Laser khí HE -Ne

TIỂU LUẬN LASER He – Ne

CHƯƠNG I:  ĐẠI CƯƠNG VỀ LASER KHÍ

1. Sơ đồ các mức năng lượng[]
2. Sự nghịch đảo mật độ đảo lộn[]

-         Dưới sự tác động của hiệu điện thế cao, các electron của thạch anh di chuyển từ mức năng lượng thấp lên mức năng lương cao tạo nên trạng thái đảo nghịch mật độ 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 khuyếch 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 ra ngoài nhờ có gương bán mạ tại một đầu của vật liệu. Tia sáng đi ra chính là tia laser.

3. Cấu tạo cơ bản[][]

-         Hoạt chất laser: Là môi trường chứa các hoạt chất có khả năng phát ra bức xạ laser khi được kích hoạt bằng một nguồn năng lượng.

-         Nguồn bơm: Là nguồn năng lượng để duy trì hoạt động của môi trường hoạt chất laser, giữ cho hoạt chất luôn luôn ở trạng thái có số phần tử ởø mức B nhiều hơn ở mức A.

-         Buồng cộng hưởng: Bao gồm 1 gương phản xạ toàn phần và 1 gương bán mờ (độ phản xạ từ 70% đến 99%). Buồng cộng hưởng cho phép nguồn sáng kích thích chất nhiều lần và chùm tia sáng bức xạ sẽ được khuyếch đại và chọn lọc qua gương phản xạ toàn phần và gương mờ cho đến khi ổn định để phát ra chùm sáng laser.

1. Đặc điểm và tính chất chung của Laser khí[][]

-         Là loại laser có môi trường hoạt tính nằm trong pha khí

-         Laser phát chủ yếu trong chế độ liên tục có nhiều ứng dụng kỹ thuật

-         Có thể thực hiện kích thích bằng hai quá trình là bơm điện và bơm quang học

-         Hầu hết nguyên tố ở trạng thái khí đều có thể phát laser.

-         Rất nhiều nguyên tử, phân tử có thể phát laser.

-         Ưu điểm so với laser khác : dễ chế tạo, cấu trúc phổ năng lượng của khí phân tử hay nguyên tử đã được nghiên cứu kỹ

-         Vùng bước sóng khá rộng từ tử ngoại đến hồng ngoại, có thể đạt công suất lớn

2. Phân loại laser khí

Tùy theo môi trường hoạt tính của laser khí, đến nay ta có thể phân laser khí thành 5 loại sau:

-         Laser khí đơn nguyên tử với môi trường hoạt tính là các khí hiếm: NeI, ArI, OI,NI, He – Ne,…

-         Laser khí ion có môi trường hoạt tính là các khi như: ArII, ArIII, KrIII,OIII, OIV, HgII,..

-         Laser khí phân tử có môi trường hoạt tính là các chất khí hoạt động ở áp suất thường như: N2, H2O, CO, CO2,…

-         Laser hơi kim loại là laser khí làm việc ở pha khí sau khi kim loại bị bốt hơi.

-         Laser excimer[3]

CHƯƠNG II: LASER He – Ne

1. Lịch sử[1][]

Laser He – Ne là laser khí được phát minh đầu tiên vào cuối năm 1960. Là một trong những loại laser khí được ứng dụng rộng rãi nhất hiện nay trong nhiều lĩnh vực như y học, quân sự, công nghiệp,… và được sản xuất với qui mô công nghiệp[]

2. Đặc điểm laser He – Ne

-         Là loại laser khí nguyên tử có môi trường hoạt tính là khí He – Ne

-         Sự phát laser xảy ra trên các mức năng của Ne, còn He thêm vào là tác nhân truyền kích thích cộng hưởng trong quá trình bơm[2].

-         So với laser rắn thì độ rộng các mức năng lượng của laser khí là khá nhỏ nên ta phải dùng bơm điện thay vì bơm quang học như laser rắn. Vì vậy, có thể kích thích laser khí hoạt động ở dòng phóng điện thấp.

-         Vùng bước sóng khá rộng từ tử ngoại đến hồng ngoại.

3. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động laser He – Ne[]
   1. Cấu tạo

Laser He – Ne cấu tạo gồm các bộ phân chủ yếu sau:

-         Buồng cộng hưởng chứa khí He – Ne

-         Một gương phản xạ toàn phần

-         Một gương bán phản xạ

-         Nguồn điện

1.1  Nguyên lý hoạt động

Laser He – Ne hoạt động

2. Cơ chế mật độ đảo lộn[]

1. Điều kiện tối ưu[][][]

2. Ứng dụng[][][][][]

7.1. Ứng dụng của laser trong nghiên cứu khoa học:

  a. Nghiên cứu về Quang học phi tuyến:

Như chúng ta đã biết trong quang học cổ điển các nguồn sáng phát sóng là những nguồn không kết hợp và có cường độ nhỏ. Khi tương tác của ánh sáng với các môi trường vật chất, độ phân cực của môi trường chỉ là hàm tuyến tính của cường độ điện trường của sóng tới.

P =

ở đây, P là độ phân cực của môi trường.

  là độ cảm điện của môi trường.

E là cường độ điện trường

Khi cường độ sóng lớn như cỡ bức xạ laser thì ta có thể biểu diễn lại độ phân cực như sau:

P =

Khi E càng lớn thì số hạng bậc cao của E càng trở nên có tác dụng lớn và chúng dẫn đến những hiệu ứng mới trước đây không quan sát được, đó là các hiệu ứng quang phi tuyến. Ngày nay người ta đã nghiên cứu kĩ lưỡng cả trên phương diện lí thuyết lẫn thực nghiệm về các hiệu ứng quang phi tuyến, mở ra một ngành khoa học mới là ngành Quang học phi tuyến với nhiều hướng nghiên cứu khác nhau và ứng dụng khác nhau ở lĩnh vực này.

 b. Holography:

 Holography là tên thường gọi của chụp ảnh khối. Nguyên lí của holography được đề xuất 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 sử dụng nguồn sáng này để thu được ảnh khối của vật và nghiên cứu về holography được phát triển rất nhanh và trở thành một ngành khoa học riêng trong vật lí và quang học kĩ thuật.

+ Holography là một phương pháp ghi hình như phương pháp chụp ảnh nhờ máy ảnh. Tuy nhiên nó có những ưu điểm nổi bật hơn phương pháp chụp ảnh thông thường.

-         Phương pháp này chụp ảnh không cần thấu kính.

-         Nó cho hình ảnh khối của vật, nghĩa là cho hình ảnh 3 chiều.

-                                                                                 Holography ghi lại các sóng tán xạ từ vật bao gồm cả biên độ và pha của sóng và ở bất cứ điểm nào của Holography cũng có các tín hiệu từ toàn vật chụp . Do vậy, nếu như ta bẻ gãy Holography tanh nhiều phần thì mỗi mảnh nhỏ đó cũng vẫn có đủ những thông tin của sóng tán xạ từ vật và cho ta hình ảnh cả vật khi phục hồi. Đây là một đặc tính quan trọng của Holography để có thể có được nhiều bản  sao chép của vật , dễ bảo quản và nhân lên.

-         Do holography có hình khối nên nó có thể ghi lại tín hiệu từ các vật khác nhau trên các vùng khác nhau, nghĩa là có thể cùng một lúc giữ lại nhiều thông tin.

+ Với những ưu điểm như vừa nêu trên thì hiện tại người ta đang và sẽ mở ra nhiều ứng dụng thú vị và quan trọng như sau:

-         Nếu người ta ghi lại một lượng thông tin lớn ở một yếu tố thể tích của holography thì nó có thể trở thành bộ nhớ tốt nhất cho máy tính. Vì nó được ghi lại và phục hồi bằng ánh sáng nên dẫn tới việc xây dựng các máy tính điện tử quang học. Đối với loại máy tính này thì tốc độ xử lý thông tin nhanh gấp nhiều lần máy tính hiện có do trong máy tính quang học tốc độ lan truyền tín hiệu là vận tốc ánh sáng trong môi trường.

-         Khi sử dụng các loại ánh sáng khác nhau để ghi lại Holoraphy thì khi phục hồi bằng ánh sáng trắng ta có thể thấy được hình ảnh màu của vật. Đay chính là nguyên tắc chụp ảnh màu và video màu. Và trong tương lai thì kỹ thuật chụp ảnh, truyền hình nổi và màu rất có triển vọng.

-         Vì holography cho ta hình ảnh khối vật nên người ta có thể sả dụng mẫu để kiểm tra sản phẩm như lốp ô tô khi so sánh với một lốp chuẩn xem có sai hỏng gì không….

