tia laser và ứng dụng

Giáo viên: Nguyễn Minh Thủy
Sinh viên: Trần Thị Liên
1

MỤC LỤC
I. Mở đầu
II. Lịch sử ra đời
III. Lý thuyết laser
1. Ánh sáng laser và đặc điểm của nó
2. Hấp thụ ,bức xạ tự phát xạ và bức xạ cảm ứng
3. Trạng thái phân bố nghịch đảo –bơm quang học
4. Phân loại
5. Cấu tạy máy laser
6. Chế độ hoạt động
IV. Ứng dụng
1. Ngành vi điện tử
2. Y học
3. Xây dựng phân và đo lường
4. Trắc địa và đồ bản
5. Lưu trữ thông tin
6. Liên lạc,viễn thông
V. Mở rộng
1. An toàn
2. Sai lầm
2
I. MỞ ĐẦU
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.
II. LỊCH SỬ RA ĐỜI
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
3
Malibu, California. Hồng ngọc là ôxít nhôm pha lẫncrôm. 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.
III. LÝ THUYẾT LASER
1. Ánh sáng laser và các đặc điểm của nó
• Ánh sáng laser: Năm 1960 Laser ( Light Amplification by Simulated
Emission of Radiation-khuếch đại ánh sáng bởi bức xạ cảm ứng) ra
đời đã mở đường vào lĩnh vực tương tác giữa các photon với các khối
vật chất – thường gọi là photonics.Nhờ những tính chất đặc biệt mà tia
laser có những ứng dụng đặc biệt quan trọng.
• Các đặc điểm của tia laser:
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.
4
2. Hấp thụ, bức xạ, tự phát xạ và bức xạ cảm ứng
Xét một nguyên tử có thể tồn tại chỉ một trong hai trạng thái với năng
lượng tương ứng là E
1
và E
2
(E

1
< E
2
)
Lúc đâu hệ tồn tại ở mức thấp nhất E
1
.ta có thể kích thích hệ bằng
cách chiếu vào một phổ liên tục .Photon có năng lượng E
2
tới tương
tác với nguyên tử đó.Photon sẽ biến mất sau khi nhường năng lượng
của nó cho nguyên tử để nguyên tử chuyển lên trạng thái có năng
lượng cao hơn E
2
.Quá trình này gọi là sự hấp thụ photon của nguyên
tử
hf
hf hf
(a) (b) (c)
Sơ đồ hệ gồm hai mức năng lượng, trước và sau quá trình
(a):hấp thụ
(b):bức xạ tự phát xạ
(c):bức xạ cảm ứng
Mức năng lượng cao hơn mà hệ vừa chuyển lên gọi là mức năng lượng kích
thích.Mức này không bền vững chỉ tồn tại trong s là hệ chuyển về mức
năng lượng thấp hơn cuối cùng chuyển về mức cơ bản- mức bền vững
nhất-mức có năng lượng cực tiểu.Khi chuyển từ mức năng lượng cao về
mức năng lượng thấp sẽ phát ra photon có năng lượng đúng bằng hiệu năng
lượng hai mức này.Quá trình trên gọi là bức xạ tự phát
Theo vật lý nguyên tử ,nguyên tử tương tác với sóng điện từ,sự chuyển mức:

