LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI:

Thế kỉ XXI là thế kỉ của những công nghệ cao, công nghệ kĩ thuật số, chúng ta không những quan tâm tới những máy đáp ứng nhu cầu của công việc mà còn đánh giá cao sự gọn nhẹ của nó. Để vậy phải có những công nghệ rất tiên tiến mới đáp ứng được. Các nhà khoa học đã công bố hai phát kiến quan trọng có tầm ảnh hưởng rất lớn đến nền công nghệ ngày nay:

Thứ nhất, sự ra đời của Tranzitor đã kích thích sự phát triển của vi điện tử, công nghệ “vi mô”.

Thứ hai, quan trọng hơn là sự phát minh ra Laser, mở ra một con đường mới cho các nhà phát minh, sáng chế. Laser có tầm ảnh hưởng sâu rộng đến tất cả các lĩnh vực của đời sống.

Laser, có thể rất gần gũi với tất cả mọi người. Hầu hết chúng ta đều nghe nhắc đến cụm từ này ít nhất một vài lần. Các em nhỏ lại không thể quên được bộ phim “chiến tranh giữa các vì sao”, một bộ phim khoa học viễn tưởng, những chiếc máy ánh sáng thần kì gợi lên bao niềm mơ tưởng cho trẻ em, cho các nhà khoa học và các kĩ sư.

Ngày nay Laser hiện diện ở nhiều nơi, nhưng khách quan mà nói, chúng ta hiểu về nó còn rất hạn chế. Laser phát triển mạnh vào những năm 1980, thời điểm này nước ta mới vượt ra khỏi cuộc chiến tranh nên điều kiện tiếp cận với Laser còn chưa nhiều, mặt khác sản phẩm của nó bán trên thị trường quá đắt so với túi tiền khi đó của chúng ta. Nhưng Laser phát triển rất nhanh, nó đã xâm nhập vào nhiều ngõ ngách của cuộc sống, vây nên chăng hãy tìm hiểu kỹ thêm: Laser là gì ? Laser xuất hiện như thế nào ? những chặng đường phát triển của nó ? những tính chất gì của Laser được ứng dụng vào trong đời sống ?! Chúng tôi nghĩ đó hẳn là câu hỏi đã có từ rất lâu và mỗi người trong chúng ta, những người đang từng ngày chứng kiến sự bùng nổ của công nghệ, kĩ thuật, phải ít nhất tự hỏi bản thân mình như vậy.

Cùng với bán dẫn, laze sẽ là một trong những lĩnh vực khoa học và công nghệ quan trọng vào bậc nhất của thế kỷ XXI. Tất cả các nhà khoa học, nhà phát minh, sáng chế, kỹ sư,… đều có tham vọng khai thác những tính chất của Laser để phục vụ cho công việc của mình.

Và có thể khẳng định rằng Laser là một trong những tâm điểm chú ý nhất của giới khoa học, công nghệ và của cả nhân loại trong mấy thập kỉ trở lại đây.

Mục lục bài viết

I. Laser – Lịch sử ra đời và phát triển của Laser:

Ngày nay Laser hiện diện ở nhiều nơi, nhưng khách quan mà nói, chúng ta hiểu về nó còn rất hạn chế. Laser phát triển mạnh vào những năm 1980 và bây giờ Laser phát triển rất nhanh, nó đã xâm nhập vào nhiều ngõ ngách của cuộc sống, vây nên chăng hãy tìm hiểu kỹ thêm: Laser là gì ? Laser xuất hiện như thế nào ? những chặng đường phát triển của nó ?

Laser là chữ viết tắt bằng cách kết nối bởi những chữ đầu tiên của cụm từ nói trên bằng tiếng Anh (Light Amplification by Stimulated Emisson of Radiation) nghĩa là khuếch đại ánh sáng bằng bức xạ cưỡng bức. Người ta nhớ lại rằng, vào năm

1916, sau khi được bầu vào Viên Hàn lâm Khoa học Đức, A.Einstein bằng tư duy trừu tượng cao, đã nêu thuyết: Nếu chiếu những nguyên tử bằng một làn sóng điện từ, sẽ có thể xẩy ra một bức xạ “được kích hoạt” và trở thành một chùm tia hoàn toàn đơn sắc, ở đó tất cả những photon (quang tử) phát ra sẽ có cùng một bước sóng. Đó là một ý tưởng khoa học. Nhưng chưa có ai chứng minh nên lý thuyết đó gần như bị lãng quên trong nhiều năm.

Mãi tới năm 1951 giáo sư Charles Townes thuộc trường Đại học Columbia của thành phố New York (Mỹ) mới chú ý đến sự khuếch đại của sóng cực ngắn (vi sóng). Ông thực hiện một thí nghiệm mang tên Maser (maze) là khuếch đại vi sóng bằng bức xạ cảm ứng, (chữ Maser cũng là chữ đầu của nghĩa đó bằng tiếng Anh: Microwave Amplification by Stimulated Emisson of radiation). Ông đã thành công, tuy phải chi phí khá tốn kém để nghiên cứu trong phòng thí nghiệm. Cũng vào thời gian này, ở một phương trời khác, hai nhà khoa học Xô Viết là N. Batsov và A. Prokhorov cũng phát minh ra máy khếch đại vi sóng và gần như cùng một dạng nguyên lý.

Máy tạo Maser đầu tiên trong lịch sử.

