Bài 34: Sơ lược về laze
Video bài giảng
1. Cấu tạo và hoạt động của laze
a. Laze là gì?
Laze là một nguồn sáng phát ra một chùm sáng cường độ lớn dựa trên việc ứng dụng hiện tượng phát xạ cảm ứng.
b. Sự phát xạ cảm ứng
-
Năm 1917, Anhxtanh nghiên cứu lý thuyết phát xạ.
-
Sự phát xạ cảm ứng: Nếu một nguyên tử đang ở trong trạng thái kích thích, sẵn sàng phát ra một phôtôn có năng lượng \(\varepsilon =h.f\), bắt gặp một phôtôn có năng lượng ε’ đúng bằng \(h.f\) 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 phẵng song song với mặt phẳng dao động của sóng điện từ ứng với phôtôn ε’.
-
Như vậy, nếu có một phôtôn ban đầu bay qua một loạt các nguyên tử đang ở trong trạng thái kích thích thì số phôtôn sẽ tăng lên theo cấp số nhân.
c. Cấu tạo của laze rubi
-
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 phẵng (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 phia G1. Hai gương G1 và G2 song song với nhau.
-
Dùng 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. Anh sáng sẽ được khuếch đại lên nhiều lần. Chùm tia laze được lấy ra từ gương bán mạ G2.
2. Một vài ứng dụng của laze
-
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, ...)
-
Tia laze được dùng như dao mổ trong phẩu thuật mắt, để chữa một số bệnh ngoài da (nhờ tác dụng nhiệt), ...
-
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, ...
-
Ngoài ra tia laze còn được dùng để khoan, cắt, tôi, ... chính xác các vật liệu trong công nghiệp.
Bài 1:
Để đo khoảng cách từ Trái Đất đến Mặt Trăng người ta dùng một laze phát ra những xung ánh sáng có bước sóng 0,52 µm, chiếu về phía Mặt Trăng và đo khoảng thời gian giữa thời điểm xung được phát ra và thời điểm một máy thu đặt ở Trái Đất nhận được xung phản xạ.Thời gian kéo dài của một xung là \(\tau\) = 100ns.
Khoảng thời gian giữa thời điểm phát và nhận xung là 2,667s = 8/3s. Năng lượng của mỗi xung ánh sáng là Wo = 10 kJ
a. Tính khoảng cách giữa Trái Đất và Mặt Trăng lúc đo.
b. Tính công suất của chùm laze
c. Tính số phôtôn chứa trong mỗi xung ánh sáng.
d. Tính độ dài của mỗi xung ánh sáng.
Lấy \(c=3.10^8\) m/s; \(h=6,625.10^{-34}\) J.s
Hướng dẫn giải :
a) Gọi L là khoảng cách từ Trái Đất đến Mặt Trăng; c = 3.108 m/s là tốc độ ánh sáng; t là thời gian để ánh sáng đi về giữa Trái Đất và Mặt Trăng.
Ta có:
\(2L=ct\)
=> \(L=\frac{ct}{2}=\frac{3.10^8.8}{2.3}=4.10^8m\) = 400000 km
b) Công suất của chùm laze :
\(\begin{array}{l}
P = \frac{{{W_0}}}{\tau } = \frac{{10kJ}}{{100ns}}\\
= \frac{{{{10.10}^3}}}{{{{100.10}^{ - 9}}}} = {1.10^{11}}W = 100000MW
\end{array}\)
c) Số phôtôn được phát ra trong mỗi xung ánh sáng:
\(\begin{array}{l}
N = \frac{{{W_0}}}{{hf}} = \frac{{{W_0}.\lambda }}{{hc}}\\
= \frac{{{{10.10}^3}.0,{{52.10}^{ - 6}}}}{{6,{{625.10}^{ - 34}}{{.3.10}^8}}} = 2,{62.10^{22}}\,hat
\end{array}\)
d) Gọi I là độ dài của một xung ánh sáng, ta có:
\(I=c.\tau =3.10^8.100.10^{-9}=30m\)
1. Cấu tạo và hoạt động của laze
a. Laze là gì?