+Cao về thấp:bức xạ tự phát
+Thấp đến cao:hấp thụ
Einstein năm 1916 chỉ ra rằng với hai dạng trên không giải thích được sự tồn
tại trạng thái cân băng giữa sự chiếu xạ và vật bị chiếu xạ=>phải tồn tại một
loại bức xạ khác đó chính là bức xạ cảm ứng
5
hf
hf
Bức xạ cảm ứng chính là khi nguyên tử ở trạng thái kích thích cao hơn trở về
trạng thái thấp hơn nhưng không phải do bức xạ tự phát mà do tác dụng của
điện từ trường có tần số thích hợp (xác xuất chuyển mức do bức xạ cảm ứng
bằng xác xuất do hấp thụ).Có nghĩa là xác xuất chuyển lên và xuống do
chiếu xạ là bằng nhau.
Trong trường hợp phát xạ cảm ứng ,tia tới bức xạ cảm ứng có hướng
truyền,tần số,pha và phân cực hoàn toàn như nhau.Như vậy hai tia này
hoàn toàn đồng bộ
3. Trạng thái phân bố nghịch đảo –Bơm quang học
Năm 1939 nhà vật lý người Liên xô chỉ ra rằng có thể nhận được một môi
trường mà trong đó cường độ ánh sáng sẽ được tăng cường nhờ vào bức xạ
cảm ứng
Bức xạ cảm ứng chính là khi chiếu xạ bên ngoài tác động lên hệ ,gây ra sự
chuyển mức của hạt không chỉ từ mức thấp tới mức cao mà còn từ mức cao
xuống mức thấp
Xét một hệ đơn giản gồm 2 mức mỗi mức có năng lượng tuân theo phân bố
Boltzmam
,i=1,2 (1)
(2)
Trong đó= 1,38 J/K = 8.617. eV/K
(1)(2)=> năng lượng lớn hơn sẽ có số hạt ít hơn E
2

> E
1
thì n
1
>n
2

E
2
E
2
E
1
E
1
(a) T>0 (b) T<0
6
Muốn cho bức xạ cảm ứng trội hơn, ta phải phá vỡ sự cân bằng –phá vỡ
phân bố Boltzmam ,sao cho số hạt ở mức trên nhiều hơn số hạt mực dưới ,
lúc đó ta nói các nguyên tử có sự phân bố nghịch đảo
Trong trường hợp phân bố nghịch đảo ta có :
E
1
(T) < E
2
(T)
Nếu dùng biểu thức phân bố Boltzmam (1) suy ra lúc này ứng với nhiệt độ T
âm .Vì vậy , trạng thái phân bố đảo còn được gọi là trạng thái nhiệt độ tuyệ
đối âm
Ta đã biết , khi ánh sáng đi qua một môi trường thông thường ,chùm sáng sẽ

bị hấp thụ một phần , cường độ của nó bị yếu dần và phụ thuộc vào quãng
đường mà nó đi được trong môi trường theo dạng hàm sau:
(3)
Với I
0
là cường độ sáng tại x=0 khi bắt đầu đi vào môi trường và k là hệ số
hấp thụ của môi trường đó
l
I
o
I
x dx
cường độ sáng giảm khi đi qua môi trường hấp thụ
Trong trường hợp môi trường có bức xạ cảm ứng thì ngược lại:ánh sáng đi
qua môi trường phát sinh ra photon mới giống hệt photon trong chùm sáng
tới,kết quả là chúng sẽ phát sáng mạnh lên.
Từ biểu thức (3) nếu ánh sáng đi qua ,môi trường mà được tăng cường thì hệ
số hấp thụ k có giá trị âm.Ta có sự phụ thuộc của cường độ ánh sáng vào
quãng đường đi môi trường có bức xạ cảm ứng như sau:
(4)
α>0 gọi là hệ số khuếch đại môi trường
Về thực nghiệm 2 nhà vật lí Liên xô và Mỹ đã tạo ra máy phát phân tử,có
dải bước sóng cỡ cm gọi là maser(Microwave Amplification by Stimulated ò
Radiation) .Năm 1960 T.Mayman (Mỹ) tạo ra dụng cụ với nguyên tắc tương
7
tự nhưng làm việc ở vùng sogns quang học,được gọi là Laser((Light
Amplification by Simulated Emission of Radiation)
4. Phân loại laser
 . Laser rắn rubi
Vật liệu đầu tiên có được trạng thái phân bố đảo như vậy được phát hiện là