Vì thế cả ba nhà khoa học nói trên đều được nhận giải Nobel vật lý vào năm 1964.
Đạt tới việc khuếch đại các sóng cực ngắn rồi mà sao không dấn thêm vào các sóng phát sáng ?, đó là sự tiếc nuối thốt lên từ C. Townes. Bởi sau thành công này ông được cấp trên giao cho trọng trách mới. Thực ra nhà khoa học Anthus Schawlow (là em rể của Townes) đã có nhiều công suy nghĩ để biến Maze thành Laser, nhưng mới trong phạm vi lý thuyết và tháng 8/1958 ông công bố phần lý thuyết đó trên tạp chí “Physical Review” rồi cũng dừng lại; để cho Theodora Maiman phát triển thêm lên. Theodora Maiman, là nhà khoa học của phòng thí nghiệm Hughes tại Malibu, bang California. Dựa vào lý thuyết và nền tảng thực nghiệm của Townes và Schawlow đã công bố, T. Maiman dành hơn hai năm đi sâu thêm, mở rộng thêm và trở thành người đầu tiên tìm ra tia Laser

Ngày 16/5/1960 là ngày đáng nhớ, bởi ngày này, T. Maiman chính thức tạo ra Laser từ thể rắn hồng ngọc. Tia sáng do ông tìm ra là luồng ánh sáng rất tập trung và có độ hội tụ lớn, hoàn toàn thẳng, rõ nét, thuần khiết, mầu đỏ lộng lẫy và bề dài bước sóng đo được là 0,694 micromet. Như vậy là giả thuyết mà Einstein nêu ra cách ngày ấy 54 năm đã được chứng minh.
Những năm tiếp theo, các nhà khoa học khắp nơi đã nối dài thành quả laser ra thành nhiều loại, bằng cách: đưa vào thanh hoạt chất thể khí (ví như carbonic CO2 hoặc He , Ne , Ar …) ta có tia laser từ thể khí; đưa vào đó arseniure (từ gallium) thì có tia laze từ bán dẫn; đưa vào đó dung dịch các chất nhuộm mầu hữu cơ thì cho ta laze lỏng; sử dụng oxy-iot vạn năng ta có laze hoá học; rồi laze rắn v..v.. Điều kỳ diệu là tuỳ theo hoạt chất mà tạo ra những mầu sắc khác nhau làm cho tia laze trở nên lung linh huyền ảo.

II. Nguyên lý tạo ra Laser:

A. Cơ sở lí thuyết:

Chúng ta cần thêm một vài khái niệm nữa để hiểu rõ nguyên lý tạo ra Laser!

Sự lượng tử hóa trong nguyên tử làm cho các nguyên tử có các mức năng lượng gián đoạn.

Sự chuyển từ mức năng lượng này sang mức năng lượng khác phải xảy ra cùng với sự phát xạ ánh sáng.

Theo tiên đề Borh, nếu nguyên tử hay phân tử nằm ở trạng thái năng lượng cao hơn năng lượng ở trạng thái thấp nhất hay trạng thái cơ bản nó có thể tự phát rơi xuống mức năng lượng thấp hơn, mà không cần kích thích từ bên ngoài. Một kết quả có thể xảy ra với sự rơi làm giảm trạng thái năng lượng là giải phóng năng lượng dư thừa ( ứng với hiệu hai mức năng lượng) dưới dạng một phô ton ánh sáng. Nguyên tử hay phân tử kích thích có một thời gian phát xạ đặc trưng, đó là thời gian mà chúng vẫn giữ được trạng thái năng lượng kích thích cao hơn trước khi chúng chuyển xuống mức năng lượng thấp hơn và sinh ra photon. Từ thời gian phát xạ của nguyên tử Einstein đã nghĩ ra một loại phát xạ mới: phát xạ cưỡng bức.

(c)

(b)

Còn ở trạng thái kích thích, nếu một nguyên tử được rọi với một photon đến có cùng năng lượng chính xác như năng lượng mà sự chuyển trạng thái có thể xảy ra sự tự phát, nguyên tử có thể bị cưỡng bức bằng photon đến để quay trở lại trạng thái năng lượng thấp hơn và phát ra một photon có cùng năng lượng chuyển trạng thái. Một photon riêng lẽ tương tác với một nguyên tử kích thích có thể tạo ra hai photon phát xạ. Nếu các photon được xem là sóng thì sự bức xạ cưỡng bức sẽ dao động với tần số của ánh sáng tới, cùng pha ( thỏa mãn tính chất kết hợp) nên làm khuyếch đại cường độ của chùm sáng ban đầu.

Vấn đề quan trọng nhất trong việc thu được phát xạ Laser cưỡng bức là dưới những điều kiện cân bằng nhiệt động lực học bình thường thì dân cư, số nguyên tử, hoặc phân tử ở mỗi mức năng lượng không thuận lợi cho việc phát xạ cưỡng bức. do các nguyên tử có xu hướng tự rơi xuống các mức năng lượng thấp hơn nên số nguyên tử hay phân tử ở mỗi mức sẽ giảm khi năng lượng tăng. Dưới những điều kiện bình thường thì năng lượng ứng với một quang electron điển hình (1 eV) thì tỉ số giữa các nguyên tử ở trạng thái kích thích mức cao với trạng thái cơ bản mức thấp vào khoảng 1017, hầu như tất cả các nguyên tử hay phân tử ở vào trạng thái cơ bản đối với sự chuyển mức năng lượng ánh sáng khả kiến. một lí do khiến sự phát xạ cưỡng bức khó thu được trở nên hiển nhiên khi xem xét các sự kiện có khả năng xảy ra quanh sự phân hủy của một electron từ một trạng thái kích thích với sự phát xạ ánh sáng sau đó và tự phát. Ánh sáng phát xạ có thể kích thích sự phát xạ từ các nguyên tử bị kích thích khác, nhưng một số có thể gặp phải nguyên tử ở trạng thái cơ bản và bị hấp thụ chứ không phải gây ra phát xạ. do số nguyên tử ở trạng thái kích thích ít hơn nhiều số nguyên tử ở trạng thái cơ bản nên photon phát xạ có khả năng hấp thụ nhiều hơn, bù lại số photon cưỡng bức cũng không đáng kể so với phát xạ tự phát (ở trạng thái cân bằng nhiệt động lực học).

