Đại Học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh
Trường Đại Học Bách Khoa
Khoa Khoa học Ứng dụng


BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN
MÔN: VẬT LÝ A2
ĐỀ TÀI 22: LASER VÀ ỨNG DỤNG
Lớp: DT01
Giảng viên hướng dẫn: Lý Anh Tú
Sinh viên thực hiện
Sỳ Tùng An

Mã số sinh viên
1811389

Ngô Cẩm Quỳnh
Phan Huỳnh Bảo

1712903
1912686

Lê Nguyễn Thanh Thảo

1814044

Nguyễn Hồng Huy

1812389

Điểm số

Thành phố Hồ Chí Minh – 2020
0



LỜI CÁM ƠN

“Để hoàn thành đề tài này, trước hết chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến:
Ban giám hiệu trường Đại Học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh vì đã tạo điều
kiện về cơ sở vật chất với hệ thống thư viện hiện đại, đa dạng các loại sách, tài
liệu thuận lợi cho việc tìm kiếm, nghiên cứu thông tin.
Xin cảm ơn thầy Lý Anh Tú đã giảng dạy tận tình, chi tiết để chúng em có đủ kiến
thức và vận dụng chúng vào bài báo cáo này. Xin cảm ơn cô Nguyễn Thị Minh
Hương đã hướng dẫn chúng em làm các bài tập từ dễ đến khó, giúp chúng em áp
dụng vào các bài tốn vật lý - ứng dụng.
Do chưa có nhiều kinh nghiệm làm để tài cũng như những hạn chế về kiến thức,
trong bài báo cáo này chắc chắn sẽ không tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong
nhận được sự nhận xét, ý kiến đóng góp, phê bình từ phía Thầy và cơ để bài báo
cáo được hồn thiện hơn.
Lời cuối cùng, chúng em xin kính chúc thầy và cơ nhiều sức khỏe, thành công và
hạnh phúc.”
Xin chân thành cám ơn ạ!

1


Đề tài: Laser và ứng dụng
Mục lục
Contents

Mở đầu......................................................................................................................3
Phần 1: Tổng quan về Laser...................................................................................4
1.1 Lịch sử ra đời – sự phát triển............................................................................4
1.2 Khái niệm laser.................................................................................................6
1.3 Tính chất laser..................................................................................................7
1.3.1 Tính chất vật lý...........................................................................................7
1.3.2. Tính chất sinh học.....................................................................................9
1.4 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động chung của Laser.........................................10
1.4.1. Cấu tạo....................................................................................................10
1.4.2. Phân loại..................................................................................................12
1.4.3. Nguyên lý hoạt động của Laser...............................................................15
Phần 2: Ứng dụng của Laser................................................................................19
2.1 Ứng dụng của laser.........................................................................................19
2.1.1 Trong y học:.............................................................................................19
2.1.2 Trong kĩ thuật công nghiệp:.....................................................................23
2.1.3 Trong thông tin liên lạc:...........................................................................25
2.1.4 Trong quân sự:..........................................................................................26
2.2 Tác hại của tia laser đối với con người...........................................................28
2.2.1 Tác hại của tia laser đối với mắt...............................................................28
2.2.2 Tác hại của tia laser đối với da.................................................................29
2.3 Thực trạng an toàn khi sử dụng Laser............................................................30
Phần 3: Kết luận....................................................................................................35
Tài liệu tham khảo.................................................................................................36

2


Mở đầu
Vật Lý là một ngành khoa học tự nhiên rất thú vị . Vật Lý bao trùm nhiều lĩnh vực như
Quang Học (tán sắc, khúc xạ, phản xạ…), Điện (điện trường, từ trường ..), Cơ học (lực,

chuyển động, dao động,..),Vật Lý hạt nhân( phóng xạ, các đồng vị phóng xạ..). Ngồi ra
Vật Lý cịn có các chun ngành khác như: Vật lý lý thuyết, điện tử cơ sở.. Như vậy Vật
lý là một móc xích kết nối nhiều ngành khoa học, nhiều lĩnh vực trong cuộc sống . Do đó,
Vật Lý đã có rất nhiều cơng trình được ứng dụng trong khoa học cũng như đời sống phục
vụ trực tiếp nhu cầu của con người như: giao thông vận tải, sản xuất công nghiệp, trong
lĩnh vực công nghệ thông tin, truyền thơng. Bài viết sau chúng em sẽ trình bày về chủ đề
LASER VÀ ỨNG DỤNG LASER? để nói lên sự liên kết giữa Vật Lý với khoa học kỹ
thuật mà ta úng dụng trong cuộc sống thường ngày.

