LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc tới Ban Giám
hiệu tạo điều kiện để em nghiên cứu và hoàn thành đề tài của mình.
Em xin chân thành cảm ơn các Thầy, Cô giáo đã hết sức tận tình giảng dạy,
chỉ bảo và hướng dẫn cho em trong suốt quá trình học tập cũng như quá trình thực
hiện đề tài này.
Đặc biệt, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới cô giáo Lê Thị Phương Hiền
đã trực tiếp hướng dẫn, tận tình chỉ bảo cho em trong suốt quá trình em thực hiện đề
tài.
Em cũng xin chân thành cảm ơn Ban tổ chức cuộc thi đã tạo ra một sân chơi bổ
ích giúp học sinh chúng em phát huy được những sở trường của mình.
Cuối cùng xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè và những người thân đã
giúp đỡ, động viên em trong quá trình thực hiện đề tài này.
Thái Nguyên, tháng 11 năm 2015
Tác giả

Nguyễn Thị Trà Giang

1


MỞ ĐẦU

4

1. Lý do chọn đề tài:

4

2 Mục đích nghiên cứu


8
8
9

4. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động chung của laser

10

4.1 Cấu tạo

10

4.2. Phân loại laser.

13

4.3. Nguyên lý làm việc của máy phát laser

17

CHƯƠNG II. ỨNG DỤNG CỦA LASER VÀ CÁC LƯU Ý KHI SỬ DỤNG
LASER
1. Ứng dụng của Laser
1.1.Trong khoa học
1.2.Trong y - sinh học
1.3.Trong kỹ thuật-công nghiệp

21
21
21

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Từ khi được phát minh cho tới nay, laser đã không ngừng được nghiên cứu và
phát triển. Với nhu cầu ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các lĩnh vực nghiên cứu khoa
học và ứng dụng cùng những tiến bộ trong lĩnh vực khoa học vật liệu và quang điện
tử, laser ngày càng được phát triển đa dạng về chủng loại và đồng thời kĩ thuật phát
laser ngày càng được hoàn thiện.
Với những tính chất ưu việt so với nguồn sáng thông thường, tia laser từ khi ra
đời cho đến nay đã khẳng định được vị trí quan trọng trong nhiều lĩnh vực: nghiên
cứu y - sinh học, hóa học, quân sự, môi trường, khoa học nano, cuộc sống ...
Tuy nhiên, khi được sử dụng rộng rãi – nhất là trong cuộc sống thì vấn đề an
toàn trong sử dụng laser lại chưa được chú trọng, hoặc có thì cũng chỉ đối với các
nhà nghiên cứu, trong phòng thí nghiệm. Còn các thiết bị như đèn laser, bút chỉ
laser,... dùng trong cuộc sống hàng ngày thì ít ai để ý tới, nó có gây hại với con
người hay không, có ảnh hưởng đến mắt và da hay không hầu như rất ít người quan
tâm. Người xử dụng hay tiếp xúc với nguồn sáng này không biết rằng rất có thể mắt
của họ đang bị ảnh hưởng, và thị lực tự nhiện giảm trầm trọng là có lí do.
2. Mục đích nghiêm cứu
- Nhằm trang bị cho mình những kiến thức về laser nói chung
- Tìm hiểu về những ứng dụng và tầm quan trọng của laser trong đời sống.
- Nghiên cứu về mức độ ảnh hưởng của laser của laser đối với con người, cụ thể là
mắt và da. Từ đó đưa ra cảnh báo đối với người sử dụng.
3. Đối tượng nghiên cứu
- Các thiết bị có phát chùm sáng laser: Bút chỉ laser, đèn laser có công suất khác
nhau, súng laser đồ chơi trẻ em
4. Giả thuyết nghiên cứu
- Có thể tìm hiểu các mức độ ảnh hưởng của chùm sáng laser đối với con người,
từ đó đưa ra cảnh báo, những điều cần lưu ý khi sử dụng laser trong cuộc sống.
6. Phương pháp nghiên cứu


ngành khác nhau của nền kinh tế quốc gia.
Laser được phỏng theo maser. Laser và maser có cơ chế hoạt động giống nhau.
Nhưng khác nhau ở chỗ, maser hoạt động với tần số phôtôn ở vùng vi sóng (sóng vi
ba), còn laser hoạt động trong vùng cực tím, ánh sáng nhìn thấy hay vùng hồng
ngoại.

