Laze là gì? Cấu tạo, nguyên tắc hoạt động và Ứng dụng của Laze - Vật lý 12 bài 34

Vậy Laze là gì? Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của laze ra sao? laze có các ứng dụng cụ thể gì trong thực tế đời sống? chúng ta sẽ cùng đi tìm lời giải đáp qua bài viết này.

I. Cấu tạo và hoạt động của laze

1. Laze là gì?

- Laze là từ phiên âm của tiếng anh LASER được ghép từ những chữ cái đứng đầu của cụm từ Light Amplifier by Stimulated Emission of Radiation, chúng có nghĩa là: Máy khuếch đại ánh sáng bằng sự phát xạ cảm ứng.

- Có thể nói: Laze là một nguồn sáng phát ra một chùm sáng cường độ lớn dựa trên việc ứng dụng hiện tượng phát xạ cảm ứng.

- Chùm bức xạ phát ra cũng gọi là chùm tia laze. Tia laze có tính đơn sắc, tính định hướng, tính kết hợp rất cao và cường độ lớn.

2. Sự phát xạ cảm ứng

• Nguyên tắc hoạt động quan trọng nhất của laze là sự phát xạ cảm ứng.

• Năm 1917, Anh-xtanh khi nghiên cứu lý thuyết phát xạ đã chứng minh rằng: ngoài hiện tựng phát xạ tự phát còn có hiện tượng phát xạ mà ông gọi là phát xạ cảm ứng. Hiện tượng đó như sau:

- Nếu một nguyên tử đang ở trong trạng thái kích thích, sẵn sàng phát ra một phôtôn có năng lượng ε = hf, bắt gặp một phôtôn có năng lượng ε’ đúng bằng hf bay lướt qua nó, thì lập tức nguyên tử này cũng phát ra phôtôn ε. Phôtôn ε có cùng năng lượng và bay cùng phương với phôtôn ε’. Ngoài ra, sóng điện từ ứng với phôtôn ε hoàn toàn cùng pha và dao động trong một mặt phẳng song song với mặt phẳng dao động của sóng điện từ ứng với phôtôn ε’ (h34.2).

- Như vậy, nếu có một phôtôn ban đầu bay qua một loạt nguyên tử đang ở trong trạng thái kích thích thì số phôtôn sẽ tăng lên theo cấp số nhân (h34.3).

3. Cấu tạo của laze

• Người ta đã chế tạo được các loại laze sau: laze khí, laze rắn và laze bán dẫn.

• Cấu tạo của laze rắn: laze rubi.

- Rubi (hồng ngọc) là Al₂O₃ có pha Cr₂O₃. Ánh sáng đỏ của hồng ngọc do ion crôm phát ra khi chuyển từ trạng thái kích thích về trạng thái cơ bản, đó cũng chính là màu của tia laze.- Laze rubi gồm một thanh rubi hình trụ. Hai mặt được mài nhẵn vuông góc với trục của thanh. Mặt (1) được mạ bạc trở thành gương phẳng (G1) có mặt phản xạ quay vào phía trong. Mặt (2) là mặt bán mạ, tức là mạ một lớp mỏng để cho khoảng 50% cường độ chùm sáng chiếu tới bị phản xạ, còn khoảng 50% truyền qua. Mặt này trở thành gương phẳng (G2) có mặt phản xạ quay về phía G1. Hai gương G1 và G2 song song với nhau.

- Dùng 1 đèn phóng điện xenon để chiếu sáng rất mạnh thanh rubi và đưa một số lớn ion crôm lên trạng thái kích thích. Nếu có một ion crôm bức xạ theo phương vuông góc với hai gương thì ánh sáng sẽ phản xạ đi phản xạ lại nhiều lần giữa hai gương và sẽ làm cho một loạt ion crôm phát xạ cảm ứng. Ánh sáng sẽ được khuếch đại lên nhiều lần. Chùm tia laze được lấy ra từ gương bán mạ G2.

II. Một vài ứng dụng của laze

• Tia laze được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực:

- Trong y học: Tia laze được dùng như dao mổ trong phẩu thuật mắt, để chữa một số bệnh ngoài da nhờ tác dụng nhiệt,...

- Trong thông tin liên lạc: Tia laze có ưu thế đặc biệt trong thông tin liên lạc vô tuyến như truyền thông thông tin bằng cáp quang, vô tuyến định vị, điều khiển con tàu vũ trụ,...

- Trong công nghiệp: Tia laze còn được dùng để khoan, cắt, tôi,... chính xác các vật liệu kim loại, compôzit,

- Trong trắc địa: Tia laze được dùng trong các công việc như đo khoảng cách, tam giác đạc, ngắm đường thẳng,...

- Ngoài ra, Tia laze được dùng trong các đầu đọc đĩa CD, bút chỉ bảng, chỉ bản đồ, dùng trong các thí nghiệm quang học ở trường phổ thông,...

III. Bài tập về laze

* Bài 1 trang trang 173 SGK Vật Lý 12: Laze là gì?

° Lời giải:

- Laze là một nguồn sáng phát ra một chùm sáng có cường độ lớn dựa trên việc ứng dụng hiện tượng phát xạ cảm ứng.

* Bài 2 trang trang 173 SGK Vật Lý 12: Nêu các đặc điểm của chùm sáng (tia laze) do laze phát ra.