3


Phần 1: Tổng quan về Laser
1.1 Lịch sử ra đời – sự phát triển
L

aser được phỏng theo maser, một

thiết bị có cơ chế tương tự nhưng tạo ra tia
vi sóng hơn là các bức xạ ánh sáng. Maser
đầu tiên được tạo ra bởi Charles H. Townes
và sinh viên tốt nghiệp J.P. Gordon và H.J.
Zeiger vào năm 1953. Maser đầu tiên đó
khơng tạo ra tia sóng một cách liên tục.
Nikolay Gennadiyevich Basov và Aleksandr
Mikhailovich Prokhorov của Liên bang Xô
viết đã làm việc độc lập trên lĩnh vực lượng
tử dao động và tạo ra hệ thống phóng tia liên
Maser nguyên mẫu amoniac đầu tiên và nhà phát


tục
bằng
cáchH.dùng
nhiều hơn 2 mức năng lượng. Hệ thống đó có thể phóng ra tia liên tục
minh
Charles
Townes.
mà khơng cho các hạt xuống mức năng lượng bình thường, vì thế vẫn giữ tần suất.
Năm 1964, Charles Townes, Nikolai Basov và Aleksandr Prokhorov cùng nhận giải
thưởng Nobel vật lý về nền tảng cho lĩnh vực điện tử lượng tử, dẫn đến việc tạo ra máy
dao động và phóng đại dựa trên thuyết maser-laser.
Laser hồng ngọc, một laser chất rắn, được tạo ra lần đầu tiên vào năm 1960, bởi nhà
vật lý Theodore Maiman tại phịng thí nghiệm
Hughes Laboratory ở Malibu, California. Hồng
ngọc là ơxít nhơm pha lẫn crơm. Crơm hấp thụ tia
sáng màu xanh lá cây và xanh lục, để lại duy nhất
tia sáng màu hồng phát ra.

14/11/1967 - Theodore Maiman đăng ký
bằng sáng chế cho tia laser đầu tiên trên
thế giới.
4


5


Robert N. Hall phát triển
laser bán dẫn đầu tiên, hay laser
diod, năm 1962. Thiết bị của

Hall xây dựng trên hệ thống vật
liệu gali-aseni và tạo ra tia có
bước sóng 850 nanômét, gần
vùng quang phổ tia hồng ngoại.
Thiết bị laser bán dẫn quang trị liệu MultiLaser Plus

Laser bán dẫn đầu tiên với tia

phát ra có thể thấy được được trưng bày đầu tiên cùng năm đó.
Năm 1970, Zhores Ivanovich Alferov của Liên Xơ và Hayashi và Panish của Phịng thí
nghiệm Bell đã độc lập phát triển laser diode hoạt động liên tục ở nhiệt độ trong phòng,
sử dụng cấu trúc đa kết nối.
Ngồi ra laser cịn được ứng dụng như một phương tiện hỗ trợ, bổ sung cho các
phương pháp điều trị truyền thống. Sau đó laser đã thành một phương tiện độc lập và
trong rất nhiều trường hợp đã đem lại những kết quả mà không phương pháp nào trước
đây có thể đạt tới nổi. Thực tế trên thế giới thời điểm ấy đã hình thành một ngành y học
mới – ngành y học Laser, với chức năng nghiên cứu phát triển và ứng dụng kỹ thuật
Laser phục vụ sức khỏe con người. Từ năm 1974 đã có tổ chức “Hội y học Laser thế
giới” với 10.000 hội viên thuộc trên 50 nước tham gia.

