khoa hoc@doi song/Laser, ky thuat cua the ky 21

LASER, KỸ THUẬT CỦA THẾ KỶ 21

Trần Hùng

25 tháng 10 năm 2007

® Phải có sự đồng ý của tác giả cũng như ghi rõ nguồn "www.khoahoc.net" khi bạn phát hành lại thông tin từ website này

Ánh sáng là một yếu tố rất quan trọng cho sự sống còn của các sinh vật trên trái đất. Nếu không còn ánh sáng, quả địa cầu sẽ băng giá và không còn sự sống. Dưới ánh sáng mặt trời, trăm hoa đua nở, muôn màu, muôn sắc và cũng nhờ ánh sáng chúng ta mới nhận biết được vẻ đẹp của nó.

Quả đất chúng ta nhận ánh sáng từ mặt trời, phát ra từ năng lượng do sự kết hợp ( fusion ) của các nguyên tử hydrogen và các đồng vị của nó. Theo quang học, ánh sáng là một phát xạ điện từ ( electromagnetic radiation ), vừa có tính chất hạt ( partical ) vừa có tính chất sóng ( wave ). Vì có tính chất sóng nên ánh sáng được đo băng độ dài sóng ( wavelength ). Khi cho một tia sáng mặt trời xuyên qua một lăng kính hình tam giác, ta sẽ thấy tia sáng này đượ̣c phân thành các màu : đỏ ( red ), cam ( orange ), vàng ( yellow ), xanh lá cây ( green ), xanh nước biển ( blue ), và tím ̣( violet ). Bảng màu này được gọi là quang phổ ( spectrum ). Mỗi màu có một độ dài sóng riêng biệt. Chúng ta nhìn thấy thật rỏ ràng các màu này ở cầu vòng ̣hay móng trời, ( rainbow ). Khi không khí ẩm, một lớp hơi nước được hình thành trên không trung, khi ánh sáng mặt trời xuyên qua lớp hơi nước này, dưới một gốc độ thích hợp, lớp hơi nước này sẽ có tính chất của một lăng kính, chia ánh sáng thành nhiều màu như ta đã thấy hiện tượng cầu vòng.

Hiện nay con người đã sáng chế ra những tia sáng một màu vô cùng sáng chói , rất hữu ích và cũng rất là nguy hiểm. Đó là tia LASER.

Trải qua hơn 40 năm, kể từ một chiếc máy Laser đầu tiên ra đời, được phát minh bởi Dr.Theodore Maiman tại Hughes Laboratory vào năm 1960, ngành Laser đã âm thầm phát triển và phát triển vượt bậc. Bây giờ thì Laser đã được ứng dụng trong hầu hết các lãnh vực : nghiên cứu khoa học, không gian, quân sự, y tế, kỹ nghệ, thông tin , giải trí .....Laser đã trở thành kỷ thuật cao ( high tech ) của thế kỷ 21.

Vậy Laser là gì ? Thế nào là một tia Laser ? Và làm sao để sản sinh một tia Laser?

Trước hết chúng ta xem cái định nghĩa của nó, rồi trong phạm vi bài này chúng ta sơ lược qua lý thuyết về Laser, các đặc tính , các thành phần chính cấu tạo một máy Laser, rồi nói đến các loại Laser và cuối cùng là các ứng dụng cực kỳ lợi hại của nó. Tuy sơ lược nhưng cũng đủ cho chúng ta có được một khái niệm về LASER.

Định nghĩa về Laser : Laser là chữ ghép các mẫu tự đầu của định nghĩa sau đây : Light Amplication by Stimulation Emission of Radiation. Stimulation emission of radiation là một phát kiến của Albert Einstein vào năm 1916. ( Chúng ta sẽ thấy như thế nào là stimulation emission of radiation ở vào phần lý thuyết về Laser ).

Lý thuyết về tia Laser : Muốn biết Laser hoạt động ra sao chúng ta phải quay trở về cấu trúc của một nguyên tử ở trạng thái tĩnh và trạng thái khích động. Cấu trúc nguyên tử của Bohr.