tinh thể rubi (hồng ngọc) có pha crom.
Laser đầu tiên được làm từ một hình trụ bằng tinh thể rubi,đường kính
1cm,dài 5cm.Hai đầu của hình trụ được mài rất cẩn thận sao cho tạo thành
hai gương hoàn toàn song song với nhau.Một đầu được tráng bạc không cho
ánh sáng đi qua,đầu kia tráng bạc cho 8% ánh sáng đi qua,như hình 6.4a.
Về thành phần,rubi là tinh thể điện môi oxit nhôm Al
2
O
3
,trong đó ở một vài
chỗ,nguyên tử Al được thay thế bằng nguyên tử Crom Cr(ở dạng
Cr
+3
),khoảng 0,05% tức là khoảng 1,6.10
9
ion Cr
+3
trong 1cm
3
.Sơ đồ mức
năng lượng của các ion crom trong tinh thể rubi như trong hình,trong đó E
3

và E
4
là các trạng thái được kích lên từ mức E
1
nhờ bơm quang học.
Khi chiếu ánh sáng trắng vào rubi,ion Cr từ trạng thái cơ bản E
1

chuyển sang
trạng thái kích thích E
3
và E
4
.Những chuyển mức,từ mức E
1
chuyển sang
8
mức E
3
và E
4
có năng lượng ứng với ánh sáng xanh lá cây và xanh da trời.Vì
vậy,khi rọi ánh sáng trắng vào rubi,các dải màu này bị hấp thụ mạnh,cho nên
chỉ còn lại màu hồng tới mắt ta,do vậy ta thấy rubi có màu hồng.
E
4
E
3
E
2
bơm bức
xạ
cảm
E
1
ứng
Sơ đồ các mức năng lượng-cơ sở hoạt động của laser rubi.
Trong laser rubi,người ta dùng đèn xenon cấp những xung ánh sáng để bơm

kích thích các ion Cr
+3
lên các mức E
3
và E
4
(xem hình ).Các mức E
3
và E
4

không bền,sự chuyển dời từ đó về các mức thấp hơn được tiến hành theotheo
hai bước:
Bước 1:chuyển về trạng thais trung gian E
2
không kèm theo bức xạ.Các ion
ở mức E
3
,E
4
truyền một phần năng lượng của mình cho dao động mạng
(photon) và chuyển vào trạng thái trung gian là mức E
2
.Điều đặc biệt ở đây
là trạng thái trung gian E
2
là trạng thái giả bền,có thời gian sống trung bình
cỡ 10
-2
s,lớn chừng 10

5
lần thời gian sống ở trạng thái kích thích thông
thường,cho nên mật độ hạt ở mức này có thể đạt được rất lớn,lớn hơn hẳn
mức E
1
,để ta có phân bố nghịch đảo là điều kiện cần cho bức xạ cảm ứng.
Bước 2:chuyển từ E
2
về trạng thái ban đầu E
1
tuân theo qui luật tự phát và
phát ra phô tôn có bước sóng 694,3nm (màu đỏ)
9
Chú ý ở đây ta đang có điều kiện phân bố nghịch đảo cho hai mức E
1
E
2
khi
có sự chuyển mức tự phát trạng thái trung gian E
2
về trạng thái ban đầu E
1
,
một phô ton (bước sóng 694,3nm) được phát ra.Do sự phân bố nghịch đảo
,photon này có thể gây ra bức xạ cảm ứng làm xuất hiện thêm photon mới
giống hệt photon ban đầu .Photon mới này tạo ra bức xạ cảm ứng mới và
quá trình này cứ tiếp diễn Kết quả là số photon được nhận thêm .Cần nhớ
là mới có hướng truyền ,tần số,pha,và phân cực hoàn toàn với photon đã tạo
ra chúng.Do vậy các photon có hướng trùng với trục của hình trụ rubi sẽ
được phản xạ nhiều lần qua hai đầu hình trụ ,trên đường đi gặp các ion