Laser thay thế các phương pháp điều trị truyền thống

6


1.2 Khái niệm laser
Laser là tên của những chữ cái đầu của thuật ngữ bằng tiếng Anh “Light Amplification
by Stimulated Emission of Radiation ’’ (Sự khuếch đại ánh sáng bằng bức xạ kích hoạt).
Laser là nguồn ánh sáng nhân tạo thu được nhờ sự khuếch đại ánh sáng bằng bức xạ
phát ra khi kích hoạt cao độ các phần tử của một môi trường vật chất tương ứng. Laser là

ánh sáng có nhiều tính chất đặc biệt hơn hẳn ánh sáng tự nhiên hay nhân tạo khác và có
những cơng dụng rất hữu ích có thể áp dụng trong rất nhiều lĩnh vực khoa học kỹ thuật và
đời sống, tạo nên cả một cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật sau khi nó ra đời.
Sự ra đời của Laser bắt nguồn từ Thuyết Lượng tử do nhà bác học A. Einstein phát
minh ra năm 1916. Đến năm 1954, các nhà bác học Anh, Mỹ đã đồng thời sáng chế ra
máy phát tia laser ứng dụng vào thực tế. Các thử nghiệm laser trên người bắt đầu từ
những năm 1960. Từ năm 1964, đã bắt đầu ứng dụng laser trong các trị liệu về Da

(chuyên khoa da liễu).

1.3 Tính chất laser
7

Laser ứng dụng vào thực tế năm 1954


1.3.1 Tính chất sắc cao

1.3 Tính chất laser
1.3.1 Tính chất vật lý
 Độ đơn sắc cao
Laser là chùm ánh sáng mà các tia sáng của nó có mức chênh lệch bước sóng nhỏ nhất,
so với các chùm sáng đơn sắc khác. Sự chênh lệch bước sóng này cịn gọi là phổ ánh sáng
của chùm ánh sáng.
Và dĩ nhiên là phổ càng hẹp thì độ đơn sắc của chùm sáng càng cao. Trước khi có laser
các nhà vật lý đã tạo được các chùm ánh sáng đơn sắc có chênh lệch bước sóng từ đến
10nm, nhưng để sử dụng trong nghiên cứu khoa học. Trong khi đó mức chênh lệch bước
sóng của chùm ánh sáng laser có thể tới .
Tính chất này rất quan trọng vì hiệu quả tác dụng của laser khi tương tác với vật chất,
với các tổ chức sinh học phụ thuộc vào độ đơn sắc này.

Trong trường hợp gần đúng với buồng cộng hưởng quang học độ rộng vạch được xác
định bằng cơng thức:

Trong đó:
8


: Là tâm tần số phát
- Công suất phát của bức xạ
- Thời gian sống của phôton trong buồng cộng hưởng
- Hằng số Planck

 Độ định hướng cao
Khác với các nguồn sáng khác, các tia sáng Laser được chọn lọc chỉ phát ra những tia
vng góc với gương, nên hầu như song song với nhau (hay nói theo ngơn ngữ vật lý là
góc mở giữa các tia là rất nhỏ). Nhờ vậy, laser có độ định hướng lý tưởng, có thể chiếu đi
rất xa, đến mức người ta có thể dùng laser để đo những khoảng cách trong vũ trụ.
Nguồn sáng nhiệt bức xạ theo mọi phương trong không gian. Nhưng do cơ cấu của
buồng cộng hưởng của máy phát Laser nên nó chỉ phát dao động ngang và chúng tập
trung trong một mặt phẳng phân cực .Công suất phát được phân bố đều và phân bố đẳng
pha trong khẩu độ của nguồn.
Độ định hướng cao cho sự tập trung năng lương trong một góc khối nhỏ và tạo nên
cường độ lớn.
Với laser sóng phẳng bức xạ từ một buồng cộng hưởng với gương đường kính d (hoặc
diện tích), sau gương chùm laser sẽ tán xạ do hiện tượng nhiễu xạ, dưới góc nhiễu xạ, và
chùm tia bức xạ trong một góc khối:

Giá trị góc khối này nhỏ so với góc khối bức xạ của một nguồn ánh sáng nhiệt cỡ

 Mật độ phổ (độ chói) rất cao


9


Độ chói của nguồn sáng được tính bằng cách chia cơng 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 nguồi sáng khác.
Với laser khí He - Ne có cơng suất thấp cỡ 1mW ở chế độ liên tục phát ra phơton nằm
trong vùng nhìn thấy được ( 0,6328µm), với năng lượng một phơton là hν = J thì số
phơton phát ra trong 1 giây là:

Nhưng với nguồn nhiệt có T cỡ 1000K bức xạ từ diện tích ΔA = 1 cm2 và cùng phát
sóng trong vùng thấy được (6000 0 A ) thì số phơton phát ra trong một giây là:

So sánh (1) và (2) ta thấy cường độ của laser khí thơng thường đã gấp cỡ 1 vạn lần so
với ánh sáng do bức xạ nhiệt.
1.3.2. Tính chất sinh học
 Hiệu ứng kích thích sinh học.
Thường xảy ra với Laser công suất thấp cỡ mW, tác động lên các đặc tính sống như:
q trình sinh tổng hợp protein, q trình tích luỹ sinh khối, q trình hơ 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 Tác dụng của laser lên cơ thể sống chia làm hai loại: - Phản
ứng nhanh (hay trực tiếp) là tác dụng ngay sau khi chiếu laser, biểu hiện là sự kích thích
hơ hấp tế bào. - Phản ứng chậm (hay gián tiếp) là tác dụng muộn sau hàng giờ hay hàng
ngày, biểu hiện bằng sự gia tăng q trình phân chia tế bào.
 Hiệu ứng nhiệt.
Cơng suất chùm tia có thể tới hàng trăm Watt, khi đó quang năng của laser biến thành
nhiệt để đốt nóng các tổ chức sinh học. Hiệu ứng nhiệt có hai cách tác dụng:

10



+ Công suất không cao, thời gian tác động dài: sẽ làm nóng chảy tổ chức sinh học và
sau đó các tổ chức bị đông kết lại (gọi là hiệu ứng quang đơng) có tác dụng tốt cho cầm
máu trong ngoại khoa.
+ Công suất cao, thời gian ngắn: làm bay hơi tổ chức sinh học (gọi là hiệu ứng bay hơi
tổ chức) là cơ sở của dao mổ laser với nhiều ưu điểm trong phẫu thật.
 Hiệu ứng quang ion.
Hiệu ứng quang ion còn gọi là hiệu ứng quang cơ vì quang năng của laser biến thành
cơ năng để bóc lớp (khơng có tác động nhiệt) hay phá sỏi với xung cực ngắn, công suất
đỉnh cực cao.
1.4 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động chung của Laser
1.4.1. Cấu tạo
Thông thường một máy phát Laser gồm ba bộ phận chính: mơi trường hoạt chất, bộ
phận kích thích, buồng cộng hưởng.

Sự hình thành của tia laser

11


 Mơi trường hoạt chất:

Là mơi 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 cịn được khuếch đại lên.
Cường độ và cơng 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 mơi trường
hoạt chất laser. Đó là các tinh thể hay thuỷ tinh (glass) được pha tạp bằng các iôn hiếm
như N , S, C…

+ Hoạt chất là chất khí: Hoạt chất có thể là khí iơn như ArII, KrII, … hoặc khí đơn
nguyên tử và hỗn hợp của chúng như He-Ne; hoặc khí phân tử và hỡn hợp của chúng
như: CO, , C--He, …
+ Hoạt chất lỏng: Các chất lỏng bao gồm các dung dịch vô cơ, hữu cơ và các chất màu.
+ Hoạt chất bán dẫn: Thường được tạo nên từ hai hoặc nhiều chất bán dẫn dạng p và n
như GaAs, InGaAsP. PbS, PbTe…
 Bộ phận kích thích

Đây là bộ phận cung cấp năng lượng để tạo ra nhiều hạt ở trạng thái có mức năng
lượng cao (mà gọi là sự tạo ra nghịch đảo độ tích luỹ trong hai mức năng lượng nào đó
của hoạt chất laser) và duy trì hoạt động của laser.
Tuỳ theo từng loại laser mà có nhiều phương pháp kích thích để cung cấp năng lượng.
Năng lượng cung cấp có thể dưới dạng ánh sáng gọi là bơm quang học, hoặc là nhờ quá
trình va chạm giữa điện tử được gia tốc trong điện trường được truyền cho các nguyên tử
hoạt chất, hoặc thông qua các phản ứng hoá học…
 Buồng cộng hưởng

