Đề tài nghiên cứu khoa học: Tìm hiểu về ứng dụng của laser trong các lĩnh vực và ảnh hưởng của laser đối với con người khi sử dụng

LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc tới Ban Giám  
hiệu tạo điều kiện để em nghiên cứu và hoàn thành đề tài của mình. 
Em xin chân thành cảm ơn các Thầy, Cô giáo đã hết sức tận tình giảng dạy,  
chỉ bảo và hướng dẫn cho em trong suốt quá trình học tập cũng như quá trình thực  
hiện đề tài này.
           Đặc biệt, em xin bày tỏ  lòng biết  ơn sâu sắc tới cô giáo Lê Thị  Phương 
Hiền  đã  trực tiếp hướng dẫn, tận tình chỉ  bảo cho em trong suốt quá trình em  
thực hiện đề tài.
         Em cũng xin chân thành cảm ơn Ban tổ chức cuộc thi đã tạo ra một sân chơi  
bổ ích giúp học sinh chúng em phát huy được những sở trường của mình. 
Cuối cùng xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè và những người thân đã  
giúp đỡ, động viên em trong quá trình thực hiện đề tài này.
Thái Nguyên, tháng 11 năm 2015
Tác giả

Nguyễn Thị Trà Giang

1


MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài:
2 Mục đích nghiên cứu
3. Đối tượng nghiên cứu
4. Giả thuyết nghiên cứu
5. Giới hạn ngiên cứu
6. Phương pháp nghiên cứu

4
4

4
4
4
4

7. Nội dung nghiên cứu

4

8. Những điểm mới của đề tài

5

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ LASER
1. Sơ lược lịch sử phát triển của laser
2. Laser là gì? 
3. Tính chất của laser
3.1. Tính chất vật lí
3.2. Tính chất sinh học

4. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động chung của laser
4.1 Cấu tạo 
4.2. Phân loại laser.
4.3. Nguyên lý làm việc của máy phát laser

5
6
6
7
8

8
9
10
10
13
17

CHƯƠNG II.  ỨNG DỤNG CỦA LASER VÀ CÁC LƯU Ý KHI SỬ  DỤNG  
LASER
1. Ứng dụng của Laser
1.1.Trong khoa học

21
21
21

2


1.2.Trong y ­ sinh học
1.3.Trong kỹ thuật­công nghiệp
1.4.Trong quân sự
2. Sự nguy hiểm của tia laser
2.1. Sự nguy hiểm của laser đối với mắt
2.2. Sự nguy hiểm của laser đối với da
3. Thực trạng về an toàn khi sử dụng laser
III. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

21
23

23
26
28
30
36
37

1. Kết luận

43

2. Kiến nghị 

43

TÀI LIỆU THAM KHẢO

44
45

3


MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Từ khi được phát minh cho tới nay, laser đã không ngừng được nghiên cứu và  
phát triển. Với nhu cầu  ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các lĩnh vực nghiên cứu 
khoa học và  ứng dụng cùng những tiến bộ  trong lĩnh vực khoa học vật liệu và 
quang điện tử, laser ngày càng được phát triển đa dạng về  chủng loại và đồng 
thời kĩ thuật phát laser ngày càng được hoàn thiện.  

Với những tính chất ưu việt so với nguồn sáng thông thường, tia laser từ khi  
ra đời cho đến nay đã khẳng định được vị  trí quan trọng trong nhiều lĩnh vực: 
nghiên  cứu  y  ­  sinh  học,   hóa   học,   quân  sự,  môi   trường,   khoa   học   nano,   cuộc 
sống ... 
Tuy nhiên, khi được sử dụng rộng rãi – nhất là trong cuộc sống thì vấn đề an  
toàn trong sử dụng laser lại chưa được chú trọng, hoặc có thì cũng chỉ đối với các 
nhà nghiên cứu, trong phòng thí nghiệm. Còn các thiết bị  như  đèn laser, bút chỉ 
laser,... dùng trong cuộc sống hàng ngày thì ít ai để  ý tới, nó có gây hại với con  
người hay không, có  ảnh hưởng đến mắt và da hay không hầu như  rất ít người 
quan tâm. Người xử dụng hay tiếp xúc với nguồn sáng này không biết rằng rất có  
thể  mắt của họ  đang bị   ảnh hưởng, và thị  lực tự  nhiện giảm trầm trọng là có lí  
do.
2. Mục đích nghiêm cứu
­ Nhằm trang bị cho mình những kiến thức về laser nói chung
­ Tìm hiểu về những ứng dụng và tầm quan trọng của laser trong đời sống.
­ Nghiên cứu về mức độ ảnh hưởng của laser của laser đối với con người, cụ thể 
là mắt và da. Từ đó đưa ra cảnh báo đối với người sử dụng. 
3. Đối tượng nghiên cứu
   ­ Các thiết bị có phát chùm sáng laser: Bút chỉ laser, đèn laser có công suất khác  
nhau, súng laser đồ chơi trẻ em

