Kiến thức

Laser – Wikipedia tiếng Việt

Laser

Bách khoa toàn thư mở Wikipedia

Bước tới điều hướng

Bước tới tìm kiếm

Ứng dụng của Laser trong không quân Hoa Kỳ

Laser: màu đỏ (Bước sóng 660 & 635 nm), Xanh lá (532 & 520 nm) và xanh tím (445 & 405 nm).

Laser (đọc là la-de, la-ze hoặc lây-dơ) là tên viết tắt của cụm từ Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation trong

tiếng Anh

, có nghĩa là “khuếch đại

ánh sáng

bằng

phát xạ kích thích

“.

Theo

thuyết lượng tử

thì trong một

nguyên tử

, các

electron

tồn tại ở các

mức năng lượng

riêng biệt và rời rạc. Các mức năng lượng có thể hiểu là tương ứng với các quỹ đạo riêng biệt của electron xung quanh

hạt nhân

. Electron ở phía ngoài sẽ có mức năng lượng cao hơn những electron ở phía trong. Khi có sự tác động

vật lý

hay

hóa học

từ bên ngoài, các electron này cũng có thể nhảy từ mức năng lượng thấp lên mức năng lượng cao hay ngược lại, gọi là chuyển dời trạng thái. Các chuyển dời có thể sinh ra hay hấp thụ lượng tử ánh sáng hay

photon

theo

thuyết lượng tử

của

Albert Einstein

.

Bước sóng

(liên quan đến

màu sắc

) của tia sáng phụ thuộc vào sự chênh lệch năng lượng giữa các mức.

Có nhiều loại laser khác nhau, có thể ở dạng hỗn hợp khí, ví dụ

He

Ne

, hay dạng chất lỏng, song có độ bức xạ lớn nhất vẫn là tia laser tạo bởi các

linh kiện bán dẫn

như

điốt laser

.

Laser có trong rất nhiều ứng dụng, như làm mắt đọc đĩa quang CD/DVD, máy in laser, máy quét mã vạch, công cụ trình tự DNA, internet cáp quang, truyền dữ liệu trong không gian vũ trụ, máy cắt, máy hàn, máy phẫu thuật laser, tẩy mụn ruồi, nhắm bằng laser. Trong quân đội laser được dùng để đánh dấu, đo khoảng cách và tốc độ của mục tiêu. Trong giải trí laser được sử dụng trong các sân khấu như

hòa âm ánh sáng

.

Lịch sử[

sửa

|

sửa mã nguồn

]

Laser He-Ne

Laser được phỏng theo

maser

, một thiết bị có cơ chế tương tự nhưng tạo ra tia vi sóng hơn là các bức xạ ánh sáng. Maser đầu tiên được tạo ra bởi

Charles H. Townes

và sinh viên tốt nghiệp J.P. Gordon và H.J. Zeiger vào năm

1953

. Maser đầu tiên đó không tạo ra tia sóng một cách liên tục.

Nikolay Gennadiyevich Basov

Aleksandr Mikhailovich Prokhorov

của

Liên bang Xô viết

đã làm việc độc lập trên lĩnh vực lượng tử dao động và tạo ra hệ thống phóng tia liên tục bằng cách dùng nhiều hơn hai mức năng lượng. Hệ thống đó có thể phóng ra tia liên tục mà không cho các hạt xuống mức năng lượng bình thường, vì thế vẫn giữ tần suất. Năm

1964

,

Charles Townes

, Nikolai Basov và Aleksandr Prokhorov cùng nhận

giải thưởng Nobel vật lý

về nền tảng cho lĩnh vực điện tử lượng tử, dẫn đến việc tạo ra máy dao động và phóng đại dựa trên thuyết maser-laser.

Laser hồng ngọc

, một laser chất rắn, được tạo ra lần đầu tiên vào năm

1960

, bởi

nhà vật lý

Theodore Maiman

tại phòng thí nghiệm Hughes Laboratory ở Malibu,

California

.

Hồng ngọc

là oxit

nhôm

pha lẫn

crôm

, crôm hấp thụ tia sáng màu xanh lá cây và xanh lục, để lại duy nhất tia sáng màu hồng phát ra.

Robert N. Hall

phát triển laser bán dẫn đầu tiên, hay

điốt laser

, năm

1962

. Thiết bị của Hall xây dựng trên hệ thống vật liệu

gali

asen

và tạo ra tia có bước sóng 850 nm, gần vùng quang phổ

tia hồng ngoại

. Laser bán dẫn đầu tiên với tia phát ra có thể thấy được được trưng bày đầu tiên cùng năm đó. Năm

1970

,

Zhores Ivanovich Alferov

của Liên Xô và Hayashi và Panish của

Phòng thí nghiệm Bell

đã độc lập phát triển

điốt laser

hoạt động liên tục ở nhiệt độ trong phòng, sử dụng cấu trúc đa kết nối.

Cấu tạo[

sửa

|

sửa mã nguồn

]

Cấu tạo cơ bản và cơ chế hoạt động của laser.
1) Buồng cộng hưởng (vùng bị kích thích)
2) Nguồn nuôi (năng lượng bơm vào vùng bị kích thích)
3)

Gương

phản xạ

toàn phần
4)

Gương bán mạ

↵5) Tia laser

Nguyên lý cấu tạo chung của một máy laser gồm có: buồng cộng hưởng chứa hoạt chất laser, nguồn nuôi và hệ thống dẫn quang. Trong đó buồng cộng hưởng với hoạt chất laser là bộ phận chủ yếu.

Buồng cộng hưởng chứa hoạt chất laser, đó là một chất đặc biệt có khả năng khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ cưỡng bức để tạo ra laser. Khi 1 photon tới va chạm vào hoạt chất này thì kéo theo đó là 1 photon khác bật ra bay theo cùng hướng với photon tới. Mặt khác buồng cộng hưởng có 2 mặt chắn ở hai đầu, một mặt phản xạ toàn phần các photon khi bay tới, mặt kia cho một phần photon qua một phần phản xạ lại làm cho các hạt photon va chạm liên tục vào hoạt chất laser nhiều lần tạo mật độ photon lớn. Vì thế cường độ chùm laser được khuếch đại lên nhiều lần. Tính chất của laser phụ thuộc vào hoạt chất đó, do đó người ta căn cứ vào hoạt chất để phân loại laser.

Xem thêm: Peptit Nedir, Ne Demektir? Kolajen Peptit Ne İşe Yarar?-En Son Haberler-Milliyet

Nguyên lý hoạt động[

sửa

|

sửa mã nguồn

]

Tập tin:Laser, quantum principle.ogv

Phát phương tiện

Video giải thích sự phát xạ kích thích và nguyên lý hoạt động của laser

Một ví dụ về nguyên lý hoạt động của laser có thể miêu tả cho

laser thạch anh

:

  • Dưới sự tác động của hiệu điện thế lớn, các electron của thạch anh di chuyển từ mức năng lượng thấp lên mức năng lương cao tạo nên trạng thái nghịch đảo mật độ tích lũy của electron.
  • Ở mức năng lượng cao, một số electron sẽ rơi ngẫu nhiên xuống mức năng lượng thấp, giải phóng hạt

    ánh sáng

    được gọi là

    photon

    .

  • Các hạt photon này sẽ toả ra nhiều hướng khác nhau từ một nguyên tử, va phải các nguyên tử khác, kích thích eletron ở các nguyên tử này rơi xuống tiếp, sinh thêm các photon cùng

    tần số

    , cùng

    pha

    và cùng hướng bay, tạo nên một phản ứng dây chuyền khuếch đại dòng ánh sáng.

  • Các hạt photon bị phản xạ qua lại nhiều lần trong vật liệu, nhờ các gương để tăng hiệu suất khuếch đại ánh sáng.
  • Một số photon thoát ra ngoài nhờ có

    gương bán mạ

    tại một đầu của vật liệu. Tia sáng đi ra chính là tia laser.

Phân loại[

sửa

|

sửa mã nguồn

]

Laser chất rắn[

sửa

|

sửa mã nguồn

]

Có khoảng 200 chất rắn có khả năng dùng làm môi trường hoạt chất laser. Một số loại laser chất rắn thông dụng:

  • YAG-Neodym: hoạt chất là

    Yttrium

    Aluminium

    Garnet (YAG) cộng thêm 2-5%

    neodymi

    , có bước sóng 1060 nm thuộc phổ hồng ngoại gần. Có thể phát liên tục tới 100W hoặc phát xung với tần số 1000-10000Hz.

  • Hồng ngọc (Rubi): hoạt chất là tinh thể Alluminium có gắn những ion crom, có bước sóng 694,3 nm thuộc vùng đỏ của ánh sáng trắng.
  • Bán dẫn: loại thông dụng nhất là diot

    Gallium

    Arsen

    có bước sóng 890 nm thuộc phổ hồng ngoại gần.

Laser chất khí[

sửa

|

sửa mã nguồn

]

  • He-Ne: hoạt chất là khí

    heli

    neon

    , có bước sóng 632,8 nm thuộc phổ ánh sáng đỏ trong vùng nhìn thấy, công suất nhỏ, từ một đến vài chục mW. Trong y học được sử dụng làm laser nội mạch, kích thích mạch máu.

  • Argon

    : hoạt chất là khí argon, bước sóng 488 và 514,5 nm.

  • CO2: bước sóng 10.600 nm thuộc phổ hồng ngoại xa, công suất phát xạ có thể tới megawatt (MW). Trong y học ứng dụng làm dao mổ.

Laser chất lỏng[

sửa

|

sửa mã nguồn

]

Môi trường hoạt chất là chất lỏng, thông dụng nhất là laser màu.

Tính chất[

sửa

|

sửa mã nguồn

]

  • Độ định hướng cao: tia laser phát ra hầu như là chùm song song do đó có khả năng chiếu xa hàng nghìn km mà không bị phân tán.
  • Tính đơn sắc rất cao: chùm sáng chỉ có một màu (hay một bước sóng) duy nhất. Do vậy chùm laser không bị tán xạ khi đi qua mặt phân cách của hai môi trường có chiết suất khác nhau. Đây là tính chất đặc biệt nhất mà không nguồn sáng nào có.
  • Tính đồng bộ của các photon trong chùm tia laser: Có khả năng phát xung cực ngắn: cỡ mili giây (ms), nano giây, pico giây, cho phép tập trung năng lượng tia laser cực lớn trong thời gian cực ngắn.

Xem thêm: Khoảng cách từ một điểm đến một mặt phẳng, đến một đường thẳng.

Các chế độ hoạt động[

sửa

|

sửa mã nguồn

]

Laser có thể được cấu tạo để hoạt động ở trạng thái bức xạ sóng liên tục (hay CW – continuous wave) hay bức xạ xung (pulsed operation). Điều này dẫn đến những khác biệt cơ bản khi xây dựng hệ laser cho những ứng dụng khác nhau.

Chế độ phát liên tục[

sửa

|

sửa mã nguồn

]

Trong chế độ phát liên tục, công suất của một laser tương đối không đổi so với thời gian. Sự đảo nghịch mật độ

electron

cần thiết cho hoạt động laser được duy trì liên tục bởi nguồn bơm năng lượng đều đặn.

Chế độ phát xung[

sửa

|

sửa mã nguồn

]

Trong chế độ phát xung, công suất laser luôn thay đổi so với thời gian, với đặc trưng là các giai đoạn “đóng” và “ngắt” cho phép tập trung năng lượng cao nhất có thể trong một thời gian ngắn nhất có thể. Các

dao laser

là một ví dụ, với năng lượng đủ để cung cấp một nhiệt lượng cần thiết, chúng có thể làm bốc hơi một lượng nhỏ vật chất trên bề mặt mẫu vật trong thời gian rất ngắn. Tuy nhiên, nếu cùng năng lượng như vậy nhưng tiếp xúc với mẫu vật trong thời gian dài hơn thì nhiệt lượng sẽ có thời gian để xuyên sâu vào trong mẫu vật do đó phần vật chất bị bốc hơi sẽ ít hơn. Có rất nhiều phương pháp để đạt được điều này, như:

  • Phương pháp chuyển mạch Q

    (Q-switching)

  • Phương pháp kiểu khoá

    (modelocking)

  • Phương pháp bơm xung

    (pulsed pumping)

An toàn[

sửa

|

sửa mã nguồn

]

Laser với cường độ thấp, chỉ là vài

miliwatt

, cũng có thể nguy hiểm với

mắt người

. Tại bước sóng mà

giác mạc mắt

thủy tinh thể

có thể tập trung tốt, nhờ tính đồng nhất và sự định hướng cao của laser, một

công suất

năng lượng

lớn có thể tập trung vào một điểm cực nhỏ trên võng mạc. Kết quả là một vết cháy tập trung phá hủy các tế bào mắt vĩnh viễn trong vài

giây

, thậm chí có thể nhanh hơn. Độ an toàn của laser được xếp từ I đến IV. Với độ I, tia laser tương đối an toàn. Với độ IV, thậm chí chùm

tia phân kỳ

có thể làm hỏng mắt hay bỏng da. Các sản phẩm laser cho đồ dân dụng như

máy chơi CD

bút laser

dùng trong lớp học được xếp hạng an toàn từ I, II, hay III. (Xem thêm

An toàn laser

).

Ứng dụng của laser[

sửa

|

sửa mã nguồn

]

Laser ứng dụng trong điều trị bệnh

da liễu

.

Vào thời điểm được phát minh năm

1960

, laser được gọi là “giải pháp để tìm kiếm các ứng dụng”. Từ đó, chúng trở nên phổ biến, tìm thấy hàng ngàn tiện ích trong các ứng dụng khác nhau trên mọi lĩnh vực của xã hội hiện đại, như

phẫu thuật mắt

,

hướng dẫn phương tiện

trong

tàu không gian

, trong các phản ứng tổng hợp hạt nhân… Laser được cho là một trong những

phát minh

có ảnh hưởng nhất trong

thế kỉ 20

.

Ích lợi của laser đối với các ứng dụng trong

khoa học

,

công nghiệp

,

kinh doanh

nằm ở tính

đồng pha

,

đồng màu

cao, khả năng đạt được

cường độ sáng

cực kì cao, hay sự hợp nhất của các yếu tố trên. Ví dụ, sự đồng pha của tia laser cho phép nó

hội tụ

tại một điểm có kích thước nhỏ nhất cho phép bởi

giới hạn nhiễu xạ

, chỉ rộng vài

nanômét

đối với laser dùng

ánh sáng

. Tính chất này cho phép laser có thể lưu trữ vài

gigabyte

thông tin

trên các rãnh của

DVD

. Cũng là điều kiện cho phép laser với

công suất

nhỏ vẫn có thể tập trung

cường độ sáng

cao và dùng để cắt, đốt và có thể làm bốc hơi vật liệu trong kỹ thuật

cắt bằng laser

hay

dao laser

. Ví dụ, một

laser Nd:YAG

, sau quá trình

nhân đôi tần số

, phóng ra tia sáng xanh tại bước sóng 523

nm

với công suất 10

W

có khả năng, trên lý thuyết, đạt đến cường độ sáng hàng triệu W trên một

cm

vuông. Trong thực tế, thì sự tập trung hoàn toàn của tia laser trong giới hạn nhiễu xạ là rất khó. (Xem thêm

Ứng dụng của laser

)

Tia sáng laser với cường độ cao có thể cắt

thép

và các

kim loại

khác. Tia từ laser thường có

độ phân kì

rất nhỏ (

độ chuẩn trực

cao). Độ chuẩn trực tuyệt đối là không thể tạo ra, bởi

giới hạn nhiễu xạ

. Tuy nhiên, tia laser có độ phân kỳ nhỏ hơn so với các nguồn sáng khác. Một tia laser được tạo từ

laser He-Ne

, nếu chiếu từ

Trái Đất

lên

Mặt Trăng

, sẽ tạo nên một

hình tròn

đường kính

khoảng 1

dặm

(1,6 kilômét). Một vài laser, đặc biệt là với

laser bán dẫn

, có với kích thước nhỏ dẫn đến hiệu ứng nhiễu xạ mạnh với độ phân kỳ cao. Tuy nhiên, các tia phân kỳ đó có thể chuyển đổi về tia chuẩn trục bằng các

thấu kính hội tụ

. Trái lại, ánh sáng không phải từ laser không thể làm cho chuẩn trực dễ dàng bằng các thiết bị quang học, vì

chiều dài đồng pha

ngắn hơn rất nhiều so với tia laser. Định luật nhiễu xạ không áp dụng khi laser được truyền trong các

thiết bị dẫn sóng

như

sợi thủy tinh

. Laser cường độ cao cũng tạo nên các

hiệu ứng

thú vị trong

quang học phi tuyến tính

.

Máy đo khoảng cách bằng laser trong quân sự là loại thiết bị quan trọng. Có nhiều loại khác nhau: máy đo cự ly hàng không, máy đo cự ly xe tăng, máy đo cự ly xách tay… Máy đo cự ly hàng không đo chính xác cự ly từ máy bay đến mục tiêu trên mặt đất, nâng cao độ trúng đích khi ném bom. Nguyên lý hoạt động: đo khoảng thời gian chênh lệch giữa xung laser phát ra và xung phản hồi về rồi nhân với tốc độ ánh sáng (≈ 3.108 m/s), lấy kết quả chia 2, được cự ly cần đo.

Rada laser có độ chính xác cao hơn rada thông thường, có thể hướng dẫn hai tàu vũ trụ ghép nối chính xác trên không gian. Máy bay chiến đấu bay ở tầm siêu thấp, nếu trang bị rada laser có thể né chính xác tất cả chướng ngại vật, kể cả đường dây điện. Tuy nhiên, những thiết bị laser đều chịu ảnh hưởng của thời tiết, trời mù hoặc mưa thì khoảng cách đo bị giảm đi nhiều.

Bom có lắp thiết bị dẫn đường bằng laser và đuôi có lắp hệ thống lái điều khiển sẽ tự động tìm kiếm và đánh trúng mục tiêu.

La bàn laser thay thế la bàn phổ thông, để đo phương vị máy bay, dùng trong máy bay phản lực cỡ lớn và máy bay chiến đấu tính năng cao.

Tia laser đo khoảng cách từ vệ tinh và Mặt Trăng đến Trái Đất, đo đạc toàn cầu. Ngoài ra, chùm tia laser còn làm náo nhiệt không khí lễ hội.

Trong đo lường công nghiệp, tia laser được sử dụng trong các máy đo quét laser để xác định các tọa độ 3D của vật thể, nhằm tính toán kích thước, khoảng cách.

Tia laser còn được dùng làm vũ khí, tuy chưa được phổ biến. Được chia làm hai loại: Vũ khí laser công suất thấp làm loá mắt đối phương, dùng trong tác chiến gần, khoảng cách chỉ vài km, trời mưa mù khoảng cách còn ngắn hơn, có thể xách tay, lắp trên xe tăng, máy bay trực thăng. Vũ khí laser năng lượng cao dùng chùm tia laser cực mạnh chiếu đến một điểm trên mục tiêu, dừng lại một thời gian ngắn để vật liệu chảy ra hoặc khí hoá. Chùm tia laser mạnh có thể phá huỷ đường điện, gây cháy thùng nguyên liệu trong máy bay, gây nổ đạn đạo. Lắp đặt trên mặt đất, trên tàu, máy bay, vệ tinh, có tốc độ nhanh, chính xác cao, không cần thuốc mồi, không sinh lực đẩy phía sau, không tạo ô nhiễm nên nó là loại vũ khí “sạch sẽ”. Vũ khí laser lắp đặt trên vệ tinh có thể bắn hạ tên lửa đạn đạo và vệ tinh đối phương.

Theo dự tính, để phá huỷ tên lửa đạn đạo cách xa 1000 km cần năng lượng laser 20000 KW và kính phản xạ đường kính 10 m với thời gian chiếu xạ 1 giây. Đầu những năm 90, Mỹ có thể tạo ra tia laser năng lượng 5000 KW. Tuy vẫn còn một khoảng cách khá xa nhưng trong tương lai, vũ khí laser sẽ trở thành công cụ chiến tranh lợi hại và là cuộc đua công nghệ của các cường quốc trên thế giới.

Trong y học, laser công suất thấp được sử dụng trong vật lý trị liệu để gây hiệu ứng sinh học,

[1]

và laser công suất lớn gây hiệu ứng đốt dùng trong điều trị thoát vị đĩa đệm cột sống.

[2]

Xem thêm: Cách tìm nguyên hàm của hàm số f(x) và Bài tập vận dụng-Toán 12 Chuyên đề

Các nhầm lẫn[

sửa

|

sửa mã nguồn

]

Sự hiện diện của laser trong các tác phẩm

khoa học viễn tưởng

, hay

phim hành động

, cũng như lời bình phẩm nói chung dẫn đến các suy nghĩ sai lầm. Ví dụ, trái với những gì xuất hiện trên phim như

Star Wars

, tia laser không bao giờ nhìn thấy trong

chân không

, vì chân không không có

tán xạ

ánh sáng. Trong không khí, tia laser có thể va chạm với

bụi

hay vật cản trên đường và bị tán xạ, tạo ra các tia lóe sáng; tương tự như ánh nắng mặt trời tỏa sáng trong môi trường bụi. Kĩ xảo dùng hạt bụi được ứng dụng làm tia laser có thể nhìn thấy, như trong mục đích chụp ảnh, bằng cách tăng số lượng các hạt bụi trong không khí, chẳng hạn dùng

bình xịt thơm

.

Tia laser với cường độ cao có thể nhìn thấy trong không khí nhờ vào

tán xạ Rayleigh

hay

tán xạ Raman

. Với các tia có cường độ cao hơn, tập trung tại một điểm nhỏ, không khí có thể bị nung lên đến

trạng thái plasma

, do đó laser có thể được thấy nhờ bức xạ từ

plasma

này. Tuy nhiên sự tăng áp suất đột ngột khi không khí bị nóng nhanh có thể tạo ra tiếng nổ lớn, và tạo ra sự phản hồi của tia laser làm hư thiết bị (tùy vào thiết kế của laser).

Trong phim

khoa học viễn tưởng

, các

hiệu ứng đặc biệt

thường miêu tả các vũ khí laser truyền đi vài

mét

trong một

giây

, trái với thực tế là tia laser di chuyển với

vận tốc ánh sáng

, nhanh đến mức không thể thấy sự di chuyển của tia laser.

Một vài cảnh phim miêu tả hệ thống an toàn sử dụng laser đỏ, có thể được vô hiệu hóa bởi các nhân vật bằng việc là sử dụng

gương

, khi người này nhìn thấy tia laser bằng cách rải các bụi trắng vào không khí. Thực tế thì hệ thống an toàn có thể dùng tia laser

hồng ngoại

hơn là tia laser thấy được.

Tham khảo[

sửa

|

sửa mã nguồn

]

  1. ^

    Mai Trung Dũng.

    “Laser công suất thấp”

    .

  2. ^

    Mai Trung Dũng.

    “Điều trị giảm áp đĩa đệm bằng tia LASER”

    .

Xem thêm[

sửa

|

sửa mã nguồn

]

  • Cấu trúc hệ thống laser

Liên kết ngoài[

sửa

|

sửa mã nguồn

]

  • Sơ đồ thiết bị tạo tia laser hồng ngọc

  • Electron nhẩy lền tầng năng lượng cao hơn

Lấy từ “

https://vi.wikipedia.org/w/index.php?title=Laser&oldid=65056809

Chuyên mục: Kiến thức

Related Articles

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *

Check Also
Close
Back to top button