12


Là bộ phận dùng để khuếch đại các tia sáng laser trước khi đi ra khỏi máy phát. Nó
gồm hai gương, một gương có hệ số phản xạ rất cao (coi là phản xạ hồn tồn), cịn
gương kia có một phần phản xạ, một phần truyền qua (gương bán mạ).
Tia laser trước khi đi ra ngoài, sẽ truyền qua truyền lại nhiều lần trong môi trường hoạt
chất trong buồng cộng hưởng. Mỗi lần đi qua môi trường số hạt được kích thích để phát
xạ cảm ứng tăng lên, vì vậy cường độ bức xạ cảm ứng được khuếch đại, tăng lên liên tục
tương tự như hiện tượng cộng hưởng.
Cụ thể, khi một phơtơn có bước sóng thích hợp đi trong mơi trường kích hoạt gây nên
sự phát xạ cảm ứng của nhiều hạt và tạo ra các phôtôn cảm ứng. Các phôtôn 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 khuếch đại. ánh sáng laser được phát ra dọc theo trục của buồng cộng
hưởng có độ phân kì rất nhỏ. Các gương này khơng 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:

Với n là số nguyên dương, f là tần số cộng hưởng,  là bước sóng của bức xạ cảm ứng.

1.4.2. Phân loại
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.
 Laser rắn.
Có khoảng 200 chất rắn có khả năng dùng làm mơi 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  = 1064 nm, thuộc phổ hồng ngoại.

13


+ Ruby hồng ngọc: hoạt chất là một thanh Ruby. Ruby là tinh thể A, trong đó một số
iơn được thay thế bằng Laser hồng ngọc có bước sóng  = 694,3 nm thuộc vùng đỏ của
ánh sáng trắng.

Dưới đây là sơ đồ máy phát laser hồng ngọc:

Giản đồ mô tả sơ đồ nguyên lý laser Ruby (hồng ngọc) đầu tiên được phát triển bởi Theodore Maiman

Thanh Ruby được đặt giữa hai gương
phản xạ đặt song song với nhau. Muốn cho
laser hoạt động thì phải tích điện cho tụ

điện đủ lớn, sau đó cho phóng điện qua đèn
xoắn flash. Đèn xoắn flash phát ra những
xung sáng màu xanh lục có cơng suất lớn
kích thích laser hoạt động.
 Laser khí
Có thể chia thành 3 loại :
+ Laser khí nguyên tử (He-Ne)
+ Laser khí iơn (laser Ar+)
+ Laser khí phân tử (laser , laser )
14


Laser khí thơng dụng đó là laser He-Ne.

Laser này dùng một hỡn hợp khí gồm

90% khí He và 10% khí Ne ở áp suất thấp làm môi trường hoạt chất. Laser He-Ne có  =
632,8 nm thuộc phổ ánh sáng đỏ trong vùng nhìn thấy, cơng suất nhỏ từ 1 đến vài chục
mW.
Laser Argon có hoạt chất là khí Argon có  = 488 - 514,5 nm.
Laser CO2 có  = 1060 nm thuộc phổ hồng ngoại xa, công suất phát xạ có thể đạt tới
mê ga ốt (MW). Trong y học nó được dùng làm dao mổ.
 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

Laser màu.


 Laser bán dẫn

Laser He-Ne

Laser diode đầu tiên được làm bằng vật liệu bán dẫn GaAs pha tạp để tạo thành
chuyển tiếp p-n. Tuy nhiên các thiết bị này có mật độ dịng ngưỡng cao và là những
nguồn sáng hiệu suất thấp. Do đòi hỏi mật độ dòng cao nên khi làm việc ở 300 K phải
hoạt động ở chế độ xung nhằm hạn chế nhiệt độ ở lớp chuyển tiếp, tránh hư hỏng. Sự
phát triển của công nghệ vật liệu bán dẫn đã cho phép nhanh chóng giảm ngưỡng phát

15


laser và tạo ra được các laser phát ở chế độ liên tục tại nhiệt độ phịng. Dưới đây trình
bày cấu trúc cơ bản và bức xạ laser ra của một laser diode (hình 1.8).

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

Cấu trúc cơ bản và bức xạ laser ra của một laser diode Loại thơng dụng nhất là diode
Gallium Arsen (GaAs) có bước sóng 890 nm thuộc phổ hồng ngoại gần.