Albert Einstein (1879 – 1955)
Tóm lược lịch sử phát triển của laser:
• 1984 - 1940: Lịch sử phát triển của phổ học thiên văn

6


• 1917: Einstein đưa ra thuyết phôtôn và bức xạ cưỡng bức
• 1954: Maser đầu tiên ra đời.
• 1960: Laser quang học đầu tiên ra đời bởi Theodore Maiman and
Nikolai Bassow: Laser Ruby.
• 1965: Phát hiện ra laser vi ba trong tinh vân Orion.
• 1965: Sự phát hiện ra phông bức xạ của vũ trụ nhờ sử dụng sóng vi ba
• 1966: Laser khí động lực đầu tiên ra đời.
• 1970: Lần đầu tiên đưa laser hoạt động lên các vì sao.
• 1973: Phát hiện laser hoạt động trên các chuẩn tinh (ngôi sao).
• 1979: Laser hồng ngoại gần tìm thấy ở tinh vân Orion.
• 1981: Laser CO2 được tìm thấy ở trong khí quyển và sao Kim.
• 1984: Laser tia X đầu tiên được ra đời.
• 1993: Laser Plasma đầu tiên ra đời.
• 1994: Sử dụng laser nhân tạo làm thiết bị chỉ dẫn tới các ngôi sao.
• 1995: Laser hồng ngoại xa được tìm thấy bởi Kuiper Airborne
Observatory.
• 1996: Laser tử ngoại được tìm thấy bởi Hubble Space Telescope.


Hình 1.3. Độ định hướng của laser
3.1.3. Có khả năng phát xung cực ngắn
Xung ngắn cỡ mili giây (ms), nano giây, pico giây (ps), femto giây (fs) cho
phép tập trung năng lượng tia laser cực lớn trong thời gian cực ngắn
3.1.4. Độ rộng phổ
Độ chói của nguồn sáng được tính bằng cách chia công suất của chùm sáng cho
độ rộng của phổ. Vì độ rộng của phổ Laser rất nhỏ nên laser có độ tập trung các tia
sáng rất cao, hay nói cách khác là độ chói rất cao so với các nguồn sáng khác.
Ví dụ: laser có công suất thấp là laser He-Ne cũng có độ chói gấp hàng vạn lần
độ chói của ánh sáng mặt trời. Những laser có công suất lớn có độ chói cao gấp hàng
triệu lần mặt trời.
3.1.5. Tính kết hợp cao
Tia laser có tính kết hợp rất cao so với ánh sáng từ các nguồn khác. Có thể
trưc tiếp sử dụng các chùm tia này để tạo ra giao thoa.
3.1.6. Cường độ lớn
Cường độ điện trường trong chùm tia laser có thể đạt được 10 10 V/m. Công
suất tia laser có thể đạt được là 105 W ở chế độ liên tục và 1012 W ở chế độ xung.
Đây là những tính chất ưu việt mà những tia sáng bình thường không có được.
Vì thế, laser là một nguồn sáng quý giá có nhiều ứng dụng cụ thể.
3.2. Tính chất sinh học
3.2.1. Hiệu ứng kích thích sinh học.

9


Thường xảy ra với Laser công suất thấp cỡ mW, tác động lên các đặc tính sống
như: quá trình sinh tổng hợp protein, quá trình tích luỹ sinh khối, quá trình hô hấp tế
bào. Làm gia tăng quá trình phân bào, thay đổi hoạt tính men, thay đổi tính thấm
màng tế bào, tăng miễn dịch không đặc hiệu…

