Ứng dụng của LASER

Chia sẻ: Trần Lê Kim Yến | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:11

Thêm vào BST

Báo xấu

61
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Laser (đọc là la-de) là tên viết tắt của cụm từ Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation trong tiếng Anh, và có nghĩa là "khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ kích thích".

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Ứng dụng của LASER

Các ứng dụng của LASER Laser (đọc là la-de) là tên viết tắt của cụm từ Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation trong tiếng Anh, và có nghĩa là "khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ kích thích". Ứng dụng của Laser trong kỹ thuật và đời sống vô cùng đa dạng và phong phú. 1-Tia laser phóng tàu vũ trụ Khi rung động, tia laser đốt nóng không khí cho đến khi cháy. Mỗi lần không khí cháy lại tạo ra một tia sáng loé lên.
Để thoát khỏi sức hút trái đất, lâu nay, loài người vẫn sử dụng tàu con thoi, loại tàu phải mang theo hàng tấn nhiên liệu và hai tên lửa đẩy lớn. Nhưng không lâu nữa, các con tàu vũ trụ sẽ lướt vào không gian trên một chùm tia laser, cần rất ít hoặc không cần chất nổ đẩy và không hề gây ô nhiễm. Ý tưởng cơ bản đằng sau kỹ thuật đẩy bằng ánh sáng là sử dụng các tia laser từ mặt đất để đốt nóng không khí đến mức làm không khí nổ tung, đẩy con tàu tiến lên phía trước. Nếu thành công, kỹ thuật đẩy bằng ánh sáng sẽ làm con tàu nhẹ hơn hàng nghìn lần, hiệu quả hơn so với các động cơ tên lửa sử dụng chất hoá học và không gây ô nhiễm. Chúng ta sẽ xem xét hai kiểu hệ thống đẩy tiên tiến: một kiểu có thể đưa chúng ta từ trái đất lên mặt trăng chỉ trong vòng 5 giờ rưỡi và kiểu kia có thể đưa chúng ta du lịch hệ mặt trời trên các “xa lộ ánh sáng”. Ánh sáng rực rỡ là không khí đang cháy dưới vành tàu. Tàu vũ trụ nhẹ được đẩy bằng laser Ánh sáng rực rỡ là không khí đang cháy dưới vành tàu. Ý tưởng được bắt đầu tại Học viện tổng hợp Resselaer ở Troy, bang New York, Mỹ. Tiếp đó, Công ty Lightcraft Technologies đã có vài thử nghiệm thành công với loại tàu nhẹ này. Nguy ên lý rất đơn giản: con tàu sử dụng các tấm gương để thu nhận và hội tụ chùm laser chiếu vào, rồi đốt nóng không khí đến độ không khí nổ tung, đẩy con tàu đi. Dưới đây là các thành phần của hệ thống đẩy mang tính cách mạng này. Tia laser carbon dioxit: Tia laser xung 10 kW đang được sử dụng để thử nghiệm con tàu nhẹ này là một trong số những tia mạnh nhất thế giới.