-         Nhờ phương pháp này người ta dễ dàng ghi lại hình ảnh khối của các sinh vật nhỏ khi chúng đang chuyển động hoặc ngay cả tên lửa, máy bay khi chúng đang chuyển động để có thể nghiên cứu sự thay đổi theo thời gian của các vât trên theo những mục đích nghiên cứu khác nhau.

 c. Nghiên cứu plasma nóng và các phản ứng nhiệt hạch:

Do tia laser có tính chất là công suất cao, ở chế độ phát xung có thể đạt được công suất cỡ 1012 – 1015 W nên khi bắn tia laser vào vật chất có thể tạo ra được plasma ở nhiệt độ cao. Và ở nhiệt độ cao này sẽ có các phản ứng nhiệt hạch, từ đây mở ra khả năng nghiên cứu phản ứng nhiệt hạch có điều khiển được trong phòng thí nghiệm.

d. Nghiên cứu sinh hóa hiện đại:

 Trong các phản ứng hóa học khi có dự tham gia của nhiều đồng vị hóa học thường gặp khó khăn khi ta muốn loại trừ ảnh hưởng của đồng vị nào đó trong liên kết. Tuy nhiên, do các đồng vị có năng lượng liên kết hóa học sai khác nhau ít nên chỉ có nhờ tia laser có độ đơn sắc cao mới dễ dàng phá hủy liên kết nào đó khi có sự tương tác cộng hưởng. Năng lượng bức xạ laser hf sẽ phá hủy chỉ liên kết nào tương ứng với năng lượng này mà không ảnh hưởng đến các loại dao động với tần số f1, f2, f3,…khác rất ít f. Người ta nói rằng đay chính là sự phá hủy hay kích thích chọn lọc phản ứng hóa học. Chính điều này mở ra khả năng nghiên cứu các sản phẩm trung gian của hóa học, nghiên cứu quá trình diễn biến theo thời gian của phản ứng, đây là điều mà khoa học đã mơ ước từ bấy lâu nay. Cũng chính nhờ có laser mà các nhà khoa học còn có thể nghiên cứu được phản ứng ở trạng thái kích thích.

7.2. Ứng dụng của laser trong khoa học kĩ thuật:

Có thể nói đây là lĩnh vực rộng rãi của sự áp dụng laser và đang có nhiều kết quả lí thú.

7.2.1Trong thông tin liên lạc:

 Vì laser có tính chất là độ đơn sắc cao và tính kết hợp cao nên laser được sử dụng rộng rãi và nhanh nhất trong ngành thông tin liên lạc.

Sử dụng tia laser có những ưu điểm sau:

So với sóng vô tuyến dải sóng truyền tin của tia laser lớn gấp bội ví dụ với sóng vô tuyến tần số sử dụng là 104 – 3.1011Hz nên dải sóng truyền tăng lên đến 5.104 lần. Do đó, các bức xạ laser nằm trong khoảng 0,4 – 0,8 và với mỗi kênh truyền tin là 6,5 MHz thì sử dụng laser ta có thể có gần 80.105 kênh truyền cùng một lúc và gấp 105 lần kênh truyền khi sử dụng sóng cực ngắn.

Ngoài ra, do tia laser có tính chất là mang năng lượng lớn nên nó có thể đi xa hơn các sóng vô tuyến. Do nếu sử dụng tia laser thì giảm được hang tỷ lần năng lượng cần dung. Vì vậy, tia laser được sử dụng trong truyền tin trong vũ trụ.

 Và nếu sử dụng các bước sóng thích hợp có thể truyền tin ở các môi trường khác nhau như trong sương mù, ở dưới biển…

7.2.2 Trong nghiên cứu vũ trụ:

Tia laser được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu vũ trụ, ví dụ như:

-         Tia laser được sử dụng để xác định vị trí các vật thể trong vũ trụ.

-         Theo dõi các tàu vũ trụ và liên lạc với chúng.

-         Điều khiển các tàu vũ trụ.

7.3 Trong các ngành khoa học khác:

7.3.1 Trong công nghệ gia công kim loại:

Dựa vào tính chất tia laser có cường độ lớn nên có thể khoan, hàn, cắt, gọt kim loại. Tia laser có đường kính nhỏ nên có thể thu được các lỗ khoan có đường kính cỡ bước sóng khoan được những kim loại cứng như bạch kim, hồng ngọc…Với các laser xung công suất lớn việc gia công kim loại đợc tiến hành nhanh và hiệu suất cao nên ngày nay nó được sử dụng rộng rãi trong các công đoạn khác nhau.

