Xem mẫu
- Hà Nam Thanh - Laser và tri n v ng 1
M Đ U
1. Lí do ch n đ tài
Th k XXI là th k c a nh ng công ngh cao, công ngh kĩ thu t
s , chúng ta không nh ng quan tâm t i kh năng đáp ng nhu c u
công vi c c a các máy mà còn đánh giá cao s g n nh c a chúng.
Mu n v y ph i có nh ng công ngh r t tiên ti n m i đáp ng đư c.
Các nhà khoa h c đã công b hai phát ki n quan tr ng có t m nh
hư ng r t l n đ n n n công ngh ngày nay:
Th nh t, s ra đ i c a Transitor đã kích thích s phát tri n c a
vi đi n t , công ngh “vi mô”.
Th hai, quan tr ng hơn là s phát minh ra laser, m ra m t con
đư ng m i cho các nhà phát minh, sáng ch . Laser có t m nh hư ng
sâu r ng đ n t t c các lĩnh v c c a đ i s ng.
Laser, có th r t g n gũi v i t t c m i ngư i. H u h t chúng ta
đ u nghe nh c đ n c m t này m t vài l n. Ngày nay laser hi n di n
nhi u nơi, nhưng nh ng thông tin đ i chúng v nó thì v n còn r t
h n ch . Laser phát tri n m nh vào nh ng năm 80 c a th k XX, th i
đi m này nư c ta v a v c d y sau cu c chi n tranh nên đi u ki n ti p
c n v i thành qu khoa h c hi n đ i này v n còn r t h n ch , m t
khác giá thành c a nó cũng không h nh . Nhưng laser phát tri n r t
nhanh, nó đã xâm nh p r t nhi u vào cu c s ng, v y nên chăng hãy
tìm hi u kĩ hơn v nó: laser là gì? laser xu t hi n như th nào? nh ng
ch ng đư ng phát tri n c a nó? nh ng tính ch t gì c a nó đã đư c
ng d ng vào trong đ i s ng? Ch c h n đó là nh ng câu h i đã có
t r t lâu, và m i ngư i trong chúng ta, nh ng ngư i đang t ng ngày
ch ng ki n s bùng n c a công ngh , kĩ thu t, ph i ít nh t t h i
mình như v y. V i mong mu n tr l i nh ng câu h i đó, tôi đã ch n
đ tài: “Laser và tri n v ng” đ tìm hi u và nghiên c u trong ti u
lu n này.
- Hà Nam Thanh - Laser và tri n v ng 2
2. N i dung nghiên c u
Đ tài nghiên c u đ n nh ng ki n th c cơ b n c a laser các
phương di n: L ch s ra đ i c a laser, Nguyên t c c u t o, Các tính
ch t và Phân lo i laser; tìm hi u nh ng ng d ng cơ b n và quan
tr ng c a laser trong Y h c, Công nghi p và Khoa h c, đ c bi t m
ra nh ng tri n v ng phát tri n c a laser trong tương lai.
3. Phương pháp nghiên c u
• T ng h p và phân tích tài li u.
• So sánh và khái quát hóa.
4. Gi i h n đ tài
Đ tài ch t p trung nghiên c u nh ng v n đ cơ b n c a laser
và nh ng ng d ng cơ b n và quan tr ng c a laser, không đi sâu vào
ki n th c chuyên ngành.
- Hà Nam Thanh - Laser và tri n v ng 3
N I DUNG
1 L ch s ra đ i và s phát tri n c a laser
Laser là t vi t t t c a c m t : Light Amplification by Stimulated
Emisson of Radiation, nghĩa là khuy ch đ i ánh sáng b ng b c x cư ng
b c. Ngư i ta nh l i r ng vào năm 1916, sau khi đư c b u vào Vi n Hàn
lâm Khoa h c Đ c, Enstein b ng tư duy tr u tư ng cao, đã nêu thuy t:
“N u chi u nh ng nguyên t b ng m t làn sóng đi n t , s có th x y ra
m t b c x “đư c kích ho t” và tr thành m t chùm tia hoàn toàn đơn s c,
đó t t c nh ng photon (quang t ) phát ra s có cùng m t bư c sóng”. Đó
là m t ý tư ng khoa h c. Nhưng chưa đư c ai ch ng minh nên nó nhanh
chóng lãng quên trong nhi u năm.