Gương parabole: Phần đáy của tàu vũ trụ là một gương để hội tụ chùm laser vào khoang chứa không khí hay chất nổ đẩy trên tàu. Vật truyền thứ hai, nằm trên mặt đất, là một gương giống như kính viễn vọng được dùng để hướng chùm tia laser lên con tàu. Khoang hút thu: Không khí được hướng vào trong khoang này; tại đây không khí bị đốt nóng lên bởi chùm laser, giãn nở ra và đẩy con tàu đi. Hydro trên tàu: Một lượng nhỏ chất nổ đẩy hydro được sử dụng để đẩy tên lửa khi khí quyển quá loãng không thể cung cấp đủ không khí. Trước khi bay lên khỏi mặt đất, một luồng không khí nén sẽ đẩy nhẹ con tàulên đến vận tốc khoảng 10.000 vòng/phút. Khi nó đang lượn xoáy với một tốc độ tối ưu, tia laser sẽ được bật lên, thổi con tàu lên không trung. Tia laser 10 kW này rung động ở mức từ 25-28 lần/giây. Bằng cách rung động, nó liên tục đẩy con tàu lên phía trên. Chùm tia sáng được hội tụ bởi gương parabole ở đáy của con tàu đốt nóng không khí lên tới khoảng từ 10.000-30.000 độ C, nóng hơn bề mặt của mặt trời vài lần. Khi không khí bị đốt nóng đến nhiệt độ cao như vậy, nó sẽ biến đổi sang thể plasma (loại khí có số lượng các hạt mang điện âm, dương, tương đương nhau trên mặt trời và phần lớn các vì sao) - thể plasma này sau đó nổ tung để đẩy con tàu lên phía trên. Công ty Lightcraft Technologies đã vài lần thử nghiệm một tàu nhẹ nguyên mẫu nhỏ tại bãi tên lửa White Sands ở bang New Mexico. Vào tháng 10/2000, con tàu nhẹ thu nhỏ, có đường kính 12,2 cm và chỉ nặng 50 g đã đạt được độ cao 71 m. Trong năm 2001, Lightcraft Technologies hy vọng sẽ đưa được nguyên mẫu con tàu nhẹ lên tới độ cao khoảng 152 m. Sẽ cần tới tia laser 1 MW để đưa một vệ tinh nặng 1 kg vào một quỹ đạo thấp. Tuy mô hình này được làm bằng loại nhôm dành để sản xuất máy bay, nhưng con tàu nhẹ khi được sản xuất thực sự có thể được làm carbua silic.
Ngoài ra, người ta cũng sẽ đặt các gương bên trong con tàu để chiếu một số chùm năng lượng về phía trước. Sức nóng từ chùm laser sẽ tạo ra một cụm khí làm chệch hướng đi của một phần luồng không khí đi qua con tàu, từ đó giúp giảm bớt ma sát và giảm lượng khí nóng mà con tàu hấp thụ. 2-Phát hiện ung thư vú bằng tia laser Viện Lawrence Liverinore Laboratory (Mỹ) đã chế tạo thành công một mũi kim laser để "truy lùng" các tế bào ung thư vú. Chỉ cần đâm nhẹ vào vú, kim laser sẽ lập tức phân tích các tế bào và chuyển tín hiệu đến hệ thống máy điện toán nối liền với nó. Các bác sĩ sẽ theo dõi kết quả chẩn đoán trên màn ảnh. Bang California là nơi đầu tiên tiến hành xét nghiệm bằng kim laser. Phương pháp này cho kết quả chính xác không thua kém kỹ thuật sinh thiết vẫn được áp dụng từ trước đến nay. Đặc biệt, nó tiện lợi hơn cho bệnh nhân vì không phải cắt vài tế bào vú để mổ xẻ trong phòng thí nghiệm như kỹ thuật sinh thiết. 3-Công nghệ nano tạc tượng bò chỉ to bằng hồng cầu Các nhà khoa học Đại học Osaka, Nhật, mới đây đã thực hiện được một tác phẩm điêu khắc độc đáo và là một kỳ công: dùng tia laser tạc tượng một con bò bằng nhựa trong, có kích thước chỉ to bằng một hồng cầu trong máu. Thành công này mở đường cho việc chế tạo các thiết bị nhỏ xíu phục vụ các cuộc vi phẫu trong cơ thể người. Bức tượng con bò này dài 10 micromet (1micromet bằng 1/1.000 milimet) nên chỉ có thể chiêm ngưỡng được qua kính hiển vi điện tử mà thôi. Nó cũng có đủ các chi tiết như hai cái sừng, đuôi và các bắp thịt, được tạc bằng kỹ thuật bắn tia laser dưới sự kiểm soát của một chương trình điện toán. Theo kỹ thuật này, nhựa sẽ đông đặc lại tại những nơi hai tia laser gặp nhau.
