Laser

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).

LaserhayLightAmplification byStimulatedEmission of Radiationcó nghĩa là "khuếch đạiánh sángbằngphát xạ kích thích".

Theothuyết lượng tửthì trong mộtnguyên tử,cácelectrontồn tại ở cácmức năng lượngriêng biệt và rời rạc. Các mức năng lượng có thể hiểu là tương ứng với các quỹ đạo riêng biệt của electron xung quanhhạt nhân.Electron ở phía ngoài sẽ có mức năng lượng cao hơn những electron ở phía trong. Khi có sự tác độngvật lýhayhóa họctừ 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 hayphotontheothuyết lượng tửcủaAlbert Einstein.Bước sóng(liên quan đếnmàu 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 dụHe-Ne,hay dạng chất lỏng, song có độ bức xạ lớn nhất vẫn là tia laser tạo bởi cáclinh kiện bán dẫnnhưđiốt 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 nhưhòa âm ánh sáng, bút thuyết trình

Lịch sử

Laser He-Ne

Laser được phỏng theomaser,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 bởiCharles H. Townesvà sinh viên tốt nghiệp J.P. Gordon và H.J. Zeiger vào năm1953.Maser đầu tiên đó không tạo ra tia sóng một cách liên tục.Nikolay Gennadiyevich BasovvàAleksandr Mikhailovich ProkhorovcủaLiên bang Xô viếtđã 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. Năm1964,Charles Townes,Nikolai Basov và Aleksandr Prokhorov cùng nhậngiải thưởng Nobel vật lývề 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 năm1960,bởinhà vật lýTheodore Maimantại phòng thí nghiệm Hughes Laboratory ở Malibu,California.Hồng ngọclà oxitnhômpha lẫncrôm,crôm hấp thụ tia sáng màu xanh lá cây và xanh lục, để lại duy nhất tia sáng màu hồng phát ra.

Robert N. Hallphát triển laser bán dẫn đầu tiên, hayđiốt laser,năm1962.Thiết bị của Hall xây dựng trên hệ thống vật liệugali-asenvà tạo ra tia có bước sóng 850 nm, gần vùng quang phổtia hồng ngoại.Laser bán dẫn đầu tiên với tia phát ra có thể thấy được được trưng bày đầu tiên cùng năm đó. Năm1970,Zhores Ivanovich Alferovcủa Liên Xô và Hayashi và Panish củaPhòng thí nghiệm Bellđã độc lập phát triểnđiốt laserhoạt động liên tục ở nhiệt độ trong phòng, sử dụng cấu trúc đa kết nối.

Cấu tạo

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)Gươngphản xạtoàn 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.

Nguyên lý hoạt động

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 cholaser 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 hạtánh sángđược gọi làphoton.
• 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 cùngtần số,cùngphavà 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 cógương bán mạtại một đầu của vật liệu. Tia sáng đi ra chính là tia laser.

Phân loại

Laser chất rắn

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 làYttriumAluminiumGarnet(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(Ruby): hoạt chất là tinh thểAluminiumcó gắn nhữngioncrom,có bước sóng 694,3 nm thuộc vùng đỏ củaánh sángtrắng.
• Bán dẫn: loại thông dụng nhất là diotGalliumArsencó bước sóng 890 nm thuộc phổ hồng ngoại gần.

Laser chất khí

• He-Ne: hoạt chất là khíhelivàneon,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

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

Tính chất

• 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 xuất 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.

Các chế độ hoạt động

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

Trong chế độ phát liên tục, công suất của một laser tương đối không đổi so với thời gian. Sự đảo nghịch mật độelectroncần thiết cho hoạt động laser được duy trì liên tục bởi nguồn bơm năng lượng đều đặn.

Chế độ phát xung

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. Cácdao laserlà 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

Laser với cường độ thấp, chỉ là vàimiliwatt,cũng có thể nguy hiểm vớimắt người.Tại bước sóng màgiác mạc mắtvàthủy tinh thểcó thể tập trung tốt, nhờ tính đồng nhất và sự định hướng cao của laser, mộtcông suấtnăng lượnglớn 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 vàigiây,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 và bút laser dùng trong lớp học được xếp hạng an toàn từ I, II, hay III. (Xem thêmAn toàn laser).

Ứng dụng của laser

Laser ứng dụng trong điều trị bệnhda 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, nhưphẫu thuật mắt,hướng dẫn phương tiện trongtàu không gian,trong các phản ứng tổng hợp hạt nhân... Laser được cho là một trong nhữngphát minhcó ảnh hưởng nhất trongthế kỉ 20.

Ích lợi của laser đối với các ứng dụng trongkhoa học,công nghiệp,kinh doanhnằm 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 vàinanométđối với laser dùngánh sáng.Tính chất này cho phép laser có thể lưu trữ vàigigabytethông tintrên các rãnh củaDVD.Cũng là điều kiện cho phép laser vớicông suấtnhỏ vẫn có thể tập trung cường độ sáng cao và dùng để cắt, đốt và có thể làm bốc hơi vật liệu trong kỹ thuậtcắt bằng laserhaydao laser.Ví dụ, một laser Nd:YAG, sau quá trình nhân đôi tần số, phóng ra tia sáng xanh tại bước sóng 523nmvới công suất 10Wcó khả năng, trên lý thuyết, đạt đến cường độ sáng hàng triệu W trên mộtcmvuông. Trong thực tế, thì sự tập trung hoàn toàn của tia laser trong giới hạn nhiễu xạ là rất khó.

Tia sáng laser với cường độ cao có thể cắtthépvà cáckim loạikhác. 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 từlaser He-Ne,nếu chiếu từTrái ĐấtlênMặt Trăng,sẽ tạo nên mộthình trònđường kínhkhoảng 1dặm(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 cácthấu 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 nhưsợi thủy tinh.Laser cường độ cao cũng tạo nên các hiệu ứng thú vị trongquang 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 (≈ 3.10⁸m/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,

Các nhầm lẫn

Sự hiện diện của laser trong các tác phẩmkhoa học viễn tưởng,hayphim 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 nhưStar Wars,tia laser không bao giờ nhìn thấy trongchân không,vì chân không không cótán xạánh sáng. Trong không khí, tia laser có thể va chạm vớibụihay 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 vàotán xạ Rayleighhaytán xạ Raman.Với các tia có cường độ cao hơn, tập trung tại một điểm nhỏ, không khí có thể bị nung lên đếntrạng thái plasma,do đó laser có thể được thấy nhờ bức xạ từplasmanày. 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 phimkhoa học viễn tưởng,cáchiệu ứng đặc biệtthường miêu tả các vũ khí laser truyền đi vàiméttrong mộtgiây,trái với thực tế là tia laser di chuyển vớivận 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 dụnggương,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 laserhồng ngoạihơn là tia laser thấy được.

Xem thêm

• Cấu trúc hệ thống laser
• Ánh sáng

Liên kết ngoài

• Sơ đồ thiết bị tạo tia laser hồng ngọc
• Electron nhẩy lền tầng năng lượng cao hơn