Cơ chế làm cho sự phát xạ cưỡng bức có thể lấn át .là phải có số nguyên tử ở trạng thái kích thích nhiều hơn số nguyên tử ở trạng thái năng lượng thấp hơn, sao cho các photon có khả năng gây kích thích phát xạ nhiều hơn là bị hấp thụ. Do điều kiện này là nghịch đảo trạng thái cân bằng nên được gọi là sự nghịch đảo dân cư. Miễn là có nhiều nguyên tử ở trạng thái năng lượng cao hơn nhiều hơn nguyên tử ở trạng thái năng lượng thấp hơn, thì phát xạ cưỡng bức sẽ lấn át và thu được dòng thác photon. Photon phát xạ ban đầu sẽ kích thích sự phát xạ của nhiều photon hơn những photon này sau đó lại kích thích sự phát xạ ra nhiều photon hơn nữa, cứ thế tiếp diễn làm cho dòng thác photon tăng lên. Kết quả là ánh sáng phát xạ được khuyếch đại. nếu sự nghịch đảo dân cư chấm dứt (nguyên tử ở trạng thái cơ bản lấn áp thì phát xạ tự phát lại trở thành chủ yếu)

Sự nghịch đảo dân cư do có thể được tạo ra qua hai cơ chế cơ bản: hoặc tạo ra số dư thừa số nguyên tử hay phân tử ở trạng thái năng lượng cao, hoặc làm giảm dân số ở trạng thái năng lượng thấp. Nhưng đối với hoạt động Laser liên tục phải chú ý vừa làm tăng dân cư ở mức năng lượng cao vừa làm giảm dân cư ở mức năng lượng thấp. Nếu quá nhiều nguyên tử hay phân tử tích tụ ở mức năng lượng thấp thì sự nghịch đảo dân cư sẽ không còn và hoạt động laser sẽ dừng lại

Để tạo ra sự nghịch đảo dân cư cho cho hoạt động laser thì phải kích thích có chọn lọc các nguyên tử hay phân tử lên một mức năng lượng đặc biệt. Ánh sáng và dòng điện là cơ chế kích thích được chọn cho phần lớn Laser. Ánh sáng hoặc các electron có thể cung cấp năng lượng cần thiết để kích thích các phân tử hay

nguyên tử lên các mức năng lượng cao được chọn. Sau đó sẽ rơi xuống mức Laser cao.

Biểu diễn năng lượng Laser ba mức và bốn mức

Như đã nói phần trước lượng thời gian mà một nguyên tử hay phân tử tồn tại ở một trạng thái kích thích quyết định nó bị cưỡng bức phát xạ và tham gia vào dòng thác photon hay mất đi năng lượng qua việc phát xạ tự phát. Các trạng thái kích thích thường có thời gian sống khoảng nano giây trước khi chúng giải phóng năng lượng một thời gian không đủ lâu để chúng bị kích thích bởi các photon khác. Do vậy mức năng lượng cao phải có thời gian sống lâu hơn (trạng thái siêu bền). Với thời gian sống trong trạng thái này (khoảng micro giây đến mili giây) các nguyên tử bị kích thích có thể tạo ra một lượng đáng kể phát xạ cưỡng bức.

Ngoài việc tạo ra sự nghịch đảo dân cư, cũng cần yếu tố khác để khuyếch đại và tập trung ánh sáng thành một chùm. Công việc này được thực hiện trong một hộp cộng hưởng, nó phản xạ trở lại một số ánh sáng trở lại môi trường laser, và qua nhiều lần tương tác sẽ hình thành hay khuyếch đại cường độ ánh sáng.

B. Mô hình cấu tạo

Gương phản xạ

Gương bán mạ

ống vật liệu ( ống chứa vật liệu)

Hệ thống cung cấp năng lượng

C. Nguyên lý hoạt động:

( :e ở mức cơ bản. : e ở mức kích thích : quĩ đạo photon )

Bình thường các e ở mức cơ bản E1.

sau đó cung cấp năng lượng ( bơm quang học) để tạo ra tình trạng đảo ngược độ cư trú.

Lúc này các e đang ở trạng thái kích thích, chúng bức xạ cảm ứng phát ra photon, các photon đầu tiên kích thích các e khác bức xạ. Một photon va chạm với các e của nguyên tử khác để rồi tạo ra hai photon, hai photon tạo ra bốn photon và cứ như thế số photon được nhân lên. Các photon sinh ra chuyển động theo các hướng khác nhau.

Một lượng lớn chúng thoát ra khỏi ống, một số còn lại di chuyển dọc theo trục ống. Khi đến hai đầu ống chúng bị hai gương phản xạ lại, va chạm với các e của các nguyên tử khác đang ở trạng thái kích thích và khởi phát thêm bức xạ cảm ứng. Số photon cứ như thế tăng lên không ngừng , tất cả các sự kiện này diễn ra với tốc độ kinh hoàng, trong vài phần triệu giây.

Khi số photon chuyển động dọc theo trục ống tăng đến một cường độ nhất định, thì các photon này sẽ đi qua gương bán mạ, và chúng ta thấy một tia laser từ đó đi ra ngoài.

Sự phát xạ cưỡng bức trong hộp Laser

III. Tính chất của Laser:

Độ định hướng cao: tia LASER phát ra hầu như là chùm song song do đó khả năng chiếu xa hàng nghìn km mà không bị tán xạ. Chùm sáng laser không còn tính song song chỉ do các hiệu ứng nhiễu xạ. được quyết định bởi bước sóng của ánh sáng và khẩu độ lối ra.
Tính đơn sắc rất cao: chùm sáng chỉ có một màu (hay một bước sóng) duy nhất. Đây là tính chất đặc biệt nhất mà không nguồn sáng nào có.
Tính kết hợp: đoàn sóng Laser có thể dài tới cỡ vài trăm km điều này có nghĩa là các vân giao thoa vẫn có thể tạo thành khi chồng chất hai chùm sóng riêng biệt có hiệu quang lộ cỡ khoảng cách nói trên.
Tính hội tụ: mật độ năng thông đối với chùm Laser cỡ 1016 W/cm2 là hoàn toàn có thể.

