Laze là gì? Cấu tạo, nguyên tắc hoạt động và các bài tập?

1. Laze là gì? 

Laze là một thuật ngữ được hình thành bằng cách phiên âm từ tiếng Anh “LASER,” viết tắt của “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation,” tức là “Khuếch đại ánh sáng bằng sự phát xạ kích thích.” Laze là một nguồn sáng đặc biệt, được tạo ra thông qua hiện tượng phát xạ kích thích và được điều khiển bằng phần mềm.

Chùm tia laze, hoặc còn được gọi là “laze beam,” là một dạng của ánh sáng màu đơn, có tính định hướng và tính đơn sắc cao. Chúng có cường độ rất mạnh và có khả năng kết hợp chặt chẽ với nhau. Các ứng dụng của laze bao gồm nhiều lĩnh vực như khoa học, công nghệ, y tế, và công nghiệp, và chúng đóng vai trò quan trọng trong nhiều ứng dụng hiện đại.

2. Cấu tạo của Laze:

Cấu trúc của một máy laze rắn, chẳng hạn như laze rubi, là một quá trình kỹ thuật phức tạp nhằm tạo ra chùm tia laze mạnh mẽ. Laze rubi được tạo ra bằng cách sử dụng tinh thể hỗn hợp của Al2O3 (nhôm oxit) và Cr2O3 (chromium oxit), tạo nên tia laze màu đỏ đặc trưng.

Cấu trúc của laze rubi bao gồm một thanh rubi hình trụ, với hai mặt được mài nhẵn vuông góc với trục của thanh. Mặt thứ nhất của thanh rubi được mạ bạc để trở thành gương phẳng (G1) có mặt phản xạ quay vào bên trong. Mặt thứ hai của thanh rubi là mặt bán mạ, nghĩa là một lớp mỏng bạc được áp dụng để khoảng 50% cường độ của chùm sáng chiếu vào sẽ bị phản xạ lại, và khoảng 50% cường độ còn lại sẽ truyền qua. Mặt này cũng được biến thành gương phẳng (G2) có mặt phản xạ trở lại phía G1. Hai gương G1 và G2 được đặt song song với nhau để tạo thành một hệ thống phản xạ nhiều lớp.

Quá trình tạo tia laze rubi bắt đầu bằng việc sử dụng đèn phóng điện xenon mạnh để chiếu sáng thanh rubi, đồng thời đưa một số ion crôm lên trạng thái kích thích. Khi có một ion crôm bức xạ theo phương vuông góc với hai gương G1 và G2, ánh sáng sẽ phản xạ đi lại nhiều lần giữa hai gương này. Quá trình này làm cho nhiều ion crôm phát xạ theo chuỗi, tạo ra chùm tia laze với cường độ cao. Chùm tia laze cuối cùng được thu thập và sử dụng từ gương bán mạ G2.

Cấu trúc phức tạp này cho phép tạo ra một nguồn sáng laze mạnh mẽ và đơn sắc từ laze rubi, có ứng dụng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp và khoa học.

3. Nguyên tắc hoạt động và các bài tập của Laze:

Sự phát xạ chạm màn hình là một nguyên lý quan trọng trong hoạt động của máy laze và đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra chùm tia laze mạnh mẽ. Để hiểu rõ hơn về nguyên lý này, chúng ta có thể điểm qua những phát hiện và lý thuyết cơ bản liên quan.

Năm 1917, nhà khoa học Anh người Úc, Ernest Rutherford, khi nghiên cứu về hiện tượng phát xạ, đã chứng minh rằng, ngoài hiện tượng phát xạ tự phát (tự nhiên), còn tồn tại hiện tượng phát xạ khi một nguyên tử bắt gặp một photon có năng lượng tương ứng. Ông gọi hiện tượng này là “phát xạ chạm màn hình.” Nguyên lý này giải thích rằng khi một nguyên tử đang ở trạng thái kích thích, sẵn sàng phát ra một photon có năng lượng ε khi nó chạm vào một photon khác có năng lượng ε’ bằng nhau và bay qua nguyên tử đó. Ngay lập tức, nguyên tử sẽ phát ra photon ε, có cùng năng lượng và bay theo cùng hướng với photon ε’. Điều quan trọng là sóng điện từ tương ứng với photon ε hoàn toàn đồng pha và dao động trong một mặt phẳng song song với mặt phẳng dao động của sóng điện từ tương ứng với photon ε’.

Tương tự, nếu một photon ban đầu đi qua một loạt các nguyên tử đang ở trạng thái kích thích, số lượng photon sẽ tăng lên theo bậc số học. Hiện tượng này góp phần quan trọng trong quá trình tạo ra chùm tia laze mạnh mẽ trong máy laze.

4. Ứng dụng của Laze:

Laze có nhiều ứng dụng quan trọng và đa dạng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ khoa học đến công nghiệp, y học và thiết kế. Dưới đây là một số ứng dụng chi tiết của laze:

– Cắt và hàn kim loại: Laze được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp kim loại để cắt và hàn kim loại một cách chính xác và hiệu quả. Các loại máy laze CO2 và laze sợi quang thường được sử dụng cho công việc này.

