Lazer- nguyên lý và ứng dụng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI
TIỂU LUÂN
LAZER- NGUYÊN LÝ VÀ ỨNG DỤNG
Họ và tên: Lương Thị Hà
Khoa: Vật lí
Lớp : Ak59
MSSV : 595103019
Hà Nội 2011
I.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.
II. Khái niệm về lazer

Laser là tên của những chữ cái đầu của thuật ngữ bằng tiếng Anh “Light Amplification by
Stimulated Emission of Radiation ’’ (Sự khuếch đại ánh sáng bằng bức xạ kích hoạt).
Laser là nguồn ánh sáng nhân tạo thu được nhờ sự khuếch đại ánh sáng bằng bức xạ phát
ra khi kích hoạt cao độ các phần tử của một môi trường vật chất tương ứng. Laser là ánh
sáng có nhiều tính chất đặc biệt hơn hẳn ánh sáng tự nhiên hay nhân tạo khác và có những
công dụng rất hữu ích có thể áp dụng trong rất nhiều lĩnh vực khoa học kỹ thuật và đời
sống, tạo nên cả một cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật sau khi nó ra đời.
Sự ra đời cùa Laser bắt nguồn từ Thuyết Lượng tử do nhà bác học A. Einstein phát minh ra
năm 1916. Đến năm 1954, các nhà bác học Anh, Mỹ đã đồng thời sáng chế ra máy phát tia
laser ứng dụng vào thực tế. Các thử nghiệm laser trên người bắt đầu từ những năm 1960.
Từ năm1964, đã bắt đầu ứng dụng laser trong các trị liệu về Da (chuyên khoa da liễu).
1. Nguyên lý phát sinh LASER:
Theo những khái niệm cơ bản của vật lý lượng tử, khi ta chiếu một chùm ánh sáng vào một
môi trường vật chất (thuật ngữ vật lý học gọi là hệ vật lý tượng tử) thì chùm ánh sáng sẽ
yếu dần đi do bị hấp thu bởi môi trường vật chất. Bản chất quá trình bị hấp thu ấy là các
hạt ánh sáng (photon) đã truyền năng lượng kích hoạt các phân tử vật chất “nhảy” từ trạng
thái ổn định A lên một trạng thái B với mức năng lượng cao hơn. Vì B là một trạng thái
không ổn định, nên sau một thời gian nhất định, các phân tử đang ở mức B lại “nhảy” về
mức A và trong lúc “nhảy về” đó nó cũng phát ra một photon mang năng lượng bằng năng
lượng nó đã hấp thu, theo kiểu “vay gì trả nấy”. Đó là hiện tượng bức xạ. Tuy nhiên các
hạt photon bức xạ này không nhiều, vì nó tỉ lệ với số phân tử có ở mức B, mà số phân tử ở
trang thái B bao giờ cũng ít hơn số phân tử ở trạng thái ổn định A. Các photon bức xạ này
phát ra theo mọi hướng một cách tự do nên còn gọi nó là bức xạ tự do.

Khi ta làm cho các photon tương tác bởi các phân tử ở mức cao B, bắt nó trở về A sớm hơn
và phát sinh ra photon, các photon có đồng mức năng lượng và đúng bằng mức năng lượng
các photon của nguồn chiếu đã truyền cho nó thì đó là bức xạ kích hoạt.

Khi tạo ra bức xạ kích hoạt ở mức độ cao cho các photon bức xạ phát ra liên tục ở mức cao
nhất, rồi được chọn lọc và khuyếch đại để chúng phát về cùng một hướng với những tính