Mãi đ n năm 1951, Giáo sư Charles Townes thu c trư ng đ i h c
Columbia c a thành ph New York (M ) m i chú ý đ n s khuy ch đ i
c a sóng c c ng n (vi sóng). Ông th c hi n m t thí nghi m mang tên Maser
(maze) là khuy ch đ i vi sóng b ng b c x c m ng (ch Maser cũng là
t vi t t t c a c m t Microwave Amplification by Stimulated Emisson of
radiation). Ông đã thành công, tuy ph i chi phí khá t n kém đ nghiên c u
trong phòng thí nghi m. Cũng vào th i gian này, m t phương tr i khác,
hai nhà khoa h c Xô Vi t là Nikolay Gennadiyevich Basov và Aleksandr
Mikhailovich Prokhorov cũng phát minh ra máy khuy ch đ i vi sóng và
g n như cùng m t d ng nguyên lý: t o ra h th ng phóng tia liên t c b ng
cách dùng nhi u hơn 2 m c năng lư ng, h th ng đó có th phóng ra tia
liên t c mà không cho các h t xu ng m c năng lư ng bình thư ng, vì th
v n gi t n su t.
C ba nhà khoa h c nói trên đ u đư c gi i Nobel v t lý năm 1964
v n n t ng cho lĩnh v c đi n t lư ng t , d n đ n vi c t o ra máy dao
đ ng và phóng đ i d a trên thuy t laser-maser. “Đ t t i vi c khuy ch đ i
các sóng c c ng n r i mà sao không d n thêm vào các sóng phát sáng?”,
đó là câu nói th t lên t C. Townes. B i sau thành công này ông đư c c p
trên giao cho tr ng trách m i. Th c ra nhà khoa h c Anthus Schawlow
- Hà Nam Thanh - Laser và tri n v ng 4
(em r c a Townes) đã t n nhi u công suy nghĩ đ bi n Maser thành laser,
nhưng m i trong ph m vi lý thuy t, và tháng 8/1958 ông công b ph n
lý thuy t đó trên t p chí “Physical Review” r i cũng d ng l i, đ cho
Theodora Maiman phát tri n thêm lên (Theodora Maiman là nhà khoa
h c c a phòng thí nghi m Hughes t i Malibu, bang California). D a vào
lý thuy t và n n t ng th c nghi m c a Townes và Schawlow đã công b ,
Townes và Schawlow dành thêm hai năm đ đi sâu nghiên c u, m r ng
thêm và tr thành ngư i đ u tiên tìm ra laser.
Hình 1: Máy t o Maser đ u tiên trong l ch s
Ngày 12/05/1960 là m t ngày đáng nh , T. Maiman đã chính th c
t o ra laser t th r n h ng ng c. Tia sáng do ông tìm ra là lu ng ánh sáng
r t t p trung và có đ h i t l n, hoàn toàn th ng, rõ nét, thu n khi t,
màu đ l ng l y và b dài bư c sóng đo đư c là 0,694 micromet. Như v y
là gi thi t mà Einstein nêu ra 54 năm trư c đó đã đư c ch ng minh.
Nhi u năm ti p theo, các nhà khoa h c kh p nơi đã n i dài con đư ng
phát tri n c a laser ra thành nhi u lo i, và b ng nhi u cách: đưa vào thanh
ho t ch t th khí (ví d như cacbonic CO2 ho c He, Ne, Ar...) ta có tia
laser t th khí, đưa vào đó arseniure (t gallium) thì có tia laser t bán
d n, đưa vào đó các ch t dung d ch nhu m màu h u cơ thì cho ta laser
l ng, s d ng oxy-iot v n năng ta có laser hóa h c, r i laser r n vv... Đi u
kì di u này là tùy theo ho t ch t mà t o ra nhi u màu s c khác nhau làm
cho tia laser tr nên lung linh huy n o.
- Hà Nam Thanh - Laser và tri n v ng 5
2 Nguyên lý c u t o laser
Nguyên lý c u t o chung c a m t máy laser g m có: bu ng c ng hư ng
ch a ho t ch t laser, ngu n nuôi và h th ng d n quang. Trong đó bu ng
c ng hư ng v i ho t ch t laser là b ph n ch y u.
Bu ng c ng hư ng ch a ho t ch t laser, đó là m t ch t đ c bi t có
kh năng khuy ch đ i ánh sáng b ng phát x cư ng b c đ t o ra laser.
Khi 1 photon t i va ch m vào ho t ch t này thì kéo theo đó là 1 photon
khác b t ra bay theo cùng hư ng v i photon t i. M t khác bu ng c ng
hư ng có 2 m t ch n hai đ u, m t m t ph n x toàn ph n các photon
khi bay t i, m t kia cho m t ph n photon qua m t ph n ph n x l i làm
cho các h t photon va ch m liên t c vào ho t ch t laser nhi u l n t o m t
đ photon l n. Vì th cư ng đ chùm laser đư c khuy ch đ i lên nhi u l n.
