GIÁO TRÌNH VỀ LASER, 2016

TRƯƠNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM

8/19/2016

I.TỔNG QUAN VỀ LAZER
I.1Khái niệm:
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 ánh sáng ".
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 kích thích từ bên ngoài, các
hạt electron này sẽ hấp thụ năng lượng và nhảy từ mức năng lượng thấp lên
mức năng lượng cao và tồn tại ở trạng thái kích thích trong thời gian rất
ngắn( khoảng 10-8 s) , sau đó các elcetron này nhảy về mức năng lượng thấp
đồng thời phát ra các photon, mà mỗi photon có một bước sóng nhất định
tạo thành bức xạ dưới dạng sóng điện từ .và các tia laser cũng được tạo ra từ
nguyên lý này
Có nhiều loại laser khác nhau, có thể ở dạng hỗn hợp khí, VD: 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.

I.2.Tính chất
• Độ định hướng cao: tia laser phát ra hầu như là chùm song song do
đó khả năng chiếu xa tới hàng nghìn km mà không bị phân tán.

1


TRƯƠNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM

8/19/2016

• 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.
I.3.Ngyên lý tạo ra lazer và cơ chế họat động:
Nguyên lý cấu tạo chung của một máy laser gồm có: buồng cộng
hưởng(1) chứa hoạt chất laser, nguồn nuôi và hệ thống dẫn quang(2).
Trong đó buồng cộng hưởng với hoạt chất laser là bộ phận chủ yếu.
Buồng cộng hưởng chứa hoạt chất laser, đó là một loại 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
cộng hưởng có 2 gương chắn ở hai đầu, một gương 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 rất lớn. Vì thế cường độ chùm laser được khuếch
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


TRƯƠNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM

8/19/2016

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

II.ỨNG DỤNG TRONG QUÂN SỰ
Từ khi tia lazer ra đời, thì một thế hệ vũ khí mới xuất hiện, các cường
quốc thì nhau phát triển những vũ khí có ứng dụng tia laser mà chỉ tiêu diệt
đối thủ trong giấy lát. Như súng Laser dùng cho bộ binh thường hướng vào:
làm thế nào để vô hiệu hoá được chiến binh của đối phương, cản trở sự triển
khai vũ khí và phương tiện chiến
tranh của đối phương. Ví dụ, ta
biết rằng, hệ tiêu hoá của chúng ta
luôn có tần số tự nhiên khoảng
dưới 10 Hz. Do vậy vào những
năm sau 1960, người Mỹ đã chế
tạo ra “súng âm thanh trầm” có tần
số tương ứng như vậy. Khi súng

3


TRƯƠNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM

8/19/2016

hướng vào bụng, dạ dầy của đối phương tạo ra sự cộng hưởng với biên độ
tăng dần, làm cho đối phương buồn nôn kèm theo chóng mặt, hoa mắt mà
không sao cưỡng lại được và người trúng loại “đạn âm thanh” đó tức khắc bị
loại ra khỏi cuộc chiến. Cũng như vậy, người ta đã dùng sóng radio xấp xỉ
với sóng của não người để gây rối loạn đầu óc của đối phương. Những loại
súng này thường thì gọn nhẹ (chỉ bằng cây bút chì). Có khi dùng tia lazer
làm mù mắt của đối phương .Ngoài ra thì Mỹ đã trang bị vũ khí laser trên
máy bay chiến đấu để có thể phát hiện ra các mục tiêu khi vừa mới bước vào
lãnh thổ , hoặc tiêu diệt các tên lửa đạn đạo khi vừa mới ở giai đoạn đầu tiên
là giai đoạn bắn . Để hiểu rõ hơn về vũ khí laser chúng ta tìm hiểu kĩ hơn ở
hệ thống phòng thủ LASER ABL , cũng như một số hệ thống phòng thủ
khác.
II.1 HỆ THỐNG LAZER ABL
II.1.1 Cấu tạo của hệ thống Lazer ABL
Loại vũ khí laser năng lượng cao nói trên do hãng Northrop Grumman
chế tạo với mục tiêu phá hủy mọi loại tên lửa đạn đạo, bao gồm tên lửa đạn
đạo chiến thuật (TBM) và tên lửa đạn đạo xuyên lục địa (ICBM).
Năng lượng cho nó hoạt động gồm các hóa chất có thể tìm thấy trong
chất tẩy thông thường là hydrogen peroxide và potassium hydroxide, kết hợp
với khí clo và nước. Nền tảng của hệ thống là laser hoá học oxy-iod (COIL Chemical Oxygen Iodine Laser), - một biến thể của laser hoá học hồng
ngoại, bao gồm 6 module và có công suất phát ra ở chế độ phát liên tục đạt
mức MW. 2 laser thể rắn công suất mức kW đang được dùng để chiếu xạ
mục tiêu.

