intTypePromotion=3

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

0
184
lượt xem
74
download

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

Mô tả tài liệu
  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:
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

  1. 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
  2. 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
  3. 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
  4. 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
  5. 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
  6. 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
  7. 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
  8. 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
  9. 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
  10. 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
  11. 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
  12. 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
  13. 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
  14. 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
  15. 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
  16.   (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
  17. 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
  18.                   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
  19. 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
  20. 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

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

Đồng bộ tài khoản