IV. Phân loại Laser:

A. Môi trường khuyếch đại:

Môi trường khuyếch đại

Công suất đỉnh

Độ dài xung

Bước sóng

Công dụng

Khí

He- Ne

Argon

CO2

CO2 TEA

10 nW

210W

200W

5MW

Liên tục

20 ns

633 nm

488nm

10.6µm

10.6 µm

Máy quét mã vạch

Tiêu khiển, y học

Cắt, hàn

Xử lý nhiệt

Bán dẫn

GaAs

Al GaAs

GaInAsP

5mW

50mW

20mW

Liên tục

Biến điệu

840nm

760nm

1.3 µm

Đĩa laser

In laser

Truyền tin sợi quang

Chất rắn

Hồng ngọc

Nd:YAG

Nd:YAG(QS)

Nd:YAG(ML)

Nd: thủy tinh

100MW

50W

50MW

2KW

100TW

10ns

Liên tục

20ns

60ps

11ps

694nm

1.06 µm

ảnh toàn cảnh

gia công bán dẫn

áp dụng trong y học

nghiên cứu xung ngắn

nấu chảy bằng laser

Chất lỏng

Chất màu

Rh6G

100mW

10KW

Liên tục

10fs

Có thể thay đổi

600nm

Quang phổ

Nghiên cứu khoa học

Hóa học Hf

50MW

50ns

3µm

Làm vũ khí

V. Một số ứng dụng quan trọng của Laser:

A. Trong y học:

Nghiên cứu ứng dụng laser trong y học cũng khá sớm từ những năm 1962–1963 của thế kỷ trước. Lúc đầu laser được dùng để điều trị bệnh bong võng mạc, từ đó laser đã được sử dụng rộng rãi trong y khoa, ứng dụng laser trong chẩn đoán và điều trị từ đó mở ra nhiều triển vọng trong chữa bệnh và làm đẹp cho con người.

Laser được ứng dụng trong chẩn đoán và điều trị có bước sóng nằm trong khoảng từ 193 nm đến 10.6µm, thuộc vùng tử ngoại, khả kiến và hồng ngoại gần, có thể làm việc ở chế độ xung hay chế độ liên tục.

Hiệu ứng quang đông (nhiệt) : bức xạ laser có năng lượng vừa đủ và được giải phóng trong thời gian thích hợp thì có thể làm nhiệt độ vùng tổ chức tăng lên khoảng 60-100°C. Khi đó tổ chức sinh học bị động kết dẫn đến hoại tử. Ứng dụng của hiệu ứng nhiều trong lĩnh vực nhãn khoa, như : quang đông võng mạc, quang đông điều trị tân mạch hắc mạc, quang đông phù điểm vàng,…

Hiệu ứng bay hơi tổ chức (nhiệt) : tương tự như hiệu ứng quang đông, nhiệt độ vùng tổ chức tăng lên và khi đạt đến 300°C, thì các matrix rắn của tổ chức sinh học nhận đủ năng lượng để bay hơi. Ứng dụng của hiệu ứng này trong phẫu thuật, chùm tia được dùng như chiếc dao mổ tạo ra những vết cắt nhỏ, không đau, ít chảy máu, vô trùng. Tiêu biểu là laser CO2, laser YAG,… biết với tên gọi là “dao mổ nhiệt”.

Thiết bị laser excimer điều trị tật khúc xạ của mắt

Hiệu ứng bóc lớp (quang cơ – phi nhiệt) : Chúng ta dùng các xung cực ngắn ( ns- nanosecond), công suất đỉnh cực cao, bước sóng vùng tử ngoại gần, chiếu vào tổ chức sinh học. Bức xạ laser vùng tử ngoại chỉ bị các phần tử hữu cơ hấp thụ, khi năng lượng hấp thụ đủ lớn, mạch hữu cơ bị đứt gãy, xảy ra các “vi nổ” từ đó nước bị đẩy ra khỏi tổ chức, cuối cùng tổ chức sinh học giống như bị “bóc từng lớp”.

Laser excimer được ứng dụng trong y học với tên gọi là “dao cắt lạnh”(phi nhiệt). 2 trong nhiều ứng dụng quan trọng của laser excimer là phẫu thuật tạo hình tim mạch bằng laser chọc qua da và điều trị tật khúc xạ của mắt.

Bằng cách quét qua máu dự trử trong các ngân hàng máu, laser có thể diệt rất nhiều loại virus nguy hiểm như virus gây bệnh AIDS, sởi, herpes…

B. Trong công nghiệp:

Sự kết hợp các pha cho phép hội tụ ánh sáng laser thành một điểm nhỏ có đường kính khoảng bằng bước sóng (10-4cm). Như vậy laser 1W có thể hội tụ để có một cường độ 108 W/cm2.. Chính năng lượng hội tụ cao như vậy nên dùng laser công suất lớn để khoang, cắt, khắc hình ảnh lên kim loại với độ chính xác và tốc độ rất cao.

Dùng Laser để hàn vật liệu chính xác cao

Laser cường độ mạnh dùng cắt vật liệu rất chính xác và nhanh chóng.

C. Trong khoa học:

1. Đo khoảng cách bằng laser

ứng dụng của tia Laser trong phép đo khoảng cácch

Ánh sáng laser có tính định hướng nên chùm tia vẫn giử gược dộ mảnh của nó trong suốt quá trình lan truyền trên những khoảng cách rất lớn. chùm laser có công suất chỉ vài oát cũng dễ dàng vượt qua khoảng cách Trái Đất và Mặt Trăng (384.000 km) rồi bị bề mặt Mặt Trăng quay lại Trái Đất. Một chùm Tia Laser ban đầu có kích thước bằng cái bút chì thì khi lên Mặt Trăng nó có kích thước bằng một vòng tròn đường kính vài km. Sự loe rộng này của chùm laser chỉ bằng 0.001% khoảng cách Trái đất và Mặt Trăng.

Bằng cách đo thời gian đi và về của chùm tia laser các nhà thiên văn có thể dựng bản đồ Mặt Trăng. Trong thập niên 70 các nhà du hành trong phi hành đoàn Apollo đã để lại trên mặt Trăng các gương phản xạ đặt biệt có khả năg phản xạ chùm laser. Ánh sáng phản xạ được các kính thiên văn trên mặt đất Quan sát. Bằng cách này các nhà thiên văn có thể xác định quỹ đạo của Mặt Trăng với độ chính xác tới vài xentimét. đối với khoảng cách Trái Đất-Mặt Trăng thì độ chính xác tới một phần mười tỉ. Bằng cách thực hiện các phép đo này từ các lục địa khác nhau các nhà thiên văn có thể đo tốc độ trôi dạt của các mảng lục địa, vận tốc này là vài xentimét mỗi năm.