4


TRƯƠNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM

8/19/2016

II.1.2.Đặc tính

Chiếc Boeing 747 của không quân Mỹ mang vũ khí laser ABL. Ảnh: USAF.

ABL có hiệu quả nhất khi đối phó với tên lửa sử dụng nhiên liệu lỏng
vì vỏ các tên lửa này có độ cứng kém . Khi tia laser khi đập vào vỏ thùng
nhiên liệu tên lửa thì sẽ làm cho thân tên lửa nóng lên làm tăng áp suất bên
trong tên lửa cộng với tải trọng phát sinh khi bay và với tốc độ cao hoặc tải
trọng tạo ra bởi lực cản chính diện của khí quyển. Như vậy là có thể tiêu diệt
tên lửa mà không phải thiêu cháy toàn bộ thân tên lửa.
Tia laser có hành trình dọc theo chiều dài của chiếc máy bay hạng
nặng với tốc độ khủng khiếp khoảng 10 9 km/h. Nó chạy từ phía đoạn đầu
của hệ thống đặt ở phía đuôi máy bay đi qua hệ thống kiểm soát chùm laser,
hệ thống kiểm soát sẽ phóng và bắn ra từ phần tháp pháo đặc biệt gắn ở mũi

5


TRƯƠNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM

8/19/2016

của máy bay để tới mục tiêu và việc bắn vũ khí laser bằng đường không tiêu
diệt tên lửa đạn đạo đang bay
Vũ khí laser tiêu diệt các tên lửa đạn đạo trong giai đoạn tăng tốc của
chúng nên có nhiều lợi thế. Khi đó các hỏa tiễn đang tỏa nhiệt cực mạnh để
phóng và tạo điều kiện cho tia laser có thể tìm đến mục tiêu chính xác ,vũ
khí laser ABL có thể tiêu diệt một quả tên lửa đạn đạo xuyên lục địa dùng

nhiên liệu lỏng (ICBM) từ khoảng cách 600 km. Nhưng sẽ khó khăn hơn khi
chúng đánh chặn tên lửa dùng nhiên liệu rắn và đây cũng là nhược điểm của
nó
II.1.3. Hệ thống ABL trong phòng thủ từ xa:
Vũ khí laser ABL được thiết kế với mục đích tiêu diệt các loại tên lửa
đạn đạo của đối phương ngay từ giai đoạn đầu chúng được phóng đi. Tại
giai đoạn bay này hệ thống ABL sẽ sử dụng các sensor (cảm biến) hồng
ngoại để phát hiện ra sơ bộ mục tiêu.
Sau khi phát hiện ra mục tiêu, hệ thống sẽ sử dụng ba tia laser năng
lượng yếu được phóng để tính toán hướng bay và tốc độ bay của tên lửa, xác
định điểm ngắm bắn và đo sự chảy rối của không khí. Dựa vào những thông
tin thu được, hệ thống ABL sẽ tính toán để phóng ra chùm tia laser với năng
lượng thích hợp. Sau đó laser chính đặt ở mũi máy bay phát 1 xung dài 3 5s, đủ để tiêu diệt 1 tên lửa. Xung này nhờ kính viễn vọng mạnh lắp trên ụ ở
mũi máy bay, được tụ tiêu và giữ trên điểm ngắm. Toàn bộ quá trình từ phát
hiện cho đến lúc tiêu diệt mục tiêu kéo dài không quá 8-12 s. trong đó bắn
tia laser từ một tháp pháo gắn trên mũi chiếc máy bay Boeing 747 chuyên
dụng và nhằm vào mục tiêu