Cr
+3
,làm photon mới được nhận thêm ,nên chùm sáng theo hướng trục sẽ
mạnh lên rất nhiều lần .Các photon theo hướng khác cuối cùng cũng sẽ đi ra
khỏi tinh thể qua mặt bên của hình trụ
Ngoài tác dụng nhân photon ,hệ thống thanh rubi với hai mặt gương còn có
tác dụng cộng hưởng các sóng phản xạ trong nó.Để thu được cộng hưởng
(như sóng dừng vừa hình thành trong môi trường hữu hạn ) thì độ dài l của
hình trụ (gọi là hốc cộng hưởng ) phải bằng số nguyên lần nửa bước sóng
của bức xạ
(5)
n là số dương nguyên:1,2,
Nhờ hiện tượng cộng hưởng này mà tính đơn sắc của ánh sáng laser rất cao
Laser rubi làm việc ở chế độ xung ,vài xung trong một phút.Bên trong tinh
thể ,mooth nhiệt lượng tỏa ra,vì vậy phải luôn luôn làm lạnh nó bằng các
chất lỏng
Tia laser rubi mang tính chất đặc biệt:
 Đơn sắc cao(bước sóng 694,3 nm,sai lệch 0,1 nm)
 Tính đồng bộ cao về không gian và thời gian:cường độ rất lớn và
kích thước chùm rất nhỏ
 Laser khí
Phần lớn các laser rắn làm việc theo chế độ xung thì các laser khí có khả
năng làm việc liên tục.Laser khí gồm một ống chứa đầy nguyên tử hoặc
phân tử khí,đặt trong một hốc cộng hượng quang học.năng lượng bơm được
cung cấp bằng dòng điện cao thế ,sự phóng điện qua ống làm các nguyên tử
bị nâng lên mức kích thích
10
Xét tia laser khí heli-neon , gồm một ống chứ đầy một hỗn hợp khí heli-neon
theo tỉ lệ 80%-20%.Neon là môi trường phát tia laser .Trong tia laser khí
này,sự đảo ngược mật độ được tao ra nhờ sự truyền năng lượng thông qua va

chạm của các nguyên tử heli-neon .
2
1
S 5S
2
3
S 4S
Hấp do va
Thụ chạm
Heli Neon

Sơ đồ các mức năng lượng trong hoạt động của laser khí Heli-Neon
Nhờ bơm phóng điện qua chất khí,các nguyên tử He bị kích thích nhảy lên
mức 2
1
S và 2
3
S.Hai mức này có năng lượng gần với mức 4S và 5S của
nguyên tử Ne.Vì vậy các nguyên tử He dễ dàng chuyển năng lượng cho các
nguyên tử Ne khi chúng va chạm.Các va chạm này là không đàn hồi ,các
nguyên tử Ne lưu lại trên mức 4S và 5S tạo thành trạng thái phân bố nghịch
đảo đối với các mức 4P và 3P của nguyên tử Ne.Chuyển mức giữa 4S và 5S
bị cấm lượng tử.Các photon tự phát sẽ bắt đầu quá trình bức xạ cảm ứng và
sự chuyển dời giữa các mức 5S và 4S xuống 4P,3P cho ta những tia bức xạ
cảm ứng laser.Các tia bức xạ có bước sóng là:
o 1152,3 nm (ứng với chuyển mức 4S xuống 3P) trong vùng hồng ngoại
o 3391,2nm( ứng với chuyển mức 5S xuống 4P) trong vùng hồng ngoại
o 632,8nm(ứng với bức xạ 5S xuống 3P)trong vùng khả kiến
Người ta chọn kích thước hộp cộng hưởng sao cho laser có bước sóng cộng
hưởng 632,8 nm ,nên laser He-Ne có ánh sáng màu đỏ