4


4. Giả thuyết nghiên cứu
­ Có thể  tìm hiểu các mức độ   ảnh hưởng của chùm sáng laser đối với con  
người, từ  đó đưa ra cảnh báo, những điều cần lưu ý khi sử  dụng laser trong  
cuộc sống.
6. Phương pháp nghiên cứu
Đề tài chủ yếu là nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm

­ Tìm hiểu, nghiên cứu tư liệu trên internet, trên các bài báo khoa học, trên các 
tài liệu tham khảo về
­ Lý thuyết: Tìm hiểu, nghiên cứu tư liệu trên internet, trên các bài báo khoa 
học, trên các tài liệu tham khảo về laser.
­ Thực nghiệm: Thử nghiệm mức độ ảnh hưởng của đèn laser trên một số 
chất liệu như: giấy, gỗ, nhựa.
7. Nội dung nghiên cứu
­ Nghiên cứu tổng quan về laser
­ Nghiên cứu ảnh hưởng của laser đối với con người khi sử dụng, tiếp xúc 
vơi nguồn sáng laser.
Ngoài phần mở đầu và kết luận thì đề tài gồm 2 chương:
Chương I: Ứng dụng của laser
Chương II: Ứng dụng của laser và các lưu ý khi sử dụng laser
8. Những điểm mới của đề tài
­ Ngoài tìm hiểu về   ứng dụng của laser trong các lĩnh vực thì đề  tài còn tìm 
hiểu về mức độ ảnh hưởng của nó. Đặc biệt là ảnh hưởng đến mắt và da. Từ 
đó có những cảnh báo để có thể phòng tránh những tác hại mà chùm sáng này  
gây nên

5


CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ LASER

1. Sơ lược lịch sử phát triển của laser
Laser là một phát minh vĩ đại của thế kỷ XX, đã và đang chứng tỏ vai trò của  
mình trong sự  phát triển của khoa học kĩ thuật cũng như  trong các  ứng dụng  ở 
nhiều ngành khác nhau của nền kinh tế quốc gia.
Laser được phỏng theo maser. Laser và maser có cơ  chế  hoạt động giống 
nhau. Nhưng khác nhau  ở chỗ, maser hoạt động với tần số phôtôn ở vùng vi sóng 

(sóng vi ba), còn laser hoạt động trong vùng cực tím, ánh sáng nhìn thấy hay vùng 
hồng ngoại.

Albert Einstein (1879 – 1955)
Tóm lược lịch sử phát triển của laser:
1984 ­ 1940: Lịch sử phát triển của phổ học thiên văn
6


1917: Einstein đưa ra thuyết phôtôn và bức xạ cưỡng bức 
1954: Maser đầu tiên ra đời.
1960:  Laser  quang học   đầu tiên  ra  đời bởi  Theodore  Maiman and 
Nikolai Bassow: Laser Ruby.
1965: Phát hiện ra laser vi ba trong tinh vân Orion.
1965: Sự phát hiện ra phông bức xạ của vũ trụ  nhờ sử  dụng sóng vi 
ba 
1966: Laser khí động lực đầu tiên ra đời.
1970: Lần đầu tiên đưa laser hoạt động lên các vì sao.
1973: Phát hiện laser hoạt động trên các chuẩn tinh (ngôi sao).
1979: Laser hồng ngoại gần tìm thấy ở tinh vân Orion.
1981: Laser CO2 được tìm thấy ở trong khí quyển và sao Kim.
1984: Laser tia X đầu tiên được ra đời.
1993: Laser Plasma đầu tiên ra đời.
1994: Sử dụng laser nhân tạo làm thiết bị chỉ dẫn tới các ngôi sao.
1995:   Laser   hồng   ngoại   xa   được   tìm   thấy   bởi   Kuiper   Airborne  
Observatory.
1996: Laser tử ngoại được tìm thấy bởi Hubble Space Telescope.
2000 ­ nay: Khảo sát, chế tạo nhiều loại laser mới phủ gần hết dải  
sóng điện từ và đưa vào ứng trong nghiên cứu khoa học ­ công nghệ nano…
2. Laser là gì?

Laser   là   tên   gọi   tắt   bằng   tiếng   Anh   “ Light   Amplification   of   Stimulated  
Emision of Radiation”, nghĩa là sự phát xạ ánh sáng nhờ bức xạ cưỡng bức.