Mỗi nguyên tử chứa đựng một năng lượng khác nhau, mà số âm điện tử đầy đủ ở mỗi vòng được tính theo công thức Ze= 2n2 ( Sigma e = 2n square, n là số thứ tự của quỷ đạo âm điện tử ). Khi nguyên tử không nhận ( absorb ) thêm một năng lượng nào từ bên ngoài cung cấp, chỉ có năng lượng sẵn có của chính nó, nguyên tử được nằm trong trạng thái tĩnh ̣( atomic ground state ). Nếu nguyên tử nhận thêm năng lượng được cung cấp từ bên ngoài, nguyên tử có năng lượng cao hơn và một hay nhiều âm điện tử sẽ nhảy ra vòng ngoài của quỷ đạo, lúc này nguyên tử ở trong trạng thái khích động ( atomic exited state ). Để hiểu rỏ thêm lý thuyết về Laser, chúng ta cần phải biết đến mật độ khích động ( Population Inversion ).

Mật độ khích động là gì? Mật độ khích động ( population inversion ): Đó là số nguyên tử ở trạng thái khích động ( exited state ) lớn hơn số nguyên tử ở trạng thái tỉnh ( ground state ) trong một vật được hấp thụ năng lượng. Khi mật độ khích động ( population inversion ) đã đạt được, các nguyên tử khích động ( exited state ) có khuynh hướng nhả ra năng lượng đã được hấp thụ để trở về trạng thái tỉnh ( ground state ). Tiến trình này có thể xảy ra trong một giai đoạn hay nhiều giai đoạn kế tiếp nhau. Ví dụ như một nguyên tử trong thái khích động ở mức năng lượng E3 rơi trực tiếp xuống năng lượng E1 ( ground state ) hay qua hai giai đoạn , từ mức năng lượng E3 ̣( exited state ) rơi xuống mức năng lượng E2 rồi mới rơi xuống mức năng lượng E1 ̣( ground state ). Đặc biệt trong nhiều trường hợp năng lượng được nguyên tử nhả ra dưới hình thức một quang tử ( photon ). Quang tử được định nghĩa như là một phần nhỏ nhất của ánh sáng mà nó vẫn giữ nguyên tính chất của ánh sáng. Mỗi màu của ánh sáng có mỗi quang tử riêng của nó, có cùng độ dài sóng ( wavelength ). Tuy nhiên trong quá trình chuyển đổi năng lượng này, ánh sáng được phóng ra một cách ngẫu nhiên, không đồng bộ được gọi là phát sáng ngẫu nhiên ( spontaneous emission of light ). Loại tia sáng này không có tính chất một ánh sáng laser , không phải là tia laser. Nhưng, ( cái nhưng này là điều kiện tối cần để sản sinh ra một tia Laser, được đưa ra bởi Einstein ) khi chúng ta kích thích tiến trình phát sáng này bằng một quang tử ̣ ( photon ) mà năng lượng của nó bằng năng lượng chuyển đổi của nguyên tử : e = E3 – E1 ( e là năng lượng của quang tử, E3 – E1 là năng lượng nhả ra của nguyên tử ), quang tử này được gọi là quang tử thích hợp ( right photon ). Chính quang tử này sẽ kích thích những nguyên tử khích động(̣ exited state ) phóng ra một quang tử y hệt như nó ( right photon ) rồi từ đó sinh ra một phản ứng dây chuyền, ánh sáng đồng loạt phát ra có cùng một tính chất đó là tia Laser. Tiến trình này được gọi là khích động phát sáng(̣ stimulation emission ). Stimulation Emission được dùng trong định nghĩa của Laser : Light Amplication by Stimulation Emission of Radiation ( như đã nói ở trên ).