2. Dùng laser tạo phản ứng nhiệt hạch:

Laser được dùng để làm nóng vật chất lên các nhiệt độ rất cao để tạo ra năng lượng hạt nhân thông qua sự tổng hợp các proton, như trong tâm của các ngôi sao. Các nhà vật lý thường sử dụng đơtêri và triti đó là các đồng vị của hydro dễ dàng tổng hợp hơn hydro.

Các xung laser bắn vào các viên tròn đường kính khoảng 2mm chứa vài miligam đơtêri và triti. Khoảng chục chùm tia laser có cường độ cực mạnh tập trung chiếu đồng thời vào viên này từ tất cả các hướng, làm cho nó nổ co vào, dẫn đến áp suất và nhiệt độ của hỗn hợp đơtêri-triti tăng lên rất cao (trên 100 triệu độ) để khởi phát sự tổng hợp proton. Chỉ trong khoảng thời gian vài phần tỷ giây, công suất được hệ laser giải phóng cao hơn tổng công suất của tất cả các nhà máy điện của nước Mỹ. Ở nhiệt độ cao như thế hỗn hợp đơtêri –triti sẽ va chạm dữ dội mất electron tạo thành hỗn hợp gọi là plasma. Vật chất khi này sẽ phình ra, tản mát và chưa đầy một phần tỷ giây các phản ứng sẽ lập tức dừng lại. Sự tổng hợp hạt nhân bằng laser chỉ có thể dùng các xung laser, nên sẽ không thực tế nếu muốn dùng nó để tạo ra năng lượng với số lượng lớn, nhưng cũng đã giúp các nhà vật lý tạo ra được vật chất cực kỳ nóng và tìm cách giam hãm chúng bằng các từ trường cực mạnh, để một ngày nào đó sẽ chế tạo ra các lò phản ứng tổng hợp nhiệt hạch có khả năng tạo ra đủ năng lượng cho mục đích thương mại. Lò phản ứng nghiên cứu mang tên ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) do châu Âu, Nhật Bản, Mỹ và Nga đang xây dựng tại Cadarache (Pháp), các nhà vật lý tìm cách giam cầm vật chất cực nóng trong từ trường cực mạnh.

3. Ảnh toàn ký những hình ảnh ba chiều:

Một trong những ứng dụng quan trọng nhất của laser là chụp ảnh toàn ký (holographie, tiếng Hy Lạp holos nghĩa là “toàn bộ” và graphos có nghĩa là “viết”), một nghành khoa học cho phép tạo ra các ảnh nổi ba chiều, mà không cần phải sử dụng các thấu kính. Ý tưởng này được hình thành vào năm 1947 do nhà

vật lý Dennis Gabor (1900-1979), và nhờ đó ông được giải Nobel vật lý 1971.

Nhưng phải đến sự lên ngôi của laser thì người ta mới thực hiện được.

Người ta dùng một chùm tia laser chia hai phần: phần thứ nhất gọi là “chùm vật”, được hướng đến vật cần chụp ảnh và được vật này phản chiều đến phim; phần thứ hai gọi là “chùm tựa” (hay chùm quy chiếu), được gương phản xạ và đi thẳng đến gương mà không hề gặp vật. Hai chùm laser tương tác với nhau để tạo ra “môtíp giao thoa”, và môtíp này được phim lưu lại. Phim sẽ chứa toàn bộ các thông tin về các pha của sóng ánh sáng, đóng vai trò như là “âm bản” của ảnh chụp thông thường.

Muốn đọc được các môtíp giao thoa và tái dựng lại hình ảnh nổi “dương bản”, phải dùng một chùm laser cùng bản chất với chùm đã được dùng để tạo ra môtíp. Khi bức tranh laser được chùm laser chiếu sáng, môtíp này tái tạo lại cấu trúc không gian của vật, vật hiện ra ba chiều, lơ lửng trong không trung. Ảnh toàn ký trông rất thực, có thể xoay chúng và phát hiện cả những phần của vật không thể thấy nếu nhìn đối diện nhưng trong trường hợp nhìn vật thật.

Ảnh toàn ký còn có một tính chất hết sức kỳ lạ: đó là mỗi phần của ảnh toàn ký đều chứa toàn bộ thông tin của cả bức ảnh. Nếu một phần bức tranh giao thoa tạo nên âm bản của ảnh toàn ký bị cắt mất, thì khi chiếu sáng phần còn lại bằng một chùm laser thích hợp, thì vẫn thu được toàn bộ bức ảnh, mặt dù độ sáng yếu hơn và với các phối cảnh hạn chế hơn. Sở dĩ có được như vậy là vì toàn bộ cảnh được ghi lại ở tất cả các điểm của âm bản ảnh toàn ký. Nói cách khác, mỗi điểm của ảnh toàn ký chứa toàn bộ vật, một đặt điểm không có ở ảnh thông thường. Đó là tính tổng thể của ảnh toàn ký.

Hình ảnh ba chiều của phép chụp toàn kí

4. Trong đời sống (Ứng dụng laser để đọc đĩa CD và DVD)…

Các đĩa CD (đĩa compact) và DVD (Digital Versatile Disc, đĩa số hoá đa dụng) là một hệ quang học lưu giữ thông tin. Người ta dùng một chùm laser để ghi thông tin lên một màng mỏng rất nhạy cảm với ánh sáng của đĩa, thông tin được mã số hoá bởi các lỗ nhỏ trên đĩa. Để khắc những lỗ nhỏ này đưòng kính của chùm tia laser cũng phải nhỏ bằng một micromét, chúng được khắc theo rảnh hình xoắn trôn ốc có thể dài đến 5km.