7


Laser chính là các bức xạ  điện từ  có bước sóng nằm trong khoảng gần tia  
X đến vùng hồng ngoại xa (hình 1.1).

Hình 1.1: Vùng quang phổ
3. Tính chất của laser
3.1. Tính chất vật lí
3.1.1. Độ đơn sắc cao
Độ đơn sắc của một chùm tia được đặc trưng bởi độ  rộng vạch chùm (hình 
1.2).
Độ  rộng phổ  của chùm tia laser rất nhỏ  cỡ  10­8 A0. Do vậy, tia laser có độ 
đơn sắc cao.

Ánh sáng nhìn thấy

Hình 1.2. Phổ của các ánh sáng đơn sắc trong phổ nhìn thấy.
8


3.1.2. Tính định hướng cao
Tính định hướng cao chùm tia laser được thể  hiện là sự  tập trung năng 
lượng ở một góc khối rất nhỏ và tạo nên cường độ rất lớn (hình 1.3). Do vậy, tia  
laser có thể chiếu xa hàng ngàn km mà không bị tán xạ.

  

Hình 1.3. Độ định hướng của laser
3.1.3. Có khả năng phát xung cực ngắn
Xung ngắn cỡ  mili giây (ms), nano giây, pico giây (ps), femto giây (fs) cho 
phép tập trung năng lượng tia laser cực lớn trong thời gian cực ngắn
3.1.4. Độ rộng phổ
Độ  chói của nguồn sáng được tính bằng cách chia công suất của chùm sáng 
cho độ rộng của phổ. Vì độ rộng của phổ Laser rất nhỏ nên laser có độ  tập trung 
các tia sáng rất cao, hay nói cách khác là độ  chói rất cao so với các nguồn sáng 
khác.
Ví dụ: laser có công suất thấp là laser He­Ne cũng có độ  chói gấp hàng vạn 
lần độ  chói của ánh sáng mặt trời. Những laser có công suất lớn có độ  chói cao 
gấp hàng triệu lần mặt trời.
3.1.5. Tính kết hợp cao
Tia laser có tính kết hợp rất cao so với ánh sáng từ các nguồn khác. Có thể 
trưc tiếp sử dụng các chùm tia này để tạo ra giao thoa.
3.1.6. Cường độ lớn

9


Cường độ điện trường trong chùm tia laser có thể đạt được 1010 V/m. Công 
suất tia laser có thể đạt được là 105 W ở chế độ liên tục và 1012 W ở chế độ xung.
Đây là những tính chất  ưu việt mà những tia sáng bình thường không có  
được. Vì thế, laser là một nguồn sáng quý giá có nhiều ứng dụng cụ thể.
3.2. Tính chất sinh học
3.2.1. Hiệu ứng kích thích sinh học.
Thường xảy ra với Laser công suất thấp cỡ  mW, tác động lên các đặc tính 
sống như: quá trình sinh tổng hợp protein, quá trình tích luỹ sinh khối, quá trình hô 
hấp tế bào. Làm gia tăng quá trình phân bào, thay đổi hoạt tính men, thay đổi tính  

thấm màng tế bào, tăng miễn dịch không đặc hiệu…
Tác dụng của laser lên cơ thể sống chia làm hai loại:
­ Phản  ứng nhanh (hay trực tiếp) là tác dụng ngay sau khi chiếu laser, biểu  
hiện là sự kích thích hô hấp tế bào.
­ Phản  ứng chậm (hay gián tiếp) là tác dụng muộn sau hàng giờ  hay hàng 
ngày, biểu hiện bằng sự gia tăng quá trình phân chia tế bào.
3.2.2. Hiệu ứng nhiệt.
Công suất chùm tia có thể  tới hàng trăm Watt, khi đó quang năng của laser 
biến thành nhiệt để đốt nóng các tổ chức sinh học. Hiệu ứng nhiệt có hai cách tác  
dụng:
­ Công suất không cao, thời gian tác động dài: sẽ làm nóng chảy tổ chức sinh 
học và sau đó các tổ chức bị đông kết lại (gọi là hiệu ứng quang đông) có tác dụng 
tốt cho cầm máu trong ngoại khoa.
­ Công suất cao, thời gian ngắn: làm bay hơi tổ  chức sinh học (gọi là hiệu  
ứng bay hơi tổ  chức) là cơ  sở  của dao mổ  laser với nhiều  ưu điểm trong phẫu  
thật.
3.2.3. Hiệu ứng quang ion.
Hiệu  ứng quang ion còn gọi là hiệu  ứng quang cơ  vì quang năng của laser  
biến thành cơ năng để bóc lớp (không có tác động nhiệt) hay phá sỏi với xung cực 
ngắn, công suất đỉnh cực cao.
10


4. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động chung của laser
4.1 Cấu tạo 
Thông thường một máy phát laser được cấu tạo từ  ba bộ  phận chính: môi 
trường hoạt chất, bộ phận kích thích (hay bơm), buồng cộng hưởng (hình 1.4).