Cuối cùng ,từ các mức 4P,3P lại có chuyển dời về mức 2S và từ 3S về trạng
thái cơ bản khi chúng va chạm với thành ống.cá bức xạ 4S,3P xuốn 3S chỉ là
bức xạ tự phát.
Điều làm cho laser khí có hiệu suất cao là do môi trường khí bao giờ cũng có
nhiều chuyển dời có khả năng phát ra tia laser mà mức cuối là mức kích
11
4p
3p
3s
Cơ bản
thích chứ không phải mức của trạng thía cơ bản.các nguyên tử ở mức cuối
ấy có thể khỏi đó nhanh và trở về trạng thái cơ bản một cách tức thời,để sẵn
sàng tái lập mật độ phân bố nghịch đảo ở muwca kích thích.
Tốc độ giãn mật độ ở mức cuối và sự tái mật độ liên tục ở mức kích thích là
hai nhân tố góp phần làm cho laser khí trở thành nguồn phát sáng liên tục có
hiệu suất cao.
Laser khí đầu tiên là He-Ne phát ra chùm tic liên tục nhưng công suất lại
thấp so với laser rắn.Sau đó người ta tìm ra laser khí phân tử ,ví dụ laser khí
cacbonic,có khả năng tạo chùm tic laser mạnh hơn (cỡ vài kw).Trong phổ
phân tử ,khoảng cách giữa các mức giao động và mức quay nhỏ hơn hàng
chục đến hàng trăm lần so với các điện tử trong nguyên tử . Ánh sáng laser
phát ra trong trường hợp này là do bức xạ cảm ứng giữa các mức quay thuộc
hai đám phổ dao động cùng với một cấu hình điện tử,vì vậy thường ở trong
vùng hồng ngoại .Do các mức dao động này rất bền nên chúng có khả năng
tích trữ năng lượng cao,kết hợp với bộ phận điều khiển bức xạ,các laser
phân tuer khí có thể tạo ra những xung nano giây nhọ mà năng lượng tập
trung ,cho công suất lớn lên nghìn lần.
Ngoài laser rắn và laser khí kể trren còn một số loại laser khác như laser bán
dẫn ,phổ biến như GaAs ,có nhiều tiện lợi vì kích thước rất nhỏ mà vẫn cho
công suất cao; hay laser thủy tinh neeoodym công suất cao ,tạo được 16 tỉ

oát và laser tia X có những ứng dụng đặc biệt,
5. Cấu tạo máy laser
12
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.
6. 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.
13
+ 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.
+ 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)
IV. ỨNG DỤNG
Ứng dụng của laser
1. Trong y tế
Chùm laser tụ tiêu tốt, với những xung mạch kéo dài chưa đến 1 miligiay được
dung làm công cụ phẫu thuật. Nó có thể vạch ra các đường cắt nhỏ, chính xác, vừa
14
cắt vừa đốt,có thể làm ngưng chảy máu trong một thể tích rất nhỏ, có thể làm tan
biến mảng co thắt trong mạch máu trong cơn trụy tim của người bệnh. Có thể đưa
chum laser vào trong than người nhờ sợi quang, dung nó để chữa các khối u, cắt
mổ, tránh được nhiễm trùng và chảy máu.
Ví dụ:
1.1: Phẫu thuật bằng tia lase
Phẫu thuật nội soi
+ Phẫu thuật tế bào: Với chùm tia laser cực mạnh, kéo dài trong một phần triệu của một
phần tỷ giây, các nhà nghiên cứu Anh đã cho bốc hơi các cấu trúc nhỏ bé bên trong tế bào
mà không làm phương hại đến chính tế bào đó. Tương lai, kỹ thuật này có thể được dùng
để thực hiện các cuộc vi phẫu thuật siêu chính xác.
+ Nhà vật lý Eric Mazur của Đại học Harvard và cộng sự đã phá huỷ một ty thể đơn (nhà
máy năng lượng) của tế bào, trong khi vẫn giữ cho hàng trăm cấu trúc khác ở cạnh đó còn