� Phản ứng húa học

Bơm

CHÙM LASER

MÔI TRƯỜNG LASER
�
�
�
�

chất rắn
chất khớ
chất lỏng
chất bỏn dẫn

BCH QUANG HỌC

Hình 1.4. Cấu hình nguyên tắc của laser
4.1.1 Môi trường hoạt chất
Là môi trường vật chất có khả năng khuếch đại ánh sáng đi qua nó. Trong
hoạt chất, ánh sáng đi qua không bị hấp thụ mà năng lượng còn được khuếch đại lên.
Cường độ và công suất lối ra luôn lớn hơn lối vào.
Tuỳ theo các loại hoạt chất khác nhau mà ta có các loại laser khác nhau:
• Hoạt chất là chất rắn
Có khoảng 200 chất rắn có khả năng dùng làm môi trường hoạt chất
laser. Đó là các tinh thể hay thuỷ tinh (glass) được pha tạp bằng các iôn hiếm
như: Nd3+, Sm+3, Cr+3...
• Hoạt chất là chất khí

này chạy dọc theo trục của buồng cộng hưởng, phản xạ nhiều lần qua hai gương làm
cho cường độ bức xạ cảm ứng được khuyếch đại. ánh sáng laser được phát ra dọc
theo trục của buồng cộng hưởng có độ phân kì rất nhỏ. Các gương này không chỉ tạo
ra ánh sáng cường độ cao mà còn làm cho tia laser có dải tần cực hẹp khi khoảng
cách giữa hai gương thoả mãn hệ thức.
L=n

λ
c
=n
2
2ν

(1.1)

12


Với n là số nguyên dương, ν là tần số cộng hưởng, λ là bước sóng của bức xạ
cảm ứng.
4.2. Phân loại laser.
Như đã trình bày ở phần trên, với các hoạt chất khác nhau sẽ có các loại laser
khác nhau đó là: laser rắn, laser lỏng, laser khí, laser bán dẫn.
4.2.1. Laser rắn.
Có khoảng 200 chất rắn có khả năng dùng làm môi trường hoạt chất Laser. Một
số loại chất rắn thông dụng như :
- YAG-Neodym: hoạt chất là Yttrium Aluminium Garnet, cộng thêm 2-5%
Neodym có bước sóng λ = 1064 nm, thuộc phổ hồng ngoại.
- Ruby hồng ngọc: hoạt chất là một thanh Ruby. Ruby là tinh thể Al2O3, trong
đó một số iôn Al3+ được thay thế bằng Cr3+. Laser hồng ngọc có bước sóng λ =


Laser khí nguyên tử (He-Ne)

•

Laser khí iôn (laser Ar+)

•

Laser khí phân tử (laser CO2, laser N2)

Laser khí thông dụng đó là laser He-Ne. Laser này dùng một hỗn hợp khí gồm
90% khí He và 10% khí Ne ở áp suất thấp làm môi trường hoạt chất. Laser He-Ne có
λ = 632,8 nm thuộc phổ ánh sáng đỏ trong vùng nhìn thấy, công suất nhỏ từ 1 đến
vài chục mW (hình 1.6).

Hình 1.6: Laser He-Ne

14


Laser Argon có hoạt chất là khí Argon có λ = 488 - 514,5 nm.
Laser CO2 có λ = 1060 nm thuộc phổ hồng ngoại xa, công suất phát xạ có thể
đạt tới mê ga oát (MW). Trong y học nó được dùng làm dao mổ.
4.2.3. Laser lỏng
Gồm 3 loại :
- Laser chelate hữu cơ-đất hiếm
- Laser vô cơ oxyd cloride-neodym-selen
- Laser màu
Trong đó, laser màu đang có nhiều ứng dụng phổ biến nhất (hình 1.7 là các


xúc
Các mặt gương

Hình 1.8. Cấu trúc cơ bản và bức xạ laser ra của một laser diode

Loại thông dụng nhất là diode Gallium Arsen (GaAs) có bước sóng 890 nm
thuộc phổ hồng ngoại gần. Cụ thể về cấu tạo và hoạt động của laser bán dẫn sẽ được
trình bày kĩ hơn ở chương 2.
4.3. Nguyên lý làm việc của máy phát laser