Trước đây, những bức tượng có kích thước nhỏ như vậy mới chỉ được giới hạn bằng những bề mặt hai chiều rồi dán keo lại với nhau để tạo thành hình ảnh ba chiều nên tác phẩm trông rất thô sơ. Ngoài ra nhóm nghiên cứu còn tạc được một lò xo nhỏ xíu cũng bằng chất nhựa đó, có thể co giãn như một lò xo thông thường. 4-Thiết bị điều khiển bằng laser giúp người tàn tật đi lại Các nhà nghiên cứu thuộc Đại học Virginia (Mỹ) đang thử nghiệm một mẫu thiết bị dành cho những người lớn tuổi không có khả năng đi lại. Thiết bị này có hình dáng tương tự như xe đẩy tay của trẻ con, có cần lái và phanh xe bằng điện được điều khiển bằng tia laze. Thông qua động cơ gắn kèm, các tia laze giúp nhận biết quang cảnh xung quanh người điều khiển, dự đoán hướng di chuyển của họ để kịp thời bẻ lái bánh xe trước đồng thời kẹp chặt bánh xe sau. Nếu phát hiện có vật cản, xe sẽ tự động bẻ lái tránh sang một bên. Người điều khiển xe sẽ không sợ ngã vì đã có phanh xe tự động. Các nhà nghiên cứu hy vọng sắp tới họ sẽ thiết kế thêm cho xe chức năng nhận biết giọng nói con người. 5-Laser làm trẻ hoá khuôn mặt Một trong những ứng dụng kỳ diệu của chùm ánh sáng này là có độ tập trung rất cao làm trẻ hoá bộ mặt thông qua việc xóa nhoà các vết nhăn trên má và các vết chân chim ở hai bên khoé mắt, làm nhạt đi các vết tàn nhang... Hai loại tia laser thường được sử dụng vì mục đích này là chùm tia CO2 và chùm tia UltraPuls. Những tia này dội một thứ ánh sáng màu vàng cam lên trên bề mặt da, nơi có nhiều vết nhăn và thấm vào vùng tế bào dưới da. Chúng làm tiêu biến đi một lượng nước nhất định ứ đọng ở các mô dưới da, là nguyên nhân làm cho da trở nên không bằng phẳng, tạo nên nếp nhăn. Ngoài ra, các tia này còn kích thích
sự liên kết của các của sợi collagen, làm tăng độ đàn hồi của da. Sau nhiều liệu trình chữa trị bằng tia laser, các nếp nhăn trên da sẽ bị mờ dần, độ chun dãn được khôi phục, khiến cho khuôn mặt trở nên trẻ trung hẳn. Trong nhiều trường hợp, việc kết hợp chiếu tia laser và sử dụng các loại sữa dưỡng da, một số vitamin và chế độ ăn nhiều rau quả tươi, uống đủ nước đã tỏ ra rất thành công. 7-Chống sâu răng bằng tia laser Đây là một phương pháp đem lại hiệu quả đến 98%, vừa được nhà nghiên cứu Stephen Hsu (Đại học Quốc gia Singapore) tìm ra. Trong đó, tia laser được sử dụng để tạo một lớp bảo vệ, giúp răng chống lại các axit do những vi sinh vật gây bệnh sâu răng sản sinh ra. Men răng được tạo bởi khoảng 97% tinh thể và chỉ 1% hợp chất hữu cơ. Hợp chất này có tác dụng như một giàn khung căn bản để dựng các tinh thể. Giữa hợp chất hữu cơ và tinh thể có những khe hở nhỏ, rất dễ bị vi khuẩn và các loại axit tấn công, gây bệnh sâu