Tính ch t c a laser ph thu c vào ho t ch t đó, do đó ngư i ta căn c vào
ho t ch t đ phân lo i laser.
2.1 Cơ s lý thuy t
Chúng ta c n thêm m t vài khái ni m n a đ hi u rõ nguyên lý c u t o
laser. S lư ng t hóa trong nguyên t làm cho các nguyên t có các m c
năng lư ng gián đo n. S chuy n t m c năng lư ng này sang m c năng
lư ng khác ph i x y ra cùng s phát x ánh sáng.
Theo tiên đ Bohr, n u nguyên t hay phân t n m tr ng thái
năng lư ng cao hơn năng lư ng tr ng thái th p nh t (tr ng thái cơ b n)
thì nó có th t chuy n v các m c năng lư ng th p hơn mà không c n
kích thích t bên ngoài. M t k t qu có th x y ra cùng v i s chuy n m c
năng lư ng là gi i phóng năng lư ng dư th a ( ng v i hi u hai m c năng
lư ng) dư i d ng m t photon. Nguyên t hay phân t kích thích có m t
th i gian phát x đ c trưng, đó là th i gian mà chúng v n gi đư c tr ng
thái năng lư ng kích thích cao hơn trư c khi chúng chuy n xu ng các m c
th p hơn và phát ra photon. T th i gian phát x c a nguyên t Einstein
đã nghĩ ra m t lo i phát x m i: phát x cư ng b c.
tr ng thái kích thích, n u m t nguyên t đư c chi u vào m t
- Hà Nam Thanh - Laser và tri n v ng 6
photon có năng lư ng b ng hi u hai m c năng lư ng mà s chuy n tr ng
thái có th x y ra t phát, thì nguyên t có th b cư ng b c b i photon
đ n và chuy n xu ng m c năng lư ng th p hơn m c trên m t kho ng năng
lư ng đúng b ng năng lư ng photon đ n, đ ng th i phát ra m t photon
cùng bư c sóng v i photon đ n. M t photon riêng l tương tác v i m t
nguyên t kích thích thì có th t o ra hai photon phát x . N u các photon
đư c xem là sóng thì s b c x cư ng b c s dao đ ng v i t n s c a
ánh sáng t i, cùng pha (th a mãn tính ch t k t h p) nên làm khuy ch đ i
cư ng đ c a chùm sáng ban đ u.
Hình 2: Cơ ch phát ra laser
V n đ quan tr ng nh t trong vi c thu đư c phát x laser cư ng b c
là dư i nh ng đi u ki n cân b ng nhi t đ ng l c h c bình thư ng thì s
nguyên t hay phân t m i m c năng lư ng không thu n l i cho vi c
phát x cư ng b c. Do các nguyên t có xu hư ng t chuy n xu ng các
m c năng lư ng th p hơn nên s nguyên t hay phân t m i m c s gi m
khi năng lư ng tăng. Dư i nh ng đi u ki n bình thư ng, v i năng lư ng
ng v i m t quang electron đi n hình là 1eV thì t s gi a các nguyên t
tr ng thái kích thích m c cao v i tr ng thái cơ b n m c th p là vào
kho ng 1017 , h u như t t c các nguyên t hay phân t vào tr ng thái cơ
b n đ i v i s chuy n m c năng lư ng c a ánh sáng kh ki n. M t lý do
khi n b c x cư ng b c khó thu đư c tr nên hi n nhiên khi xem xét các
s ki n có kh năng x y ra quanh s phân h y c a m t electron t m t
- Hà Nam Thanh - Laser và tri n v ng 7
tr ng thái kích thích v i s phát x ánh sáng sau đó và t phát. Ánh sáng
phát x có th kích thích s phát x t các nguyên t b kích thích khác,
nhưng m t s có th g p ph i nguyên t tr ng thái cơ b n và b h p th
ch không gây ra phát x đư c. Do s nguyên t tr ng thái kích thích
ít hơn nhi u s nguyên t tr ng thái cơ b n nên photon phát x có kh
năng h p th nhi u hơn, bù l i s photon cư ng b c cũng không đáng k
so v i phát x t phát ( tr ng thái cân b ng nhi t đ ng l c h c).
Cơ ch làm cho s phát x cư ng b c có th l n át là ph i có s
nguyên t tr ng thái kích thích nhi u hơn s nguyên t tr ng thái
năng lư ng th p hơn, sao cho các photon có kh năng gây kích thích phát
x nhi u hơn là b h p th . Do đi u ki n này là ngh ch đ o tr ng thái cân
b ng nên đư c g i là s ngh ch đ o m t đ cư trú. Mi n là s nguyên t
tr ng thái cao nhi u hơn các m c th p hơn, thì phát x cư ng b c s l n
át và thu đư c dòng thác photon. Photon phát x ban đ u s kích thích
s phát x c a nhi u photon khác, các photon này sau đó l i kích thích
s phát x ra nhi u photon khác n a, c th ti p di n làm cho dòng thác
photon tăng lên. K t qu là ánh sáng phát x đư c khuy ch đ i.
