Bài thuyết trình LASER

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM HUẾ
Khoa Cơ Khí - Công Nghệ

Chủ đề 7:

Laser
SV thực hiên:

Trần Văn Hòa
Đỗ Thành Vinh
Trần Văn Ninh
Đinh Thị Hiệp
Lớp: Công thôn 45
GVHD: Nguyễn Đăng Nhật
Năm 2012


Laser
I:Khái Niệm:
Laser là từ ghép của các chữ cái
đầu tiên của cụm từ tiếng Anh
“Light Amplifier by Stimulated
of Radiation” nghĩa là khuếch
đại ánh sáng bằng phát bức xạ
khích thích
Laser là một nguồn sáng phát
ra một chùm sáng cường độ lớn
dựa trên việc ứng dụng hiện tượng phát xạ cảm
ứng. Chùm bức xạ phát ra cũng được gọi là chùm
tia laser

II: Lịch sử hình thành:

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 galiaseni 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. thu sua


maser


III:Cấu tạo, tính chất:
1:Cấu tạo:




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.

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

2: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.


IV:cơ chế:










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 nghịch đảo mật độ tích lũy 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.


V: Phân loại:

Laser được chia làm 3 loại chủ yếu:

1. 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 25% 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.

2. 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.

3. LASER chất lỏng

- Môi trường hoạt chất là chất lỏng, thông dụng nhất là laser màu.


VI: Nguyên lý hoạt động:
Gọi W1 và W2 (giả sử W1 < W2) là 2 mức năng
lượng tương ứng với 2 trạng thái của cùng một
nguyên tử. Nguyên tử có thể thực hiện, giữa 2
trạng thái (1) và (2) ba loại chuyển dời bức xạ
(nghĩa là các chuyển dời kèm theo sự sản sinh
hoặc mất đi một proton)

a)

a) Phát bức xạ tự phát xảy ra ngay cả khi nguyên
tử hoàn toàn cô lập và sự phát này không do một
nguyên nhân bên ngoài nào gây nên. Các nguyên
tử ở trạng thái năng lượng cao W2 trong một
khoảng thời gian rất ngắn. Ở cuối thời gian đó
nguyên tử chuyển dời tự phát về trạng thái năng
lượng thấp W1 và bức xạ 1 photon tần số v: hv =
W2 – W1
Sự phát bức xạ tự phát này là không kết hợp,
bởi vì các nguyên tử của nguồn phát bức xạ là độc
lập nhau , pha của những sóng này
là khác nhau , sự phân cực và
hướng truyền của chúng cũng
độc lập nhau . Những sóng hỗn
độn đó không thể dùng được
trong truyền thanh và truyền hình.
Ta lưu ý tới hai loại chuyển
dời bức xạ khác được sinh ra khi mà các nguyên
tử chịu tác động của một số sóng điện từ mà tần
số của nó thỏa mãn điều kiện cộng hưởng.


b) Các nguyên tử ở trạng thái năng lượng thấp W1
khi hấp thụ một photon cộng hưởng ,
chuyển lên trạng thái
W2. Số lượng photon
bị hấp thụ Na trong một
đơn vị thời gian là tỉ lệ

với số lượng nguyên tử
P1 ở mức W1 và mật độ phổ năng lượng Uv của
sóng ở tần số cộng hưởng v.
Na = Ba.Uv.P1


c:Các nguyên tử ở mức năng lượng W2, khi các
photon tới va chạm với các nguyên tử này gây nên
sự chuyển dời kích thích (cưỡng bức) về mức năng
lượng thấp W1 phát ra một photon khác. Photon
này có cùng tần số, cùng pha, cùng phân cực và
cùng hướng truyền như photon tới . Như vậy một
photon tới ta nhận được hai photon như nhau. Hai
photon này tiêp tục truyền theo một hướng tái tạo
ra bốn photon và quá trình cứ tiếp diễn, nghĩa là
các photon cảm ứng tăng cường thêm vào sóng tới,
nói cách khác là sóng tới được khuếch đại lên. Đó
là đặc trưng của bức xạ cảm ứng được dùng trong
laser.
Số lượng photon Ni sinh ra do phát xạ cảm ứng
trong một đơn vị thời gian là tỉ lệ với số lương P2 ở
mức năng lượng W2 và mật độ năng lượng phổ Uv
của sóng tới :
Ni = Bi.Uv.P2


người ta chứng minh rằng hai hệ số tỉ lệ B a và Bi
bằng nhau, ta đặt bằng B:
Ba = B i = B
Trong điều kiện bình thường, mật độ nguyên tử