chất giống nhau ta sẽ thu được chùm sáng laser. Như vậy nguyên lý của máy phát laser
chính là làm sao cho nguồn sáng chiếu vào môi trường hoạt chất laser không bị yếu đi để
có thể kích hoạt liên tục các phần tử vật chất cho số phân tử ở mức B luôn nhiều hơn ở
mức A, như vậy số photon bức xạ sẽ được phát sinh nhiều đến mức tối đa. Khi đó, bằng
các thiết bị đặc biệt, nguồn sáng bức xạ này sẽ được chọn lọc và khuyếnh đại để phát ra
một chùm ánh sáng đơn sắc, gồm những tia sáng có cùng hướng, có bước sóng gần tương
đương và có độ tập trung cao. Đó chính là laser.
2. Cấu tạo máy phát laser, bao gồm các bộ phận chính:
- Hoạt chất laser: Là môi trường chứa các hoạt chất có khả năng phát ra bức xạ laser khi
được kích hoạt bằng một nguồn năng lượng.
- Nguồn nuôi: Là nguồn năng lượng để duy trì hoạt động của môi trường hoạt chất laser,
giữ cho hoạt chất luôn luôn ở trạng thái có số phần tử ởø mức B nhiều hơn ở mức A.
- Buồng cộng hưởng: Bao gồm 1 gương phản xạ toàn phần và 1 gương bán mờ
(độ phản xạ từ 70% đến 99%)
Buồng cộng hưởng cho phép nguồn sáng kích thích chất nhiều lần và chùm tia sáng bức xạ
sẽ được khuyếch đại và chọn lọc qua gương phản xạ toàn phần và gương mờ cho đến khi
ổn định để phát ra chùm sáng 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
III. 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.
IV. Phân loại laser:

Tùy theo loại hoạt chất laser ta sẽ thu được các tia laser với tên gọi khác nhau:
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.
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.
LASER chất lỏng
Môi trường hoạt chất là chất lỏng, thông dụng nhất là laser màu.
V. Các tính chất của tia Laser :

- Độ đơn sắc cao
Laser là chùm ánh sáng mà các tia sáng của nó có mức chênh lệch bước sóng nhỏ nhất, so
với các chùm sáng đơn sắc khác. Sự chênh lệch bước sóng này còn gọi là phổ ánh sáng của
chùm ánh sáng.
Và dĩ nhiên là phổ càng hẹp thì độ đơn sắc của chùm sáng càng cao. Trước khi có laser các
nhà vật lý đã tạo được các chùm ánh sáng đơn sắc có chênh lệch bước sóng từ 1Ao đến
10nm, nhưng để sử dụng trong nghiên cứu khoa học. Trong khi đó mức chênh lệch bước
sóng của chùm ánh sáng laser có thể tới 0,1 Ao.
Tính chất này rất quan trọng vì hiệu quả tác dụng của laser khi tương tác với vật chất, với
các tổ chức sinh học phụ thuộc vào độ đơn sắc này.
- Độ định hướng cao
Khác với các nguồn sáng khác, các tia sáng Laser được chọn lọc chỉ phát ra những tia
vuông góc với gương, nên hầu như song song với nhau (hay nói theo ngôn ngữ vật lý là
góc mở giữa các tia là rất nhỏ). Nhờ vậy, laser có độ định hướng lý tưởng, có thể chiếu đi
rất xa, đến mức người ta có thể dùng laser để đo những khoảng cách trong vũ trụ.

- Mật độ phổ (độ chói) rất cao
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 nguồi sáng khác.
Ví dụ: laser có công suất thấp là laser He-Ne 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.
- Công suất của laser
Tùy loại laser mà có nguồi sáng công suất khác nhau. Có những loại laser công suất mạnh
tương đương công suất 1 vạn nhà máy điện 1 triệu KW. Nhựng nguồn laser công suất
mạnh có thể sử dụng trong công nghiệp nạêng như khoan cắt vật liệu, hay chế tạo các loại
vũ khí, khí tài quân sự.
Các loại laser sử dụng trong y học là những laser có công suất thấp như laser He – Ne công
suất chỉ khoảng từ 2MW đến 10MW.