? Bơm quang học
? Kích thích điện tử

? Va chạm không đàn hồi giữa
        nguyờn tử ­ nguyờn tử hoặc 
        phõn tử ­ phõn tử
? Phản ứng húa học

Bơm

CHÙM LASER

MÔI TRƯỜNG LASER
? chất rắn
? chất khớ
? chất lỏng
? chất bỏn dẫn

BCH QUANG HỌC

Hình 1.4. Cấu hình nguyên tắc của laser
4.1.1 Môi trường hoạt chất
Là môi trường vật chất có khả năng khuếch đại ánh sáng đi qua nó. Trong 
hoạt chất, ánh sáng đi qua không bị hấp thụ mà năng lượng còn được khuếch đại 
lên. Cường độ và công suất lối ra luôn lớn hơn lối vào.
Tuỳ theo các loại hoạt chất khác nhau mà ta có các loại laser khác nhau:
Hoạt chất là chất rắn 
Có khoảng 200 chất rắn có khả  năng dùng làm môi trường hoạt chất  
laser. Đó là các tinh thể  hay thuỷ  tinh (glass) được pha tạp bằng các iôn  
hiếm như: Nd3+, Sm+3, Cr+3...

11

Hoạt chất là chất khí 
Hoạt chất có thể  là khí iôn như ArII, KrII, … hoặc khí đơn nguyên tử 
và hỗn hợp của chúng như He­Ne; hoặc khí phân tử và hỗn hợp của chúng  
như CO, H2O, CO2­ N2­He…
Hoạt chất là chất lỏng 
Các chất lỏng bao gồm các dung dịch vô cơ, hữu cơ và các chất màu.
Hoạt chất là chất bán dẫn
Thường được tạo nên từ hai hoặc nhiều chất bán dẫn dạng p và n như 
GaAs, InGaAsP, PbS, PbTe…
4.1.2.  Bộ phận kích thích ( bơm)
Đây là bộ phận cung cấp năng lượng để tạo ra nhiều hạt ở trạng thái có mức  
năng lượng cao (mà gọi là sự  tạo ra nghịch đảo độ  tích luỹ  trong hai mức năng  
lượng nào đó của hoạt chất laser) và duy trì hoạt động của laser.
Tuỳ  theo từng loại laser mà có nhiều phương pháp kích thích để  cung cấp 
năng lượng. Năng lượng cung cấp có thể  dưới dạng ánh sáng gọi là bơm quang  
học, hoặc là nhờ  quá trình va chạm giữa điện tử  được gia tốc trong điện trường  
được truyền cho các nguyên tử hoạt chất, hoặc thông qua các phản ứng hoá học…
4.1.3. Buồng cộng hưởng
Là bộ  phận dùng để  khuếch đại các tia sáng laser trước khi đi ra khỏi máy  
phát. Nó gồm hai gương, một gương có hệ  số  phản xạ  rất cao (coi là phản xạ 
hoàn toàn), còn gương kia có một phần phản xạ, một phần truyền qua (gương bán  
mạ).
Tia laser trước khi đi ra ngoài, sẽ  truyền qua truyền lại nhiều lần trong môi 
trường hoạt chất trong buồng cộng hưởng. Mỗi lần đi qua môi trường số  hạt  
được kích thích để  phát xạ  cảm ứng tăng lên, vì vậy cường độ  bức xạ  cảm ứng  
được khuếch đại, tăng lên liên tục tương tự như hiện tượng cộng hưởng.

12

Cụ thể, khi một phôtôn có bước sóng thích hợp đi trong môi trường kích hoạt 
gây nên sự  phát xạ  cảm  ứng của nhiều hạt và tạo ra các phôtôn cảm  ứng. Các 
phôtôn này chạy dọc theo trục của buồng cộng hưởng, phản xạ nhiều lần qua hai  
gương làm cho cường độ bức xạ cảm ứng được khuyếch đại. ánh sáng laser được 
phát ra dọc theo trục của buồng cộng hưởng có độ  phân kì rất nhỏ. Các gương 
này không chỉ  tạo ra ánh sáng cường độ  cao mà còn làm cho tia laser có dải tần  
cực hẹp khi khoảng cách giữa hai gương thoả mãn hệ thức. 
L

n

2

n

c
2

                               

    (1.1)

Với n là số nguyên dương,   là tần số cộng hưởng,   là bước sóng của bức 
xạ cảm ứng.
4.2. Phân loại laser.
Như  đã trình bày  ở  phần trên, với các hoạt chất khác nhau sẽ  có các loại  
laser khác nhau đó là: laser rắn, laser lỏng, laser khí, laser bán dẫn.
4.2.1. Laser rắn. 
Có khoảng 200 chất rắn có khả  năng dùng làm môi trường hoạt chất Laser. 

