CƠ SỞ ĐỘNG HỌC VÀ ỨNG DỤNG CỦA LASER Người thực hiện: Nguyễn Thị Phương, Bùi Thị Thu 6/8/2015 CƠ SỞ ĐỘNG HỌC VÀ ỨNG DỤNG CỦA LASER LASER - Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation – Khuếch đại ánh sáng xạ cưỡng NỘI DUNG:  Cơ sở động học laser  Các loại laser  Ứng dụng laser CƠ SỞ ĐỘNG HỌC CỦA LASER  Lý thuyết Albert Einstein hấp thụ xạ -Khi hệ vật chất tồn trạng thái cân nhiệt động, không chịu tác động kích thích từ bên ngoài, hệ mức lượng thấp nhất, gọi mức NL -Khi hệ vật chất chịu tác động kích thích từ bên ( xạ trường điện từ: ánh sáng, nhiệt độ…) hệ chuyển lên mức lượng cao hơn, gọi mức kích thích - Theo Albert Einstein có loại dịch chuyển mức lượng tương ứng với trình: + Hấp thụ + Bức xạ tự phát + Bức xạ cưỡng (cảm ứng) 6/8/2015 CƠ SỞ ĐỘNG HỌC CỦA LASER  Lý thuyết Albert Einstein hấp thụ xạ • Hấp thụ hay phát xạ vật chất kết chuyển trạng thái nguyên tử từ mức lượng sang mức lượng khác • Xét đơn vị thể tích khối chất  Khi trạng thái nguyên tử chuyển từ mức lượng thấp Wi lên mức lượng cao Wk hệ xảy hấp thụ  Khi trạng thái nguyên tử chuyển từ mức lượng cao Wk xuống mức có lượng thấp Wi hệ xảy xạ  Khi tần số xạ thỏa mãn: Wk  Wi  ki  h Wk Wk Sự xạ Sự hấp thụ Wi Wi CƠ SỞ ĐỘNG HỌC CỦA LASER  Lý thuyết Albert Einstein hấp thụ xạ  Quá trình hấp thụ : Khi hệ vật chất chịu tác động trường điện từ bên - Các nguyên tử mức lượng thấp hấp thụ photon trường điện từ bên để chuyển lên mức lượng cao - Xét đơn vị thể tích khối chất - Gọi số nguyên tử trạng thái k thời điểm t Nk(t) - Gọi mật độ lượng xạ kích thích bên có tần số  ki  ( ki ) (Mật độ lượng xạ kích thích đặc trưng cho ảnh hưởng trường điện từ bên ngoài) dN k (t)   ( ki ).Bik N i (t).dt  ( ki ).Bik 6/8/2015 (1) Là xác suất hấp thụ CƠ SỞ ĐỘNG HỌC CỦA LASER  Lý thuyết Albert Einstein hấp thụ xạ  Quá trình xạ  Bức xạ tự phát: không ảnh hưởng trường điện từ bên Xét đơn vị thể tích khối chất Gọi số nguyên tử trạng thái k thời điểm t Nk(t) Gọi Aki hệ số tỷ lệ phụ thuộc vào khả chuyển dời mức (Đây xác suất chuyển dời từ mức k mức i) dN k (t)   Aki N k (t).dt  dN k (t)   Aki dt Nk  N k (t)  N k (0).e  Aki t (2) Nk(0) số nguyên tử mức k thời điểm t=0 CƠ SỞ ĐỘNG HỌC CỦA LASER  Quá trình xạ  Bức xạ tự phát:  Cường độ xạ vạch phổ (công suất xạ) lượng xạ đơn vị thể tích khối chất 1s I  N k (t) Aki h ki  N k (0) Aki h ki e  A t ki N k (0) Aki h  I  I  I e  Aki t (3) Thời gian sống trung bình  nguyên tử mức k thời gian để số nguyên tử giảm e lần   Từ (3) suy ra: Aki Thời gian sống trung bình nguyên tử trạng thái nghịch đảo xác suất chuyển dời tương ứng Bức xạ tự phát nguyên tử hệ thực độc lập với nên sóng xạ có phương thay đổi cách hỗn loạn dẫn đến xạ không đồng CƠ SỞ ĐỘNG HỌC CỦA LASER  Bức xạ cưỡng (bức xạ cảm ứng): Là xạ tương ứng với dịch chuyển nhờ tác động trường điện từ bên Bức xạ cưỡng có tần số tần số kích thích - Nếu xét đơn vị thể tích khối chất đặt trường điện từ với photon có Wk  Wi tần số  