Đề tài Laser và triển vọng - Hà Nam Thanh

Hà Nam Thanh - Laser và triển vọng 1 MỞ ĐẦU 1. Lí 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 khả năng đáp ứng nhu cầu công việc của các máy mà còn đánh giá cao sự gọn nhẹ của chúng. Muốn 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 Transitor 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 một vài lần. Ngày nay laser hiện diện ở nhiều nơi, nhưng những thông tin đại chúng về nó thì vẫn còn rất hạn chế. Laser phát triển mạnh vào những năm 80 của thế kỉ XX, thời điểm này nước ta vừa vực dậy sau cuộc chiến tranh nên điều kiện tiếp cận với thành quả khoa học hiện đại này vẫn còn rất hạn chế, mặt khác giá thành của nó cũng không hề nhỏ. Nhưng laser phát triển rất nhanh, nó đã xâm nhập rất nhiều vào cuộc sống, vậy nên chăng hãy tìm hiều kĩ hơn về nó: laser là gì? laser xuất hiện như thế nào? những chặng đường phát triển của nó? những tính chất gì của nó đã được ứng dụng vào trong đời sống? Chắc hẳn đó là những 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 mình như vậy. Với mong muốn trả lời những câu hỏi đó, tôi đã chọn đề tài: “Laser và triển vọng” để tìm hiều và nghiên cứu trong tiểu luận này. Hà Nam Thanh - Laser và triển vọng 2 2. Nội dung nghiên cứu Đề tài nghiên cứu đến những kiến thức cơ bản của laser ở các phương diện: Lịch sử ra đời của laser, Nguyên tắc cấu tạo, Các tính chất và Phân loại laser; tìm hiểu những ứng dụng cơ bản và quan trọng của laser trong Y học, Công nghiệp và Khoa học, đặc biệt mở ra những triển vọng phát triển của laser trong tương lai. 3. Phương pháp nghiên cứu • Tổng hợp và phân tích tài liệu. • So sánh và khái quát hóa. 4. Giới hạn đề tài Đề tài chỉ tập trung nghiên cứu những vấn đề cơ bản của laser và những ứng dụng cơ bản và quan trọng của laser, không đi sâu vào kiến thức chuyên ngành. Hà Nam Thanh - Laser và triển vọng 3 NỘI DUNG 1 Lịch sử ra đời và sự phát triển của laser Laser là từ viết tắt của cụm từ: Light Amplification by Stimulated Emisson of Radiation, nghĩa là khuyếch đại ánh sáng bằng bức xạ cưỡng bức. Người ta nhớ lại rằng vào năm 1916, sau khi được bầu vào Viện Hàn lâm Khoa học Đức, Enstein bằng tư duy trừu tượng cao, đã nêu thuyết: “Nếu chiếu những nguyên tử bằng một làn sóng điện từ, sẽ có thể xảy 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 được ai chứng minh nên nó nhanh chóng lãng quên trong nhiều năm. Mãi đến năm 1951, Giáo sư Charles Townes thuộc trường đại học Columbia của thành phố New York (Mỹ) mới chú ý đến sự khuyếch đại của sóng cực ngắn (vi sóng). Ông thực hiện một thí nghiệm mang tên Maser (maze) là khuyếch đại vi sóng bằng bức xạ cảm ứng (chữ Maser cũng là từ viết tắt của cụm từ 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 Nikolay Gennadiyevich Basov và Aleksandr Mikhailovich Prokhorov cũng phát minh ra máy khuyếch đại vi sóng và gần như cùng một dạng nguyên lý: tạo ra hệ thống phóng tia liên tục bằng cách dùng nhiều hơn 2 mức năng lượng, hệ thống đó có thể phóng ra tia liên tục mà không cho các hạt xuống mức năng lượng bình thường, vì thế vẫn giữ tần suất. Cả ba nhà khoa học nói trên đều được giải Nobel vật lý năm 1964 về nền tảng cho lĩnh vực điện tử lượng tử, dẫn đến việc