Một số loại chất rắn thông dụng như :
­ YAG­Neodym: hoạt chất là Yttrium Aluminium Garnet, cộng thêm 2­5%  
Neodym có bước sóng   = 1064 nm, thuộc phổ hồng ngoại.
­ Ruby hồng ngọc: hoạt chất là một thanh Ruby. Ruby là tinh thể Al2O3, trong 
đó một số iôn Al3+ được thay thế  bằng Cr3+. Laser hồng ngọc có bước sóng     = 
694,3 nm thuộc vùng đ
ỏ của ánh sáng tr
ng.
Đèn Flash
Gươắ
ng 

bán mạ
Thanh 
Dưới đây là sơ đồ máy phát laser hồng ngọc:
Ruby
Chùm
laser
ra
Tụ điện

Nguồn điện

Hình 1.5. Giản đồ mô tả sơ đồ nguyên lý laser Ruby (hồng ngọc) đầum tiên  13
được phát triển bởi Theodore Maiman


Thanh Ruby được đặt giữa hai gương phản xạ đặt song song với nhau. Muốn  
cho laser hoạt động thì phải tích điện cho tụ  điện đủ  lớn, sau đó cho phóng điện 
qua đèn xoắn flash. Đèn xoắn flash phát ra những xung sáng màu xanh lục có công 

suất lớn kích thích laser hoạt động.
4.2.2. Laser khí 
Có thể chia thành 3 loại :
Laser khí nguyên tử (He­Ne)
Laser khí iôn (laser Ar+)
Laser khí phân tử (laser CO2, laser N2) 
Laser khí thông dụng đó là laser He­Ne. Laser này dùng một hỗn hợp khí gồm 
90% khí He và 10% khí Ne ở áp suất thấp làm môi trường hoạt chất. Laser He­Ne  
có   = 632,8 nm thuộc phổ ánh sáng đỏ trong vùng nhìn thấy, công suất nhỏ từ 1  
đến vài chục mW (hình 1.6).

14


Hình 1.6: Laser He­Ne

Laser Argon có hoạt chất là khí Argon có   = 488 ­ 514,5 nm.
Laser CO2 có   = 1060 nm thuộc phổ hồng ngoại xa, công suất phát xạ có thể 
đạt tới mê ga oát (MW). Trong y học nó được dùng làm dao mổ.
4.2.3. Laser lỏng
Gồm 3 loại :
­ Laser chelate hữu cơ­đất hiếm
­ Laser vô cơ oxyd cloride­neodym­selen
­ Laser màu
Trong đó, laser màu đang có nhiều  ứng dụng phổ  biến nhất (hình 1.7 là các 
dung dịch màu và laser màu).

15

 

(a)
      
         (b)
Hình 1.7. Các ch
ất màu (a) và laser màu Rhodamin 6G (b)

4.2.4. Laser bán dẫn
Laser diode đầu tiên được làm bằng vật liệu bán dẫn GaAs pha tạp để  tạo  
thành chuyển tiếp p­n. Tuy nhiên các thiết bị này có mật độ dòng ngưỡng cao và là 
những nguồn sáng hiệu suất thấp. Do đòi hỏi mật độ dòng cao nên khi làm việc ở 
300 K phải hoạt động ở chế độ xung nhằm hạn chế nhiệt độ ở lớp chuyển tiếp,  
tránh hư  hỏng. Sự  phát triển của công nghệ  vật liệu bán dẫn đã cho phép nhanh 
chóng giảm ngưỡng phát laser và tạo ra được các laser phát ở  chế độ  liên tục tại  
nhiệt độ  phòng. Dưới đây trình bày cấu trúc cơ  bản và bức xạ  laser ra của một  
laser diode (hình 1.8). 