S ngh ch đ o m t đ cư trú có th t o ra qua hai cơ ch cơ b n:
ho c t o ra s dư th a các nguyên t hay phân t tr ng thái năng lư ng
cao, ho c làm gi m m t đ cư trú tr ng thái năng lư ng th p. Nhưng
đ i v i laser ho t đ ng liên t c ph i chú ý v a làm tăng m t đ cư trú
m c cao, v a h th p m t đ cư trú m c th p. N u quá nhi u nguyên t
hay phân t tích t m c th p thì s ngh ch đ o m t đ cư trú s không
còn và laser ng ng ho t đ ng.
Đ t o ra s ngh ch đ o m t đ cư trú thì ph i kích thích có ch n
l c các nguyên t hay phân t lên m t m c năng lư ng đ c bi t. Ánh sáng
và dòng đi n là các cơ ch kích thích đư c ch n cho ph n l n laser. Ánh
sáng và các electron có th cung c p năng lư ng c n thi t đ kích thích
các phân t hay nguyên t lên các m c năng lư ng cao đư c ch n. Sau đó
s chuy n xu ng m c laser trên.
Như đã nói ph n trư c, kho ng th i gian mà m t nguyên t hay
- Hà Nam Thanh - Laser và tri n v ng 8
phân t t n t i m t tr ng thái kích thích quy t đ nh nó b phát x cư ng
b c và tham gia vào dòng thác photon hay m t đi năng lư ng qua phát
x t phát. Các tr ng thái kích thích thư ng có th i gian s ng c nano
giây, trư c khi chúng gi i phóng năng lư ng m t th i gian không đ lâu
đ chúng b kích thích b i các photon khác. Do v y, m c năng lư ng cao
ph i có th i gian s ng lâu hơn (tr ng thái b n). V i th i gian s ng trong
tr ng thái này (kho ng micro đ n mili giây) các nguyên t b kích thích có
th t o ra m t lư ng đáng k phát x cư ng b c.
Hình 3: Bi u di n năng lư ng Laser bơm 3 m c và 4 m c
Ngoài vi c t o ra s ngh ch đ o m t đ cư trú, cũng c n các y u t
khác đ khuy ch đ i và t p trung ánh sáng thành m t chùm. Công vi c
này đư c th c hi n trong m t h p c ng hư ng, nó phát x m t s ánh
sáng tr l i môi trư ng laser, và qua nhi u l n tương tác s hình thành hay
khuy ch đ i cư ng đ ánh sáng.
2.2 Mô hình c u t o
Hình 4: Mô hình c u t o đơn gi n c a m t máy phát laser
- Hà Nam Thanh - Laser và tri n v ng 9
2.3 Nguyên lý ho t đ ng
•: electron m c cơ b n, ◦: electron m c kích thích →: quĩ đ o photon.
Bình thư ng các electron m c cơ b n E1 :
sau đó cung c p năng lư ng (bơm quang h c) đ t o ra tr ng thái ngh ch
đ o m t đ cư trú.
Lúc này các electron đang tr ng thái kích thích, chúng b c x c m
ng phát ra các photon, các photon đ u tiên s kích thích các electron khác
phát x . M t photon va ch m v i electron c a nguyên t t o ra hai photon,
hai photon này l i t o ra b n photon khác và c như th , s photon đư c
nhân lên. Các photon sinh ra chuy n đ ng theo các hư ng khác nhau.
M t lư ng l n chúng thoát ra kh i ng, m t s chuy n đ ng d c theo
tr c ng. Khi đ n đ u ng chúng b hai gương ph n x l i, va ch m v i các
electron c a các nguyên t khác đang tr ng thái kích thích và kh i phát
thêm b c x c m ng. S photon v n tăng lên không ng ng, t t c nh ng
s ki n này di n ra v i t c đ kinh hoàng, trong vài ph n tri u giây.
- Hà Nam Thanh - Laser và tri n v ng 10
Khi photon chuy n đ ng d c theo tr c ng tăng lên đ n m t cư ng đ
nh t đ nh, thì các photon này s đi qua hai gương bán m , và ta th y m t
tia laser ló ra t đó.
3 Tính ch t c a laser
• Đ đ nh hư ng cao: tia laser phát ra h u như là chùm song song do
đó có kh năng chi u xa hàng nghìn km mà không b tán x . Chùm
sáng laser không còn tính song song ch do các hi u ng nhi u x ,
đư c quy t đ nh b i bư c sóng c a ánh sáng và kh u đ l i ra.