1.4.3. Nguyên lý hoạt động của Laser
 Điều kiện làm việc
Xét một môi trường có hai mức năng lượng 1 và 2 (hình 1.9. Mật độ tích luỹ tương
ứng là và , ta có thể biểu diễn các quá trình dịch chuyển bức xạ trong các nguyên tử này
như trên hình vẽ sau đây:

Các q 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 a), quá trình này được quy
định bởi:

16


Trong đó, A đặc trưng cho xác suất bức xạ tự phát gọi là hệ số Einstein.
+ Quá trình bức xạ cưỡng bức từ mức 2 xuống mức 1 (hình b):
Nếu sóng điện từ chiếu tới mơi trường có tần số f với hf   ,quá trình này được quy
định bởi:
.
Trong đó, là xác suất dịch chuyển cưỡng bức;
 .F với F là mật độ dịng phơtơn của sóng tới, là thiết diện của bức xạ cưỡng bức.
+ Quá trình hấp thụ 1-2 (hình c).
Nguyên tử ở trạng thái 1 có thể hấp thụ năng lượng phơtơn có tần số f để chuyển lên
trạng thái 2. Do đó:
.
Trong đó,  .F với . là thiết diện hấp thụ.
Theo Einstein,    nghĩa là xác suất bức xạ cưỡng bức và hấp thụ là bằng nhau.
Giả sử trong môi trường này theo hướng z có một sóng phẳng đơn sắc tần số f , cường
độ ứng với mật độ dong phơtơn F truyền qua. Khi đó, biến thiên mật độ dịng phơtơn dF
qua một lớp dz của mơi trường được xác định như sau:
   
Ở trạng thái cân bằng nhiệt động, độ tích luỹ mức năng lượng tuân theo định luật phân
bố Boltzman:

Trong đó, k là hằng số Boltzman, T là nhiệt độ tuyệt đối.
Như vậy, ở cân bằng nhiệt động dễ thấy rằng  và môi trường hấp thụ ánh sáng tần số
f. Do vậy, để có mơi trường khuếch đại thì ta phải tạo được trạng thái không cân bằng
17



nhiệt động, tức là > . 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, ngồi 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    

Suy ra: . .  1

Lấy tích phân ta được:
 ( là độ dài hoạt chất)
Nếu mất mát trong buồng cộng hưởng chỉ do hai gương phản xạ gây nên thì ngưỡng
phát được xác định bởi điều kiện sau:
..1
Với R1 và R2 là hệ số phản xạ của hai gương.
Điều kiện này chỉ ra rằng, ngưỡng phát chỉ đạt được khi nghịch đảo độ tích luỹ () tiến
đến một giá trị tới hạn nào đó. Khi đó, các phơtơn bức xạ tự phát đi dọc buồng cộng
hưởng sẽ dẫn đến bức xạ cưỡng bức và bức xạ này khuếch đại thành tia laser.
 Các phương pháp tạo ra sự nghịch đảo mật độ tích luỹ
- Sử dụng bơm quang học
Sử dụng một nguồn ánh sáng mạnh thích hợp chiếu vào một mơi trường chọn lọc, lúc
đó hạt ở mơi trường thấp được bơm lên các mức năng lượng cao.
Phương pháp này đặc biệt thuận lợi với các máy phát laser rắn và lỏng.
- 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.
18



 Nguyên lý hoạt động của laser (các sơ đồ bơm)
Để tạo ra nghịch đảo độ tích lũy ta phải kích thích mơi 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 khơng 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  có hf   với cường độ đủ lớn. Tuy nhiên,
khi mật độ tích luỹ 2 mức bằng nhau (= ), tức là quá 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 hồ mà
khơng có sự nghịch đảo độ tích luỹ. Như
vậy, phải sử dụng nhiều hơn hai mức.
Thơng thường, người ta sử dụng 3
hoặc 4 mức năng lượng và gọi là các sơ
đồ bơm 3 hoặc 4 mức.
Trong laser hoạt động theo sơ đồ 3
mức bằng cách nào đó các nguyên tử
được chuyển từ mức 1 lên mức 3. Mơi
trường được chọn sao cho ngun 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. NếuSơsau
đó nguyên tử dịch chuyển nhanh về mức 3 thì giữa mức 3 và mức 2 có
đồ 3 và 4 mức năng lượng
19



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.