Nguồn điện

Các tiếp xúc kim loại
SiO2
Vùng hoạt chất
Mặt gương
Tiếp xúc kim loại

Bức xạ laser
Vùng 
tiếp
 xúc

Các mặt gương

Hình 1.8. Cấu trúc cơ bản và bức xạ laser ra của một laser diode

16


Loại thông dụng nhất là diode Gallium Arsen (GaAs) có bước sóng 890 nm 
thuộc phổ hồng ngoại gần. Cụ thể về cấu tạo và hoạt động của laser bán dẫn sẽ 
được trình bày kĩ hơn ở chương 2.
4.3. Nguyên lý làm việc của máy phát laser
4.3.1. Điều kiện làm việc của máy phát laser 
Xét một môi trường có hai mức năng lượng 1 và 2 (hình 1.9. Mật độ tích luỹ 
tương ứng là N1 và N2, ta có thể biểu diễn các quá trình dịch chuyển bức xạ trong  
các nguyên tử này như trên hình vẽ sau đây:

  

            
(a) 

            
(b) 

(c)

Hình 1.9 Các quá trình dịch chuyển bức xạ
Sự biến thiên độ tích luỹ của các mức có thể gây nên bởi các quá trình sau:
+) quá trình bức xạ tự phát từ mức 2 xuống mức 1(hình 1.9­ a), quá trình này 
được quy định bởi: 

( N 2 ) tp = − A.N 2       

 (1.2)

Trong đó, A đặc trưng cho xác suất bức xạ tự phát gọi là hệ số Einstein.
+) quá trình bức xạ cưỡng bức từ mức 2 xuống mức 1 (hình 1.9 ­ b):
Nếu sóng điện từ chiếu tới môi trường có tần số  υ  với  hυ = E2 − E1 ,quá trình 
này được quy định bởi:

( N 2 ) cb = − B21.N 2                

 (1.3)

Trong đó,  B21  là xác suất dịch chuyển cưỡng bức;

17


                  B21 = σ 21F   với  F là mật độ dòng phôtôn của sóng tới, σ 21  là thiết 
diện của bức xạ cưỡng bức.
+) quá trình hấp thụ 1­2 (hình 1.9­ c).
Nguyên tử   ở  trạng thái 1 có thể  hấp thụ  năng lượng phôtôn có tần số   υ  để 
chuyển lên trạng thái 2. Do đó: 
                                     ( N1 ) ht = − B12 .N1                    

  (1.4)

Trong đó,  B12 = σ 12 F  với  σ 12 là thiết diện hấp thụ.
Theo Einstein,  σ 12 = σ 21 = σ  nghĩa là xác suất bức xạ cưỡng bức và hấp thụ là  

bằng nhau.
Giả sử trong môi trường này theo hướng z có một sóng phẳng đơn sắc tần số 
υ , cường độ ứng với mật độ dong phôtôn F truyền qua. Khi đó, biến thiên mật độ 

dòng phôtôn dF qua một lớp dz của môi trường được xác định như sau:
                        dF = σ F ( N 2 − N1 ) dz      

            (1.5)

ở trạng thái cân bằng nhiệt động, độ tích luỹ mức năng lượng tuân theo định  
luật phân bố Boltzman:
                                  

E −E
− 2 1
N2
= e kT                       
N1

   

        (1.6)

trong đó, k là hằng số Boltzman, T là nhiệt độ tuyệt đối.
Như  vậy,  ở  cân bằng nhiệt động dễ  thấy rằng  N 2 < N1   và môi trường hấp 
thụ ánh sáng tần số  υ . Do vậy, để có môi trường khuếch đại thì ta phải tạo được 
trạng thái không cân bằng nhiệt động, tức là  N 2 > N1 . Khi đó, người ta nói rằng đã 
tạo được nghịch đảo độ tích luỹ. Đây cũng chính là điều kiện phát ra tia laser.
Tuy nhiên, ngoài việc thoả mãn điều kiện nghịch đảo độ tích luỹ, sự  phát ra  
tia laser chỉ xảy ra khi thực hiện được điều hiện ngưỡng đảm bảo sự khuếch đại 

của môi trường bù trừ được những mất mát trong buồng cộng hưởng.

18


Từ biểu thức (1.5) :  dF = σ F ( N 2 − N1 ) dz      
Suy ra:                      R1.R2 .e 2σ ( N

2 − N1

)l

=1

Lấy tích phân ta được: 
              

Fra
= eσ ( N 2 − N1 ) l      ( l  là độ dài hoạt chất) 
Fvao

(1.7)       

Nếu mất mát trong buồng cộng hưởng chỉ do hai gương phản xạ gây nên thì  
ngưỡng phát được xác định bởi điều kiện sau:
                                  R1.R2 .e 2σ ( N

2 − N1

)l

= 1                        

     

           (1.8)