nguyên vẹn, và cắt một mối liên kết thần kinh của tế bào mà không làm chết nó. Kỹ thuật
này được nhóm nghiên cứu đặt tên là phẫu thuật nano laser.
“Loại dao mổ laser này sản sinh ra năng lượng tương đương với nhiệt lượng trong lòng
mặt trời, nhưng chỉ kéo dài trong một phần mười luỹ thừa ba mươi của một giây, và phân
15
bố trên một diện tích rất hẹp, có đường kính chỉ vài phần trăm triệu của một milimét”,
Donald Ingber, một nhà sinh học tế bào tại Harvard, nói. Do sự tập trung năng lượng cao
độ như vậy, ánh sáng sẽ chỉ đốt cháy điểm mà nó chiếu tới chứ không hề đụng chạm đến
các mô xung quanh, và tế bào dễ dàng chịu đựng được ca vi phẫu.
Trong tương lai, các dao mổ laser có thể cắt sâu vào bên trong các mô mà không mở
rộng vết thương của bệnh nhân, hoặc có thể dùng tiêu diệt các khối u ngay khi chúng còn
ở giai đoạn trứng nước - tức chỉ có vài tế bào. Ngoài ra, kỹ thuật này có thể có ích trong
việc nghiên cứu các quá trình bên trong tế bào, như sự phân chia của nó.
1.2: Điều trị tế bào ung thư
Mới đây, các nhà khoa học Trường đại học Washington cho biết, họ vừa phát triển thành
công một chùm tia laser có thể làm tan các khối u trong não. Đây là một phát minh có thể
cứu sống những người mắc phải các khối u trong não mà cho đến tận bây giờ các bác sĩ
vẫn chưa tìm ra cách phẫu thuật.
Các bác sĩ đã khoan một lỗ nhỏ có đường kính bằng một chiếc bút chì trên hộp sọ của
bệnh nhân. Bằng cách sử dụng máy MRI, các bác sĩ phẫu thuật đã cẩn thận điều chỉnh
các đầu dò laser nhỏ và linh hoạt trong bộ não và hướng đến khối u.
16
Đây là một phương pháp mới trong việc sử dụng công nghệ laser, ông Richard
Ellenbogen, Giám đốc phẫu thuật thần kinh cho biết. Trước đó Ellenbogen đã sử dụng
laser để điều trị các khối u ở trẻ em. Ông nói: "Ưu điểm của công nghệ này là bạn có thể
bẻ cong tia sáng và sử dụng nó để tiếp cận các khu vực mà bình thường không thể".

1.3: Dùng laser để cai nghiện ma túy
Qua nghiên cứu về khả năng ứng dụng của laser cũng như thuốc gây nghiện và cơ chế
gây nghiện, Viện Nghiên cứu Ứng dụng công nghệ, Bộ Khoa học và Công nghệ nhận