răng. Hsu đã dùng tia laser ở nhiệt độ thấp để nấu chảy hợp chất hữu cơ, tạo ra một "tấm áo giáp" che các khe hở đó. Việc dùng tia laser bảo vệ răng đã được tiến hành trong 3 thập ni ên qua. Tuy nhiên, trước Hsu, để tạo được màng bảo vệ, người ta phải dùng tia laser nóng 1.000 độ C hoặc cao hơn để nấu chảy các tinh thể. Tấm chắn được tạo ra sẽ yếu hơn và răng sẽ bị nguy hiểm hơn so với phương pháp mới. Phương pháp mới chống sâu răng bằng laser đang ở trong giai đoạn thử nghiệm lâm sàng. Nếu thành công, đây sẽ là một biện pháp hữu hiệu giúp con người duy trì được sự chắc khỏe của hàm răng. 8-Cầu nối laser giữa các vệ tinh Lần đầu tiên, hai vệ tinh ở khoảng cách trên 30.000 km đã trao đổi thông tin được với nhau thông qua một chùm laser. Kỹ thuật này cho phép các vệ tinh ở quỹ đạo
thấp gửi thông tin nhanh chóng và ổn định xuống trạm xử lý dưới mặt đất thông qua một vệ tinh địa tĩnh ở quỹ đạo cao hơn. Trong thử nghiệm lần này, cầu nối laser (laser link, là một chùm laser có đường kính vài mét) đã có thể truyền các dữ liệu và hình ảnh với tốc độ 5 megabits trong một giây. Hiện các nhà khoa học đang phát triển một đường truyền mới có dung lượng lớn hơn nhiều, cho phép truyền cả âm thanh và hình ảnh. Ông Gotthard Oppenhaeuser, người điều hành dự án vệ tinh Artemis của Cơ quan Vũ trụ châu Âu (ESA), nói: "Chúng tôi hướng tới thế hệ cầu laser mới, kích cỡ chỉ bằng một phần tư hiện nay, nhưng có thể truyền dữ liệu với tốc độ 5 gigabits trong một giây". Các nhà khoa học đã sử dụng hệ thống laser có tên là SILEX (do Cơ quan Vũ trụ châu Âu ESA và Cơ quan Vũ trụ Pháp CNES triển khai) để nối vệ tinh Artemis với vệ tinh thiên văn SPOT 4. Chùm laser này được điều chỉnh tinh vi, cho phép SPOT 4 chuyển lượng dữ liệu lớn với tốc độ nhanh tới Artemis. Artemis bay ở quỹ đạo địa tĩnh, cách trái đất 31.000 km, trong khi SPOT 4 di chuyển với tốc độ 7.000 m/s ở độ cao 832 km. Bởi vậy, cầu nối laser phải được "thiết lập" rất chính xác. Theo ông Oppenhaeuser, đường truyền laser gọn hơn, chắc chắn hơn và cần ít năng lượng hơn hệ thống thu - phát sóng vô tuyến. Việc gửi thông tin từ các vệ tinh quan trắc như SPOT 4 về trái đất hiện kéo dài cả tiếng đồng hồ, bởi vì thông tin phải đi qua nhiều trạm: Trước hết, vệ tinh cần lưu giữ thông tin khi nó chuyển động trên quỹ đạo. Sau đó, nó gửi dữ liệu xuống một trạm trên mặt đất. Ở trạm này, thông tin lại được sắp xếp lại một lần nữa trước khi được gửi qua sóng radio tới trung tâm xử lý. Nay, sử dụng cầu nối laser, các nhà khoa học đã có thể rút ngắn thời gian truyền tin từ các vệ tinh ở quỹ đạo thấp xuống mặt đất. Đồng thời, đường truyền bằng laser cũng tỏ ra ổn định hơn rất nhiều.