Với  R1 và R2 là hệ số phản xạ của hai gương.
điều kiện này chỉ ra rằng, ngưỡng phát chỉ  đạt được khi nghịch đảo độ  tích 
luỹ (N2­N1) tiến đến một giá trị tới hạn nào đó. Khi đó, các phôtôn bức xạ tự phát 
đi dọc buồng cộng hưởng sẽ dẫn đến bức xạ cưỡng bức và bức xạ này khuyếch  
đại thành tia laser.
*** Các phương pháp tạo ra sự nghịch đảo mật độ tích luỹ
­ Sử dụng bơm quang học
Sử  dụng một nguồn ánh sáng mạnh thích hợp chiếu vào một môi trường 
chọn lọc, lúc đó hạt ở môi trường thấp được bơm lên các mức năng lượng cao.
Phương pháp này đặc biệt thuận lợi với các máy phát laser rắn và lỏng.
­  Phương pháp bơm điện
Sử  dụng sự phóng điện đủ  mạnh qua một môi trường chọn lọc để  bơm các 
hạt từ mức năng lượng thấp lên mức năng lượng cao.
Phương pháp này thuận lợi cho máy phát loại khí và bán dẫn.
4.3.2. Nguyên lý hoạt động của laser (các sơ đồ bơm)

19


Để  tạo ra nghịch đảo độ  tích lũy ta phải kích thích môi trường hoạt chất 
bằng một cách nào đó. Có nhiều có khác nhau để  kích thích các mức năng lượng  
hoạt động laser, người ta gọi chung là bơm.
Nếu chỉ sử dụng 2 mức năng lượng của môi trường hoạt chất thì không thể 

tạo ra nghịch đảo độ  tích luỹ. ở trạng thái cân bằng nhiệt động, mức 1 được tích  
luỹ  nhiều hơn mức 2 nên sự  hấp thụ  chiếm  ưu thế  hơn bức xạ  cưỡng bức. Có  
thể tích luỹ mức 2 bằng cách chiếu vào hoạt chất ánh sáng tần số   có  hυ = E2 − E1  
với cường độ  đủ  lớn. Tuy nhiên, khi mật độ tích luỹ 2 mức bằng nhau (N 2 = N1), 
tức là qúa trình hấp thụ và bức xạ  cưỡng bức bù trừ  lẫn nhau, thì môi trường sẽ 
trở nên trong suốt. Ta chỉ đạt được sự bão hoà mà không có sự nghịch đảo độ tích  
luỹ. Như vậy, phải sử dụng nhiều hơn hai mức. 
Thông thường, người ta sử  dụng 3 hoặc 4 mức năng lượng và gọi là các sơ 
đồ bơm 3 hoặc 4 mức (Hình 1.10).
Trong laser hoạt động theo sơ  đồ  3 mức bằng cách nào đó các nguyên tử 
được chuyển từ mức 1 lên mức 3. Môi trường được chọn sao cho nguyên tử  của  
nó sau khi được kích thích lên mức 3 sẽ dịch chuyển nhanh về mức 2. Như vậy, có 
thể tạo được nghịch đảo độ tích luỹ giữa mức 2 và 1.
Trong laser hoạt động theo sơ đồ  4 mức các nguyên tử  được đưa từ  mức cơ 
bản 1 lên mức 4. Nếu sau đó nguyên tử dịch chuyển nhanh về mức 3 thì giữa mức 
3 và mức 2 có thể  có nghịch đảo độ  tích luỹ. để  laser hoạt động liên tục theo sơ 
đồ 4 mức thì các hạt sau khi về mức 2 phải đ
ược dịch chuyển rất nhanh về mức 
Mức kích thích
1.

Năng 
lượng 
bơm

Bức xạ tự phát
Mức siêu bền
Bức xạ cưỡng 
bức
Mứ(Laser)

c cơ bản

Sơ đồ 3 mức năng lượng
Mức kích thích

Năng 
lượng 
bơm

Bức xạ tự phát
Mức siêu bền
Bức xạ cưỡng 
bức
(Laser)
Mức cơ bản
Dịch chuyển nhanh

Sơ đồ 4 mức năng lượng

20

Hình 1.10: Sơ đồ nguyên lý hoạt động laser 3 mức và 4 mức năng lượng


Trong thực tế, các hoạt chất laser có thể làm việc với nhiều hơn 4 mức năng 
lượng nhưng người ta thường sử dụng một trong hai sơ đồ bơm trên.