Phần 2: Ứng dụng của Laser
2.1 Ứng dụng của laser
2.1.1 Trong y học:
 Dùng để “tiêm” và nâng cao hiệu quả cho vaccin
Tiêm chủng được xem là thủ thuật khá phổ biến trong xã hội hiện đại, nhất là trong bối
cảnh các loại bệnh dịch bùng phát nghiêm trọng như hiện nay. Tuy nhiên, các phương
pháp chủng ngừa hiện có dùng kim tiêm lại gây đau đớn. Để khắc phục, các nhà khoa học
Massachusetts, Mỹ hiện đang nghiên cứu dùng tia laser hay ánh sáng laser thay cho kim
tiêm để đưa vaccin vào tế bào cơ thể.
Tiên phong, có các chun gia ở Viện cơng
nghệ Georgia Mỹ (IGT) hiện đã phát minh ra một
công nghệ mới, dùng laser để mở một tế bào và
đưa vaccine dưới dạng phân tử vào, sau đó đóng
lại. Thời gian diễn ra trong vịng vài giây, khơng
gây đau, hiệu quả cao hơn so với phương pháp hiện có, nhắm trúng đích, giống như cơ
chế virut thâm nhập tế bào.
Trước nghiên cứu trên, Bệnh viện Massachussett, Mỹ (CHM) còn sử dụng chùm tia
laser để tăng hiệu quả của vaccin ngừa cúm, viêm gan B. Dùng chùm tia laser công suất
thấp chiếu vào da nơi tiêm vaccin, nó kích hoạt hệ miễn dịch cơ thể ở mức cực đại và làm
tăng tác dụng vaccin hạn chế tối đa phản ứng phụ của vaccin lên cơ thể. Đây là phương
pháp tăng cường hiệu quả vaccin mà khơng cần dùng
đếnmở
hóa
biệtvaccine
là chiếu
Laser

mộtchất,
tế bàođặc
và đưa
dướitia
dạng phân tử vào
laser lên chỗ tiêm trước khi tiêm 1 phút sẽ mang lại lợi thế cao nhất.

 Tiêu diệt khối ung thư não
Từ lâu, laser đã được sử dụng trong việc điều trị các chứng bệnh nan y nhưng phát
minh mới của ĐH Washington, Mỹ (WU) mới đây lại mở ra một hướng đi đầy triển vọng
20


trong cuộc chiến chống ung thư, bằng cách dùng một chùm tia laser chiếu vào RNA hay
ARN (acid ribonucleic, một trong hai loại axít nucleic, cơ sở di truyền ở cấp độ phân tử)
hay nói cách khác là dùng các chùm tia laser chiếu thẳng vào khối u ung thư. Kỹ thuật
trên được thực hiện trên người bệnh bằng cách khoan một lỡ nhỏ trên hộp sọ. Sau đó, sử
dụng công nghệ MRI (cộng hưởng từ) để điều hướng xung quanh mê cung phức tạp của
não cho đến khi xác định chính xác vị trí khối u. Bác sĩ sử dụng một đầu dị, đưa qua lỡ
để hướng chùm laser vào khối u, sau đó được gia nhiệt để “nấu chín” các tế bào ung thư
não. Về cơ bản, vơ hiệu hóa khả năng hoạt hóa của tế bào ung thư và cuối cùng dẫn đến
triệt tiêu khối u mà khơng cần phải phẫu thuật.

Ngồi việc dùng chùm tia laser để tiêu diệt khối ung thư não, đầu tháng 10/2013, các
chuyên gia ở Bệnh viện Hoàng gia Free (RFH), London, Anh còn dùng chùm laser để
tiêu diệt khối u cho một nữ bệnh nhân tên là Fiona Fisher, 57 tuổi mà không cần cắt bỏ
Tia laser chiếu thẳng vào khối u ung thư
tuyến vú. Các chuyên gia ở RFH
gọi đây là liệu pháp quang động PDT, mang nhiều hứa


hẹn và có khả năng trị được nhiều loại ung thư khác nhau.
 Dùng để điều hòa nhịp tim
Một trong những ứng dụng tiềm năng khác của laser là kiểm soát nhịp tim con người.
Về cơ bản giống như một thiết bị điều hòa nhịp tim (pacemaker). Các nhà nghiên cứu ở
ĐH Case Western Reserve và Vanderbilt mới đây đã
hợp tác nghiên cứu, phát hiện thấy việc sử dụng laser
có khả năng gia nhiệt cho các tế bào tim, buộc chúng
phải co bóp theo một kênh ion.
Dùng tia laser chữa trị bệnh thiếu
máu cơ tim

