Sơ lược laze – Lý thuyết, Công thức, Bài tập minh họa và Trắc nghiệm
1. Giới thiệu về laser
- Laser (hay còn được gọi là laze) là viết tắt của cụm từ “Light Amplification by Stimulated ission of Radiation”, nghĩa là “khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ cảm ứng bức xạ”.
- Laser được phát minh vào năm 1960. Ngay sau đó, các nhà khoa học bắt đầu nghiên cứu ứng dụng laser trong y tế từ năm 1961 để điều trị các bệnh về da và võng mạc bong.
- Laser có các đặc tính nổi bật như: độ đơn sắc cao, độ kết hợp cao, có tính định hướng và cường độ lớn.
2. Nguyên lý hoạt động của laser
- Ba thành phần cơ bản của laser gồm: môi trường hoạt chất khuếch đại ánh sáng, buồng cộng hưởng quang học tạo phản hồi, và bơm quang học cung cấp năng lượng duy trì trạng thái nghịch đảo.
- Quá trình phát xạ kích thích xảy ra khi electron ở trạng thái kích thích tương tác với photon và giải phóng năng lượng dưới dạng một photon có cùng tần số, pha và phân cực với photon kích thích.
- Buồng cộng hưởng gồm hai gương phản xạ đối diện nhau, một gương phản xạ hoàn toàn và một gương bán phản xạ. Chỉ các mode dọc trục tương ứng với bội số của nửa bước sóng mới được duy trì trong buồng cộng hưởng.
3. Phân loại laser theo môi trường hoạt chất
- Laser rắn sử dụng chất rắn, thường là tinh thể pha tạp ion đất hiếm hoặc ion kim loại chuyển tiếp làm môi trường hoạt chất, ví dụ như Nd:YAG, Er:YAG, Ti:Sapphire.
- Laser khí dùng hỗn hợp khí như He-Ne, CO2, N2, Ar, Kr làm môi trường hoạt chất.
- Laser chất lỏng sử dụng dung dịch chất nhuộm hữu cơ làm môi trường hoạt chất, cho phép điều chỉnh bước sóng trong dải rộng từ UV đến NIR.
- Laser bán dẫn dùng vật liệu bán dẫn như GaAs, InGaAs, GaN làm môi trường hoạt chất.
4. Phân loại laser theo chế độ hoạt động
- Laser liên tục (CW laser) phát xạ chùm tia liên tục theo thời gian với công suất ổn định.
- Laser xung (Pulsed laser) phát ra các xung laser với năng lượng cao trong khoảng thời gian ngắn, có thể đạt tới fto giây hoặc pico giây.
5. Phân loại laser theo bước sóng
- Laser tử ngoại có bước sóng ngắn hơn 400 nm.
- Laser khả kiến phát bức xạ trong dải ánh sáng nhìn thấy từ 400-700 nm.
- Laser hồng ngoại có bước sóng dài hơn 700 nm.
6. Ứng dụng của laser trong công nghiệp
- Laser được sử dụng rộng rãi trong gia công vật liệu như cắt, khắc, hàn kim loại, polyme, gốm.
- Công nghệ laser cho phép gia công các chi tiết có hình dạng phức tạp, kích thước nhỏ với độ chính xác cao mà khó thực hiện bằng các phương pháp gia công truyền thống.
- Laser còn được dùng để đánh dấu, tạo kết cấu bề mặt, phủ lớp, lắng đọng hơi hóa học, lắng đọng hơi vật lý, cân bằng động, thăm dò dầu khí…
7. Ứng dụng của laser trong y tế
- Laser được ứng dụng rộng rãi trong phẫu thuật, nhãn khoa, da liễu, tim mạch để cắt, đốt, làm đông máu, điều trị các khối u, sỏi thận, sỏi mật, các tổn thương da…
- Liệu pháp quang động (PDT) sử dụng laser kết hợp với chất nhạy cảm quang để phá hủy có chọn lọc mô bệnh, được dùng điều trị ung thư da, thoái hóa điểm vàng…
- Laser công suất thấp còn được dùng trong vật lý trị liệu, châm cứu, giảm đau…
8. Ứng dụng của laser trong khoa học
- Các kỹ thuật quang phổ laser như quang phổ hấp thụ, quang phổ phát xạ, quang phổ Raman được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu vật lý, hóa học, sinh học.