• Tính đơn s c r t cao: chùm sáng phát ra ch có m t màu (hay m t
bư c sóng) duy nh t. Đây là tính ch t đ c bi t nh t mà không có
chùm sáng nào có đư c.
• Tính k t h p: đoàn sóng laser có th dài t i hàng trăm km, đi u này
có nghĩa là các vân giao thoa v n có th t o thành khi ch ng ch t hai
chùm sóng riêng bi t có hi u quang trình c kho ng cách nói trên.
• Tính h i t : m t đ năng thông đ i v i chùm laser c 1016 W/cm2
là hoàn toàn có th .
4 Phân lo i laser
Theo môi trư ng khuy ch đ i
- Hà Nam Thanh - Laser và tri n v ng 11
Hình 5: M t s lo i laser
Môi trư ng Công su t Đ dài Bư c sóng Công d ng
khuy ch đ i đ nh xung
Khí
He_N e 10nW Liên t c 633nm Máy quét mã v ch
Argon 210W Liên t c 488nm Tiêu khi n, y h c
CO2 200W Liên t c 10.6µm C t, hàn
CO2 TEA 5MW 20ns 10.6µm X lý nhi t
Bán d n
GaAs 5mW Liên t c 840nm Đĩa laser
AlGaAs 50mW Bi n đi u 760nm In laser
GaInAsP 20mW Bi n đi u 1.3µm Truy n tin s i quang
Ch t r n
H ng ng c 100MW 10ns 694nm nh toàn c nh
Nd:YAG 50W Liên t c 1.06µm gia công bán d n
Nd:YAG(QS) 50MW 20ns 1.06µm áp d ng trong y h c
Nd:YAG(ML) 2KW 60ps 1.06µm nghiên c u xung ng n
Nd:th y tinh 100TW 11ps 1.06µm n u ch y b ng laser
Ch t l ng
Ch t màu 100mW Liên t c thay đ i Quang ph
Rh6G 10KW 10fs 600nm Nghiên c u khoa h c
Hóa h c Hf 50MW 50ns 3µm Làm vũ khí
- Hà Nam Thanh - Laser và tri n v ng 12
5 M ts ng d ng c a laser
5.1 Trong y h c
Nghiên c u quan tr ng c a laser trong y h c cũng khá s m t nh ng năm
1962-1963 c a th k trư c. Lúc đ u laser đư c dùng đ đi u tr b nh bong
võng m c, t đó laser đã đư c s d ng r ng rãi trong y khoa, ng d ng
c a laser trong chu n đoán và đi u tr b nh t đó m ra nhi u tri n v ng
trong ch a b nh và làm đ p cho con ngư i.
Laser đư c ng d ng trong chu n đoán và đi u tr có bư c sóng n m
trong kho ng t 193 nm đ n 10.6µm, thu c vùng t ngo i, kh ki n và
h ng ngo i g n, có th làm vi c ch đ xung hay ch đ liên t c.
Hi u ng quang đông (nhi t): b c x laser có năng lư ng v a đ và
đư c gi i phóng trong th i gian thích h p thì có th làm nhi t đ vùng t
ch c tăng lên 60-1000 C. Khi đó t ch c sinh h c b đông k t và d n đ n
ho i t . Hi u ng đư c ng d ng nhi u trong lĩnh v c nhãn khoa như:
quang đông võng m c, quang đông đi u tr tân h ch h c m c, quang đông
phù đi m vàng...
Hi u ng bay hơi t ch c (nhi t): tương t như hi u ng quang đông,
nhi t đ vùng t ch c tăng lên và khi đ t đ n 3000 C thì các matrix r n
c a t ch c sinh h c nh n đ năng lư ng đ bay hơi. Hi u ng này đư c
ng d ng trong ph u thu t, chùm tia đư c dùng như chi c dao m t o ra
nh ng v t c t nh , không đau, ít ch y máu, vô trùng. Tiêu bi u là laser
CO2 , laser YAG... đư c bi t đ n v i tên g i là “dao m nhi t”.
Hi u ng bóc l p (quang cơ-phi nhi t): chúng ta dùng các xung c c
ng n (ns- nanosecond), công su t đ nh c c cao, bư c sóng vùng t ngo i
g n đ chi u vào t ch c sinh h c. B c x laser vùng t ngo i ch b các
ph n t h u cơ h p th , khi năng lư ng h p th đ l n, m ch h u cơ b
đ t gãy, x y ra các “vi n ”, t đó nư c b đ y ra kh i t ch c, cu i cùng
t ch c sinh h c như b “bóc t ng l p”.