– Thiết kế và cắt vật liệu không kim loại: Laze cũng được dùng để cắt, khoan và đánh dấu trên các vật liệu không kim loại như gốm sứ, gương, thủy tinh, và các loại nhựa kỹ thuật.

– Y học: Laze có nhiều ứng dụng trong lĩnh vực y học, bao gồm phẫu thuật laze, loại bỏ sắc tố nám và vết nám, loại bỏ sự biểu bì da dư thừa, và điều trị viêm nhiễm.

– Cắt và đánh dấu trong công nghiệp: Laze được sử dụng để cắt và đánh dấu trên các vật liệu như gỗ, cao su, vải, giấy, và da.

– Khoan và mài: Laze có khả năng khoan và mài chính xác trên các vật liệu cứng như kim loại và các vật liệu mềm hơn như gỗ và nhựa.

– Chẩn đoán y tế: Laze được sử dụng trong các thiết bị chẩn đoán y tế như máy MRI và thiết bị xạ trắng để tạo ra hình ảnh và chẩn đoán bệnh.

– Thư viện và truyền thông: Laze cũng được sử dụng trong các thiết bị đọc đĩa CD, DVD, và Blu-ray, cũng như trong việc đọc mã vạch trên sản phẩm trong các cửa hàng.

– Nghiên cứu khoa học: Laze là một công cụ quan trọng trong nghiên cứu khoa học, được sử dụng trong việc phân tích và thử nghiệm các vật liệu và hiện tượng vật lý.

– Điều chỉnh hệ thống quang học: Laze có khả năng điều chỉnh hệ thống quang học và giúp cải thiện hiệu suất của các thiết bị quang học như máy ảnh và thiết bị quang học.

– Cắt thực phẩm: Laze cũng được sử dụng trong ngành công nghiệp thực phẩm để cắt và đánh dấu trên thực phẩm như bánh mỳ, thịt, và các sản phẩm thực phẩm khác.

Những ứng dụng của laze ngày càng đa dạng và phát triển, và công nghệ này đang đóng một vai trò quan trọng trong nhiều khía cạnh của cuộc sống hàng ngày và công nghiệp hiện đại.

5. Bài tập về Laze và lời giải:

Bài 1 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. Điều quan trọng ở đây là việc sử dụng sự kích thích để tạo ra chùm tia sáng có tính đơn sắc, định hướng, và kết hợp cao. Laze thường sử dụng trong nhiều lĩnh vực như công nghiệp, y học, khoa học, và nhiều ứng dụng công nghệ khác.

Bài 2 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 bao gồm:

– Tính đơn sắc cao: Chùm tia laze thường có màu đơn sắc, tức là nó chứa một dải hẹp các tia sáng cùng tần số hoặc màu sắc. Điều này đối lập với ánh sáng trắng thông thường, mà gồm nhiều màu sắc khác nhau.

– Tính định hướng cao: Chùm tia laze rất song song, có nghĩa là các tia sáng trong chùm chạy theo cùng một hướng, không phân tán. Điều này làm cho nó rất hữu ích trong các ứng dụng y học và công nghiệp đòi hỏi sự tập trung và định vị chính xác.

– Tính kết hợp cao: Chùm tia laze gồm rất nhiều hạt photon cùng pha với nhau. Điều này làm cho chùm sáng laze có tính kết hợp rất cao, giúp nó có khả năng tập trung năng lượng vào một vị trí nhỏ một cách hiệu quả.

– Cường độ lớn: Chùm tia laze có cường độ lớn, tức là nó mang theo một lượng năng lượng cao trên một diện tích nhỏ. Điều này làm cho nó trở thành công cụ mạnh mẽ trong nhiều ứng dụng công nghệ và khoa học.

Bài 3 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:

Sự phát xạ cảm ứng là một hiện tượng trong đó một nguyên tử hoặc phân tử, đang ở trạng thái kích thích, sẵn sàng phát ra một photon có năng lượng ε = hf (trong đó h là hằng số Planck và f là tần số của photon). Khi nguyên tử này bắt gặp một photon khác có năng lượng ε’ = hf và bay lướt qua nó, thì ngay lập tức nguyên tử này cũng phát ra một 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 lượng photon trong chùm ánh sáng tăng lên theo cấp số nhân. Khi một photon ban đầu được phát ra, nó có thể kích thích các nguyên tử khác trong môi trường, làm cho chúng cũng phát ra photon. Điều này tạo ra một hiệu ứng lan truyền lan tỏa của photon, làm tăng sự cường độ của ánh sáng ban đầu, dẫn đến khuếch đại ánh sáng.

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

Lời giải:

Cấu tạo của laze rubi bao gồm:

– Một thanh rubi hình trụ có hai mặt được mài nhẵn và vuông góc với trục của thanh.

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

– 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. Mặt này sau đó biến thành một gương phẳng khác.

Laze rubi hoạt động bằng cách sử dụng thanh rubi để tạo ra một chùm tia laze đơn sắc, định hướng và kết hợp cao. Khi một photon ban đầu được phát ra và kích thích các ion crôm trong rubi, chúng cũng phát ra photon, tạo thành một hiệu ứng khuếch đại ánh sáng.