- Laser được ứng dụng trong các thiết bị giao thoa kế, đo khoảng cách, tốc độ với độ chính xác cao.
- Laser xung siêu ngắn cho phép nghiên cứu các quá trình động học phân tử, điện tử diễn ra trong thang thời gian cực ngắn.
9. Ứng dụng của laser trong đời sống
- Laser bán dẫn được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị viễn thông quang, truyền thông quang sợi, lưu trữ dữ liệu quang học.
- Laser tìm được ứng dụng trong công nghệ in ấn, quét mã vạch, cắt vải trong ngành dệt may.
- Ngoài ra, laser còn được dùng cho các ứng dụng giải trí như chiếu hình 3D, trình diễn nghệ thuật, chiếu sáng sân khấu…
10. An toàn laser và các biện pháp bảo vệ
- Tiêu chuẩn ANSI Z136.1 phân chia laser thành các cấp: 1, 1M, 2, 2M, 3R, 3B và 4. Laser cấp 3B, 4 có khả năng gây tổn thương mắt, da ngay cả khi tiếp xúc gián tiếp hoặc phản xạ khuếch tán.
- Bức xạ laser có thể gây các tác hại nhiệt, quang hóa, quang ion hóa lên mô sinh học, đặc biệt nguy hiểm cho mắt do đặc tính quang học của mắt.
- Các biện pháp an toàn gồm: sử dụng kính bảo hộ laser phù hợp, che chắn chùm tia, hạn chế tiếp cận, lắp đặt khóa liên động, biển báo cảnh báo, đào tạo an toàn, kiểm tra sức khỏe định kỳ….
Công thức
- Năng lượng của một photon:$E=hf$
- Công thức tính công suất của tia laze:$P=\frac{E}{t}$
Bài tập minh họa (có lời giải)
Bài 1
Dùng một laze khí CO2 có công suất bằng 8W làm dao mổ. Tia laze khí chiếu vào chỗ nào sẽ làm nước của phần mô chỗ đó bốc hơi, từ đó mô bị cắt. Đã biết nhiệt dung, nhiệt hóa hơi và khối lượng riêng của nước lần lượt bằng: c = 4,18 kJ/kg.K; L = 2260 kJ/kg; D = 1000 kg/m3. Tính thể tích nước bị bốc hơi trong 1 giây.
Lời giải:
$
\begin{align}
Q &= cm\Delta T + mL \\
&= 8 \times 1 \\
& \Rightarrow m(c\Delta T + L)\\
&= 8 \\
& \Rightarrow m = \frac{8}{c\Delta T + L} \\
&= \frac{8}{4,18 \times (100-37) + 2260} \\
&\approx 3,32 \times 10^{-3} \text{(kg)}
\end{align}
$
Thể tích nước bị bốc hơi trong 1 giây:
$V = \frac{m}{D} = \frac{3,32 \times 10^{-3}}{1000} \approx 3,32 \times 10^{-6} \text{(m}^3\text{)}$
Bài 2
Người ta dùng một laze hoạt động dưới chế độ liên tục để khoan một tấm thép. Công suất chùm là P = 10W. Đường kính của chùm sáng là d = 0,2mm. Tính cường độ của chùm sáng.
Lời giải:
Diện tích tiết diện chùm sáng:
$\begin{aligned}
S &= \pi R^2 \\
&=\pi (\frac{d}{2})^2 \\
&= \frac{\pi}{4}d^2 \\
&= \frac{3,14}{4} \times (0,2 \times 10^{-3})^2 \\
&= 3,14 \times 10^{-8} \text{(m}^2\text{)}
\end{aligned}$
Cường độ chùm sáng:
$I = \frac{P}{S} = \frac{10}{3,14 \times 10^{-8}} = 3,18 \times 10^8 \text{(W/m}^2\text{)}$
Bài 3
Dùng 1 chùm tia laze có công suất là 10W để có thể nấu chảy một khối thép nặng 1kg. Nhiệt độ ban đầu của khối thép t0 là 30°,nhiệt nóng chảy của thép là 1530°C. Biết nhiệt dung riêng của thép là 460J/kg.K. Tính thời gian cần thiết để nấu chảy khối thép trên.