thấy điều trị hỗ trợ bệnh nhân cai nghiện bằng laser giúp tăng dòng máu ở các phần được
chiếu laser kích thích sinh hồng cầu ở tủy sống, tăng độ thẩm thấu ở thành mạch, tăng
hoạt động của bạch cầu, đại thực bào. Ðiều này có ý nghĩa rất lớn với chức năng chống
viêm nhiễm cơ thể, ức chế hoặc đẩy mạnh việc sinh sản tế bào, điều chỉnh tính miễn dịch
ở tế bào bị tổn thương, thay đổi tính chất của máu, phục hồi sức khỏe, tác dụng lên hệ
thần kinh
1.4: Điều trị các tật về mắt
+ Phẫu thuật lão thị bằng laser Erbium
17
Chứng lão thị thường xuất hiện ở độ tuổi trên 40. Tình trạng suy giảm hoạt động của cơ
thể mi trong mắt và sự kém đàn hồi của thủy tinh thể dẫn đến sự suy giảm điều tiết của
mắt khi nhìn gần. Vì vậy, người bệnh cần sử dụng kính hội tụ khi nhìn gần (như đọc
sách). Để có thể vừa nhìn xa vừa nhìn gần, người bệnh phải đeo kính hai tròng hay kính
đa tiêu cự. Phương pháp phẫu thuật Lasik không điều trị được chứng bệnh này.
Thạc sĩ Cung Hồng Sơn, Trung tâm điều trị kỹ thuật cao (Viện Mắt Trung ương), cho
biết, với phương pháp laser Erbium, tia laser sẽ cắt gọt một cách chính xác và an toàn tại
vùng củng mạc tương ứng với thể mi, làm tăng hiệu quả hoạt động của thể mi, cải thiện
độ điều tiết mắt.
Phẫu thuật lão thị bằng laser Erbium là phát minh mới nhất của ngành nhãn khoa thế giới
hiện nay, được tiến hành lần đầu tiên được tại Mỹ và nhanh chóng phổ biến ở châu Âu,
châu Mỹ. Phương pháp này có các ưu điểm:
- Kết quả phẫu thuật ổn định.
- Trong và sau mổ, bệnh nhân không cảm thấy đau.
- Có thể phẫu thuật hai mắt cùng ngày.
- Bệnh nhân có thể về nhà một giờ sau mổ.
MÁY VISX STAR S4 IR đa chức năng phẫu thuật cận – loạn – viễn – lão thị
18
1.5: 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.
2. Trong kĩ thuật gia công:
-Máy cắt , máy khoan, máy hàn(video)
Máy hàn
19
Máy khắc
3 Trong đời sống, giải trí
3.1: Trong chương đầu tiên của màn biểu diễn nghệ thuật khai mạc Đại hội thể thao Đông
Nam Á, khán giả đã rất thích thú với những hình ảnh rồng, tiên bay lượn trên bầu trời sân
vận động. Những hình ảnh này được tạo ra nhờ chiếu tia laser vào một màn hình nước
với sự điều khiển từ máy tính.
Màn nước được tạo bởi một máy bơm công suất lớn, có tác dụng như màn ảnh vải hoặc
giấy. Sau đó, các nguồn laser có cường độ khoảng 10W được chiếu vào 2 hệ thống gương
và phản xạ ánh sáng lên màn hình nước để tạo ra những hình ảnh như trong màn trình
diễn.
Khi hai tia sáng laser từ hai hệ thống gương nói trên gặp nhau tại một điểm trên màn hình
nước, điểm đó sẽ phát sáng và mắt thường có thể nhìn thấy được. Để những hình ảnh đó
chuyển động, 2 hệ thống gương này sẽ xoay theo 2 phương ngang và đứng, vuông góc
với nhau. Màn hình nước thực chất là một mặt phẳng hai chiều, mà mỗi điểm trên đó
tương ứng với một điểm trên mặt phẳng toạ độ ảo trong máy tính. Do đó, máy tính phải
được lập trình để điều khiển các gương xoay đến những vị trí nhất định tại các thời điểm
cho trước.
20
Nguồn laser được điều khiển bằng máy tính theo nguyên tắc đóng - mở (hệ đếm nhị
phân). Điều đó đồng nghĩa với việc 2 nguồn laser không chiếu liên tục mà bị ngắt quãng
khi hình ảnh di chuyển từ vị trí đến vị trí khác. Tuy nhiên, khoảng ngắt quãng này ngắn

