Bài giảng Vật lý đại cương 2: Chương 8 - Laser và ứng dụng của laser

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:18

Thêm vào BST

Báo xấu

2
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng "Vật lý đại cương 2" Chương 8 - Laser và ứng dụng của laser, được biên soạn với mục tiêu giúp các bạn học có thể trình bày được nguyên tắc tạo laser; Nêu đc các tính chất cơ bản của chùm tia laser; Nêu được một số ứng dụng của tia laser trong y-dược;... Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Vật lý đại cương 2: Chương 8 - Laser và ứng dụng của laser

Chương 8. LASER VÀ ỨNG DỤNG CỦA LASER Mục tiêu học tập: - Trình bày được ng.tắc tạo laser. - Nêu đc các t/c cơ bản của chùm tia laser. - Nêu được một số ứ.dụng của tia laser trong y- dược Laser là viết tắt của Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation dịch là Khuếch đại ánh sáng bằng bức xạ cảm ứng.
§ 8.1. NGUYÊN TẮC TẠO LASER 1. Bức xạ tự phát - Khi hệ v.chất tồn tại ở t.thái c.bằng n.động, k0 chịu t.động của k.thích từ bên ngoài, hệ ở mức n.lượng thấp nhất, gọi là mức NL cơ bản. - Khi hệ v.chất chịu t.động của k.thích từ bên ngoài (b.xạ trường đ.từ, AS, t0,…) hệ chuyển lên các mức n.lượng cao hơn, gọi là các mức k.thích. - Theo A. Einstein có 3 loại d/chuyển giữa các mức n.lượng tương ứng với 3 q.trình: + Hấp thụ. + Bức xạ tự phát. + Bức xạ cưỡng bức (cảm ứng). hmn= Em – En
2. Bức xạ cảm ứng Khi k.thích hệ v.chất thì một số ng.tử chuyển từ n.lượng thấp lên cao, sau một khoảng t.gian rất ngắn một số chuyển xuống mức thấp hơn một cách tự nhiên (B.xạ tự phát ), một số khác bị va chạm với photon k.thích quay về t.thái có n.lượng thấp hơn đ.thời phát ra một photon có cùng tần số với photon k.thích (b.xạ cưỡng bức). Là b.xạ t.ứng với d.chuyển nhờ t.động của trường điện từ bên ngoài. B.xạ cưỡng bức có tần số đúng bằng tần số kích thích. B.xạ tự phát B.xạ c.ứng Nếu k.đại chùm b.xạ cưỡng bức (b.xạ cảm ứng) thì ta sẽ thu đc chùm b.xạ có c.độ mạnh, độ đơn sắc cao và độ định hướng cao  đó là ng.lý tạo ra laser.
Ở đk thường Ni > Nk m.trường này h.thụ chiếm ưu thế. Nếu Nk > Ni, thì m.trường này p.xạ c.bức chiếm ưu thế, m.trường có khả năng k.đại AS thì mật độ ng.tử ở mức n.lượng cao phải nhiều hơn mật độ ng.tử ở mức n.lượng thấp, ta nói có sự đảo lộn mật độ trên các mức (nghịch đảo độ tích lũy). * Các PP tạo đảo lộn mật độ trên các mức - PP bơm q.học: dùng AS để k.thích các ng.tử của m.trường - PP va chạm giữa đ.tử và ng.tử để k.thích ng.tử lên mức cần thiết - PP va chạm ng.tử kích thích và ng.tử trung hòa - PP phân rã p.tử, khi p.tử bị p.rã các ng.tử sẽ bị k.thích. *PP bơm q.học  Hệ ng.tử làm việc với 2 mức n.lượng - Khi k0 có t/động bên ngoài thì N1>N2. - Khi k.thích bằng q.học, các ng.tử và chuyển mức n.lượng lên cao, N1 giảm dần còn N2 tăng dần. -Tuy nhiên, khi N2= N1 thì hệ k0 thể tạo đc sự đảo lộn mật độ trên các mức.
 Hệ ng.tử làm việc với 3 mức n.lượng Dùng bơm q.học để k.thích các ng.tử chuyển từ mức 1 lên mức 3. T.thái 3 có t.gian sống ngắn nên ng.tử nhanh chóng chuyển sang mức 2 là mức siêu bền. Do t.gian sống ở mức siêu bền tương đối lâu nên tạo được ng.đảo mật độ giữa hai mức 2 và 1.  Hệ ng.tử làm việc với 4 mức n.lượng Dùng bơm q.học k.thích các ng.tử từ mức 1 lên mức 4. T.thái 4 có t.gian sống ngắn nên ng.tử  mức 3 là mức siêu bền. Do t.gian sống ở mức 3 siêu bền tương đối lâu nên tạo được nghịch đảo mật độ giữa hai mức 3 và 2. Do mức 2 gần với mức 1và có liên kết quang với mức 4 nên ng.tử không có d.chuyển từ mức 4 xuống 2 mà chuyển ngay xuống 1.