Kế hoạch kết nối các vệ tinh bằng cầu laser đã được các nhà quân sự Mỹ vạch ra từ những năm 1990, nhưng đến nay họ vẫn chưa đạt được thành tựu nào đáng kể. Thực ra, họ chỉ có tham vọng thử nghiệm cầu nối 2.500 km - một khoảng cách quá ngắn so với đoạn đường 30.000 km giữa Artemis và SPOT 4. Vì vậy ngay cả khi thành công, kế hoạch của các nhà khoa học Mỹ cũng ít có giá trị sử dụng. 9-Tạo ra từ trường mạnh nhất thế giới Bằng cách bắn những chùm laser cực mạnh vào một chất liệu đặc biệt, các nhà khoa học Anh mới đây đã tạo ra một đám mây khí sôi sục ở trạng thái plasma. Từ trung tâm đám khí xuất hiện một từ trường mạnh chưa từng thấy. Hiện tượng này có thể so sánh với những gì đang xảy ra trong nhân của những sao nơtron. Khi các ngôi sao không còn phát sáng nữa, chúng co lại thành sao lùn trắng hay sao nơtron. Trong nhân của chúng, vật chất tồn tại ở dạng plasma, gồm các hạt tích điện sôi sục. Theo giả thuyết của các nhà vật lý, những ngôi sao này phát ra một trường điện từ cực lớn. Đến nay, người ta chưa có cách gì để kiểm chứng giả thuyết trên, bởi không có cơ hội quan sát trường điện từ ở khoảng cách xa. Nhóm nghiên cứu của Michael Tatrakis, Đại học London, dường như đang tiến dần tới câu trả lời về bí mật của các sao nơtron, khi họ tạo ra một một môi trường gần giống nhân của chúng bằng thực nghiệm. Nhóm khoa học sử dụng hệ thống laser của Phòng thí nghiệm Rutherford Appleton (Anh), bắn ra chùm laser với bức xạ cực đại 90.000 tỷ Watt/1cm2 trong thời gian một phần tỷ giây. Dưới tác dụng của chùm laser này, vật liệu bốc hơi thành một đám khi nóng, gồm các hạt tích điện. Ở trung tâm dày đặc nhất của đám khí đã xuất hiện một trường điện từ T = 34.000 Tesla, mạnh gấp một tỷ lần từ trường của trái đất. Trước đó, chưa có nhóm khoa học nào làm được một kỳ tích như vậy. Với kết quả này, các nhà khoa học hy vọng sắp tới có thể tạo ra điều kiện giống hệt như ở các sao nơtron, nhằm kiểm nghiệm những lý thuyết của ngành vật lý thiên
văn về dạng thiên thể này. Tuy nhiên, điều đó có vẻ không dễ dàng chút nào, bởi từ trường ở các sao nơtron được dự đoán là mạnh tới 1 tỷ Tesla. 10-Đo khoảng cách trái đất - mặt trăng chính xác tới milimét! Các nhà khoa học Mỹ muốn thực hiện điều này bằng cách phóng những chùm laser từ trái đất lên mặt trăng, rồi để chúng phản hồi trở lại. Dựa vào thời gian đi - về của chùm laser, họ sẽ tính ra chiều dài quãng đường. Thí nghiệm này có thể kiểm chứng lý thuyết của Einstein về trường hấp dẫn. Trung bình, mặt trăng quay quanh quỹ đạo cách trái đất 384.400 km. Từ những năm 80 của thế kỷ trước, người ta đã đo được khoảng cách này chính xác tới 2 centimét. Tuy nhiên, Tom Murphy và cộng sự ở Đại học Washington (Mỹ) không muốn dừng lại ở đó, mà muốn có kết quả chính xác hơn nữa. Nhóm khoa học tin rằng, với việc đo đạc này, họ có thể khám phá nhiều khía cạnh của lực hấp dẫn. Trong đó, điều đầu tiên có thể được kiểm nghiệm là nguyên lý đồng nhất của Einstein. Nguyên lý này nói rằng, hai vật thể có cấu tạo khác nhau, nhưng ở trong cùng một trường hấp dẫn, nó chịu tác động của một gia tốc giống nhau. Ngoài ra, các nhà khoa