Laser excimer đư c ng d ng trong y h c v i tên g i là “dao c t
l nh” (phi nhi t). Hai trong nhi u ng d ng quan tr ng c a laser excimer
là ph u thu t t o hình tim m ch b ng laser ch c qua da và đi u tr t t
- Hà Nam Thanh - Laser và tri n v ng 13
khúc x c a m t.
Hình 6: Thi t b laser-excimer
B ng cách quét qua lư ng máu d tr trong ngân hàng máu, laser
có th di t r t nhi u lo i virus nguy hi m như virus gây b nh AIDS, s i,
herpes...
Ngoài ra, m t ng d ng đ c bi t c a laser mà ngư i ta cũng đang
chú ý đ n đó là Cai nghi n ma túy b ng tia laser theo phương pháp châm
c u. Thi t b này do Đ i h c Bách khoa TP.H Chí Minh ch t o, đã đư c
th nghi m trên 20 ngư i nghi n ma túy. Sau 5 ngày con nghi n đã đư c
c t cơn, ăn u ng tr l i bình thư ng, không còn s nư c. B nh nhân h i
ph c hoàn toàn sau 10-20 ngày đi u tr b sung.
K t qu ki m tra sau đi u tr cho th y, lư ng morphine trong cơ th
con nghi n gi m rõ r t. Phương pháp này h n ch đư c như c đi m c a
châm c u theo y h c c truy n, đó là vi c gây đau đ n cho b nh nhân khi
dùng kim châm.
Hình 7: Thi t b châm c u b ng laser
Hi n nay phòng thí nghi m công ngh laser c a Đ i h c Bách khoa
- Hà Nam Thanh - Laser và tri n v ng 14
TP.H Chí Minh đã ch t o và chuy n giao lo i máy trên cho m t s trung
tâm cai nghi n như Trung tâm y t L c Ninh (Bình Phư c), B nh vi n Y
h c c truy n Trà Vinh. Phòng thí nghi m s ti p t c nghiên c u k t h p
máy cai nghi n v i h th ng máy tính đ chu n đoán đư c tình tr ng c a
b nh nhân, t đó có hư ng đi u tr phù h p.
5.2 Trong công nghi p
S k t h p các pha cho phép h i t ánh sáng laser thành m t đi m nh
có đư ng kính kho ng b ng bư c sóng (10−4 cm). Như v y laser 1W có th
h i t đ có m t cư ng đ 10−8 W/cm2 . Chính năng lư ng h i t cao như
v y nên dùng laser công su t l n đ khoan, c t, kh c hình nh lên kim lo i
v i t c đ cũng như đ chính xác r t cao.
Hình 8: Dùng laser đ hàn v t li u v i đ chính xác r t cao
Hình 9: Laser cư ng đ m nh dùng đ c t v t li u r t nhanh và chính xác
5.3 Trong khoa h c
• Đo kho ng cách b ng laser
Ánh sáng laser có tính đ nh hư ng nên chùm tia v n gi đư c đ m nh
c a nó trong su t quá trình lan truy n trên nh ng kho ng cách r t
l n. Chùm tia laser có công su t vài Oát cũng có th d dàng vư t
- Hà Nam Thanh - Laser và tri n v ng 15
qua kho ng cách Trái đ t - M t trăng (384 000 km) r i b ph n x
b m t M t trăng quay tr l i Trái đ t. M t chùm tia laser ban đ u
có kích thư c b ng cái bút chì thì khi lên M t trăng nó có kích thư c
b ng m t vòng tròn đư ng kính vài km. S loe r ng này c a chùm
laser ch b ng 0.001% kho ng cách Trái đ t và M t trăng.
Hình 10: ng d ng c a laser trong phép đo kho ng cách
B ng cách đo th i gian đi và v c a chùm tia laser các nhà thiên
văn có th d ng b n đ M t trăng. Trong th p niên 70, các nhà du
hành trong phi đoàn Apollo đã đ l i trên M t trăng các gương ph n
x đ c bi t có kh năng ph n x chùm tia laser. Ánh sáng ph n x
đư c các kính thiên văn trên m t đ t quan sát. B ng cách này các
nhà thiên văn có th xác đ nh quĩ đ o c a M t trăng v i đ chính xác
đ n vài cm, đ i v i kho ng cách Trái đ t - M t trăng thì đ chính xác
đ n m t ph n mư i t . B ng cách th c hi n các phép đo này t các
l c đ a khác nhau các nhà thiên văn có th đo t c đ trôi d t c a các
m ng l c đ a, v n t c này là vài cm m i năm.