6


TRƯƠNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM

8/19/2016

Theo thiết kế, cơ chế hoạt động của vũ khí ABL là chiếu sáng tên lửa của
đối phương bằng một tia laser dò
tìm, trong khi đó thì hệ thống
máy tính sẽ đo khoảng cách và
tính toán đường đi của nó. Sau

khi tia laser này chạm tới mục
tiêu, tia laser thứ hai cực mạnh
cũng được phóng ra từ mũi chiếc
Boeing 747. Sức nóng của nó
gây sức ép lên khoang nhiên liệu

Mô phỏng cơ chế hoạt động của hệ thống vũ khí
laser ABL chống tên lửa đạn đạo trên một chiếc
Boeing 747. Ảnh: Ausairpower.

của quả tên lửa đang bay khiến
nó nổ tung.
ABL sử dụng nhiên liệu hóa học để tạo ra tia laser năng lượng cao.
Chiếc máy bay 747 hiện nay có thể mang đủ nhiên liệu phục vụ cho 20 phát
bắn năng lượng cao hoặc 40 phát bắn năng lượng thấp chống lại các TBM
với lớp vỏ mỏng và yếu hơn. Tia laser của ABL có khả năng bắn thẳng vào
khu vực chứa nhiên liệu của tên lửa và khiến nó phát nổ. Ngoài ra ABL có
thể được điều khiển để nung nóng lớp vỏ lên lửa, làm suy yếu phần vỏ này,
khiến tên lửa bị phân rã trong tốc độ rất cao do thời gian đầu của quá trình
phóng, tên lửa đang tăng tốc. Do tấn công với tốc độ ánh sáng nên ABL
được cho là có thể tiêu diệt mục tiêu với tỉ lệ thành công rất cao.

7


TRƯƠNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM

8/19/2016

Hình mô phỏng một máy bay lắp hệ thống ABL

Có thể tiêu diệt mọi loại tên lửa đạn đạo

Các máy bay mang ABL sẽ cất cánh tuần tra chiến đấu và tuần tra ở
độ cao lớn, ở cách các khu vực đối phương có thể triển khai tên lửa đến 600
km trong một khoảng thời gian khá dài. Có thể kéo dài thời gian trực chiến
trên không của máy bay ABL bằng cách tiếp dầu trên không cho máy bay.
Để yểm trợ và bảo đảm hoạt động của các máy bay ABL, người ta sẽ huy
động các máy bay tiêm kích và máy bay tác chiến điện tử
II.2.Vũ khí laser( THEL) phòng thủ chống đạn pháo
Hãng sản xuất Northrop Grumman muốn LQ Mỹ sử dụng hệ thống
laser chiến thuật năng lượng cao THEL (Tactical High Energy Laser) trong
chiến đấu tiếp sau những vụ thử thành công mới đây đối với hệ thống này
khi nó bắn rơi loạt đạn cối bắn đến.
Riêng radar của hệ THEL đã ở trạng thái hoàn thiện, sử dụng radar
của THEL để phát hiện đạn rocket trong điều kiện chiến đấu. Hệ THEL
được thiết kế để bắn hạ các đạn rocket lớn hơn và được chế tạo tốt hơn các
đạn rocket Kassam Hệ thống THEL có thể bám các rocket Kassam nhỏ và
bắn hạ chúng bằng laser. THEL có thể bám và phá huỷ các mục tiêu nhỏ hơn
đang bay như đạn cối.
Hệ thống laser và radar có thể bám đồng thời tới 60 mục tiêu (đạn
pháo, cối, rocket) và phá huỷ các quả đạn này ở tầm tới 5 km. THEL có thể
phá huỷ khoảng 12 mục tiêu/phút với chi phí khoảng 3000 USD/phát bắn.
8


TRƯƠNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM

8/19/2016

Ngoài vấn đề kích thước và chi phí của hệ thống THEL, còn có vấn đề

tia laser bị suy yếu bởi mây, sương mù, thậm chí là khói nhân tạo. Vì thế
hiện chưa có nhiều sự ủng hộ cho việc bắt đầu sử dụng một hệ thống THEL
cồng kềnh và đắt tiền ngay vào thời điểm này. Nhưng vào cuối thập kỷ này,
một biến thể
nhỏ gọn hơn
và rẻ tiền hơn
của THEL sẽ
hấp dẫn hơn
và có thể sẽ
được đặt mua.

THEL đánh chặn mục tiêu

Hiện tại, THEL còn cồng kềnh và không thật sự cơ động. Mỗi hệ
thống cần có 6 chiếc xe kéo trở lên để chở radar, tiếp nhiên liệu và thiết bị
laser.

9


TRƯƠNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM

8/19/2016

MTHEL

Biến thể mới MTHEL (Mobile Tactical High-Energy Laser - hệ thống
laser chiến thuật năng lượng cao cơ động) đã được thiết kế, sử dụng 3 xe
kéo;hệ thống MTHEL lắp vừa trên 1 xe ôtô đa năng hạng nhẹ cơ động cao
HMWV.

III. SỬ DỤNG LAZER TRONG TIÊU DIỆT ĐỐI THỦ (JDAM )
III.1 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG
Trái bom sau đó sẽ phối hợp với hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu
(GPS) tìm diệt mục tiêu. Bộ não của bom chính là một thiết bị nhận tín hiệu
GPS, được lập trình trước. Thiết bị nhỏ này điều chỉnh hướng bay nhờ các
"vây" trên đuôi quả bom, theo các dữ liệu về toạ độ mà hệ thống vệ tinh
cung cấp.
Được dẫn đường nhờ các tín hiệu GPS, JDAM hoạt động hiệu quả cả
trong thời tiết xấu. Trong khi đó, bom định vị bằng laser, rất dễ đi lạc nếu
gần mặt đất có khói hay sương mù.
Khâu xác định mục tiêu được tiến hành khá công phu. Các vệ tinh và
máy bay do thám thu thập rất nhiều thông số về hình ảnh, tia xạ, sự thay đổi
về nhiệt để tìm hang động, các đường hầm và binh lính. Những dữ liệu này,
cùng với các tin tức tình báo, được tổng hợp lại. Một sai sót nhỏ trong quá
trình thu thập và xử lý thông tin có thể khiến toạ độ mục tiêu không chính
xác
III.2 Nhược điểm & ưu điểm:
10


TRƯƠNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM

8/19/2016

III.2.1 Nhược điểm
Tia laser có thể bị lệch đi do ảnh hưởng của các tác nhân thời tiết hay
khói dày đặc thường có ở các trận địa. Do vậy, trái bom có thể bị chệch
hướng vào những phút cuối cùng
"bom chính xác" đôi khi vẫn để tuột mất con mồi, chủ yếu do phân
tích toạ độ mục tiêu sai ngay từ ban đầu.

III.2.2 Ưu điểm
JDAM không đòi hỏi phi công phải xác định mục tiêu tấn công cụ thể.
Do vậy, máy bay được phép thả bom từ độ cao an toàn. Theo thiết kế, bom
có thể tới gần mục tiêu định sẵn trong khoảng bán kính 1m. Chính vì thế,
JDAM còn được gọi là "bom chính xác".
Dựa vào tín hiệu từ vệ tinh, JDAM có thể bị đánh lừa nếu như đối
phương xây dựng một đài phát làm nhiễu các tín hiệu GPS. Dĩ nhiên, điều
này đòi hỏi trình độ công nghệ cao với các điều kiện nghiên cứu tốt

11