Luận văn Laser và ứng dụng (Bộ môn vật lý trường đại học hồng đức)

Luận văn Laser và ứng dụng Lời đầu tiên, cho tôi gửi lời cảm ơn đến tất cả các thầy, cô giáo trong tổ bộ môn Vật lý trường Đại học Hồng Đức đã giúp tôi có những kiến thức cần thiết để hoàn thành khóa luận của mình. Lời tiếp theo,cho tôi gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến thầy Trịnh Xuân Long – người đã tận tình chỉ bảo, giúp đỡ tôi hoàn thành khoá luận này. Đồng thời, cho tôi gửi lời cảm ơn tới tất cả các anh (chị) khóa trước, các thầy cô giáo đã và đang giảng dạy ở các trường phổ thông và các bạn sinh viên lớp K10 ĐHSP Lý – Hóa Trường Đại học Hồng Đức đã có những ý kiến đóng góp giúp tôi hoàn thiện khóa luận của mình. Cuối cùng em xin gửi lời chúc đến tất cả các thầy giáo, cô giáo và các bạn có sức khỏe, công tác tốt. PHẦN MỘT: MỞ ĐẦU 1. LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI Thế kỷ XXI là thế kỷ của khoa học và công nghệ. Sự phát triển của khoa học công nghệ như vũ bão đã tạo ra một khối lượng lớn của cải vật chất, làm cho đời sống con người ngày càng được nâng cao. Tạo nên sự phát triển mạnh mẽ đó là sự đóng góp của tất cả các lĩnh vực, các ngành khoa học, trong đó vật lý học đóng một vai trò không nhỏ. Vật lý học là cơ sở của nhiều ngành kỹ thuật quan trọng, sự phát triển của khoa học vật lý gắn bó chặt chẽ và có tác động qua lại trực tiếp với sự tiến bộ của khoa học và kỹ thuật. Những phát minh, những thí nghiệm trong vật lý học đã được ứng dụng rộng rãi trong đời sống. Trong đó phải kể đến sự ra đời, phát triển và ứng dụng to lớn của công nghệ laser. Laser, 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 kỹ thuật cũng như các ứng dụng khác nhau của nhiều nền kinh tế. Có thể nói laser có tầm ảnh hưởng sâu rộng đến tất cả các lĩnh vực của đời sống: y học, quân sự, giải trí, khoa học, khí tượng, đo lường….laser gần gũi với tất cả mọi người, hầu hết chúng ta đều nghe nhắc đến cụm từ này ít nhất một vài lần. Đặc biệt các em nhỏ không thể quên được bộ phim “Chiến tranh giữa các vì sao” một bộ phim khoa học viễn tưởng, những chiếc máy ánh sáng thần kỳ gợi lên bao niềm mơ ước cho trẻ em, các nhà khoa học cũng như các kỹ sư. Ngày nay laser hiện diện ở nhiều nơi nhưng khách quan mà nói chúng ta hiểu biết về chúng rất hạn chế. Vật lý học được coi là một khoa học thực nghiệm, có nhiều ứng dụng trong đời sống, sản xuất và khoa học. Đặc biệt trong thời kì hiện nay, khi khoa học kỹ thuật phát triển rất mạnh thì bộ môn vật lý và các kiến thức vật lý lại càng quan trọng đối với nhiều ngành kỹ thuật và là cơ sở để giải quyết nhiều vấn đề trong đời sống xã hội. Do đó việc nâng cao kiến thức vật lý là một vấn đề quan trọng mang nhiều ý nghĩa. Là một giáo viên vật lý tương lai làm công tác giáo dục thì việc hiểu biết về laser và những ứng dụng của nó không chỉ trau dồi vốn hiểu biết cho bản thân mà còn phục vụ trực tiếp cho công tác giảng dạy. Báo cáo chính trị của Đại hội Đảng toàn quốc khóa VII đã nêu rõ “Giáo dục là quốc sách hàng đầu nhằm nâng cao dân trí, đào tạo nhân lực và bồi dưỡng nhân tài”. Vấn đề nguồn lực con người, có phẩm chất đạo đức có sức khỏe và năng lực trí tuệ, biết vận dụng xử lý linh hoạt và thích ứng với sự phát triển nhanh của khoa học kỹ thuật, kinh tế xã hội là yếu tố then chốt quyết định cho sự thành công của sự nghiệp công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước. Như vậy, một người giáo viên thực hiện việc truyền thụ kiến thức cho học sinh, đó không chỉ là những kiến thức vật lý phổ thông cơ bản mà cả những ứng dụng quan trọng nhất của vật lý trong đời sống và trong sản xuất. Việc tìm hiểu và cung cấp cho học sinh những ứng dụng gắn liền với cuộc sống hằng ngày và hướng dẫn học sinh tự thiết kế dụng cụ thí nghiệm để quan sát các hiện tượng vật lý sẽ làm cho bài giảng thêm phong phú, sinh động hơn, tạo được hứng thú trong học tập cho học sinh góp phần tăng hiệu quả dạy học. Với tất cả những lý do trên tôi chọn đề tài “ Laser và ứng dụng” làm đề tài nghiên cứu. 2. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU Tìm hiểu nguyên tắc phát quang của laser. Tìm hiểu một số ứng dụng quan trọng của tia laser. Tìm hiểu một số biện pháp an toàn khi sử dụng tia laser. Thiết kế dụng cụ đo bước sóng tia laser. 3. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU Tia laser, các ứng dụng của nó và thí nghiệm đo bước sóng tia laser. 