§ 8.2. MÁY PHÁT LASER Một máy phát laser thường bao gồm 3 bộ chính: - Hoạt tính (Lasing or "gain" medium). - Buồng cộng hưởng (resonator). - Nguồn bơm (pump source) như hình vẽ.
1. Hoạt tính là m.trường vật chất (rắn, lỏng, khí,…) có k.năng k.đại AS đi qua nó. + Hoạt chất là c.khí gồm có các khí đơn nguyên tử (Ar, Xe, Ne, …); khí đa ng.tử (CO2, N2, CO, …) và hỗn hợp khí (He-Ne, CO-N2-He,…). + Hoạt chất là c.rắn bao gồm dạng tinh thể hay thủy tinh được pha trộn thêm các ion ng.tố hiếm như Sm+3, Nd+3, Cr+3, … Loại laser rắn điển hình là laser Ruby có hoạt chất là tinh thể Al2O3 trộn thêm Cr+3 hay laser YAG có hoạt chất là Y3Al5O12 trộn thêm ion Nd+3. + Hoạt chất là chất bán dẫn như GaAs, PbS, PbTe…. Về cơ bản, những hoạt chất này phải là những chất phát quang. + Hoạt chất là c.lỏng có thể là Chelaste như Peperidin Eu (BA)4 hòa tan trg dung môi rượu ethanol+methol và có thêm ít ion ng.tố hiếm Eu+3, Nd3…; hoạt chất có thể là các chất màu hữu cơ như Rhodamine B (RhB); Rhodamine 6G (Rh6G), …
2. Buồng cộng hưởng - BCH có vai trò là làm cho bức xạ do hoạt chất phát ra có thể đi lại nhiều lần qua hoạt chất để đc k.đại lên. - T/phần chủ yếu là hai gương p.xạ. Hệ số p.xạ 1 gương rất cao 99,99% và 1 gương thấp hơn để tia laser có thể thoát ra ngoài. Một trong các gương có thể được thay bằng lăng kính hoặc cách tử tùy theo yêu cầu. Hai gương p.xạ có thể xa hoạt chất hoặc gắn chặt với hoạt chất. 3. Nguồn bơm Nguồn bơm là bộ phận cung cấp n.lượng để tạo sự đảo lộn mật độ trong 2 mức nào đó của hoạt chất và duy trì sự h.động của laser.
Các PP p.loại Tiêu chí p.loại laser có thể căn cứ vào: • T.thái của m.trường hoạt tính: rắn, lỏng, khí, bán dẫn, plasma, … • Vùng phổ của b.sóng laser: vùng nhìn thấy , tử ngoại, hồng ngoại, … • PP bơm (kích thích): quang học, chùm điện tử, ... • Các đ.trưng của bức xạ laser: liên tục, xung, … • Số mức n.lượng tham gia vào q.trình phát laser: 3 mức, 4 mức, ... Laser Laser rắn thường h.động với một tần số hay một vài tần số. rắn Môi trường hoạt tính là chất rắn. Ví dụ: Laser Ruby Laser lỏng h.động với một tần số hay nhiều tần số phụ thuộc vào dung môi Laser và nguồn bơm. lỏng Môi trường hoạt tính là chất lỏng, các dung dịch thuốc nhuộm màu. Laser khí có vùng bước sóng phát từ vùng tử ngoại đến hồng ngoại. Laser Môi trường hoạt tính là chất khí. khí Ví dụ: Laser He-Ne Laser bán dẫn được cấu trúc từ các lớp tiếp xúc p-n. Laser Bức xạ của nó có thể biến thiên và điều khiển một cách liên tục được. bán dân Ví dụ: Laser GaAs
§ 8.3. TÍNH CHẤT CỦA CHÙM TIA LASER 1. Tính đơn sắc B.xạ có phổ p.xạ nằm trong 1 dải bước sóng rộng. B.xạ laser do buồng cộng hưởng chỉ k.đại 1 b.sóng n.định nên phổ laser có tính đơn sắc cao. Người ta đã tạo được laser có mức c.lệch b.sóng có thể tới 0,1 Ao. Phổ p.xạ của laser: a) khí Helium – Neon, b) laser Excimer Xe2, KrCl và XeCl.
2. Tính định hướng cao Vì cấu trúc của buồng cộng hưởng nên tính định hướng cao. Góc phân kỳ của chùm tia laser rất nhỏ thường cỡ mrad. Ng.cứu các đối tượng vật chất có k/thước rất nhỏ hoặc ở k.cách rất xa. 3. Tính kết hợp Laser là nguồn b.xạ có tính chất kết hợp không gian và thời gian cao nên có ứ.dụng to lớn trong đo đạc, chụp ảnh toàn ký (holography)… 4. Có thể làm hội tụ với độ tụ cao Chùm tia laser có thể hội tụ tại một diện tích rất nhỏ, cỡ 2. Cường độ của chùm tia laser rất lớn, có thể lên tới 1016 W/cm2.
