vài giây, thậm chí có thể nhanh hơn. Độ an toàn của laser được xếp từ I đến
IV. Với độ I, tia laser tương đối an toàn. Với độ IV, thậm chí chùm tia phân kỳ có thể làm
hỏng mắt hay bỏng da. Các sản phẩm laser cho đồ dân dụng như máy chơi CD và bút
laser dùng trong lớp học được xếp hạng an toàn từ I, II, hay III. (Xem thêm an toàn laser)
[sửa] Ứng dụng của laser
Laser ứng dụng trong điều trị bệnh da liễu.
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. Xem thêm ứng dụng của laser để thêm chi
tiết.
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 từ Trái 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.
[sửa] 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.