7.3.2.Trong đo lường tiêu chuẩn:

 Tia laser có độ ổn định về tần số đã trở thành thước đo chiều dài chuẩn. Các bức xạ của laser Cd để làm tần số chuẩn, bức xạ của laser He - Ne để đo tốc độ của ánh sáng…

7.3.3 Trong khí tượng:

Dùng tia laser có thể đo được nồng độ các hạt hơi nước trong các đám mây để dự đoán thời tiết. Bằng cách thả các bóng thám không trước đây, việc xác định thời tiết thường lâu và tốn kém.

7.3.4 Ứng dụng của lazer trong y học

 Các ứng dụng cơ bản của laser trong y học:

a. Trong chuẩn đoán, có nhiều thiết bị chuẩn đoán sử dụng laser như :

- Máy Dopler Laser thăm dò, đo dòng máu trong cơ thể.
- Máy chụp cắt lớp laser.
- Các máy dò tìm, đo đạc, dẫn đường trong chuẩn đoán.

b. Trong điều trị:

Ứng dụng của laser trong điều trị rất phong phú:

-         Da liễu: tẩy xóa các u, mụn, các đốm sắc tố như nốt ruồi tàn nhang, các bớt bẩm sinh vv…

-         Nhãn khoa: rất nhiều ứng dụng như điều trị hàn gắn các tổn thương võng mạc, điều trị các tổn thương giác mạc, trong các phẩu thuật sửa chữa các tật khúc xạ của mắt và phẩu thuật điều trị các bệnh lý khác của mắt.

-          Hệ thống tiêu hóa: tán sỏi ống mật chủ, trong các thủ thuật ngoại khoa điều trị các khối u đựng tiêu hóa, trong tạo hình thực quản, trong việc hàn gắn các tổn thương mạch máu nội tạng như trong các trường hợp ung thư, viêm loét đường tiêu hóa, v..v...

-         Sản phụ khoa: điều trị các tổn thương bệnh lý cổ tử cung để tránh nguy cơ ung thư hóa.

-         Tai – Mũi – Họng: điều trị các tổn thương của dây thanh êm, các bệnh lý và tổn thương vùng họng hầu.

-         Thần kinh: điều trị các tổn thương dạng u do hệ thống thần kinh.

-         Hô hấp: điều trị các khối u phổi, các tổn thương bệnh ly không phải do u, và hàn gắn cả các tổn thương khí quản do đặt ống nội khí quản khi gây mê hay do thủ thuật mở khí quản cấp cứu.

-         Tim mạch: phá hủy các mảng xơ vữa ở thành động mạch.

3. Tác dụng kích thích sinh học:
    Có rất nhiều loại laser công suất thấp được sử dụng để khai thác khả năng kích thích các quá trình sinh học.
    Nhiều công trình nghiên cứu cũng như thực tế ứng dụng lâm sàng cho thấy hiệu ứng kích thích sinh học khi chiếu laser có rất nhiều ứng dụng mang lại hiệu quả cao trong công việc phòng bệnh và chữa bệnh, duy trì sức khỏe con người.
      
    ° Chiếu điều trị vết thương:
       + Sát trùng vết thương
       + Tiêu hủy các tế bào mô chết
       + Tăng cường chống viêm, giảm đau
       + Tăng sinh các mô lành
       + Kích thích tổ chức hạt ở vết thương phát triển nhanh
       + Thúc đẩy nhanh quá trình lành sẹo và hồi phục chức năng
     ° Chiếu kích thích tổ chức lành:
       + Để hồi phục và tăng cường sức khỏe
      + Để duy trì và tăng cường hoạt động sinh lý bình thường của các cơ quan trong cơ thể
       + Điều chỉnh các rối loạn và tăng cường hoạt động của hệ tim mạch
       + Duy trì chức năng bình thường của các hoạt động tâm thần kinh
       + Châm cứu bằng laser
       + Tăng lưu lượng máu đến những vùng được chiếu

d. Trong thẩm mỹ

Cũng trên cơ sở những hiệu ứng sinh học của laser và những ứng dụng của laser trong y học, chúng ta nhấn mạnh thêm những ứng dụng của laser trong thẩm mỹ.
  
Trong thẩm mỹ sử dụng laser theo 2 hướng: Giải phẫu thẩm mỹ và săn sóc thẩm mỹ (Nội khoa thẩm mỹ). Được sử dụng phổ biến và hiệu quả cao như  LASER CO2, ND- YAG, Erbium,Q-Nd, Fraxel, V-beam, Ruby, laser kết hợp CO2 – erbium/YAG, vv…