5. Những công dụng của laser:

Ngày nay, người ta đã chế tạo ra được gần 500 loại laser khác nhau, ứng dụng trong rất
nhiều lĩnh vực:
- Đo đạc những khoảng cách cực lớn, như trong nghành thiên văn (đo khoảng cach từ trái
đất đến các hành tinh và khoảng cách giữa các hành tinh trong vũ trụ).
- Thiết lập dẫn đường như các loại bom, tên lửa được dẫn đường bằng laser.
- Thông tin liên lạc
- Công nghiệp nặng: hàn cắt kim loại
- Công nghiệp chế tạo vũ khí.
- Cải tạo giống
- Trong y học (chuẩn đoán và điều trị bệnh, săn sóc thẩm mỹ)
VI : Các ứng dụng của tia lazer
1. Ứng dụng của laser trong nghiên cứu khoa học:
a. Nghiên cứu về Quang học phi tuyến:

Như chúng ta đã biết trong quang học cổ điển các nguồn sáng phát sóng là những
nguồn không kết hợp và có cường độ nhỏ. Khi tương tác của ánh sáng với các môi trường
vật chất, độ phân cực của môi trường chỉ là hàm tuyến tính của cường độ điện trường của
sóng tới.
P =
E
χ
ở đây, P là độ phân cực của môi trường.
χ
là độ cảm điện của môi trường.
E là cường độ điện trường
Khi cường độ sóng lớn như cỡ bức xạ laser thì ta có thể biểu diễn lại độ phân cực như sau:
P =
...

3
3
2
21
EEE
χχχ
++
Khi E càng lớn thì số hạng bậc cao của E càng trở nên có tác dụng lớn và chúng dẫn đến
những hiệu ứng mới trước đây không quan sát được, đó là các hiệu ứng quang phi tuyến.
Ngày nay người ta đã nghiên cứu kĩ lưỡng cả trên phương diện lí thuyết lẫn thực nghiệm
về các hiệu ứng quang phi tuyến, mở ra một ngành khoa học mới là ngành Quang học phi
tuyến với nhiều hướng nghiên cứu khác nhau và ứng dụng khác nhau ở lĩnh vực này.
b. Holography:
Holography là tên thường gọi của chụp ảnh khối. Nguyên lí của holography được đề
xuất năm 1948 nhưng do nguồn sáng để chụp không đủ mạnh nên không thu được kết quả.
Chỉ từ khi có laser, người ta đã sử dụng nguồn sáng này để thu được ảnh khối của vật và
nghiên cứu về holography được phát triển rất nhanh và trở thành một ngành khoa học riêng
trong vật lí và quang học kĩ thuật.
+ Holography là một phương pháp ghi hình như phương pháp chụp ảnh nhờ máy ảnh. Tuy
nhiên nó có những ưu điểm nổi bật hơn phương pháp chụp ảnh thông thường.
- Phương pháp này chụp ảnh không cần thấu kính.
- Nó cho hình ảnh khối của vật, nghĩa là cho hình ảnh 3 chiều.
- Holography ghi lại các sóng tán xạ từ vật bao gồm cả biên độ và pha của sóng và ở
bất cứ điểm nào của Holography cũng có các tín hiệu từ toàn vật chụp . Do vậy,
nếu như ta bẻ gãy Holography tanh nhiều phần thì mỗi mảnh nhỏ đó cũng vẫn có
đủ những thông tin của sóng tán xạ từ vật và cho ta hình ảnh cả vật khi phục hồi.
Đây là một đặc tính quan trọng của Holography để có thể có được nhiều bản sao
chép của vật , dễ bảo quản và nhân lên.
- Do holography có hình khối nên nó có thể ghi lại tín hiệu từ các vật khác nhau trên
các vùng khác nhau, nghĩa là có thể cùng một lúc giữ lại nhiều thông tin.