° Lời giải:

• Các đặc điểm của chùm sáng (tia laze) do laze phát ra:

- Tính đơn sắc cao

- Chùm tia laze rất song song nên có tính định hướng cao

- Tính kết hợp của chùm sáng cao vì gồm rất nhiều hạt photon cùng pha với nhau.

- Có cường độ lớn: Chùm tia laze có năng lượng có thể nhỏ nhưng do thời gian mỗi xung và diện tích tập trung rất nhỏ nên mật độ công suất (hay cường độ) rất lớn.

* Bài 3 trang trang 173 SGK Vật Lý 12: Sự phát xạ cảm ứng là gì? Tại sao có thể khuếch đại ánh sáng dựa vào hiện tượng phát xạ cảm ứng?

° Lời giải:

- Hiện tượng phát xạ cảm ứng: là hiện tượng khi một nguyên tử đang ở trạng thái kích thích, sẵn sàng phát ra một photon có năng lượng ε = hf, bắt gặp một photon có năng lượng ε’ = hf, bay lướt qua nó, thì lập tức nguyên tử này cũng phát ra photon ε. Photon ε có cùng năng lượng và bay cùng phương với photon ε’. Ngoài ra, sóng điện từ ứng với photon ε hoàn toàn cùng pha và dao động trong một mặt phẳng song song với mặt phẳng dao động của sóng điện từ ứng với photon ε’.

- Có thể khuếch đại ánh sáng dựa vào hiện tượng phát xạ cảm ứng vì số photon trong chùm ánh sáng tăng lên theo cấp số nhân.

* Bài 4 trang trang 173 SGK Vật Lý 12: Trình bày cấu tạo của laze rubi.

° Lời giải:

• Cấu tạo của laze rubi:

- Một thanh rubi hình trụ. Hai mặt được mài nhẵn, vuông góc với trục của thanh.

- Bề mặt phản xạ (1) được mạ bạc thành một gương phẳng có mặt phản xạ quay vào phía trong.

- Bề mặt bán mạ (2) có tác dụng để cho khoảng 50% cường độ của chùm sáng chiếu tới bị phản xạ, còn khoảng 50% truyền qua.

* Bài 5 trang trang 173 SGK Vật Lý 12: Có những loại laze gì?

° Lời giải:

• Các loại laze:

- Laze khí (laze He-Ne, laze CO₂)

- Laze rắn (laze Rubi)

- Laze bán dẫn (laze Ga-Al-As)

* Bài 6 trang trang 173 SGK Vật Lý 12: Trình bày một vài ứng dụng của laze.

° Lời giải:

- Ứng dụng của laze trong y học: lợi dụng khả năng tập trung năng lượng của chùm tia laze vào một vùng rất nhỏ, người ta dùng tia laze như một con dao mổ trong các phẫu thuật tinh vi như mắt, mạch máu,...; Mặt khác, người ta sử dụng tác dụng nhiệt của tia laze chữa một số bệnh ngoài da.

- Ứng dụng của laze trong công nghiệp: dùng trong các việc như khoan, cắt, tôi chính xác trên nhiều chất liệu như kim loại, compozit,...mà không thể thực hiện bằng các phương pháp cơ học.

- Ứng dụng của laze trong trắc địa: lợi dụng tính định hướng cao để đo khoảng cách, ngắm đường thẳng, tam giác đạc,...

- Ứng dụng của laze trong thông tin liên lạc: do có tính định hướng và tần số rất cao nên tia laze có ưu thế đặc biệt trong liên lạc vô tuyến (định vị, liên lạc vệ tinh, điều khiển tàu vũ trụ). Tia laze có tính kết hợp và cường độ cao nên được sử dụng rất tốt trong việc truyền tin bằng cáp quang.

- Ngoải ra, Laze còn được dùng trong các đầu đọc đĩa CD, trong các bút chỉ bảng, bản đồ, trong các thí nghiệm quang học ở trường phổ thông,... các laze này thuộc loại laze bán dẫn.

* Bài 7 trang trang 173 SGK Vật Lý 12: Chọn câu đúng. Chùm sáng do laze rubi phát ra có màu:

A. Trắng     B. Xanh     C. Đỏ     D. Vàng.

° Lời giải:

¤ Chọn đáp án:  C. Đỏ

- Ánh sáng đỏ là do ion crom phát ra khi chuyển từ trạng thái kích thích về trạng thái cơ bản.

* Bài 8 trang trang 173 SGK Vật Lý 12: Tia laze không có đặc điểm nào dưới đây?

A. Độ đơn sắc cao.    B. Độ định hướng cao    C. Cường độ lớn.     D. Công suất lớn

° Lời giải:

¤ Chọn đáp án: D. Công suất lớn

- Vì tia laze có đặc điểm là tính đơn sắc cao, định hướng cao, cường độ lớn.

* Bài 9 trang trang 173 SGK Vật Lý 12: Bút laze mà ta thường dùng để chỉ bảng thuộc loại laze nào?

A. Khí     B. Lỏng     C. Rắn     D. Bán dẫn

° Lời giải:

¤ Chọn đáp án: D. Bán dẫn

- Bút laze mà ta thường dùng để chỉ bảng, đọc đầu đĩa CD, bản đồ hay các thí nghiệm quang học ở trường phổ thông,...  thuộc loại laze công suất thấp như laser bán dẫn (làm việc ở dải sóng khả kiến 630 - 670nm).