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

Chia sẻ: Le Thi Phuong Hien | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:48

Thêm vào BST

Báo xấu

328
lượt xem 77
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

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 với mục đích 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.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: 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 4 1. Lý do chọn đề tài: 4 2 Mục đích nghiên cứu 4 3. Đối tượng nghiên cứu 4 4. Giả thuyết nghiên cứu 4 5. Giới hạn ngiên cứu 4 6. Phương pháp nghiên cứu 7. Nội dung nghiên cứu 4 8. Những điểm mới của đề tài 5 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ LASER 5 1. Sơ lược lịch sử phát triển của laser 6 6 2. Laser là gì? 7 3. Tính chất của laser 8 3.1. Tính chất vật lí 8 3.2. Tính chất sinh học 9 4. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động chung của laser 10 4.1 Cấu tạo 10 4.2. Phân loại laser. 13 4.3. Nguyên lý làm việc của máy phát laser 17 CHƯƠNG II. ỨNG DỤNG CỦA LASER VÀ CÁC LƯU Ý KHI SỬ DỤNG LASER 21 1. Ứng dụng của Laser 21 1.1.Trong khoa học 21 2
1.2.Trong y sinh học 21 23 1.3.Trong kỹ thuậtcông nghiệp 23 1.4.Trong quân sự 26 2. Sự nguy hiểm của tia laser 28 2.1. Sự nguy hiểm của laser đối với mắt 30 2.2. Sự nguy hiểm của laser đối với da 36 3. Thực trạng về an toàn khi sử dụng laser 37 III. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 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 Bơm ? Va chạm không đàn hồi giữa nguyờn tử nguyờn tử hoặc phõn tử phõn tử ? Phản ứng húa học 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. c L n n (1.1) 2 2 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 đỏ của ánh sáng tr Đèn Flash Gươắ ng. ng Thanh bán mạ 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) Hình 1.7. Các ch (b) 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). Các tiếp xúc kim loại Nguồn điện Bức xạ laser SiO2 Vùng Vùng hoạt chất tiếp Mặt gương xúc Tiếp xúc kim loại 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 N2 − 2 1 = e kT (1.6) N1 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) (1.7) Fvao 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 được dịch chuyển rất nhanh về mức Mức kích thích Bức xạ tự phát 1. Năng lượng Mức siêu bền bơm Bức xạ cưỡng bức Mứ(Laser) c cơ bản Sơ đồ 3 mức năng lượng Mức kích thích Bức xạ tự phát Năng Mức siêu bền lượng Bức xạ cưỡng bơm 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