• Dùng laser t o ph n ng nhi t h ch
Laser đư c dùng đ làm nóng v t ch t lên nhi t đ r t cao đ t o ra
năng lư ng h t nhân thông qua s t ng h p các proton, như trong
tâm c a các ngôi sao. Các nhà v t lí thư ng s d ng đơtêri và triti,
là các đ ng v c a hydro, d dàng t ng h p hơn hydro.
Các xung laser b n vào các viên tròn đư ng kính kho ng 2mm ch a
vài miligam đơtêri và triti. Kho ng m t ch c chùm tia laser có cư ng
- Hà Nam Thanh - Laser và tri n v ng 16
đ m nh t p trung chi u đ ng th i vào viên này t t t c các hư ng,
làm cho nó co l i và n , đ y áp su t và nhi t đ c a h n h p đơtêri
và triti tăng lên r t cao (trên 100 tri u đ ) đ kh i phát s t ng h p
proton. Ch trong kho ng th i gian vài ph n t giây, công su t đư c h
laser gi i phóng cao hơn t ng công su t c a t t c các nhà máy đi n
c a nư c Mĩ. nhi t đ cao như th h n h p đơtêri-triti va ch m
d d i và làm m t các electron và t o thành m t d ng v t ch t m i,
đó là plasma. V t ch t lúc này s phình ra, t a nhi t r t nhanh và
sau chưa đ y m t ph n t giây các ph n ng s l p t c d ng l i. S
t ng h p h t nhân b ng laser ch có th dùng các xung laser, nên s
không th c t n u mu n dùng nó đ t o ra năng lư ng v i s lư ng
l n, nhưng cũng đã giúp các nhà v t lý t o ra đư c v t ch t nhi t
đ r t cao và tìm cách giam hãm chúng b ng các t trư ng r t m nh,
đ m t ngày nào đó s ch t o ra các lò ph n ng t ng h p nhi t
h ch có kh năng t o ra đ năng lư ng cho m c đích thương m i. Lò
ph n ng nghiên c u mang tên ITER (International Thermonuclear
Experimental Reactor) do Châu Âu, Nh t B n, Mĩ và Nga h p tác
đang đư c xây d ng Cadarache (Pháp), các nhà v t lý s c g ng
th c hi n đư c s giam hãm v t ch t c c nóng trong t trư ng m nh.
Hình 11: Dùng chùm laser tao ph n ng nhi t h ch
• Ch p nh toàn kí ba chi u b ng laser
M t trong nh ng ng d ng quan tr ng nh t c a laser là ch p nh toàn
kí (holographie, ti ng Hy l p holos có nghĩa là “toàn b ” và graphos
- Hà Nam Thanh - Laser và tri n v ng 17
có nghĩa là “vi t”), m t ngành khoa h c cho phép t o ra các nh n i
ba chi u, mà không c n ph i s d ng các th u kính. Ý tư ng này đư c
hình thành vào năm 1947 do nhà v t lý Dennis Gabor (1900-1979), và
nh đó ông đư c gi i Nobel v t lí 1971. Nhưng ý tư ng đó ch đư c
th c hi n khi có s lên ngôi c a laser.
Hình 12: Sơ đ h th ng t o nh toàn kí
Ngư i ta dùng m t chùm tia laser chia hai ph n: ph n th nh t
g i là “chùm v t”, đư c hư ng đ n các v t c n ch p nh, và đư c v t
này ph n chi u đ n phim, ph n th hai g i là “chùm t a” (hay chùm
qui chi u), đư c gương ph n x và đi th ng đ n phim mà không h
g p v t. Hai chùm laser tương tác v i nhau đ t o ra “môtíp giao
thoa”, và môtíp này đư c phim gi l i. Phim s ch a toàn b thông
tin v các pha c a sóng ánh sáng, đóng vai trò như “âm b n” c a nh
ch p thông thư ng.
Hình 13: Hình nh chú chó đư c xây d ng t nh toàn kí
Mu n đ c đư c các môtíp giao thoa và tái d ng l i hình nh n i
- Hà Nam Thanh - Laser và tri n v ng 18
“dương b n” ph i dùng m t chùm laser cùng b n ch t v i chùm laser
đã dùng đ t o môtíp. Khi b c tranh laser đư c chùm laser chi u
sáng, môtíp này tái t o l i c u trúc không gian c a v t, v t hi n ra
ba chi u, lơ l ng trong không trung. nh toàn kí trông r t th t, có
th xoay chúng và phát hi n c nh ng ph n c a v t ch t không th
th y n u nhìn đ i di n như trong trư ng h p nhìn v t th t.
