Đề tài " Laser và triển vọng"

Chia sẻ: Nguyễn Thị Phương Phương | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:34

Thêm vào BST

Báo xấu

153
lượt xem 52
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề tài nghiên cứu đến những kiến thức cơ bản của laser ở các phương diện: Lịch sử ra đời của laser, Nguyên tắc cấu tạo, Các tính chất và Phân loại laser; tìm hiểu những ứng dụng cơ bản và quan trọng của laser trong Y học, Công nghiệp và Khoa học, đặc biệt mở ra những triển vọng phát triển của laser trong tương lai.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Đề tài " Laser và triển vọng"

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