+ Với những ưu điểm như vừa nêu trên thì hiện tại người ta đang và sẽ mở ra nhiều
ứng dụng thú vị và quan trọng như sau:
- Nếu người ta ghi lại một lượng thông tin lớn ở một yếu tố thể tích của holography
thì nó có thể trở thành bộ nhớ tốt nhất cho máy tính. Vì nó được ghi lại và phục hồi
bằng ánh sáng nên dẫn tới việc xây dựng các máy tính điện tử quang học. Đối với
loại máy tính này thì tốc độ xử lý thông tin nhanh gấp nhiều lần máy tính hiện có
do trong máy tính quang học tốc độ lan truyền tín hiệu là vận tốc ánh sáng trong
môi trường.
- Khi sử dụng các loại ánh sáng khác nhau để ghi lại Holoraphy thì khi phục hồi
bằng ánh sáng trắng ta có thể thấy được hình ảnh màu của vật. Đay chính là nguyên
tắc chụp ảnh màu và video màu. Và trong tương lai thì kỹ thuật chụp ảnh, truyền
hình nổi và màu rất có triển vọng.
- Vì holography cho ta hình ảnh khối vật nên người ta có thể sả dụng mẫu để kiểm
tra sản phẩm như lốp ô tô khi so sánh với một lốp chuẩn xem có sai hỏng gì
không….
- Nhờ phương pháp này người ta dễ dàng ghi lại hình ảnh khối của các sinh vật nhỏ
khi chúng đang chuyển động hoặc ngay cả tên lửa, máy bay khi chúng đang chuyển
động để có thể nghiên cứu sự thay đổi theo thời gian của các vât trên theo những
mục đích nghiên cứu khác nhau.
c. Nghiên cứu plasma nóng và các phản ứng nhiệt hạch:

Do tia laser có tính chất là công suất cao, ở chế độ phát xung có thể đạt được công suất
cỡ 10
12
– 10
15
W nên khi bắn tia laser vào vật chất có thể tạo ra được plasma ở nhiệt độ cao.
Và ở nhiệt độ cao này sẽ có các phản ứng nhiệt hạch, từ đây mở ra khả năng nghiên cứu
phản ứng nhiệt hạch có điều khiển được trong phòng thí nghiệm.
d. Nghiên cứu sinh hóa hiện đại:

Trong các phản ứng hóa học khi có dự tham gia của nhiều đồng vị hóa học thường gặp
khó khăn khi ta muốn loại trừ ảnh hưởng của đồng vị nào đó trong liên kết. Tuy nhiên, do
các đồng vị có năng lượng liên kết hóa học sai khác nhau ít nên chỉ có nhờ tia laser có độ
đơn sắc cao mới dễ dàng phá hủy liên kết nào đó khi có sự tương tác cộng hưởng. Năng
lượng bức xạ laser hf sẽ phá hủy chỉ liên kết nào tương ứng với năng lượng này mà không
ảnh hưởng đến các loại dao động với tần số f
1
, f
2
, f
3
,…khác rất ít f. Người ta nói rằng đay
chính là sự phá hủy hay kích thích chọn lọc phản ứng hóa học. Chính điều này mở ra khả
năng nghiên cứu các sản phẩm trung gian của hóa học, nghiên cứu quá trình diễn biến theo
thời gian của phản ứng, đây là điều mà khoa học đã mơ ước từ bấy lâu nay. Cũng chính
nhờ có laser mà các nhà khoa học còn có thể nghiên cứu được phản ứng ở trạng thái kích
thích.
2. Ứng dụng của laser trong khoa học kĩ thuật:
Có thể nói đây là lĩnh vực rộng rãi của sự áp dụng laser và đang có nhiều kết quả lí thú.
a. Trong thông tin liên lạc:
Vì laser có tính chất là độ đơn sắc cao và tính kết hợp cao nên laser được sử dụng rộng
rãi và nhanh nhất trong ngành thông tin liên lạc.
Sử dụng tia laser có những ưu điểm sau:
So với sóng vô tuyến dải sóng truyền tin của tia laser lớn gấp bội ví dụ với sóng vô tuyến
tần số sử dụng là 10
4
– 3.10
11
Hz nên dải sóng truyền tăng lên đến 5.10
4

lần. Do đó, các bức
xạ laser nằm trong khoảng 0,4 – 0,8
m
µ
và với mỗi kênh truyền tin là 6,5 MHz thì sử dụng
laser ta có thể có gần 80.10
5
kênh truyền cùng một lúc và gấp 10
5
lần kênh truyền khi sử
dụng sóng cực ngắn.
Ngoài ra, do tia laser có tính chất là mang năng lượng lớn nên nó có thể đi xa hơn các sóng
vô tuyến. Do nếu sử dụng tia laser thì giảm được hang tỷ lần năng lượng cần dung. Vì vậy,
tia laser được sử dụng trong truyền tin trong vũ trụ.