Đầu đọc là một chùm laser hồng ngoại, khi ánh sáng laser chiếu vào một lỗ, một phần đi vào tới tận đáy lỗ và bị đáy này phản xạ, trong khi phần còn lại bị bề mặt xung quanh lỗ phản xạ. Khi hai sóng ánh sáng kết hợp với nhau, chúng có thể cùng pha hoặc ngược pha làm cường độ tăng hoặc giảm. Nếu ánh sáng tíơ không gặp lỗ sẽ không thay đổi cường độ. Sự thay đổi hay không thay đổi của cường độ chùm laser sẽ được một detector trong đầu CD đọc, và được chuyển hoá thành các chuỗi số 0 và 1, phản ánh mã nhị phân được ghi trên đĩa. Thông tin sẽ được tái tạo lại gần hoàn hảo như các âm thanh và hình ảnh.

Đĩa laser có dung lượng chứa thông tin khổng lồ

VI. Triển vọng

A. Chip laser

Phát triển này là kết quả nghiên cứu của Intel, nhà sản xuất chip lớn nhất thế giới và Đại học California, SantaBarbara. Việc thương mại hóa công nghệ mới này chưa thể thực hiện trước khi thập kỷ này kết thúc nhưng triển vọng về công nghệ trong công nghiệp chip là chắc chắn sẽ làm rung động cả giới truyền thông và công nghiệp máy tính

con chip như vậy sẽ chuyển dữ liệu gấp 100 lần tốc độ so với chip hiện nay ở các thiết bị truyền thống.

Kết quả là mang lại một khả năng tạo nên cho chíp máy tính hàng trăm có thể là hàng ngàn tia laser sáng cực nhỏ.

Chip laser này sẽ tạo ra các luồng ánh sáng chứa dữ liệu khổng lồ.

Phát minh này đã đạt được bởi sự liên kết nền tảng của phốt pho và indi phát ra ánh sáng vào bề mặt của chip silicon đạt tiêu chuẩn khắc axít với các rãnh đặc biệt. Các rãnh này vận hành như “người dẫn đường” cho sóng ánh sáng.

B. Mặt trời nhân tạo:

Các laser bức xạ ánh sáng rất đặc biệt, đó là ánh sáng kết hợp. Ánh sáng do laser phát ra là một sóng điện từ có tần số và pha hoàn toàn xác định. Tính kết hợp ấy là do kết quả ở lối ra được trực chuẩn đơn sắc. Những ứng dụng của laser liên quan mật thiết với tính chất này.

Sự kết hợp các pha cho phép hội tụ ánh sáng laser thành một điểm nhỏ có đường kính khoảng bằng bước sóng (10-4cm). Như vậy laser 1W có thể hội tụ để có một cường độ 108 W/cm2. Năm 1963, ngay sau khi phát minh ra laser hồng ngọc, bà Elsa Garmire ( hiện đang là giám đốc trung tâm nghiên cứu laser thuộc trường Đại Học tổng hợp Nam California ) đã chứng minh được rằng 1 xung laser hồng ngọc, có công suất ở đỉnh 108 W, được hội tụ đến cường độ cao nhất là 1016 W/cm2 có thể khoan những lỗ trên các lưỡi dao cạo râu và ion hóa không khí. Độ sáng rất cao của chùm laser có thể gây nguy hiểm. Một laser He-Ne với công suất 1 mW khi chưa hội tụ cũng đã có độ sáng bằng độ sáng của Mặt trời vào ngày nắng gắt, rất nguy hiểm khi nhìn thẳng vào tia này. Các laser có công suất mạnh hơn thì gây ra những tổn thương rất nhanh. Nhưng laser lại là công cụ rất tốt cho các nhà vật lý, các nhà khoa học tạo ra một môi trường có năng lượng rất cao trong khoảng thời gian ngắn. Việc này có thể giúp các nhà khoa học, nhà vật lý trong việc tìm đến những chân trời kiến thức mới của khoa học nói chung và vật lý nói riêng. Ngày nay các nhà khoa học, các nhà vật lý học đang đẩy nhanh công cuộc “tìm hạt cơ bản của chúa” bằng việc chế tạo ra máy gia tốc cực lớn LHC, song song đó với công nghệ laser các nhà khoa học đã thu nhận được nhiều kết quả rất vĩ đại.

Chế tạo Mặt trời trong phòng thí nghiệm:

Bằng phương pháp bắn tia laser cực mạnh vào một quả cầu khí, các nhà khoa học Mỹ hy vọng sẽ làm không khí nén đặc nóng chảy, tạo ra một chuỗi phản ứng hạt nhân. Quá trình này sẽ giải phóng nhiệt lượng vô cùng lớn, khiến quả cầu nhỏ bé cháy sáng, phát nhiệt tương tự Mặt trời. Tia laser này do cơ sở National Ignition Facility (NIF) thuộc Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore tại bang California (Mỹ) tạo ra. Với tính năng có thể dự đoán chức năng của đầu đạn hạt nhân, tia laser của NIF có thể được sử dụng trong lĩnh vực vật lý thiên thể, cho phép các nhà khoa học đưa ra những điều kiện giống với lõi hành tinh và hệ Mặt Trời mới.

Bằng việc xác nhận tia laser của NIF, Bộ Năng lượng Mỹ đã mở đường cho một loạt các thí nghiệm nhằm có thể tạo ra sức nóng và áp suất như ở lõi Mặt Trời.

Theo các nhà khoa học, tia laser của NIF có thể tạo ra năng lượng trong một loạt các thí nghiệm vào năm 2010 theo đúng mục tiêu đề ra là tạo đủ độ nóng và áp suất để đốt cháy các nguyên tử hydro trong mục tiêu hình trụ nhỏ nhằm sản sinh ra nhiều năng lượng hơn. Ngoài ra, các nhà khoa học còn hi vọng có thể tạo ra được một loại năng lượng sạch và an toàn từ việc đốt cháy các nguyên tử thay thế cho biện pháp tách nguyên tử.