1. Trong thông tin liên lạc Sử dụng tia laser để truyền tin tức có các ưu điểm sau: - Các thiết bị viễn thông laser có kích thước nhỏ gọn, nhẹ và tiêu thụ ít n.lượng hơn so với các hệ thống vô tuyến hiện nay . - So với sóng vô tuyến, dải sóng truyền tin của laser lớn gấp vạn lần nên truyền được nhiều kênh thông tin hơn. - Tia laser mang n.lượng lớn nên có thể đi xa hơn các sóng vô tuyến. Các laser hiện nay có thể truyền đc khoảng cách tới 100 000km. - Sử dụng các b.sóng thích hợp có thể truyền tin ở các m.trường khí tượng khác nhau.
§ 8.4. MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA LASER 1.Trong y –dược học  Trong chuẩn đoán: Có nhiều thiết bị chuẩn đoán dùng laser như : - Máy Dopler laser thăm dò, đo dòng máu trong cơ thể. - Máy chụp cắt lớp laser. - Các máy dò tìm, đo đạc, dẫn đường trong chuẩn đoán.  Trong phẫu thuật: Sử dụng các laser nhiệt như một dao mổ để phẫu thuật: dao mổ bằng laser CO2. Chùm tia laser CO2 k0 nhìn thấy  phải gắn thêm laser He – Ne công suất 1-2 mw phát tia màu đỏ dẫn đường. Những ư.đ’ của dao mổ laser: - Độ vô khuẩn cao vì laser tạo t0 cao tại đường rạch và không có sự tiếp xúc giữa dụng cụ và cơ thể. - Laser CO2 có khả năng vừa rạch đường mổ vừa cầm máu. - Phẫu thuật những bộ phận ở sâu trong cơ thể mà không làm tổn thương xâm lấn. - Thời gian mổ ngắn. - Chăm sóc hậu phẫu thuận lợi.
 Trong điều trị: Khi chiếu laser tổ chức cơ thể ở 1 t0 n.định, laser sẽ làm đông protein của tổ chức đó. Hiệu ứng này được á.dụng để can thiệp điều trị ít xâm lấn các tổn thương của cơ thể kể cả can thiệp sâu vào bên trong cơ thể. ỨD của laser trong đ.trị như: - Da liễu: tẩy xóa các đốm sắc tố như nốt ruồi, tàn nhang,… - Nhãn khoa: hàn gắn các tổn thương võng mạc, đ.trị các tổn thương giác mạc, phẫu thuật đ.trị các bệnh lý khác của mắt, … - Hệ thống tiêu hóa: tán sỏi ống mật chủ, hàn gắn các tổn thương mạch máu nội tạng như các t.hợp ung thư, viêm loét đg tiêu hóa, ... - Sản phụ khoa: điều trị các tổn thương bệnh lý cổ tử cung. … - Thần kinh: điều trị các tổn thương dạng u, ... Dùng laser để đ.trị thì yếu tố q.định h.quả p.thuộc vào: - Liều chiếu, - Công suất; - Độ hội tụ (mật độ công suất ); - Thời gian chiếu; - Số lần chiếu; - K/cách giữa các lần chiếu.
* Trong dược học - Dùng laser khoan miệng lỗ có k/thước nhỏ có độ chính xác cao trên màng bao của viên nén giải phóng kéo dài theo cơ chế bơm thẩm thấu. - Dùng laser khoan trên viên nén để trang trí cho sản phẩn đặc trưng.
3. Trong nghiên cứu vũ trụ Sử dụng tia laser trg ng.cứu vũ trụ theo các hướng áp dụng như: - Đo những k/cách cực lớn trong ngành thiên văn. - X/định vị trí của các vật thể trong vũ trụ. - Theo dõi, điều khiển và liên lạc với các tàu vũ trụ. 4. Công nghệ vũ khí - Chùm tia laser n.lượng cao khi chiếu vào vật thể kim loại, sẽ làm cho kim loại nóng chảy, bốc hơi, thậm chí biến thành ion. gọi là “hiệu ứng lan chảy nhiệt”  vũ khí laser. - Chùm tia laser gây tác dụng lan chảy càng lớn hơn đối với cơ thể sống, thậm chí gây tử vong tia chết chóc. - Chùm tia laser còn có thể gây mù mắt hoặc tạm thời k0 nhìn thấy gì. Vì khi bị chùm laser chiếu vào mắt,  lên võng mạc  mù mắt.
5. Trong công nghệ lưu trữ thông tin  LASER bán dẫn đc sử dụng trong việc đọc đĩa Compact - Đĩa Compact t.tin đc mã hóa dưới dạng mã nhị phân, ghi lên đĩa là các hốc và rãnh. - Đĩa Compact: lưu lượng t.tin c.lượng lớn, bền và tìm t.tin ở bất kỳ vị trí nào trên đĩa.  Máy đọc mã vạch bằng laser Máy quét mã vạch dùng tia sáng laser, rất nhạy, chính xác, có thể quét trên bề mặt cong và quét tầm xa. * Máy in, photocopy dùng laser Tạo ra tia laser có c.độ p.xạ t.đổi theo cấp độ xám của từng điểm ảnh (pixel). - Bắn tia laser trải đều trên suốt chiều dài của trống (theo từng dòng ảnh) - Như vậy, c.độ của tia laser là liên tục t.đổi (lúc yếu/lúc mạnh) p.thuộc vào đ.áp từng điểm ảnh.