P1 va P2 tuân theo định luật Bonltzmann:
P2 =P1.e-(W2-W1)/kT
Vì W2>W1 kéo theo P2Nimôi trường.
Để quan sát khuếch đại sóng tới (Ni>Na) cần tạo
ra sự nghịch đảo mật độ nguyên tử, nghĩa là cần
thực hiện điều kiện sao cho số nguyên tử P 2 ở
trạng thái năng lượng cao nhiều hơn số nguyên
tử P1 ở trạng thái năng lượng thấp (P2>P1). Môi
trường này gọi là môi trường hoạt động hoặc môi
trường có nhiệt độ âm (vì trong công thức
Boltzmann nếu thay T bởi –T thì P2>P1).


VII: 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.


VIII: Ứng dụng của laser:
1: Ứng dụng chung:

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.




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 từTrái 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.
Trong y học, laser công suất thấp được sử dụng trong vật lý
trị liệu để gây hiệu ứng sinh học [1]; và laser công suất lớn
gây hiệu ứng đốt dùng trong điều trị thoát vị đĩa đệm cột
sống


2: Ứng dụng trong công nghệ

Ứng dụng laser
trong công nghệ
Ứng dụng laser
gia công vật liệu
cắt

gia công tinh vi
hàn
khoan

marking

quang khắc


Cắt
Sử dụng hai loại laser CO2 và laser
Nd:YAG.
Những đặc tính kỹ thuật ảnh
hưởng đến quá trình cắt:
Nguồn laser, dạng xung hay liên tục,
bước sóng,phân cực, dạng chùm tia, vị
trí đầu cắt…
Tốc độ dịch chuyển, điều khiển vị trí
tiêu điểm của chùm tia.
Đặc tính của vật liệu cắt.
Sơ đồ nguyên lý cắt bằng tia laser


Các phương pháp cắt:
Phương pháp đột biến về nhiệt.
Cắt bằng khoan: thường dùng cắt các vật cứng, có nhiệt nóng
chảy cao như: ceramic, thuỷ tinh…
Phương pháp đốt nóng chảy và thổi.
Phương pháp bay hơi.
Phương pháp cắt nguội: dùng tia
Laser có bước sóng cực tím,
dùng trong vi phẩu thuật,
cắt plastic

Laser CO2, áp suất khí thổi 3-10 bar, đường kính chùm tia 1-2mm


Các thông số cắt kim loại sử dụng laser Nd:YAG


Thường sử dụng laser CO2 hơn là laser Nd:YAG trong cắt vật liệu.

Laser Nd:YAG cũng có những lợi điểm so với laser CO 2
Thao tác với các chi tiết nhỏ trên những phần vật liệu nhỏ.
Cắt tốt các vật liệu có hệ số phản xạ cao, như hợp kim của
đồng hay hợp kim của bạc
Nếu có sử dụng sợi cáp quang thì sẽ di chuyển mũi cắt một
cách dễ dàng.
Nhược điểm:
Không thể cắt các vật liệu là hữu cơ, thạch anh, thuỷ tinh.
Công suất nhỏ.


Ưu điểm cắt bằng laser:
Cắt được hầu hết các loại vật liệu, cả các vật liệu có từ tính cũng như
không có từ tính.
Rãnh cắt sắc cạnh, có độ chính xác cao.
Có thể cắt theo đường thẳng hay đường cong bất kỳ.
Không biến dạng cơ học và biến dạng nhiệt ít.
Tốc độ cắt nhanh.
Dễ dàng áp dụng vào tự động hoá nâng cao năng suất.
Không gây tiếng ồn, không gây ô nhiễm môi trường làm việc bởi bụi.
Nhược điểm:

Chiều dày cắt hạn chế 10 – 20 mm (tuỳ thuộc công suất của nguồn
laser).