Bằng cách hội tụ cường độ laser, ta có thể tạo ra năng lượng cực lớn

Dự án đó trị giá 3,5 tỷ USD của Trung tâm Năng lượng Quốc gia Mỹ ở San Francisco (NIF), nhằm tạo ra nguồn năng lượng vô tận, có lợi cho môi trường.
Nơi thử nghiệm mặt trời nhân tạo là một “phòng thí nghiệm” bằng vỏ cầu thép, đường kính 9 mét, nặng 500 tấn. Giữa tâm vỏ cầu thép, người ta đặt một quả cầu khí (đường kính 0,1 m) và bắn phá nó bằng 192 tia laser cực mạnh từ các hướng khác nhau. Năng lượng từ các tia laser này gộp lại – trong vòng một phần tỷ giây – lớn gấp đôi tổng năng lượng thế giới tiêu thụ trong cùng thời gian. Dưới sức ép của các tia laser, quả cầu khí nóng chảy, dẫn tới các phản ứng nhiệt hạch, tương tự như trong nhân của Mặt trời.
Mặc dù ý tưởng về một nguồn năng lượng bất tận như Mặt trời đã có từ lâu, nhưng đến nay, các nhà khoa học vẫn chưa thành công trong việc tạo ra các phản ứng nhiệt hạch trong nhân của một quả cầu khí. Lần này, với 3,5 tỷ USD và sự tham gia của gần 300 nhà khoa học, NIF hy vọng có thể cho ra mặt trời nhân tạo đầu tiên vào năm 2002.

C. Tạo xung cực ngắn

Nhờ một hệ thống laser siêu mạnh, các nhà vật lý Mỹ hy vọng sẽ tạo ra được tia chớp ngắn nhất thế giới. Theo dự kiến, nó chỉ loé sáng trong vòng một phần nghìn tỷ tỷ giây (10 mũ -21 giây). Với chớp sáng loại này, người ta sẽ quan sát được những phản ứng hóa học cực nhanh trong hạt nhân.
Alexander Kaplan và Peter Shkolnilov, hai tác giả của dự án, cho biết chớp sáng được chế tạo nhờ việc dùng tia laser cực mạnh kích thích các điện tử, đẩy chúng lên cấp độ năng lượng cao hơn. Theo lý thuyết, khi các hạt này đồng thời bị hãm về trạng thái đứng im, chúng sẽ phóng ra một tia chớp cực ngắn.
Hệ thống laser cũng sản sinh ra một từ trường siêu mạnh – mạnh gấp 10 tỷ lần từ trường trái đất. Do vậy, người ta cũng có thể sử dụng nó để nghiên cứu tính chất của những thiên thể lạ trong vũ trụ, ví như sao neutron.
Trước đó, một số nhà nghiên cứu khác cũng đã đạt được nhiều thành tựu trong việc chế tạo xung laser ở cấp độ vài trăm atto giây (1 atto giây = 10 mũ -18 giây). Một nhóm khoa học châu Âu đã tạo ra các xung laser cỡ 250 atto giây. Và tháng 11, các nhà khoa học Áo, Đức và Canada đã tạo được những xung bức xạ trong phổ tia X kéo dài 650 atto giây.
Những chớp ngắn loại này cho phép nghiên cứu thế giới vi mô và những phản ứng trong hạt nhân. Ví dụ, sự hình thành và tan rã của một liên kết hóa học, hay sự dao động của một nguyên tử trong liên kết hóa học, thường chỉ xảy ra trong quãng thời gian femto giây (10 mũ -15 giây) hoặc pico giây (10 mũ -12 giây).
Hiện nay, việc chế tạo các xung laser cỡ femto giây đã trở thành bình thường. Chúng được sử dụng để chụp những bức ảnh sắc nét của những vật thể chuyển động nhanh.

Việc chụp ảnh đối với các vật chuyển động cực nhanh:

Để chụp một chiếc lá rơi, bạn chỉ cần một chiếc máy ảnh thường, vì lá rơi chậm. Nhưng để chụp một chiếc xe máy lao vụt qua, bạn cần một máy ảnh có tốc độ mở 1/1000 giây, vì chỉ như vậy bạn mới hạn chế được độ dịch chuyển của xe (còn khoảng 5 cm), để có một bức ảnh rõ nét.
Với các hiện tượng khác cũng vậy. Khi mà nhân loại đi dần tới những chân trời kiến thức: vô cùng lớn của vũ trụ, vô cùng nhỏ của thế giới vi hạt, vô cùng nhanh của các quá trình vật lý cấp độ nguyên tử, họ cần có những công cụ mới, tốt hơn, nhạy hơn, nhanh hơn, chính xác hơn… và Laser chính là công cụ hữu ích đó.
Mới đây, một nhóm khoa học gồm các nhà vật lý Áo, Canada và Đức công bố, họ có thể tạo ra và xác nhận sự hiện diện của những xung bức xạ trong phổ tia X có độ dài cỡ 1 phần tỷ của 1 phần tỷ giây (chính xác là họ đã ghi nhận được sự tồn tại của một xung có độ dài 650 atto giây)!
Để thấy được sự tinh tế của các bức xạ cấp độ atto giây, các bạn có thể tưởng tượng, nếu bạn tạo ra một xung ánh sáng bình thường trong 1,28 giây, thì xung ánh sáng đó sẽ vươn tới mặt trăng. Trong khi đó, một xung bức xạ tia X tạo ra trong 650 atto giây chỉ bằng vài phần tỷ mét, nghĩa là chỉ dài như một con virus!
Trước đó, việc hoàn thiện hóa các xung laser ở cấp độ 1 phần triệu tỷ giây (femto giây) đã giúp nhân loại tiến bộ vượt bậc trong việc hiểu biết các quá trình phản ứng hóa học (giải thưởng Nobel hóa học năm 1999 đã được trao cho một nhà hóa học Mỹ gốc Ai Cập vì những cống hiến của ông trong việc sử dụng các bức xạ ở cấp độ femto giây vào nghiên cứu các phản ứng hóa học). Nay, với kỹ thuật cao hơn, các xung bức xạ ở cấp độ atto giây sẽ giúp nhân loại có thể “chụp ảnh” chuyển động của các electron bên trong nguyên tử, hay sự bứt tách electron từ nguyên tử dưới tác dụng của một photon năng lượng cao.

Hệ thống tia laser để chụp hình các electron trong các phản ứng hóa học.