Đặc tính của tia Laser : Tia Laser có 3 đặc tính sau đây :

a- Đơn sắc ( Monochromatic ) : Tia Laser phát ra chỉ có một màu, khác với ánh sáng thông thường như ánh sáng mặt trời, ánh sáng của lửa, ánh sáng của bóng đèn...nó bao gồm nhiều màu trong đó. Ánh sáng Laser chỉ có một màu ( đơn sắc ), mỗi một màu của tia Laser được xác định bởi độ dài sóng ̣̣( wavelength ) của nó . Đơn vị được dùng cho độ dài sóng của ánh sáng là nanometer, viết tắc là nm. Dưới đây là độ dài sóng của mỗi tia Laser :

Tia : - Hồng ngoại ( Infrared ) Độ dài sóng từ : 700nm đến 3000nm

- Đỏ ( Red ) : 650nm đến 700nm

- Cam ( Orange ) : 600nm đến 650nm

- Vàng ( Yellow ) : 550nm đến 600nm

- Xanh lá cây ( Green ) : 480nm đến 550nm

- Xanh nước biển (Blue ) : 400nm đến 480nm

- Tím ( Violet and Ultra Violet ) : 200nm đến 400nm

b- Đẳng hướng ( Directionality ) : Tia sáng Laser ̉ truyền đi chỉ một hướng, khác với tia sáng thường ̣( normal ) , truyền đi mọi hướng .

c- Cùng pha ( Coherence ) : Tất cả những sóng của tia Laser di chuyển cùng pha ở mọi điểm.

Cấu trúc chính của một máy Laser: Dù Laser có rất nhiều loại máy khác nhau, nhưng tựu trung vẫn phải có bốn bộ phận cơ bản sau đây :

1- Bộ phận cung cấp năng lượng ̣( Excited Mechanism ) : Bộ phận này cung cấp hay bơm ( pump ) năng lượng cho các nguyên tử trong bộ phận khích động ( Active Medium ) từ trạng thái tỉnh ( ground state ) lên trạng thái khích động ( excited state ) để tạo nên mật độ khích động ( population inversion ) sẵn sàng phát sáng .Bộ cung cấp năng lượng này có thể là dòng điện , flash lamp , hay một Laser khác

2- Bộ phận khích động ( Active Medium ) : Bộ phận này nhận năng lượng được cung cấp bởi bộ phận cung cấp năng lượng làm cho các nguyên tử hay các phân tử trong bản thân nó trở nên khích động cho đến khi tạo tạo ra mật độ khích động ( population inversion ) sẳn sàng nhả ra năng lượng dưới hình thức ánh sáng . Active medium có thể là chất ở thể hơi, thể lỏng, thể rắn hay chất bán dẫn.

3- Bộ phản hồi ánh sáng ( Feedback Mechanism ) : Đó là một hay nhiều bộ kính có độ phản chiếu rất cao trên 99%. Tia sáng được phản chiếu qua lại giữa các bộ kính này để gia tăng cường độ áng sáng.

4- Out put Coupler : Bộ phận này thường được gọi tắt là OC. Đó là một phần rất nhỏ nằm trên một mặt kính phản chiếu chỉ cho phép khoảng 5% tia Laser được truyền ra ngoài .

Làm thế nào để 4 bộ phận chính kia sản sinh ra tia Laser ?

Khi bộ Excited Mechanism hoạt động, năng lượng cung cấp được hấp thụ bởi Active Medium làm cho các nguyên tử của nó chuyển từ ground state lên excited state tạo nên một population inversion để rồi sau đó nguyên tử sẽ nhả ra năng lượng dưới hình thức ánh sáng . Chính nhờ các quang tử di chuyển dọc theo trục của Active Medium , các quang tử này là các right photon kích thích các nguyên tử khích động phát ra những quang tử ( photon) y hệt như nó và rồi từ đó phát sinh ra một phản ứng dây chuyền phát sáng tạo thành ánh sáng Laser. Ánh sáng Laser được phản chiếu qua lại trong Active Medium bởi những bộ kính phản chiếu, làm cho cường độ của nó tăng cường lên gấp bội. Một phần nhỏ ánh sáng Laser, độ 5% sẽ đi xuyên qua Output Coupler ra ngoài tạo thành tia Laser.