Lời giải:
Nhiệt lượng cần để nấu chảy khối thép:
$\begin{aligned}
Q &= mc\Delta T \\
&= 1 \times 460 \times (1530 – 30) \\
&= 690000 \text{(J)}\
\end{aligned}$
Thời gian cần thiết:
$t = \frac{Q}{P} = \frac{690000}{10} = 69000 \text{(s)} = 19,17 \text{(h)}$
Bài 4
Một laze rubi phát ra ánh sáng đơn sắc có bước sóng λ = 0,6943 μm. Tính tần số f của ánh sáng đó. Cho biết vận tốc ánh sáng trong chân không c = 3.108 m/s.
Lời giải:
$f = \frac{c}{\lambda} = \frac{3 \times 10^8}{0,6943 \times 10^{-6}} \approx 4,32 \times 10^{14} \text{(Hz)}$
Bài 5
Một laze He-Ne phát ra bức xạ có bước sóng 632,8 nm. Tính năng lượng của một phôtôn trong chùm tia laze đó. Cho h = 6,625.10-34 J.s.
Lời giải:
$\begin{aligned}
E = hf \
= \frac{hc}{\lambda} \
&= \frac{6,625 \times 10^{-34} \times 3 \times 10^8}{632,8 \times 10^{-9}} \\
& \approx 3,14 \times 10^{-19} \text{(J)}
\end{aligned}$
Bài 6
Một laze bán dẫn GaAs phát ra ánh sáng có bước sóng 840 nm. Tính năng lượng của một phôtôn trong chùm tia laze đó. Cho h = 6,625.10-34 J.s.
Lời giải:
$\begin{aligned}
E = hf = \frac{hc}{\lambda} \
&= \frac{6,625 \times 10^{-34} \times 3 \times 10^8}{840 \times 10^{-9}} \\
& \approx 2,37 \times 10^{-19} \text{(J)}
\end{aligned}$
Bài 7
Một laze CO2 phát ra bức xạ có bước sóng 10,6 μm. Tính tần số của bức xạ đó. Cho biết vận tốc ánh sáng trong chân không c = 3.108 m/s.
Lời giải:
$f = \frac{c}{\lambda} = \frac{3 \times 10^8}{10,6 \times 10^{-6}} \approx 2,83 \times 10^{13} \text{(Hz)}$
Bài 8
Một laze Nd:YAG phát ra ánh sáng có bước sóng 1064 nm. Tính năng lượng của một phôtôn trong chùm tia laze đó. Cho h = 6,625.10-34 J.s.
Lời giải:
$\begin{aligned}
E = hf = \frac{hc}{\lambda}\
&= \frac{6,625 \times 10^{-34} \times 3 \times 10^8}{1064 \times 10^{-9}} \\
&\approx 1,87 \times 10^{-19} \text{(J)}
\end{aligned}$
Bài 9
Một laze excimer ArF phát ra bức xạ có bước sóng 193 nm. Tính tần số của bức xạ đó. Cho biết vận tốc ánh sáng trong chân không c = 3.108 m/s.
Lời giải:
$f = \frac{c}{\lambda} = \frac{3 \times 10^8}{193 \times 10^{-9}} \approx 1,55 \times 10^{15} \text{(Hz)}$
Bài 10
Một laze Ar+ phát ra ánh sáng lục có bước sóng 514,5 nm. Tính năng lượng của một phôtôn trong chùm tia laze đó. Cho h = 6,625.10-34 J.s.
Lời giải:
$\begin{aligned}E = hf = \frac{hc}{\lambda} \
&= \frac{6,625 \times 10^{-34} \times 3 \times 10^8}{514,5 \times 10^{-9}} \\
& \approx 3,86 \times 10^{-19} \text{(J)}\end{aligned}$
Câu hỏi trắc nghiệm (có đáp án)
- Từ viết tắt LASER có nghĩa là gì?