16


4.3.1. Điều kiện làm việc của máy phát laser
Xét một môi trường có hai mức năng lượng 1 và 2 (hình 1.9. Mật độ tích luỹ
tương ứng là N1 và N2, ta có thể biểu diễn các quá trình dịch chuyển bức xạ trong các
nguyên tử này như trên hình vẽ sau đây:

(a)

(b)

(c)

Hình 1.9 Các quá trình dịch chuyển bức xạ
Sự biến thiên độ tích luỹ của các mức có thể gây nên bởi các quá trình sau:
+) quá trình bức xạ tự phát từ mức 2 xuống mức 1(hình 1.9- a), quá trình này
được quy định bởi:


bằng nhau.
Giả sử trong môi trường này theo hướng z có một sóng phẳng đơn sắc tần số υ ,
cường độ ứng với mật độ dong phôtôn F truyền qua. Khi đó, biến thiên mật độ dòng
phôtôn dF qua một lớp dz của môi trường được xác định như sau:
dF = σ F ( N 2 − N1 ) dz

(1.5)

ở trạng thái cân bằng nhiệt động, độ tích luỹ mức năng lượng tuân theo định
luật phân bố Boltzman:
E −E
− 2 1
N2
= e kT
N1

(1.6)

trong đó, k là hằng số Boltzman, T là nhiệt độ tuyệt đối.
Như vậy, ở cân bằng nhiệt động dễ thấy rằng N 2 < N1 và môi trường hấp thụ
ánh sáng tần số υ . Do vậy, để có môi trường khuếch đại thì ta phải tạo được trạng
thái không cân bằng nhiệt động, tức là N 2 > N1 . Khi đó, người ta nói rằng đã tạo
được nghịch đảo độ tích luỹ. Đây cũng chính là điều kiện phát ra tia laser.
Tuy nhiên, ngoài việc thoả mãn điều kiện nghịch đảo độ tích luỹ, sự phát ra tia
laser chỉ xảy ra khi thực hiện được điều hiện ngưỡng đảm bảo sự khuếch đại của môi
trường bù trừ được những mất mát trong buồng cộng hưởng.
Từ biểu thức (1.5) : dF = σ F ( N 2 − N1 ) dz
Suy ra:

R1.R2 .e 2σ ( N 2 − N1 ) l = 1

- Phương pháp bơm điện
Sử dụng sự phóng điện đủ mạnh qua một môi trường chọn lọc để bơm các hạt
từ mức năng lượng thấp lên mức năng lượng cao.
Phương pháp này thuận lợi cho máy phát loại khí và bán dẫn.
4.3.2. Nguyên lý hoạt động của laser (các sơ đồ bơm)
Để tạo ra nghịch đảo độ tích lũy ta phải kích thích môi trường hoạt chất bằng
một cách nào đó. Có nhiều có khác nhau để kích thích các mức năng lượng hoạt
động laser, người ta gọi chung là bơm.
Nếu chỉ sử dụng 2 mức năng lượng của môi trường hoạt chất thì không thể tạo
ra nghịch đảo độ tích luỹ. ở trạng thái cân bằng nhiệt động, mức 1 được tích luỹ
nhiều hơn mức 2 nên sự hấp thụ chiếm ưu thế hơn bức xạ cưỡng bức. Có thể tích luỹ
mức 2 bằng cách chiếu vào hoạt chất ánh sáng tần số ν có hυ = E2 − E1 với cường độ
đủ lớn. Tuy nhiên, khi mật độ tích luỹ 2 mức bằng nhau (N 2 = N1), tức là qúa trình
hấp thụ và bức xạ cưỡng bức bù trừ lẫn nhau, thì môi trường sẽ trở nên trong suốt. Ta
chỉ đạt được sự bão hoà mà không có sự nghịch đảo độ tích luỹ. Như vậy, phải sử
dụng nhiều hơn hai mức.