Laze là một nguồn sáng phát ra một chùm sáng cường độ lớn dựa trên việc ứng dụng hiện tượng phát xạ cảm ứng.
b. Sự phát xạ cảm ứng
-
Năm 1917, Anhxtanh nghiên cứu lý thuyết phát xạ.
-
Sự phát xạ cảm ứng: Nếu một nguyên tử đang ở trong trạng thái kích thích, sẵn sàng phát ra một phôtôn có năng lượng \(\varepsilon =h.f\), bắt gặp một phôtôn có năng lượng ε’ đúng bằng \(h.f\) 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 phẵng song song với mặt phẳng dao động của sóng điện từ ứng với phôtôn ε’.
-
Như vậy, nếu có một phôtôn ban đầu bay qua một loạt các nguyên tử đang ở trong trạng thái kích thích thì số phôtôn sẽ tăng lên theo cấp số nhân.
c. Cấu tạo của laze rubi
-
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 phẵng (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 phia G1. Hai gương G1 và G2 song song với nhau.
-
Dùng 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. Anh sáng sẽ được khuếch đại lên nhiều lần. Chùm tia laze được lấy ra từ gương bán mạ G2.
2. Một vài ứng dụng của laze
-
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, ...)
-
Tia laze được dùng như dao mổ trong phẩu thuật mắt, để chữa một số bệnh ngoài da (nhờ tác dụng nhiệt), ...
-
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, ...
-
Ngoài ra tia laze còn được dùng để khoan, cắt, tôi, ... chính xác các vật liệu trong công nghiệp.
Bài 1:
Để đo khoảng cách từ Trái Đất đến Mặt Trăng người ta dùng một laze phát ra những xung ánh sáng có bước sóng 0,52 µm, chiếu về phía Mặt Trăng và đo khoảng thời gian giữa thời điểm xung được phát ra và thời điểm một máy thu đặt ở Trái Đất nhận được xung phản xạ.Thời gian kéo dài của một xung là \(\tau\) = 100ns.
Khoảng thời gian giữa thời điểm phát và nhận xung là 2,667s = 8/3s. Năng lượng của mỗi xung ánh sáng là Wo = 10 kJ
a. Tính khoảng cách giữa Trái Đất và Mặt Trăng lúc đo.
b. Tính công suất của chùm laze
c. Tính số phôtôn chứa trong mỗi xung ánh sáng.
d. Tính độ dài của mỗi xung ánh sáng.
Lấy \(c=3.10^8\) m/s; \(h=6,625.10^{-34}\) J.s
Hướng dẫn giải :
a) Gọi L là khoảng cách từ Trái Đất đến Mặt Trăng; c = 3.108 m/s là tốc độ ánh sáng; t là thời gian để ánh sáng đi về giữa Trái Đất và Mặt Trăng.
Ta có:
\(2L=ct\)
=> \(L=\frac{ct}{2}=\frac{3.10^8.8}{2.3}=4.10^8m\) = 400000 km
b) Công suất của chùm laze :
\(\begin{array}{l}
P = \frac{{{W_0}}}{\tau } = \frac{{10kJ}}{{100ns}}\\
= \frac{{{{10.10}^3}}}{{{{100.10}^{ - 9}}}} = {1.10^{11}}W = 100000MW
\end{array}\)
c) Số phôtôn được phát ra trong mỗi xung ánh sáng:
\(\begin{array}{l}
N = \frac{{{W_0}}}{{hf}} = \frac{{{W_0}.\lambda }}{{hc}}\\
= \frac{{{{10.10}^3}.0,{{52.10}^{ - 6}}}}{{6,{{625.10}^{ - 34}}{{.3.10}^8}}} = 2,{62.10^{22}}\,hat
\end{array}\)
d) Gọi I là độ dài của một xung ánh sáng, ta có:
\(I=c.\tau =3.10^8.100.10^{-9}=30m\)