4. PHẠM VI NGHIÊN CỨU Nghiên cứu về tia laser trong phạm vi cơ sở lý thuyết, ứng dụng cơ bản của tia laser. 5. KHÁCH THỂ NGHIÊN CỨU Tài liệu và nguồn thông tin về laser 6. NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU Nghiên cứu các vấn đề liên quan đến sự phát quang. Nghiên cứu lịch sử quá trình phát minh ra laser. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết hình thành tia laser. Nghiên cứu ứng dụng phổ biến của tia laser. Thiết kế dụng cụ đo bước sóng tia laser. 7. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Nghiên cứu tài liệu về laser, các tài liệu về phương pháp thiết kế và sử dụng thí nghiệm. Tham khảo ý kiến thầy cô và tìm kiếm thông tin trên mạng internet. 8. BỐ CỤC CỦA ĐỀ TÀI Bao gồm các nội dung sau đây: PHẦN MỘT: MỞ ĐẦU 1. LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI 2. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI 3. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU 4. PHẠM VI NGHIÊN CỨU 5. KHÁCH THỂ NGHIÊN CỨU 6. NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU 7. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU PHẦN HAI: NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ LUẬN 1. Sự phát quang 2. Các dạng phát quang 3. Các định luật phát quang CHƯƠNG 2: LASER 1. Laser là gì? 2. Nguyên tắc phát quang của laser . Cơ sở lý thuyết 2.1.1. Sự lượng tử hóa 2.1.2. Tiên đề Borh 2.1.3. Phát xạ cảm ứng 2.1.4. Sự đảo mật độ 2.1.5. Dùng buồng cộng hưởng 2.2. Nguyên tắc hoạt động 2.3. Các tính chất của chùm tia laser 2.4. Cấu tạo của một máy phát laser 2.4.1. Hoạt chất 2.4.2. Buồng cộng hưởng 2.4.3. Bộ phận kích thích hay bơm 3. Phân loại laser 3.1. Laser rắn 3.2. Laser khí 3.3. Laser lỏng CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG CỦA LASER 1. Ảnh toàn ký (Holography) 2. Nghiên cứu plasma nóng và các phản ứng nhiệt hạch 3. Nghiên cứu hóa sinh hiện đại 4. Trong công nghệ gia công kim loại 5. Trong đo lường tiêu chuẩn 6. Trong y học 7. Trong khí tượng 8. Trong khoa học kỹ thuật 9. Đo khoảng cách bằng tia laser 10. Trong đời sống CHƯƠNG 4: AN TOÀN KHI SỬ DỤNG LASER 1. Phân loại độ an toàn của tia laser 2. Các nguyên tắc khi sử dụng laser CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ THÍ NGHIỆM ĐO BƯỚC SÓNG TIA LASER 1. Cơ sở lý thuyết 2. Thiết kế thí nghiệm PHẦN BA: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT TÀI LIỆU THAM KHẢO PHẦN HAI: NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ LUẬN 1. Sự phát quang Sự phát quang là một dạng phát ánh sáng rất phổ biến trong tự nhiên. Có một số chất (ở thể rắn, lỏng hoặc khí) khi hấp thụ năng lượng dưới một dạng năng lượng nào đó, thì có khả năng phát ra các bức xạ điện từ trong miền ánh sáng nhìn thấy. Các hiện tượng đó gọi là sự phát quang. Sự phát quang của đom đóm, sự phát sáng của phôtpho bị oxi hóa trong không khí, sự phát sáng của một số chất hơi và chất rắn khi được chiếu sáng bằng tia tử ngoại … là những ví dụ điển hình về sự phát quang. Không phải mọi sự phát sáng đều là sự phát quang. Chẳng hạn sự phản xạ, tán xạ ánh sáng và bức xạ nhiệt cũng là sự phát sáng nhưng không phải là sự phát quang. Để phân biệt hiện tương phát quang với các hiện tượng phát sáng khác ta cần chú ý đến các đặc điểm sau đây của nó: Ở cùng miền nhiệt độ và đối với cùng một miền quang phổ thì bức xạ phát quang có cường độ lớn hơn nhiều so với cường độ của bức xạ nhiệt. Chẳng hạn, kết quả thực nghiệm cho thấy ở nhiệt độ phòng rất nhiều chất phát quang phát sáng nhìn thấy hoặc tử ngoại; trong khi quang phổ của bức xạ nhiệt ở nhiệt độ này thực tế nhiều khi không chứa các bức xạ đó. Điều này khẳng định sự phát quang không phải là bức xạ nhiệt. Sau khi ngừng kích thích, sự phát quang của một chất còn tiếp tục kéo dài thêm một khoảng thời gian nào đó rồi mới ngừng hẳn. Khoảng thời gian từ lúc ngừng kích thích đến lúc ngừng phát quang gọi là thời gian phát quang. Tùy theo chất phát quang mà thời gian phát quang có thể kéo dài từ 1010s đến vài ngày. Đặc điểm này cho phép phân biệt sự phát quang với sự phản xạ và tán xạ ánh sáng vì sự phản xạ và tán xạ sẽ ngừng tức thời khi ngừng chiếu sáng. Bức xạ phát quang là bức xạ riêng của vật: mỗi chất phát quang có một quang phổ đặc trưng cho nó. Nói cách khác quang phổ phát quang phụ thuộc vào cấu tạo nguyên tử, phân tử của chất phát quang. Điều này cũng cho phép phân biệt sự phát quang với bức xạ nhiệt. Từ các đặc điểm trên Vavilov đã đưa ra định nghĩa về sự phát quang như sau: Sự phát quang của một chất là sự phát ra những bức xạ dư ngoài bức xạ nhiệt do chất đó phát ra và có thời gian phát quang lớn hơn nhiều so với chu kì dao động sáng (1014÷ 1015s). 