19


Thông thường, người ta sử dụng 3 hoặc 4 mức năng lượng và gọi là các sơ đồ
bơm 3 hoặc 4 mức (Hình 1.10).
Trong laser hoạt động theo sơ đồ 3 mức bằng cách nào đó các nguyên tử được
chuyển từ mức 1 lên mức 3. Môi trường được chọn sao cho nguyên tử của nó sau khi
được kích thích lên mức 3 sẽ dịch chuyển nhanh về mức 2. Như vậy, có thể tạo được
nghịch đảo độ tích luỹ giữa mức 2 và 1.
Trong laser hoạt động theo sơ đồ 4 mức các nguyên tử được đưa từ mức cơ bản
1 lên mức 4. Nếu sau đó nguyên tử dịch chuyển nhanh về mức 3 thì giữa mức 3 và
mức 2 có thể có nghịch đảo độ tích luỹ. để laser hoạt động liên tục theo sơ đồ 4 mức
thì các hạt sau khi về mức 2 phải được dịch chuyển rất nhanh về mức 1.

lượng nhưng người ta thường sử dụng một trong hai sơ đồ bơm trên.

20


CHƯƠNG II. ỨNG DỤNG CỦA LASER VÀ CÁC LƯU Ý KHI SỬ DỤNG
LASER
1. Ứng dụng của Laser
Tia laser được cho là một trong những phát minh vĩ đại nhất thế kỷ XX. Tia
laser được sử dụng rộng rãi và có nhiều thành công trong hầu hết các lĩnh vực khoa
học, y tế, công nghệ, đời sống … Sau đây là một số ứng dụng cụ thể của laser :
1.1.Trong khoa học
- Nhờ cường độ lớn, tia laser trở thành nguồn sáng mạnh tạo nên các plasma
trên các chất khác nhau, làm bốc hơi vật liệu,…
- Với laser công suất lớn có thể tạo ra nhiệt độ hàng triệu độ, có thể nghiên cứu
được phản ứng nhiệt hạch có điều kiển trong phòng thí nghiệm.
- Laser có cường độ điện trường rất lớn (1010 V/m), do đó xuất hiện một lĩnh
vực mới là quang học phi tuyến (tạo ra các hoà ba bậc 2, bậc 3 …), trong đó người ta
nghiên cứu các tính chất quang học của vật liệu phụ thuộc vào cường độ điện trường
và cường độ bức xạ.

Hình 2.1 Laser dùng để nghiên cứu trong quang học phi tuyến
(hoà ba bậc hai, bậc 3: SHG, THG)
Gần đây, nhờ sự phát triển của công nghệ laser bán dẫn, công suất phát của
laser bán dẫn có thể đạt tới hàng chục oát (W) với phổ phát xạ tập trung trong một

21


khoảng phổ hẹp (2 ÷ 3 nm) có thể phù hợp với phổ hấp thụ của tinh thể laser. Do


Hình 2.2: (a) Laser diode bơm cho laser rắn Nê-ô-dym (Nd:YVO4).
(b) Hai laser diode bơm cho laser rắn Crôm (Cr:LiSAF).

1.2.Trong y - sinh học
- Nghiên cứu các quá trình tương tác của laser với tế bào.
- Dùng tia laser để chữa bệnh như: cận thị,..; dùng làm máy châm cứu,..; giúp
các bác sĩ phát hiện ra bệnh ung thư và một số bệnh hô hấp.

Hình 3.3. Chữa các tật khúc xạ của mắt bằng laser
1.3.Trong kỹ thuật-công nghiệp
- Nhờ có tích chất định hướng cao, cường độ mạnh, tia laser được dùng như các
công cụ tinh xảo để khoan, cắt, gọt, hàn (hình 3.4),... các vật liệu như kim loại hoặc
trên các vật liệu cứng như kim cương vớí độ chính xác rất cao.
23


a)

b)

c)

d)

Hình 2.4. Laser dùng để: a) cắt; b) khoan; c) khắc; d) hàn
- LASER bán dẫn được sử dụng trong việc đọc đĩa Compact.
+ Trong đĩa Compact thông tin được mã hóa dưới dạng mã nhị phân, ghi lên
một đĩa với các tín hiệu là các hốc và rãnh.
+ Người ta dùng một LASER bán dẫn loại (AlGa)As có bước sóng 0.83 µm