học còn muốn khám phá xem liệu trọng lượng của một vật có giảm đi khi vũ trụ giãn nở hay không? Gương phản chiếu Chiếc gương phản chiếu này được lắp đặt trên mặt trăng năm 1969, trong chuyến thám hiểm của phi đoàn Apollo. Để đo khoảng cách giữa trái đất và mặt trăng chính xác tới từng milimét, nhóm khoa học sẽ sử dụng một kỹ thuật mới. Từ một đài thiên văn ở bang New Mexico (Mỹ), người ta gắn một máy phóng laser với công suất cực lớn (1 Gigawatt). Mỗi giây nó phóng khoảng 20 chùm laser tới mặt trăng. Ở đó, ánh sáng được đẩy trở lại trái đất nhờ một gương phản chiếu (ảnh bên). Dựa vào thời gian đi - về của các hạt
photon ánh sáng, các nhà khoa học tính ra khoảng cách giữa mặt trăng và trái đất. Tấm gương phản xạ được ghép từ hàng trăm tấm kính nhỏ. Người ta đã lắp đặt nó trên mặt trăng từ năm 1969 trong chuyến thám hiểm của phi đoàn Apollo. Điều đáng nói là, việc bắn chùm tia laser chính xác lên gương này không hề đơn giản. "Khí quyển của trái đất làm chùm laser bị nhiễu đáng kể. Khi gặp mặt trăng, chùm laser bị loãng ra đến nỗi đường kính của nó rộng tới 2 kilomét", Murphy nói. Xác suất thấp Theo tính toán, trong số 30 triệu hạt photon được bắn lên mặt trăng, chỉ có một hạt gặp được gương phản chiếu. Và xác suất để hạt này có thể quay trở lại trái đất cũng chỉ bằng một phần 30 triệu. Tuy nhiên, Murphy hy vọng, mỗi một chùm laser phóng đi sẽ có 5-10 photon quay trở lại. Thí nghiệm sẽ được tiến hành vào năm tới, và kéo dài khoảng 5 năm. Kinh phí do Cơ quan Hàng không Vũ trụ Mỹ (NASA) tài trợ. 11-Khắc dấu bằng công nghệ laser Phương pháp laser trong khắc dấu là sử dụng năng lượng tia laser để làm bốc bay phần vật liệu cần thiết, tạo ra các số, chữ. Do chùm laser phá hủy tập trung vào một điểm nhỏ (khoảng 100 micromet), nên tại điểm hội tụ đó, năng lượng rất cao và phá hủy bất cứ vật liệu nào. Kết hợp với hệ thống dịch chuyển phôi dấu tự động bằng máy tính (theo nội dung con dấu cần khắc), chùm laser sẽ phá những phần không cần thiết, để lại những phần còn nguyên vẹn, chính là đường nét, ký tự, hình… của con dấu. Nhờ vậy, có thể khắc các loại con dấu chính xác, năng suất cao, dễ dàng trong tự động hóa và đặc biệt cho phép mã hóa các điểm cần thiết trong con dấu để chống làm giả. Do thiết kế được mẫu khắc trên máy tính nên thiết bị có những ưu điểm như: Khắc
hình, chữ, số bất kỳ, kể cả logo đơn vị; năng suất cao. Sản xuất mỗi con dấu thông thường chỉ mất khoảng 5 phút (trong khi nghệ nhân phải mất tối thiểu 1 ngày). Công nghệ này cho phép lưu trữ, thiết kế để so sánh, sử dụng về sau; cho phép mã hóa các vết nét đặc trưng theo yêu cầu của cơ quan chức năng để chống làm giả. Trên cơ sở đó, có thể khắc đồ thủ công mỹ nghệ, quà tặng lưu niệm… trên các vật liệu phi kim loại. Phương pháp này được nhóm nghiên cứu của TS Lê Đình Nguyên (thuộc Trung tâm Công nghệ Laser) phối hợp với GS Chu Đình Thúy (Viện Vật lý) tiến hành thử nghiệm và đưa vào ứng dụng trong những năm gần đây, cho thấy kết quả tốt. Ngoài phương pháp dùng laser, còn nhiều phương pháp khắc dấu khác như ăn mòn trên đế đồng, dùng đục để khắc hoặc phay trên các loại vật liệu.