và nhanh đến mức mắt thường không cảm nhận được, mà chỉ thấy hình ảnh chuyển động
liên tục trên màn hình. Mặt khác, những hình ảnh này là hình phẳng, nên chỉ có thể nhìn
thấy từ một phía, cụ thể trong lễ khai mạc là từ khán đài A.
3.2 : Phục hồi tranh cổ
3.3 Thẩm mĩ
3.4 Quảng cáo
3.5 Đồng hồ đa năng không kim sundial
Với ý tưởng của một nhóm thiết kế Hàn Quốc, đồng hồ không đơn thuẩn chỉ để xem giờ
mà còn có thể thực hiện nhiều việc khác nữa.
Ngoài việc xem giờ Sundial còn có thể truy xuất nhiều loại thông tin khác.
21
Sundial là chiếc đồng hồ đa năng được phát triển theo ý tưởng của nhóm thiết kế người
Hàn Quốc Yonggu Do, Dohyung Kim và Sewon Oh.
Đây là một chiếc đồng hồ không kim, không số như các mẫu đồng hồ thông thường nên
ngoài việc xem giờ chúng còn cho phép hiển thị nhiều loại thông tin khác nhau từ thời
tiết đến tỷ giá tiền tệ, chứng khoán, biểu đồ và hàng loạt ghi nhớ, lịch hẹn đời thường
khác….
Sundial dần thay thế hoàn toàn việc truy xuất máy tính, điện thoại để tìm kiếm thông tin
hoặc các phương pháp ghi chép thủ công khác. Tuy nhiên Sundial không có chức năng
cập nhật dữ liệu trực tiếp để rồi hiển thị ra ngoài mà phải thông qua một máy tính bằng
đường truyền không dây.
Giao tiếp cảm ứng. Ảnh: yankodesign
Mẫu concept Sundial có hình giống mặt trời với 3 đường tròn đồng tâm phân chia rõ
chức năng và được chiếu sáng bằng tia laser. Vòng tròn nhỏ trong cùng là nơi giao tiếp
22
với người sử dụng. Người dùng chỉ việc chạm tay, nhấn nút, các thông tin sẽ được hiển
thị ra ngoài tường xung quanh.
Vòng tròn giữa có 3 biểu tượng chỉ các kết nối không dây mà Sundial sử dụng để cập
nhật thông tin và hiển thị ra ngoài khi được gọi đến. Sundial được kết nối đồng bộ với
một máy tính qua đường truyền vô tuyến như sóng Blu-tooth hoặc Wi-Fi và hiển thị

thông tin bằng tia laser.
Hiển thị đồng hồ. Ảnh: yankodesign
Vòng tròn lớn cuối cùng có chức năng phát ra các tia laser sau khi đã được xử lý để có
thể hiển thị dưới dạng ngôn ngữ lựa chọn. Các thông tin hiển thị theo yêu cầu tìm kiếm
của người dùng và chúng sắp xếp hợp lý sao cho dễ nhìn nhất kể cả lượng thông tin tìm
kiếm là rất lớn.
23
4. Trong quân sự
4.1: Súng laser
4.2: Tổng quan về YAL-1
YAL-1 là loại vũ khí laser năng lượng cao hay còn được gọi là hệ thống vũ khí laser
đường không (Airborne Laser-ABL).
.
24
YAL-1 được lắp đặt trên Boeing 747-400F (Ảnh Airforce-technology)
Máy phóng ra tia laser được gắn trên một tháp pháo ở đầu máy bay, các thiết bị hồng
ngoại và thiết bị laser hỗ trợ bắn được gắn trên lưng của máy bay.
YAL-1 có khả năng tiêu diệt các tên lửa đạn đạo chiến thuật, như loại tên lửa Scud ngay
sau khi chúng rời bệ phóng. YAL-1 phóng ra một luồng ánh sáng có năng lượng cao
(laser) chiếu vào tên lửa đang bay trên không trung, tia sáng này sẽ đốt nóng tên lửa và
khiến tên lửa phát nổ trước khi chúng lao vào mục tiêu. Toàn bộ quá trình tiêu diệt một
tên lửa chỉ mất khoảng từ 10-12 giây.
Nguyên tắc hoạt động của YAL-1
YAL-1 được thiết kế theo nguyên tắc tạo tia sáng ban đầu (sơ cấp) và khuyếch đại ánh
sáng lên cường độ cao, quá trình này được được thực hiện theo nguyên tắc "khuếch đại
ánh sáng bằng phát xạ kích thích". Mặc dù các nhà khoa học Mỹ đã giấu kín nguyên tắc
chi tiết quá trình này, nhưng vẫn có thể hiểu được rằng, những hạt 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.
25