21

CHƯƠNG II. ỨNG DỤNG CỦA LASER VÀ CÁC LƯU Ý KHI SỬ 
DỤNG LASER
1. Ứng dụng của Laser
Tia laser được cho là một trong những phát minh vĩ đại nhất thế kỷ XX. Tia  
laser được sử  dụng rộng rãi và có nhiều thành công trong hầu hết các lĩnh vực 
khoa học, y tế, công nghệ, đời sống … Sau đây là một số   ứng dụng cụ  thể  của  
laser :
1.1.Trong khoa học
­ Nhờ cường độ lớn, tia laser trở thành nguồn sáng mạnh tạo nên các plasma  
trên các chất khác nhau, làm bốc hơi vật liệu,…
­ Với laser công suất lớn có thể  tạo ra nhiệt độ hàng triệu độ, có thể  nghiên 
cứu được phản ứng nhiệt hạch có điều kiển trong phòng thí nghiệm.
­ Laser có cường độ điện trường rất lớn (1010 V/m), do đó xuất hiện một lĩnh 
vực mới là quang học phi tuyến (tạo ra các hoà ba bậc 2, bậc 3 …), trong đó người  
ta nghiên cứu các tính chất quang học của vật liệu phụ thuộc vào cường độ  điện  
trường và cường độ bức xạ.
              

Hình 2.1  Laser dùng để nghiên cứu trong quang học phi tuyến

22


(hoà ba bậc hai, bậc 3: SHG, THG)
Gần đây, nhờ sự phát triển của công nghệ laser bán dẫn, công suất phát của 
laser bán dẫn có thể  đạt tới hàng chục oát (W) với phổ  phát xạ  tập trung trong  
một khoảng phổ  hẹp (2     3 nm) có thể  phù hợp với phổ  hấp thụ  của tinh thể 
laser. Do vậy, ngay lập tức phương pháp bơm quang học bằng laser bán dẫn để 
bơm cho laser rắn đã được phát triển mạnh mẽ. Phương pháp này làm cho hiệu 
suất chuyển đổi năng lượng được nâng lên đáng kể đồng thời cấu hình laser cũng 

trở  nên gọn hơn. Với các cấu hình bơm khác nhau, hiệu suất chuyển đổi năng 
lượng khi bơm bằng laser bán dẫn có thể  đạt từ  10%     80%. Chính những  ưu 
điểm của phương pháp bơm bằng laser bán dẫn mà hiện nay xu hướng sử  dụng  
nguồn laser bán dẫn để làm nguồn bơm cho các laser rắn đang được phát triển rất  
mạnh. 

23


Thấu kính
Các laser 
diode
P = 45 mW

(1) (2) (3) (4) (5)

LlaserN d:YV4Ora4 

Khe ra

1. Laser diode
2. Thấu kính bơm
3. Gương cuối 
laser

1. ThÊukÝnhb¬m 4. Tinh t ÓNd:YVO4
2. G­¬ngcuèilaser 5. G­¬ng laser a
3. Laser dio e

4. Tinh thể 

Nd:YVO4
5. Gương laser ra.

Laser ra

(a) 

(b)

Hình 2.2:   (a) Laser diode bơm cho laser rắn Nê­ô­dym (Nd:YVO4).
       (b) Hai laser diode bơm cho laser rắn Crôm (Cr:LiSAF).

1.2.Trong y ­ sinh học
­ Nghiên cứu các quá trình tương tác của laser với tế bào.
­ Dùng tia laser để chữa bệnh như: cận thị,..; dùng làm máy châm cứu,..; giúp  
các bác sĩ phát hiện ra bệnh ung thư và một số bệnh hô hấp.

 

   

  

Hình 3.3.  Chữa các tật khúc xạ của mắt bằng laser
1.3.Trong kỹ thuật­công nghiệp

24


­ Nhờ có tích chất định hướng cao, cường độ mạnh, tia laser được dùng như 

các công cụ tinh xảo để khoan, cắt, gọt, hàn (hình 3.4),... các vật liệu như kim loại  
hoặc trên các vật liệu cứng như kim cương vớí độ chính xác rất cao.

                      
                              a)

  

 

                                                   b)

                 
                    

 c)                                                         

 
    d)

Hình 2.4.  Laser dùng để:  a) cắt;   b) khoan;   c) khắc;    d) hàn
­ LASER bán dẫn được sử dụng trong việc đọc đĩa Compact.
+ Trong đĩa Compact thông tin được mã hóa dưới dạng mã nhị  phân, ghi lên 
một đĩa với các tín hiệu là các hốc và rãnh.
+  Người ta dùng một LASER bán dẫn loại (AlGa)As có bước sóng 0.83 µm 
chiếu lên các hốc và  rãnh này, khi đĩa quay tia phản xạ trên mặt các hốc của đĩa  
này được truyền qua một hệ quang học và thu qua một photodiode.
+ Đĩa Compact với ưu điểm lưu được một lượng thông tin chất lượng tuyệt  
hảo, sử dụng bền, ngoài ra có thể  tìm thông tin ở bất kỳ ở một vị trí nào trên đĩa 
một cách dễ dàng. Vì vậy ngày nay đĩa Compact được sử dụng rộng rãi.

25