Hình 14: Mô hình tòa nhà t nh toàn kí
nh toàn kí còn có m t tính ch t h t s c kì l : m i ph n c a nh
toàn kí đ u ch a toàn b thông tin c a c b c nh. N u m t ph n
b c tranh giao thoa t o nên âm b n c a nh toàn kí b c t m t, thì
khi chi u sáng ph n còn l i b ng m t chùm laser thích h p, v n s thu
đư c toàn b b c nh, m c dù đ sáng y u hơn và v i các ph i c nh
h n ch hơn. S dĩ có đư c như v y là vì toàn b c nh đư c ghi l i
t t c các đi m c a âm b n nh toàn kí. Nói cách khác, m i đi m c a
nh toàn kí ch a toàn b v t, m t đ c đi m không có nh thư ng.
Đó là tính t ng th c a nh toàn kí.
5.4 Trong quân s
Máy đo kho ng cách b ng laser trong quân s là lo t thi t b quan
tr ng. Có nhi u lo i khác nhau: máy đo c ly hàng không, máy đo c ly
xe tăng, máy đo c ly xách tay... Máy đo c ly hàng không đo chính xác
c ly t máy bay đ n m c tiêu trên trái đ t, nâng cao đ trúng đích khi
ném bom. Nguyên lý ho t đ ng: đo kho ng cách chênh l ch gi a các xung
laser phát ra và xung ph n h i v r i nhân v i t c đ ánh sáng (300 000
- Hà Nam Thanh - Laser và tri n v ng 19
km/s) r i chia 2, đư c k t qu c n đo.
Hình 15: Laser tank- m t c máy đ y uy l c
Rada laser có đ chính xác cao hơn rada thông thư ng, có th hư ng
d n hai tàu vũ tr ghép n i chính xác trên không gian. Máy bay chi n đ u
bay t m siêu th p, n u trang b rada laser có th né chính xác t t c
các chư ng ng i v t, k c đư ng dây đi n ! Tuy nhiên nh ng thi t b laser
đ u ch u nh hư ng c a th i ti t, tr i mù ho c mưa thì kho ng cách đo b
gi m đi nhi u.
Hình 16: Máy bay có g n laser- vũ khí chi n lư c
Bom có l p thi t b d n đư ng b ng laser và có đuôi l p h th ng lái
đi u khi n s t đ ng tìm ki m và đánh trúng m c tiêu.
La bàn laser thay th la bàn ph thông, đ đo phương v máy bay,
dùng trong máy bay ph n l c c l n và máy bay chi n đ u tính năng cao.
Laser còn đư c bi t đ n như m t lo i vũ khí l i h i, tuy chưa ph
bi n. Đư c chia làm hai lo i: Vũ khí laser công su t th p làm lóa m t đ i
- Hà Nam Thanh - Laser và tri n v ng 20
phương, dùng trong tác chi n g n, kho ng cách ch vài km, tr i mưa mù
kho ng cách còn ng n hơn, có th xách tay, l p trên xe tăng, máy bay tr c
thăng. Vũ khí laser năng lư ng cao dùng chùm tia laser c c m nh chi u
đ n m t đi m trên m c tiêu, d ng l i m t th i gian ng n đ v t li u ch y
ra ho c khí hóa. Chùm tia laser m nh có th phá h y đư ng đi n, gây cháy
thùng nguyên li u trong máy bay, gây n đ n đ o. L p đ t trên m t đ t,
trên tàu, trên máy bay, v tinh có t c đ nhanh, chính xác cao, không c n
thu c m i, không sinh l c đ y ra phía sau, không t o ô nhi m nên nó là
lo i vũ khí “s ch”. Vũ khí laser l p đ t trên v tinh có th b n h tên l a
đ n đ o và v tinh đ i phương.
Hình 17: Súng laser- m t vũ khí l i h i
Theo d tính, đ phá h y tên l a đ n đ o cách xa 1000 km c n năng
lư ng laser 20000KW và kính ph n x đư ng kính 10m v i th i gian chi u
x 1 giây. Đ u nh ng năm 90, Mĩ có th ch t o ra tia laser năng lư ng
5000KW. Tuy v n còn m t kho ng cách khá xa nhưng trong tương lai, vũ
khí laser s tr thành công c chi n tranh l i h i và là cu c đua công ngh
c a các cư ng qu c trên th gi i.
5.5 Trong đ i s ng
Laser đư c ng d ng r t nhi u trong đ i s ng, mà thân quen và h u
d ng nh t là đ ghi và đ c đĩa CD và DVD... Các đĩa CD (Compact) và
DVD (Digital Versatile Disc, đĩa s hóa đa d ng) là m t h quang h c lưu
tr thông tin. Ngư i ta dùng chùm laser đ ghi thông tin lên m t màng
m ng r t nh y c m v i ánh sáng chi u vào đĩa, thông tin đư c mã hóa b i
nguon tai.lieu . vn