2. Các dạng phát quang 2.1. Phân loại theo thời gian phát quang Tùy theo thời gian phát quang, người ta chia sự phát quang thành hai dạng sau: a. Sự huỳnh quang: là sự phát quang có thời gian phát quang ngắn (dưới 106s) b. Sự lân quang là sự phát quang có thời gian phát quang dài (106s trở lên) 2.2. Phân loại theo phương pháp kích thích phát quang Ngoài ra người ta cũng phân loại sự phát quang theo phương pháp kích thích phát quang như sau: a. Khi các chất phát quang được kích thích bằng bức xạ quang học (tia X; tia tử ngoại; ánh sáng nhìn thấy…) thì sự phát quang được gọi là quang phát quang. Thí dụ: Chiếu ánh sáng tử ngoại vào kẽm sunfua (ZnS) nó sẽ phát ánh sáng màu lục. b. Nếu chất phát quang được kích thích bằng cách đặt nó trong điện trường thì sự phát quang được gọi là điện phát quang. c. Nếu chất phát quang được kích thích bằng cách bắn vào nó một chùm electron, thì sự phát quang gọi là âm cực phát quang. d. Nếu chất phát quang được kích thích bằng năng lượng lấy từ các phản ứng hóa học thì sự phát quang được gọi là hóa phát quang. Sự phát quang của cây mục, sự phát quang của photpho bị oxi hóa trong không khí, sự phát quang của đom đóm và một số vi sinh vật trong nước biển chính là dạng phát quang này. e. Sự phát quang do kích thích bằng sản phẩm của sự phân rã phóng xạ như hạt α, hạt β, tia bằng chùm hạt notron hay proton được gọi là phóng xạ phát quang. 3. Các định luật phát quang Hiện tượng phát quang của các phân tử phức tạp đã được Stokes nghiên cứu (1852) và nêu ra định luật sau: Bước sóng của ánh sáng phát quang bao giờ cũng lớn hơn bước sóng của ánh sáng mà chất phát quang hấp thụ. Thí dụ: Khi chiếu ánh sáng tử ngoại vào cadimi sunfua (CdS) thì nó sẽ phát sáng màu da cam. Thực nghiệm chứng tỏ, định luật Stokes không phải luôn luôn được thỏa mãn. Trong hiện tượng phát quang người ta đã quan sát được cả những bức xạ có bước sóng ngắn hơn bước sóng của ánh sáng kích thích. Lômmen đã đưa ra một số định luật tổng quát như sau: Toàn bộ phổ phát quang và cực đại của nó bao giờ cũng dịch chuyển về phía sóng dài so với toàn bộ phổ hấp thụ và cực đại của nó. Định luật này được gọi là định luật Stokes – Lômmen. Phần phổ phát quang gồm những bức xạ có bước sóng nhỏ hơn bước sóng của ánh sáng kích thích gọi là phần đối Stocker, còn phần có bước sóng lớn hơn bước sóng của ánh sáng kích thích gọi là phần Stockes. Thực nghiệm cho thấy ở nhiệt độ thấp cường độ của bức xạ đối Stockes rất nhỏ so với cường độ của bức xạ Stockes. Khi tăng nhiệt độ, cường độ phần bức xạ đối Stockes tăng lên nhưng vẫn nhỏ hơn phần Stockes. Định luật Stockes – Lômmen có thể giải thích dễ dàng nhờ thuyết photon. Giả sử một phân tử của chất phát quang ở trạng thái cơ bản hấp thụ một photon và phát xạ một photon phát quang Trong quá trình này một phần năng lượng A của photon hấp thụ bị hao phí và biến thành nhiệt năng. Theo định luật bảo toàn năng lượng ta có: Giá trị của A luôn dương, do đó nghĩa là hay Trường hợp này định luật Stockes được thỏa mãn Trong trường hợp phân tử hấp thụ ánh sáng đang ở trong một tráng thái kích thích nào đó thì nó sẽ chuyển lên một trạng thái kích thích có năng lượng cao hơn, và từ đó chuyển về trạng thái cơ bản phát ra một photon phát quang có năng lượng lớn hơn năng lượng của photon hấp thụ. Trong trường hợp này nên hay Nghĩa là xảy ra bức xạ đối Stockes. Khi nhiệt độ thấp hầu hết các phân tử đều ở trạng thái cơ bản, do đó cường độ của bức xạ đối Stockes rất nhỏ. Khi nhiệt độ tăng lên số phân tử ở trạng thái kích thích tăng lên nhưng vẫn nhỏ hơn số phân tử phân tử ở trạng thái cơ bản. Điều đó giúp ta giải thích tại sao cường độ của bức xạ đối Stockes tăng khi nhiệt độ tăng nhưng vẫn nhỏ hơn cường độ của bức xạ Stockes. CHƯƠNG 2: LASER 1. Laser là gì? Laser là thuật ngữ phiên âm từ tiếng Anh, đó là từ ghép của các chữ cái đầu tiên của cụm từ tiếng Anh “Light Amplification by stimulated Emission of Radiation” có nghĩa là sự khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ cảm ứng (còn gọi là phát xạ kích thích). Năm 1916, sau khi được bầu vào viện hàn lâm khoa học Đức, A.Einstein bằng tư duy trừu tượng cao, đã nêu thuyết: Nếu chiếu những nguyên tử bằng một làn sóng điện từ, sẽ có thể xảy ra một bức xạ “được kích hoạt” và trở thành một