Các loại Laser :

Tùy theo vật thể được dùng trong Active Medium, Laser được phân thành các loại chính như sau :

1- Gas Laser : Dùng gas làm Active Medium gồm có : HeNe Laser cho tia màu đỏ, Ar-Kr Laser cho màu từ xanh nước biển đến xanh lá cây...

2- Liquid Dye Laser : Dùng liquid làm Active Medium như Rhodamine 6G. Đặc biệt loại Laser này có thể điều chỉnh được wavelength. Điều chỉnh wavelength để cho ra loại màu mong muốn, từ cực tím đến hồng ngoại.

3- Solid state Laser : Dùng solid crystal làm Active Medium, như Ruby và Neodyum cho tia hồng ngoại.

4- Molecular Laser : Dùng phân tử khí làm Active Medium như N2, CO2 Laser cho tia hồng ngoại.

5- Metal vapor Laser : Dùng hơi kim loại làm Active Nedium như HeCad Laser, Copper Laser cho tia màu xanh nước biển.

6- Simiconductor Laser : Active Medium là lớp giữa của 2 lớp simiconductor, còn được gọi là Diode Laser. Diode Laser hiện nay là một sản phẩm rất quan trọng, được dùng để pump các loại Laser khác và được dùng trong ngành viễn thông cùng với fiber optics. Diode Laser cho đến hiện nay, cho tia từ hồng ngoại đến xanh nước biển.

Các ứng dụng của Laser:

- Nghiên cứu khoa học: Laser được dùng rất nhiều trong nghiên cứu khoa học như: Laser- induced nuclear fusion, dùng nhiều tia Laser cực mạnh để tạo ra một vụ tổng hợp khinh khí (̣ hydrogene fusion.) Isotope enrichment : làm giàu các chất đồng vị, đặc biệt là uranium và plutonium.....

- Không gian : Phương án chiến tranh tinh cầu ( Star War) , dùng các Laser cực mạnh để hủy diệt các vệ tinh và đầu đạn nguyên tử của địch.

- Quân sự : Laser beam dùng xác định khoảng cách đạn đạo cho pháo binh, xe tăng. Hướng dẫn bomb chính xác đến mục tiêu. Laser được gắn trên các loại súng để ngắm đúng mục tiêu. Súng Laser dùng để bắn máy bay địch , cũng như bắn nổ các quả ̣đạn phaó địch khi chúng được phóng lên ......

- Kỹ nghệ : Tia Laser dùng để hàn, cắt sắt, thép. Được dùng trong các máy CD, DVD, đọc các bar code để tính tiền tại các siêu thi, cung như tại các shopping center.̣( tại các siêu thị, cashier tính tiền bằng cách scan bar code của thực phẩm qua một tia laser màu đỏ nằm ở trong cái bàn của cashier , để ý sẽ thấy ).Laser cũng được dùng trong ngành điện tử để kiểm tra circuit board. ̣ Hiện nay đa số các hảng điện tử lớn đều dùng máy kiểm tra circuit board bằng Laser. Máy này được sản xuất từ Israel nhưng Laser họ dùng trong máy này mua từ Mỹ. Laser được dùng để tạo hình ảnh 3 chiều va được dùng trong các Laser show....

- Thông tin : Hiện nay Laser kết hợp với fiber optics được xử dụng trong nganh viễn thông sẽ dần dà thay thế các dây cáp điện thoại bằng đồng như hiện nay...

- Y tế : Laser được dùng trong các ca mỗ, rất tiện và hữu dụng, thay thế cho dao mỗ, máu tự động cầm lại không cần phải cầm máu bằng cách dùng kẹp như dao mỗ. Lasik , một ngành mới dùng Laser để mỗ mắt đang trên đà phát triển mạnh.

Laser còn được dùng cho các bà ! Để làm gì nhỉ ? Để sửa sắc đẹp đó.

Sửa già thành trẻ, xấu thành đẹp , bảo đảm mà, tuy nhiên hơi nặng tiền một chút. Ngại gì, miễn trẻ và đẹp là được rồi , phải không ?

Trần Hùng - Laser Technology-Spectra Physics

Trở về Trang Chính