ki  h - Khi ta xác định số nguyên tử bị giảm mức k dN k (t)    ( ki ).Bki dt Nk  ( ki ).Bki Gọi xác suất chuyển dời trình xạ cưỡng N k (t)  N k (0).e   ( ki ).Bki t (4) Cơ sở động học laser  Phương trình Einstein Do ba trình (HT, BXTP, BXCB) đồng thời xảy nên tốc độ thay đổi số hạt mức lượng Wk là: dN k (t )   Aki N k (t )  Bki  ( ki ) N k (t )  Bik  ( ki ) N i (t ) dt (5) Phương trình (5) gọi phương trình Einstein Phương trình cho phép xác định mật độ lượng xạ điện từ cách xét trạng thái cân nhiệt động, số hạt mức lượng không thay đổi theo thời gian, đó: dN k (t )   Aki N k (t )  Bki  ( ki ) N k (t )  Bik  ( ki ) N i (t )  dt CƠ SỞ ĐỘNG HỌC CỦA LASER  Phương trình Einstein  ( ki )  Aki N k (t) Aki  Bik N i (t)  Bki N k (t) B N i (t)  B ik ki N k (t) Theo phân bố Boltzman ta có  N k (t) e N i (t) Wk Wi kT e  h ki kT  N i (t) e N k (t) Lưu ý T     ( ki )   Mặt khác T    e h ki k BT 1 Do Suy Bik  Bki h ki kT Aki   ( ki )  Bik e h ki kT  Bki h ki   k B T  Bki    Bik e     Vậy Aki   ( ki )  Bik e h ki k BT 1 CÁC ỨNG DỤNG CỦA LASER  Trong y học  Trong phẫu thuật: Người ta sử dụng laser nhiệt dao mổ để phẫu thuật Điển hình dao mổ laser CO2 Tuy nhiên, chùm tia laser CO2 không nhìn thấy nên máy phát laser phải gắn thêm laser He –Ne công suất 1-2 mw phát tia màu đỏ dẫn đường Những ưu điểm dao mổ laser: - Độ vô khuẩn cao laser tạo nhiệt độ cao đường rạch tiếp xúc dụng cụ thể - Laser CO2 có khả vừa rạch đường mổ vừa cầm máu - Phẫu thuật phận sâu thể mà không làm tổn thương xâm lấn - Thời gian mổ ngắn - Chăm sóc hậu phẫu thuận lợi 6/8/2015 54 CÁC ỨNG DỤNG CỦA LASER Trong y học 6/8/2015 55 CÁC ỨNG DỤNG CỦA LASER  Trong y học  Trong điều trị: Khi chiếu laser vào tổ chức thể nhiệt độ định, laser làm đông protein tổ chức Hiệu ứng áp dụng để can thiệp điều trị xâm lấn tổn thương thể kể can thiệp sâu vào bên thể Ứng dụng laser điều trị phong phú, chẳng hạn: - Da liễu: tẩy xóa đốm sắc tố nốt ruồi, tàn nhang, bớt bẩm sinh … - Nhãn khoa: hàn gắn tổn thương võng mạc, điều trị tổn thương giác mạc, phẫu thuật điều trị bệnh lý khác mắt, … - Hệ thống tiêu hóa: tán sỏi ống mật chủ, hàn gắn tổn thương mạch máu nội tạng trường hợp ung thư, viêm loét đường tiêu hóa, - Sản phụ khoa: điều trị tổn thương bệnh lý cổ tử cung … - Thần kinh: điều trị tổn thương dạng u, 6/8/2015 56 CÁC ỨNG DỤNG CỦA LASER  Trong y học  Trong điều trị: Khi sử dụng laser để điều trị yếu tố định hiệu phụ thuộc vào tham số như: - Liều chiếu, - Công suất; - Độ hội tụ (mật độ công suất ); - Thời gian chiếu; - Số lần chiếu; - Khoảng cach lần chiếu 6/8/2015 57 CÁC ỨNG DỤNG CỦA LASER  Trong nghiên cứu vũ trụ Sử dụng tia laser nghiên cứu vũ trụ theo hướng áp dụng như: - Đo khoảng cách cực lớn ngành thiên văn - Xác định vị trí vật thể vũ trụ - Theo dõi, điều khiển liên lạc với tàu vũ trụ Ví dụ: thông qua đo khoảng cách từ Trái Đất đến Mặt Trăng (khoảng 385000 km) người ta xác định năm Mặt Trăng rời xa Trái Đất 3,8 cm (tính trung bình) 6/8/2015 58 CÁC ỨNG DỤNG CỦA LASER  Công nghệ vũ khí - Một chùm tia laser lượng cao chiếu vào vật thể kim loại, nháy mắt làm cho kim loại nóng chảy, bốc hơi, chí biến thành ion Tác dụng gọi “hiệu ứng lan chảy nhiệt” Vũ khí laser phá hoại mục tiêu chủ yếu nhờ vào hiệu ứng 6/8/2015 59 CÁC ỨNG DỤNG CỦA LASER  Công nghệ vũ khí Các chùm laser mạnh hạ gục tên lửa trước tên lửa bay đến mục tiêu (chiến lược phòng thủ) 6/8/2015 60 CÁC ỨNG DỤNG CỦA LASER  Công nghệ vũ khí - Chùm tia laser gây tác dụng lan chảy lớn thể sống, chí gây tử vong Cho nên tia laser mệnh danh tia chết chóc - Chùm tia laser gây mù mắt tạm thời không nhìn thấy Đó bị chùm laser chiếu vào mắt, thuỷ tinh thể giống thấu kính hội tụ làm cho chùm tia hội tụ lên tiêu điểm võng mạc, làm cháy bỏng võng mạc dẫn đến mù mắt Ví dụ: - laser He-Ne công suất 1mW chưa hội tụ có độ sáng độ sáng Mặt Trời vào ngày nắng (0,1W/cm2 ) - laser Ar công suất 1W, chưa hội tụ làm cháy lỗ áo 6/8/2015 61 CÁC ỨNG DỤNG CỦA LASER  Trong công nghệ lưu trữ thông tin  LASER bán dẫn sử dụng việc đọc đĩa Compact -Trong đĩa Compact thông tin mã hóa dạng mã nhị phân, ghi lên đĩa với tín hiệu hốc rãnh - Người ta dùng LASER bán dẫn loại (AlGa)As có bước sóng 0.83 µm chiếu lên hốc rãnh này, đĩa quay tia phản xạ mặt hốc đĩa truyền qua hệ quang học thu qua photodiode -Đĩa Compact với ưu điểm lưu lượng thông tin chất lượng tuyệt hảo, sử dụng bền, tìm thông tin ở vị trí đĩa cách dễ dàng Vì ngày đĩa Compact sử dụng rộng rãi 6/8/2015 62 CÁC ỨNG DỤNG CỦA LASER * Máy đọc mã vạch laser Các máy quét mã vạch dùng tia sáng laser cho tia sáng mãnh cắt ngang bề mặt mã vạch Ưu điểm máy quét dùng tia laser quét nhạy, xác, quét mã vạch bề mặt cong có khả quét tầm xa 6/8/2015 63 CÁC ỨNG DỤNG CỦA LASER Máy in, photocopy dùng laser Tạo tia laser có cường độ phát xạ thay đổi theo cấp độ xám điểm ảnh (pixel) - Bắn tia laser trải suốt chiều dài trống (theo dòng ảnh) - Như vậy, cường độ tia laser liên tục thay đổi (lúc yếu/lúc mạnh) phụ thuộc vào điện áp điểm ảnh 6/8/2015 64 CÁC ỨNG DỤNG CỦA LASER Công nghiệp 6/8/2015 65 CÁC ỨNG DỤNG CỦA LASER Hệ thống máy san phẳng đồng ruộng định vị tia laser 6/8/2015 Máy xua đuổi chim dùng tia laser 66 CÁC ỨNG DỤNG CỦA LASER  Trong trang trí nghệ thuật Hình ảnh seagame 28 6/8/2015 67 Xin trân trọng cảm ơn theo dõi quý vị! 6/8/2015 68 ...CƠ SỞ ĐỘNG HỌC VÀ ỨNG DỤNG CỦA LASER LASER - Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation – Khuếch đại ánh sáng xạ cưỡng NỘI DUNG:  Cơ sở động học laser  Các loại laser  Ứng. .. 21 CƠ SỞ ĐỘNG HỌC CỦA LASER  Cấu tạo máy phát laser Máy phát laser gồm có phận chính: - Hoạt chất (1) - Buồng cộng hưởng (3, 4) - Bộ phận kích thích hay nguồn bơm (2) 6/8/2015 22 CƠ SỞ ĐỘNG HỌC... laser  Các loại laser  Ứng dụng laser CƠ SỞ ĐỘNG HỌC CỦA LASER  Lý thuyết Albert Einstein hấp thụ xạ -Khi hệ vật chất tồn trạng thái cân nhiệt động, không chịu tác động kích thích từ bên ngoài,