chùm tia hoàn toàn đơn sắc, ở đó tất cả những photon (quang tử) phát ra sẽ cùng một bước sóng. Đó là một ý tưởng khoa học. Nhưng chưa có ai chứng minh nên lý thuyết đó gần như bị lãng quên trong nhiều năm. Mãi tới năm 1951, giáo sư Charles Townes thuộc trường đại học Columbia của thành phố New York mới chú ý đến sự khuếch đại của sóng cực ngắn (vi sóng). Ông thực hiện một thí nghiệm mang tên Maser (maze) là khuếch đại vi sóng bằng bức xạ cảm ứng. Chữ Maser cũng là chữ đầu tiên của nghĩa đó bằng tiếng Anh: Microwave Amplification by stimulated Emission of Radiation. Ông đã thành công tuy phải chi phí khá tốn kém trong phòng thí nghiệm. Cũng vào thời gian này, ở một phương trời khác hai nhà khoa học Xô Viết là N.Batsov và A.Prokhorov cũng phát minh ra máy khuếch đại vi sóng và gần như cùng một dạng nguyên lý. Vì thế cả ba nhà khoa học nói trên đều được nhận giải Nobel vật lý vào năm 1964. Tuy nhiên các nhà khoa học trên chỉ dừng lại ở việc đạt tới việc khuếch đại của các sóng cực ngắn mà không dấn thêm vào các sóng phát sáng. Nhà khoa học Theodora Maiman là nhà khoa học của phòng thí nghiệm Huyher tại Malibu bang Califonia đã dựa vào lý thuyết và nền tảng thực nghiệm của Towner và Schawlow đã công bố, Maiman dành thêm hai năm đi sâu thêm, mở rộng thêm và trở thành người đầu tiên tìm ra tia laser. Ngày 1651960 T.Maiman chính thức tạo laser từ thể rắn hồng ngọc. Tia sáng do ông tìm ra là những luồng ánh sáng rất tập trung và có độ hội tụ lớn hoàn toàn thẳng, rõ nét, thuần khiết, mầu đỏ lộng lẫy và bề dài bước sóng đo được là . Như vậy, giả thuyết mà Einstein nêu ra cách ngày ấy 54 năm đã được chứng minh. Những năm tiếp theo, các nhà khoa học khắp nơi đã nối dài thành quả của laser ra thành nhiều loại, bằng cách: Đưa vào thanh hoạt chất thể khí (ví dụ như CO¬2, hoặc He, Ne, Ar…) ta có tia laser từ thể khí; đưa vào đó asenniure (từ gllium) thì có tia laser từ bán dẫn; đưa vào đó dung dịch các chất nhuộm mầu hữu cơ thì cho ta laser lỏng; sử dụng Oxyiot vạn năng ta có laser hóa học, rồi laser rắn… Điều kì diệu là tùy theo hoạt chất mà tạo ra những mầu sắc khác nhau làm cho tia laser trở nên lung linh huyền ảo, ví dụ như tia laser từ HeliumNeon cho ta mầu đỏ; tia laser của Argon cho ta mầu xanh đậm và màu xanh lá cây. 2. Nguyên tắc phát quang của laser 2.1. Cơ sở lý thuyết 2.1.1. Sự lượng tử hóa Sự lượng tử hóa trong nguyên tử làm cho các nguyên tử có mức năng lượng gián đoạn. Sự chuyển mức năng lượng này sang mức năng lượng khác phải xảy ra cùng với sự phát xạ ánh sáng. 2.1.2. Tiên đề Borh Theo tiên đề Borh: Nếu nguyên tử hay phân tử nằm ở trạng thái năng lượng cao hơn năng lượng ở trạng thái thấp nhất hay trạng thái cơ bản có thể tự phát rơi xuống mức năng lương thấp hơn mà không cần kích thích từ bên ngoài. Một kết quả có thể xảy ra với sự rơi làm giảm trạng thái năng lượng là giải phóng năng lượng dư thừa (ứng với hiệu hai mức năng lượng) dưới dạng một photon ánh sáng. Nguyên tử hay phân tử kích thích có một thời gian phát xạ đặc trưng đó là thời gian mà chúng vẫn giữ được trạng thái năng lượng kích thích cao hơn trước khi chúng chuyển xuống mức năng lượng thấp hơn và sinh ra photon. 2.1.3. Phát xạ cảm ứng Năm 1917 khi nghiên cứu lý thuyết phát xạ, Einstein đã chứng minh rằng: ngoài hiện tượng phát xạ tự nhiên còn có hiện tượng phát xạ mà ông gọi là phát xạ cảm ứng. Hiện tượng đó như sau: Nếu một nguyên tử đang ở trạng thái kích thích sẵn sàng phát ra một photon có năng lượng bắt gặp một photon có năng lượng đúng bằng bay lướt qua nó, thì lập tức nguyên tử này cũng phát ra photon . Photon có cùng năng lượng và bay cùng phương với photon . Ngoài ra sóng điện từ ứng với photon hoàn toàn cùng pha với sóng điện từ ứng với photon . Nhờ đó có thể tạo ra chùm sáng song song có cường độ mạnh gần các photon kết hợp. Như vậy nếu một photon ban đầu bay qua một loạt nguyên tử đang ở trạng thái kích thích thì số photon sẽ tăng lên theo cấp số nhân. Các photon này có cùng năng lượng (ứng với sóng điện từ có cùng bước sóng do đó tính đơn sắc của chùm sáng rất cao). Chúng bay theo cùng một phương (tính định hướng của chùm sáng rất cao). Tất cả sóng điện từ trong chùm sáng do các nguyên tử phát ra đều cùng pha (tính kết hợp của chùm sáng rất cao). Ngoài ra, vì số photon bay theo cùng một hướng rất lớn nên cường độ chùm sáng rất mạnh. 2.1.4. Sự đảo mật độ Vấn đề quan trọng nhất trong việc thu được phát xạ laser cưỡng bức là dưới những điều kiện cân bằng nhiệt động lực học bình thường thì số nguyên tử hoặc phân tử ở mỗi mức năng lượng không thuận lợi cho việc phát xạ cưỡng bức do các nguyên tử có xu hướng tự rơi xuống các mức năng lượng thấp hơn nên số nguyên tử hay phân tử ở mỗi mức sẽ giảm khi năng lượng tăng. Dưới những điều kiện bình thường thì năng lượng ứng với một quang electron điển hình (1 eV) thì tỉ số giữa các nguyên tử ở trạng thái kích thích mức cao với trạng thái cơ bản mức thấp vào khoảng 1017, hầu như tất cả các nguyên tử hay phân tử ở vào trạng thái cơ bản đối với sự chuyển mức năng lượng ánh sáng khả kiến. Một lí do khiến sự phát xạ cưỡng bức khó thu được trở nên hiển nhiên khi xem xét các sự kiện có khả năng xảy ra quanh sự phân hủy của một electron từ một trạng thái kích thích với sự phát xạ sau đó và tự phát. Ánh sáng phát xạ có thể kích thích sự phát xạ từ các nguyên tử bị kích thích khác nhưng một số có thể gặp phải nguyên tử ở trạng thái cơ bản và bị hấp thụ chứ không phải gây ra phát xạ. Do số nguyên tử ở trạng thái kích thích ít hơn nhiều số nguyên tử ở trạng thái cơ bản nên photon phát xạ có khả năng hấp thụ nhiều hơn bù lại số photon cưỡng bức không đáng kể so với phát xạ tự phát (ở trạng thái cơ bản nhiệt động lưc học). Muốn quá trình hấp thụ ánh sáng xảy ra, phải làm cho số nguyên tử ở trạng thái kích thích nhiều hơn số nguyên tử ở trạng thái cơ bản, sao cho số photon có khả năng gây kích thích phát xạ nhiều hơn là bị hấp thụ. Do điều kiện này là nghịch đảo trạng thái cân bằng nên được gọi là sự nghịch đảo dân cư, tức là tạo ra sự đảo mật độ trong môi trường. Khi có nhiều nguyên tử ở trạng thái năng lượng cao hơn nhiều so với nguyên tử ở trạng thái năng lượng thấp hơn, thì phát xạ cưỡng bức sẽ lấn át và thu được dòng thác photon. Photon phát xạ ban đầu sẽ kích thích sự phát xạ của nhiều photon hơn những photon này sau đó lại kích thích sự phát xạ ra nhiều photon hơn nữa, cứ thế tiếp diễn làm cho dòng thác photon tăng lên. Kết quả là ánh sáng phát xạ được khuếch đại. Nếu sự nghịch đảo dân cư chấm dứt (nguyên tử ở trạng thái cơ bản lấn át) thì phát xạ tự phát lại trở thành chủ yếu. Sự nghịch đảo dân cư có thể tạo ra qua hai cơ chế cơ bản: Hoặc tạo ra số dư thừa số nguyên tử hay phân tử ở trạng thái năng lượng cao, hoặc làm giảm dần số ở trạng thái nặng lượng thấp. Nhưng đối với hoạt động laser liên tục phải chú ý vừa làm tăng dân cư ở mức năng lượng cao vừa làm giảm dân cư ở mức năng lượng thấp. Nếu quá nhiều nguyên tử hay phân tử tích tụ ở mức năng lượng thấp thì sự nghịch đảo dân cư sẽ không còn và hoạt động laser sẽ ngừng lại. Để tạo ra sự nghịch đảo dân cư cho hoạt động laser thì phải kích thích có chọn lọc các nguyên tử hay phân tử lên một mức năng lượng đặc biệt. Ánh sáng và dòng điện là cơ chế kích thích được chọn cho phần lớn laser. Ánh sáng hoặc các electron có thể cung cấp năng lượng cần thiết để kích thích các phân tử hay nguyên tử lên các mức năng lượng cao được chọn. Sau đó sẽ rơi xuống mức laser cao. Thời gian mà một nguyên tử hay phân tử tồn tại ở trạng thái kích thích quyết định nó bị cưỡng bức phát xạ và tham gia vào dòng thác photon hay mất đi năng lượng qua việc phát xạ tự phát. Các trạng thái kích thích thường có thời gian sống khoảng nano giây trước khi chúng giải phóng năng lượng một thời gian không đủ lâu để chúng bị kích thích bởi các photon khác. Do vậy mức năng lượng cao phải có thời gian sống lâu hơn (trạng thái siêu bền). Với thời gian sống trong trạng thái này (khoảng micro giây đến mili giây) các nguyên tử bị kích thích có thể tạo ra một lượng đáng kể phát xạ cưỡng bức. Ở mỗi loại laze có một cách tạo ra sự đảo mật độ riêng. Dưới đây là một cách ở laze Rubi. Rubi (hồng ngọc) là tinh thể Al2O3 có pha Cr2O3, màu đỏ của Rubi do Cr tạo ra.Ta hãy quan tâm đến ba mức năng lượng E1, E2, E3 của Cr. E1 là mức cơ bản, E2 là mức năng lượng ứng với trạng thía kích thích giả bền; thời gian sống của Cr ở trạng thái này cỡ 5.103 s, dài hơn hẳn thời gian sống ở trạng thái kích thích khác cỡ 108 s. Mức kích thích E3 tương đối rộng nghĩa là nguyên tử Cr có thể hấp thụ các photon có năng lượng lân cận giá trị 2,23eV. Người ta dùng ánh sáng xanh (0,556mm; ứng với năng lượng 2,23eV) của một đèn xenon chiếu vào Rubi để làm cho phần lớn nguyên tử Cr chuyển từ trạng thái cơ bản lên trạng thái kích thích E3. Sau khoảng thời gian cỡ 108 s chúng chuyển một cách tự phát về trạng thái E2 và sống ở đó trong khoảng 5.103 s trong khoảng thời gian này có sự đảo lộn mật độ khối Rubi. Khi chuyển từ trạng thái E2 về trạng thái cơ bản thì nguyên tử Cr phát ra ánh sáng đỏ ( 0,694 , ứng với năng lượng 1,79eV). 2.1.5. Dùng buồng cộng hưởng Ngoài việc tạo ra sự nghịch đảo dân cư, cũng cần yếu tố khác để khuếch đại và tập trung ánh sáng thành chùm. Công việc này được thực hiện trong một hộp cộng hưởng, nó phản xạ trở lại một số ánh sáng trở lại môi trường laser và qua nhiều lần tương tác sẽ hình thành hay khuếch đại cường độ ánh sáng. Muốn vậy người ta đặt khối chất nói trên giữa hai gương phẳng song song với nhau, có mặt phản xạ quay vào nhau; gương G1 phản xạ tốt, gương G2 bán mạ chùm tia laser được lấy từ gương G2. Sóng tới phản xạ là các sóng kết hợp nên sẽ tạo thành sóng dừng. Tại các gương G1 và G2 là các nút sóng. Như vậy khoảng cách giữa hai gương phải bằng một số nguyên lần bước sóng. G1G2 = l = Hai gương G1 và G2 tạo thành một buồng cộng hưởng. Sau khi phản xạ một số lần lên hai gương phần lớn photon sẽ đi qua gương bán mạ và tạo thành tia laser. Nguyên tắc hoạt động. ( : e ở mức cơ bản; : e ở mức kích thích; : quĩ đạo photon ) Bình thường các e ở mức cơ bản E1. Sau đó cung cấp năng lượng ( bơm quang học) để tạo ra tình trạng đảo ngược độ cư trú. Lúc này các e đang ở trạng thái kích thích, chúng bức xạ cảm ứng phát ra photon, các photon đầu tiên kích thích các e khác bức xạ. Một photon va chạm với các e của nguyên tử khác để rồi tạo ra hai photon, hai photon tạo ra bốn photon và cứ như thế số photon được nhân lên. Các photon sinh ra chuyển động theo các hướng khác nhau. Một lượng lớn chúng thoát ra khỏi ống, một số còn lại di chuyển dọc theo trục ống. Khi đến hai đầu ống chúng bị hai gương phản xạ lại, va chạm với các e của các nguyên tử khác đang ở trạng thái kích thích và khởi phát thêm bức xạ cảm ứng. Số photon cứ như thế tăng lên không ngừng, tất cả các sự kiện này diễn ra với tốc độ kinh hoàng, trong vài phần triệu giây. Khi số photon chuyển động dọc theo trục ống tăng đến một cường độ nhất định, thì các photon này sẽ đi qua gương bán mạ, và chúng ta thấy một tia laser từ đó đi ra ngoài. 2.3. Các tính chất của chùm tia laser Như chúng ta đã thấy, tia laser là loại sóng điện từ nhưng do nguồn laser khác hẳn nguồn nhiệt, điện v.v…thông thường nên tia laser có những tính chất đặc biệt khác với bức xạ điện từ thông thường. Dưới đây trình bày những đặc chính của tia laser. Cường độ tia laser lớn gấp bội lần tia sáng nhiệt. Để hiểu đặc điểm này hãy so sánh cường độ của bức xạ laser khi công suất phát bình thường với bức xạ nhiệt. Với laser khí He – Ne phát công suất cỡ 1mW ở chế độ liên tục và với photon nằm trong miền thấy được ( ) có năng lượng thì photon laser phát trong một giây sẽ là: (1) Với một nguồn nhiệt có nhiệt độ cỡ , bức xạ từ một diện tích và cùng phát sóng trong vùng nhìn thấy được với độ rộng thì số photon nhiệt tính theo công thức: (2) Ở đây lấy . So sánh (1) và (2) ta thấy số photon laser gấp một vạn lần. Nếu so sánh với bức xạ laser công suất như của laser Ruby có công suất cỡ 1GW thì số photon sẽ là 1028 tức gấp số photon nhiệt hàng tỷ lần. Chính nhờ đặc điểm này mà laser trở thành nguồn sáng quý giá trong nhiều ứng dụng cụ thể. Độ định hướng của laser là cao. Nguồn sáng nhiệt bức xạ theo mọi phương trong không gian. Tuy nhiên, nguồn laser có cơ cấu của buồng cộng hưởng quang học đặc biệt, chỉ phát các dao động ngang và chúng tập trung trong một mặt phẳng phân cực. Công suất phát được phân bố đều và phân bố đẳng pha trong toàn bộ khẩu độ của nguồn. Với chùm laser sóng phẳng, bức xạ từ một buồng cộng hưởng với gương có đường kính d (hoặc diện tích ). Sau gương chùm tia laser sẽ tán xạ, do hiện tượng nhiễu xạ, dưới một góc nhiễu xạ . Ở đây là bước sóng laser và chùm tia sẽ bức xạ trong một góc khối Giá trị góc khối này rất nhỏ so với góc khối bức xạ của một nguồn sáng nhiệt là cỡ rad. Độ định hướng cao cho sự tập trung năng lượng trong một góc khối nhỏ và tạo nên cường độ lớn và do đó hai tính chất trên có mối quan hệ khăng khít với nhau. Độ đơn sắc. Theo định nghĩa độ đơn sắc của một chùm tia được đặc trưng bằng độ rộng vạch của chùm. Khi độ rộng vạch của chùm bằng không thì chùm có độ đơn sắc cao nhất. Có nhiều nguyên nhân dẫn đến bức xạ có một độ rộng nhất định. Trong trường hợp gần đúng với buồng cộng hưởng quang học, độ rộng vạch có thể xác định bằng công thức Ở đây: là tâm tần số phát P là công suất phát của bức xạ là thời sống của photon trong buồng cộng hưởng là mất mát của buồng cộng hưởng h là hằng số planck Với laser công suất phát ; ở vùng bước sóng đỏ sẽ có . Đây là độ rộng rất bé. 2.4. Cấu tạo của một máy phát laser Một máy phát laser gồm 3 bộ phận chính: Hoạt chất, buồng cộng hưởng và bộ phận kích thích. 2.4.1. Hoạt chất Đây là môi trường vật chất có khả năng khuếch đại ánh sáng đi qua nó. Cho đến nay nhiều chất khí, rắn, lỏng, bấn dẫn vv…đã được dùng làm hoạt chất laser. Chúng ta có thể phân loại như sau: Hoạt chất là chất khí bao gồm: + Các khí đơn nguyên tử như ArI; XeI; NeI;… + Các ion khí đơn nguyên tử như ArII; KrII;… + Các khí phân tử như CO2; CO; N2; H2O;… + Các hỗn hợp khí đơn nguyên tử như HeNe hay hỗn hợp khí phân tử như CO2N2He; CON2H2O;… Hoạt chất là chất rắn bao gồm dạng tinh thể hay thủy tinh (glass) được pha trộn thêm các ion nguyên tố hiếm như: Sm+3; Eu+3; Nd+3; Cr+3; vv…laser rắn điển hình là laser Ruby có hoạt chất là tinh thể Al2O3 trộn thêm ion Cr+3 hay laser YAG có hoạt chất là Y3Al5O12 trộn thêm ion Nd+3. Hoạt chất là bán dẫn như GaAs; PbS; PbTe;… Về cơ bản những hoạt chất này phải là những chất phát quang. Hoạt chất là chất lỏng bao gồm các chất Chelaste như Peperidin Eu(BA)4 hòa tan trong dung môi rượu ethol + methol và có thêm ít ion nguyên tố hiếm Eu+3; Nd+3…. 2.4.2. Buồng cộng hưởng Thành phần chủ yếu là hai gương phản xạ. Một gương có hệ số phản xạ rất cao cỡ 99,999% còn một gương có hệ số phản xạ thấp hơn để tia laser thoát ra ngoài. Một trong các gương có thể được thay bằng lăng kính, cách tử tùy theo yêu cầu. Vai trò chính của buồng cộng hưởng là làm cho bức xạ do hoạt chất phát ra có thể đi lại nhiều lần qua hoạt chất để được khuếch đại lên. Hai gương phản xạ có thể đặt xa hoạt chất hay gắn chặt với nó. 2.4.3. Bộ phận kích thích hay bơm Đây là bộ phận cung cấp năng lượng để tạo được nghịch đảo độ tích lũy trong hai mức năng lượng nào đó của hoạt chất và duy trì sự hoạt động của laser. Tùy theo các loại laser khác nhau, nói chung có thể phân loại: Kích thích bằng ánh sáng hay gọi là bơm quang học, đây là loại kích thích phổ biến. Hoạt chất thu năng lượng bơm qua quá trình hấp thụ. Kích thích bằng va chạm điện tử: năng lượng điện tử được gia tốc trong điện trường được truyền cho các hệ nguyên tử hoạt chất nhờ quá trình va chạm. Sự truyền năng lượng kích thích này sang dạng năng lượng bức xạ của laser thường xảy ra phức tạp tùy theo loại laser. Cả ba bộ phận kể trên không thể tách rời và là cơ cấu chính của một máy phát laser. Ví dụ: Cấu tạo của laser Ruby Laser này gồm một thanh Ruby hình trụ (1) có chiều dài thỏa mãn . Hai mặt được mài nhẵn, vuông góc với trục của thanh. Mặt (3) được mạ bạc, mặt (4) là mặt bán mạ. Một bóng đèn xeon (2) được quấn quanh thanh Ruby. Khi laser hoạt động thì thanh Ruby sẽ rất nóng nên người ta phải gắn nó vào những cánh tỏa nhiệt (5). Tuy vậy, laser Ruby cũng chỉ hoạt động ở chế độ xung, lúc phát lúc nghỉ. 3. Phân loại laser 3.1. Laser rắn Theo tài liệu được công bố, các laser rắn hoạt động ở chế độ phát xung hay liên tục đều được chế tạo trên cơ sở tinh thể hay thủy tinh (glass) có đưa vào các ion hoạt chất thuộc về các nhóm sau: Các ion kim loại của nhóm chuyển tiếp với lớp điện tử 3d Các ion đất hiếm với lớp điện tử 4f Các ion Actinic với lớp điện tử 5f Laser rắn cho phép phát các xung có năng lượng lớn nên được sử dụng rộng rãi không những trong mục đích nghiên cứu mà trong các ứng dụng. Hiện nay có rất nhiều laser rắn khác nhau nhưng phổ cập vẫn là laser Ruby và laser YAG Nd+3. 3.2 Laser khí Là loại laser phát chủ yếu trong chế độ liên tục nên có nhiều ứng dụng trong kỹ thuật. Chúng có một số ưu điểm nổi bật so với các loại laser khác ở các điểm sau: dễ chế tạo, cấu trúc phổ năng lượng của các khí nguyên tử hay phân tử đã được nghiên cứu kỹ, vùng bước sóng phát khá rộng từ vùng tử ngoại đến vùng hồng ngoại. Cho đến nay người ta phát hiện được rất nhiều chất khí có khả năng dùng làm hoạt chất phát laser. Số vạch phát hiện đạt tới hàng nghìn nằm trong một vùng rộng từ tử ngoại đến hồng ngoại xa. Có thể tạm phân các laser khí làm 5 loại. Loại khí đơn nguyên tử chủ yếu là các khí hiếm NeI; ArI; hoặc nguyên nhóm Halogen như OI; NI…Đặc điểm chung của loại laser này là có thể kích thích ở dòng phóng điện thấp và hầu hết làm việc ở chế độ làm việc liên tục. Khi dùng hỗn hợp các khí đơn nguyên tử người ta có thể làm tăng