21


Để tìm ra cơ chế này, nhóm đề tài đã sử dụng một phôi chim cút, lồng một sợi cáp
quang vào tim đang phát triển. Sau đó tiến hành bơm chùm tia laser năng lượng thấp qua
cáp vào rồi gia nhiệt và ép nó co bóp.
Thơng thường tim phơi chim

cút bắt đầu đập sau

gần 40 giờ trong lồng ấp. Ánh sáng được truyền qua một
sợi phíp có đường kính 400μm, đặt cách phôi 500μm và
ống tim được chiếu sáng hai lần mỗi giây. Kết quả, tạo ra
sự đồng bộ giữa xung laser và nhịp tim phôi, mỗi xung
tạo ra một nhịp tim. Tăng tần suất chiếu sáng lên 3
xung/giây thì nhịp tim tăng theo và khi ngừng chiếu laser
thì nhịp tim lại trở về trạng thái ban đầu. Cơ sở kiểm sốt
Ảnh chụp phơi chim 53 giờ ấp.


này được coi là thành công và không để lại các dấu hiệu nguy hiểm khi quan sát bằng
kính hiển vi. Chùm tia laser có khả năng điều chỉnh nhịp tim theo các xung tốt hơn cả
pacemaker mà hiện nay con người đang sử dụng.
 Dùng chùm kết hợp tia laser và hạt nano để diệt khối u
Ngoài tiêu diệt khối ung thư não, các chuyên gia ở ĐH California, Mỹ cũng vừa tìm ra
một phương pháp mới, đó là kết hợp giữa công nghệ nano và tia laser để đưa RNA ngừa
ung thư vào trực tiếp bên trong nhân tế bào ung thư. Theo đó RNA được bọc bên ngồi
bằng các hạt nano cực nhỏ, có cơ cấu đóng mở chọn lọc nhờ chùm tia laser, hay còn gọi
là thuốc trị ung thư bọc vàng, đã được thử nghiệm thành công ở chuột.
Công nghệ dùng hạt nano vàng để tiêu diệt tế bào ung thư được xem là cuộc cách
mạng đầy triển vọng. Khi chiếu tia hồng ngoại vào các hạt nano, nó sẽ hấp thụ tia hồng
ngoại và nóng lên. Hiện tượng hấp thụ mang tính cộng hưởng này đã được con người tận
dụng bằng cách đính các kháng thể vào các hạt nano vàng rồi đưa vào cơ thể, nó có khả
năng “hút” các tế bào ung thư và khi được chiếu tia laser lên, nó được gia nhiệt, đủ nóng
để tiêu diệt khối u mà khơng ảnh hưởng đến những tế bào khỏe mạnh kề cạnh.

22


Công nghệ laser mới mang lại hi vọng chữa bệnh ung thư tốt hơn.

 Giúp người mù lái xe
Một trong những bất lợi của nhóm người thiểu năng thị lực là khơng thể lái xe. Nhằm
khắc phục tình trạng này, các chuyên gia ở Viện Công nghệ Virginia Mỹ (VI) đã chế ra
phương tiện giao thơng chun
dụng, dùng cho nhóm người khiếm
thị, trong đó tích hợp nhiều chức
năng của laser, đặc biệt là quét môi
trường xung quanh xe. Giống như
thiết bị Braille dùng cho người mù,

loại xe này được trang bị các cảm
Xe ôtô cho người khiếm thị đầu tiên ở Viện Công nghệ biến, với các xúc giác để truyền
Virginia
thơng
tinMỹ
tới cho lái xe và giúp họ điều hướng. Ngồi ra, laser còn được sử dụng để tạo ra

âm thanh tích hợp các chức năng vào cho vơ lăng và chức năng lệnh giọng nói giống như
thiết bị Siri dùng cho xe hơi, đồng thời sử dụng bản đồ, tận dụng khơng khí nén để dẫn
đường.
Mới đây, các nhà khoa học đã đưa vào thử nghiệm loại xe này cho nhóm người mù và
những người bị bịt mắt. Kết quả, các tính năng kỹ thuật thỏa mãn các tiêu chuẩn thiết kế,
thậm chí người mù lái xe cịn tốt hơn nhóm người bịt mắt. Với thành cơng nói trên, các
23