A. Light Absorption by Stimulated ission of Radiation
B. Light Amplification by Stimulated ission of Radiation
C. Light Alteration by Stimulated ission of Radiation
D. Light Amplification by Spontaneous ission of Radiation
Đáp án: B - Ai là người đầu tiên đưa ra ý tưởng về sự phát xạ kích thích?
A. Alexander Graham Bell
B. Isaac Newton
C. Arthur Schawlow
D. Albert Einstein
Đáp án: D - Đặc tính nào sau đây không phải của ánh sáng laze?
A. Đơn sắc
B. Kết hợp
C. Phân kỳ
D. Cường độ cao
Đáp án: C - Loại laze nào được coi là “an toàn cho mắt”?
A. Laze quét mã vạch
B. Laze eximer
C. Laze truyền thông
Đáp án: A - Loại laze nào được sử dụng trong đầu đọc CD và DVD?
A. Laze bán dẫn
B. Laze YAG
C. Laze Alexandrite
Đáp án: A - Màu sắc của ánh sáng được xác định bởi:
A. Cường độ
B. Bước sóng
C. Nguồn phát
Đáp án: B - Màu sắc nào có bước sóng ngắn nhất?
A. Vàng
B. Xanh dương
C. Đỏ
D. Xanh lá
Đáp án: B - Tính chất nào của ánh sáng laze được dùng để đo biến dạng của đường?
A. Cường độ
B. Công suất
C. Tính kết hợp
Đáp án: C - Loại laze nào được sử dụng rộng rãi nhất trong ứng dụng gia công vật liệu công nghiệp?
A. Laze màu
B. Laze YAG
C. Laze Ruby
D. Laze CO2
Đáp án: D - Laze Eximer phát ra ánh sáng có bước sóng thuộc vùng nào?
A. Khả kiến
B. Tử ngoại
C. Hồng ngoại
Đáp án: B - Năng lượng laze được sử dụng để phá vỡ sỏi thận hoặc sỏi mật trong quá trình gọi là gì?
A. Trbecularplasty
B. Lithotripsy
C. Viscocanalostomy
Đáp án: B - Hầu hết các laze có hiệu suất điện:
A. Cao
B. Thấp
Đáp án: B - Laze hóa học sử dụng gì để tạo ra chùm tia?
A. Năng lượng điện quá mức
B. Năng lượng điện nhỏ
C. Không dùng năng lượng điện
Đáp án: C - Loại laze nào có thể gây ung thư da nếu sử dụng không đúng cách?
A. Laze bán dẫn đỏ
B. Laze bán dẫn xanh dương
C. Laze Eximer
D. Laze YAG
Đáp án: C - Laze được sử dụng trong hệ thống truyền thông quang vì:
A. Chính phủ quy định bắt buộc
B. Chúng có thể được xung với dữ liệu tốc độ cao
C. Chúng rất rẻ
Đáp án: B - Khi bước sóng dài hơn, ánh sáng laze có thể được hội tụ thành:
A. Vết lớn hơn
B. Vết nhỏ hơn
Đáp án: A - Laze được sử dụng trong máy in laze vì:
A. Chúng có thể hội tụ thành các vết rất nhỏ để có độ phân giải cao
B. Chúng rẻ
C. Chúng không thể bị hỏng
Đáp án: A - Laze được sử dụng để cắt vật liệu vì:
A. Không bao giờ bị cùn
B. Có vùng ảnh hưởng nhiệt nhỏ
C. Chính xác
D. Cắt mịn hơn
E. Có thể lặp lại
F. Tất cả các ý trên
Đáp án: F - Cơ sở Ignition Quốc gia sẽ sử dụng loại laze nào cho thí nghiệm năng lượng hợp hạch?
A. Neodymium-glass
B. Argon
C. Rhodamine
Đáp án: A - Photon có thể được mô tả là:
A. Rắn như đá
B. Một gói sóng
C. Ngư lôi
Đáp án: B