hiệu suất do tận dụng được sự truyền năng lượng công hưởng, điển hình của loại này là laser He – Ne. Loại khí ion như laser ArII; ArIII;…KrIII; OIII; OIV; HgII…Có đặc điểm chung là dùng phóng điện cao hàng chục ampe, có công suất phát lớn đến hàng chục oát ở chế độ liên tục dễ dàng cho bước sóng phát nằm ở vùng thấy được và tử ngoại chân không, trong khi các laser khí nguyên tử cho bước sóng phát vùng hồng ngoại và dài hơn nữa. Laser khí phân tử hoạt động ở áp suất thường như N2; H2O; CO; CO2… hay hỗn hợp của chúng. Phần lớn các laser này có bức xạ ở vùng hồng ngoại xa và thuộc về dịch chuyển giữa các mức dao động của phân tử. Chúng có thể cho công suất cao không chỉ ở dạng xung mà còn cả ở dạng liên tục. Khi có sự dịch chuyển giữa các mức điện tử của phân tử, người ta co thể thu được bức xạ vùng tử ngoại. Laser hơi kim loại là laser làm việc ở pha khí sau khi cho kim loại bốc hơi. Loại laser này cho công suất phát lớn và thường phát ở vùng thấy được hoặc tử ngoại xa. Laser excimer là loại laser khí phân tử có dịch chuyển giữa các mức điện tử dao động và chủ yếu cho bức xạ vùng tử ngoại và tử ngoại chân không làm việc ở áp suất cao. 3.3. Laser lỏng Cũng như chất rắn và chất khí, chất lỏng cũng được làm hoạt chất phát laser. So với hai loại trên laser lỏng có một số ưu điểm sau: Không đòi hỏi việc gia công chính xác và khó như đối với tinh thể. Như chúng ta đã biết để có laser rắn đòi hỏi phải tạo được đơn tinh thể với độ tinh thiết cao, phải gia công mặt bên mài nhẵn và cắt mặt thanh hoạt chất với góc định hướng đối với quang trục tinh thể một cách chính xác… Dễ dàng tăng độ tâm kích hoạt và tăng khối lượng hoạt chất để tạo công suất theo ý muốn. Dễ dàng làm lạnh hoạt chất nhờ sử dụng việc cho nước chảy qua hoạt chất. Dễ tiến hành nghiên cứu vì dễ thay đổi thành phần các hoạt chất trong bình chứa. Laser lỏng có nhược điểm là hệ số dẫn nhiệt tương đố lớn nên hoạt chất chóng nóng và dẫn tới sự không ổn định về tần số và công suất phát. Buồng cộng hưởng thường có kích thước không lớn cỡ 1mm – 4mm bằng thạch anh để dễ dàng làm việc trong miền tử ngoại. Hiện nay người ta phân laser lỏng ra làm 3 loại: Laser chelate hữu cơ – đất hiếm. Laser vô cơ oxy – neon – selen. Laser màu. Các loại laser này đều dùng bơm quang học kích thích bằng đèn xung hay bằng chính laser rắn dưới dạng xung.Trong ba loại laser lỏng trên laser màu hiện đang có nhiều ứng dụng trong khoa học kỹ thuật. Bảng dưới đây giới thiệu một số loại laser, công suất đỉnh, độ dài xung, bước sóng và công dụng của nó. Môi trường khuyếch đại Công suất đỉnh Độ dài xung Bước sóng Công dụng Khí He Ne Argon CO2 CO2 TEA 10 nW 210W 200W 5MW Liên tục Liên tục Liên tục 20 ns 633 nm 488nm 10.6µm 10.6 µm Máy quét mã vạch Tiêu khiển, y học Cắt, hàn Xử lý nhiệt Bán dẫn GaAs Al GaAs GaInAsP 5mW 50mW 20mW Liên tục Biến điệu Biến điệu 840nm 760nm 1.3 µm Đĩa laser In laser Truyền tin sợi quang Chất rắn Hồng ngọc Nd:YAG Nd:YAG(QS) Nd:YAG(ML) Nd: thủy tinh 100MW 50W 50MW 2KW 100TW 10ns Liên tục 20ns 60ps 11ps 694nm 1.06 µm 1.06 µm 1.06 µm 1.06 µm ảnh toàn cảnh gia công bán dẫn áp dụng trong y học nghiên cứu xung ngắn nấu chảy bằng laser Chất lỏng Chất màu Rh6G 100mW 10KW Liên tục 10fs Có thể thay đổi 600nm Quang phổ Nghiên cứu khoa học Hóa học Hf 50MW 50ns 3µm Làm vũ khí CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG CỦA LASER 1. Ảnh toàn ký (Holography) Holography thường gọi là chụp ảnh khối, tuy nhiên chữ Hologaphy còn có nghĩa rộng hơn. Nguyên lý của Holography được Gabor đề xuất từ năm 1948 nhưng do nguồn sáng để chụp không đủ mạnh nên không thu được kết quả. Chỉ từ khi có laser người ta đã dụng nguồn sáng này để thu được ảnh khối của vật và nghiên cứu về Holography được phát triển rất nhanh đã trở thành một ngành khoa học riêng trong vật lý và quang học kỹ thuật. Trong phạm vi đề tài tôi trình bày các giai đoạn trong Holography và một số ứng dụng của Holography. 1.1.Các giai đoạn trong Holography Về nguyên tắc trong Holography có hai giai đoạn: Giai đoạn chụp và giai đoạn phục hồi ảnh. .1.1. Giai đoạn chụp: sơ đồ nguyên tắc được trình bày trên hình a. P’ Hologram B a, P M A S b, P S Hologram S Một chùm laser song song được cho đi qua một gương bán mạ S để tạo ra tia chùm tia A và B. Chùm a là chùm phản xạ đi trực tiếp đến kính ảnh M và được gọi sau này là chùm tựa. Chùm B là chùm ánh sáng truyền qua đi tới vật ví dụ tại điểm P, từ P ánh sáng tán xạ từ vật cũng sẽ