ứng dụng xung laser cực ngắn vào việc chụp hình các electron trong phản ứng

D. Việc tạo ra từ trường mạnh nhờ laser:

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 khí 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.

E. Giấc mơ “đi ngược thời gian” có thể thành hiện thực:

Khi bắt thời gian quay, ta có thể trở về quá khứ.
Đây không phải là chuyện giật gân, cũng không phải là viễn tưởng, bởi vì chúng được xây dựng trên nền tảng lý thuyết sáng sủa và những kiểm nghiệm khoa học mới nhất của GS Ronald Mallet, Đại học Connecticut, Mỹ. Ông cho rằng chúng ta có khả năng đi ngược thời gian!
Mallet không đi theo cách tiếp cận của các nhà nghiên cứu máy thời gian khác, cho rằng vũ trụ có những cấu trúc xoắn ốc, những “lỗ sâu đục” và chúng ta hầu như không có khả năng xâm nhập, vì nó đòi hỏi một “năng lượng âm” rất lớn. Ông cũng không theo quan điểm của nhà logic học Kurt Goedel, người đầu tiên khởi xướng thuyết máy thời gian, cho rằng sự hiện hữu của một “vũ trụ quay” là điều tất yếu. Hoàn toàn theo cách ngược lại, Mallet đã dựa trên những nền tảng vật lý sáng sủa nhất: Thuyết không gian cong của Einstein và thuyết lượng tử ánh sáng.
Vùng trũng thời gian:

Mỗi thiên thạch, khi chuyển động đều gây ra một trường hấp dẫn ảnh hưởng tới không gian và thời gian xung quanh nó, ảnh hưởng này tỷ lệ thuận theo khối lượng của thiên thạch. Trong những trường hợp nhất định, các “gợn sóng” trong không gian gây ra bởi những chuyển động trên có thể làm thời gian bị uốn cong. Tương tự như một viên sỏi đặt trên chiếc gối mềm, không-thời gian (hệ toạ độ 4 chiều, trong đó thời gian là chiều thứ 4) cũng có những vùng trũng tương tự. Cũng theo những tính toán lý thuyết thì, “bằng cách nào đó”, thời gian có thể bị làm trũng đến mức nó không còn chạy thẳng nữa mà sẽ chạy theo vòng tròn.

Tác dụng của trường hấp dẫn của thiên thể lên các vật xung quanh

Trước nay, các nhà khoa học đều nhất trí cho rằng trung tâm hấp dẫn chính là trung tâm của không-thời gian bị bẻ cong, và họ dồn mọi nỗ lực nghiên cứu theo hướng ấy. Mallett đi theo hướng khác. Ông nghiên cứu các thuộc tính của ánh sáng theo thuyết tương đối rộng và thuyết lượng tử. Theo đó, ánh sáng thực ra không có khối lượng, nhưng nó có thể bị bẻ cong khi đi qua một trường hấp dẫn cực lớn và khi đó không gian cũng bị bẻ cong.
Năm ngoái, trong một bài đăng trên tạp chí khoa học New Scientist, Mallett đã chỉ ra rằng, tia laser khi chuyển động trên đường tròn sẽ sản sinh ra một trường xoáy xung quanh nó. Mới đây, ông lại giả định rằng những trường xoáy ánh sáng loại này đang giãn nở dần trong không-thời gian. Nhưng, để xảy ra một trường hợp đó thì theo tính toán lý thuyết, cần có một laser thứ hai. Khi nó chuyển động ngược chiều với tia laser thứ nhất, cường độ của nó cũng được tăng lên tương ứng. Khi đó không gian và thời gian sẽ hoán vị vai trò cho nhau và thời gian sẽ “quay” ở phía trong của vòng laser!

Sự trôi bình thường của thời gian

Cỗ máy thời gian

Theo đó, về mặt lý thuyết, loài người có thể tìm ngược về quá khứ của mình, ít nhất cũng về đến thời điểm mà vòng tròn được khép kín.
Một vấn đề cơ bản nhưng rất khó giải quyết, đó là: Khi bắt thời gian chạy vào một vòng tròn, ta cần một năng lượng lớn khủng khiếp. Việc tạo ra nguồn năng lượng này nằm ngoài khả năng của chúng ta hiện nay. Mallet đề nghị giải pháp “hãm thời gian” để giảm đòi hỏi năng lượng.Theo định luật “nếu ánh sáng càng chậm dần thì mức độ nhiễu loạn trong không-thời gian càng lớn” và nhiễu loạn này sinh ra năng lượng hỗ trợ cho việc bẻ cong thời gian.

Mallet muốn dùng chiếc máy thời gian laser “hãm” ánh sáng làm cho nó chuyển động chậm đến mức có thể. Cuối cùng, ông đã làm được một điều kỳ diệu: Hãm ánh sáng từ tốc độ 300.000 km/s tới lúc nó dừng lại hoàn toàn! “Điều đó đã mở ra một vùng trời mới mà chúng ta chưa bao giờ dám mơ tưởng đến”, Mallet nói.
Tuy nhiên, việc “hãm” tốc độ ánh sáng trên chỉ có thể thực hiện ở môi trường nhiệt độ sát gần điểm không tuyệt đối (-273 độ C). Chính vì thế, nếu thử nghiệm chế tạo máy thời gian của Mallet thành công thì chúng ta vẫn phải đối đầu với một vấn đề hết sức nan giải: Làm thế nào để cơ thể con người có thể thích ứng được với nhiệt độ “băng hà” ấy để “du hành” trong thời gian?
(Hiện nay, Mallett mới chỉ tiến hành những thực nghiệm nhỏ. Bước thứ nhất là đo những tác động của vòng quay laser vào một nguyên tử đơn).

TÀI LIỆU THAM KHẢO:

David Halliday ( tháng 5/2007), cơ sở vật lý, tập 6: quang học và vật lý lượng tử, Nhà xuất bản Giáo Dục, Hà Tây, trang 143-148; 285-292; 307-314.
Trịnh Xuân Thuận, Phạm Văn Thiêu, Ngô Vũ dịch, Những con đường của ánh sáng, tập II, nhà xuất bản Trẻ 2008.

Các tài liệu từ internet: