SƠ LƯỢC VỀ LAZE

BÀI 34. SƠ LƯỢC VỀ LAZE

I. LÍ THUYẾT TRỌNG TÂM

1. Khái niệm

3. Đặc điểm của laze

- Các phôtôn trong chùm sáng có cùng năng lượng (ứng với sóng điện từ có cùng bước sóng) nên có tính đơn sắc rất cao.

- Các phôtôn trong chùm sáng bay theo cùng một phương nên tính định hướng của chùm sáng rất cao.

- Tất cả các sóng điẹn từ trong chùm sáng do nguyên tử phát ra đều cùng pha nên tính kết hợp của chùm sáng rất cao.

- Số photon bay theo cùng một hướng rất lớn nên cường độ của chùm sáng rất lớn.

4. 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 Cr phát ra khi chuyển từ trạng thái kích thích về trạng thái cơ bản Þ màu của laze cũng là màu rubi

+ Cấu tạo: Laze rubi là một khối hình trụ bằng đá hồng ngọc (màu đỏ hồng), hai mặt được mài nhẵn, vuông góc với trục của thanh và đặt bên trong một đèn xê-nôn có dạng xoắn như hình vẽ.

• 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.

+ Hoạt động: Ánh sáng phát ra từ đèn xê-nôn kích thích cho các iôn crôm trong thanh rubi chuyển lên mức năng lượng cao. Sau đó, nếu có một phôtôn do một iôn crôm phát ra bay dọc theo trục của thanh thì chính nó sẽ gây ra sự phát xạ cảm ứng ở các iôn crôm khác. Kết quả là có một lượng lớn các phôtôn phát ra bay cùng hướng với phôtôn ban đầu. Do chùm phôtôn này bị phản xạ nhiều lần trong thanh rubi (nhờ hệ hai gương ở hai đầu thanh rubi) mà cường độ chùm phôtôn sẽ tăng lên rất nhiều.

5. Ứng dụng

- Trong y học: dao mổ trong các phẫu thuật tinh vi, chữa một số bệnh ngoài da , ...

- Trong thông tin liên lạc: truyền tin bằng cáp quang

- Trong công nghiệp: dùng trong các công việc như cắt, khoan, tôi, ..

- Trong trắc địa: đo khoảng cách, tam giác đạc, ngắm đường thẳng, ...

- 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.

II. PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TẬP

Các bài tập về Laze chủ yếu là lí thuyết về cấu tạo và đặc điểm của laze, các em cần nắm vững lí thuyết đã được trình bày ở mục I. Với các bài tập về ứng dụng của laze, các em cần liên hệ với các kiến thức về lượng tử ánh sáng đã được học trong các bài trước như:

+ Năng lượng lượng tử: \[\varepsilon =hf=\frac{hc}{\lambda }\]

+ Công suất nguồn sáng: \[P=n.\varepsilon =n.hf=n.\frac{hc}{\lambda }\]

Trong đó, n là số hạt phôtôn phát ra từ nguồn trong một đơn vị thời gian (trong 1 giây).

+ Với bài toán sử dụng Laze để đo khoảng cách, cần nhớ được mối liên hệ giữa quãng đường và tốc độ là: s = v.t (v là tốc độ ánh sáng trong môi trường đang xét).

+ Với bài toán sử dụng Laze công suất lớn cho các ứng dụng như làm dao mổ, khoan, cắt … cần chú ý một số công thức tính nhiệt lượng như sau:

• Nhiệt lượng tỏa ra hoặc thu vào của một chất: Q = mc.Dt.
• Nhiệt nóng chảy của một chất: Q = l.m (với l là nhiệt nóng chảy riêng của chất)
• Nhiệt hóa hơi của một chất: Q = L.m (với L là nhiệt hóa hơi riêng của chất)
• Nhiệt lượng do nhiên liệu bị đốt cháy tỏa ra: Q = q.m (trong đó q là năng suất tỏa nhiệt của nhiên liệu)

III. GIẢI BÀI TẬP SÁCH GIÁO KHOA

Câu C1 (trang 171 SGK Vật lí 12):

Hãy mô tả cụ thể quá trình nhân photon vẽ trên hình 34.3.

Trả lời:

Mô tả cụ thể quá trình nhân photon trên hình vẽ:

Khi photon có năng lượng ε’ = hf bay lướt qua một nguyên tử đang sẵn sàng phát ra năng lượng ε= hf thì lập tức nguyên tử này phát ra một photon ε = hf, hai photon này bay lướt qua hai nguyên tử khác đang ở trạng thái kích thích thì lập tức hai nguyên tử này phát ra hai photon có năng lượng hf, như vậy số photon sẽ tăng lên theo cấp số nhân.

Bài 1 (trang 173 SGK Vật Lí 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 173 SGK Vật Lí 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

+ Tính định hướng cao

+ Tính kết hợp của chùm sáng cao.

+ Có cường độ lớn.

Bài 3 (trang 173 SGK Vật Lí 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 173 SGK Vật Lí 12):

Trình bày cấu tạo của laze rubi.

Lời giải:

+ Cấu tạo: Laze rubi là một khối hình trụ bằng đá hồng ngọc (màu đỏ hồng), hai mặt được mài nhẵn, vuông góc với trục của thanh và đặt bên trong một đèn xê-nôn có dạng xoắn như hình vẽ.

• 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 173 SGK Vật Lí 12):

Có những loại laze gì?

Lời giải:

Các 3 loại laze:

+ Laze khí (laze He-Ne, laze CO2)

+ Laze rắn (laze Rubi)

+ Laze bán dẫn (laze Ga-Al-As)

Bài 6 (trang 173 SGK Vật Lí 12):

Trình bày một vài ứng dụng của laze.

Lời giải:

Một vài 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…Ngoài ra người ta sử dụng tác dụng nhiệt của tia laze chữa một số bệnh ngoài da.

+ 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.

+ Trong trắc địa: lợi dụng tính định hướng cao để đo khoảng cách, ngắm đường thẳng.

+ 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 vụ trụ). Tia laze có tính kết hợp và cường độ cao nên được sử dụng rất tốt trong việc truyền tin bằng cáp quang.

+ Dùng trong các đầu lọc đĩa CD, bút chỉ bảng.

Bài 7 (trang 173 SGK Vật Lí 12):

Chọn câu đúng.

Chùm sáng do laze rubi phát ra có màu

A. trắng. B. xanh. C. đỏ. D. vàng.

Lời giải: Chọn C.

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

Bài 8 (trang 173 SGK Vật Lí 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 D.

Tia laze có đặc điểm là: tính đơn sắc cao, định hướng cao, 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 I = P/S.

Bài 9 (trang 173 SGK Vật Lí 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 D.

Bút laze mà ta thường dùng để chỉ bảng thuộc loại laze công suất thấp như laze bán dẫn làm việc ở dải sóng khả kiến 630 nm – 670 nm.

Hy vọng bài giảng "Sơ lược về laze" này đã giúp các em nắm vững và vận dụng tốt để làm bài tập Vật lí lớp 12.