tạo ra máy dao động và phóng đại dựa trên thuyết laser-maser. “Đạt tới việc khuyếch đại các sóng cực ngắn rồi mà sao không dấn thêm vào các sóng phát sáng?”, đó là câu nói 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 Hà Nam Thanh - Laser và triển vọng 4 (em rể của Townes) đã tốn nhiều công suy nghĩ để biến Maser 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, Townes và Schawlow dành thêm hai năm để đi sâu nghiên cứu, mở rộng thêm và trở thành người đầu tiên tìm ra laser. Hình 1: Máy tạo Maser đầu tiên trong lịch sử Ngày 12/05/1960 là một ngày đáng nhớ, T. Maiman đã 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, màu đỏ lộng lẫy và bề dài bước sóng đo được là 0,694 micromet. Như vậy là giả thiết mà Einstein nêu ra 54 năm trước đó đã được chứng minh. Nhiều năm tiếp theo, các nhà khoa học khắp nơi đã nối dài con đường phát triển của laser ra thành nhiều loại, và bằng nhiều cách: đưa vào thanh hoạt chất thể khí (ví dụ như cacbonic CO2 hoặc He, Ne, Ar...) ta có tia laser từ thể khí, đưa vào đó arseniure (từ gallium) thì có tia laser từ bán dẫn, đưa vào đó các chất dung dịch nhuộm màu hữu cơ thì cho ta laser lỏng, sử dụng oxy-iot vạn năng ta có laser hóa học, rồi laser rắn vv... Điều kì diệu này là tùy theo hoạt chất mà tạo ra nhiều màu sắc khác nhau làm cho tia laser trở nên lung linh huyền ảo. Hà Nam Thanh - Laser và triển vọng 5 2 Nguyên lý cấu tạo laser Nguyên lý cấu tạo chung của một máy laser gồm có: buồng cộng hưởng chứa hoạt chất laser, nguồn nuôi và hệ thống dẫn quang. Trong đó buồng cộng hưởng với hoạt chất laser là bộ phận chủ yếu. Buồng cộng hưởng chứa hoạt chất laser, đó là một chất đặc biệt có khả năng khuyếch đại ánh sáng bằng phát xạ cưỡng bức để tạo ra laser. Khi 1 photon tới va chạm vào hoạt chất này thì kéo theo đó là 1 photon khác bật ra bay theo cùng hướng với photon tới. Mặt khác buồng cộng hưởng có 2 mặt chắn ở hai đầu, một mặt phản xạ toàn phần các photon khi bay tới, mặt kia cho một phần photon qua một phần phản xạ lại làm cho các hạt photon va chạm liên tục vào hoạt chất laser nhiều lần tạo mật độ photon lớn. Vì thế cường độ chùm laser được khuyếch đại lên nhiều lần. Tính chất của laser phụ thuộc vào hoạt chất đó, do đó người ta căn cứ vào hoạt chất để phân loại laser. 2.1 Cơ sở lý thuyết Chúng ta cần thêm một vài khái niệm nữa để hiểu rõ nguyên lý cấu tạo 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 sự phát xạ ánh sáng. Theo tiên đề Bohr, nếu nguyên tử hay phân tử nằm ở trạng thái năng lượng cao hơn năng lượng ở trạng thái thấp nhất (trạng thái cơ bản) thì nó có thể tự chuyển về các mức năng lượng thấp hơn mà không cần kích thích từ bên ngoài. Một kết quả có thể xảy ra cùng với sự chuyển mức năng lượng là giải phóng năng lượng dư thừa (ứng với hiệu hai mức năng lượng) dưới dạng một photon. 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 các mức thấp hơn và phát ra photon. Từ thời gian phát xạ của nguyên tử Einstein đã nghĩ ra một loại phát xạ mới: phát xạ cưỡng bức. Ở trạng thái kích thích, nếu một nguyên tử được chiếu vào một Hà Nam Thanh - Laser và triển vọng 6 photon có năng lượng bằng hiệu hai mức năng lượng mà sự chuyển trạng thái có thể xảy ra tự phát, thì nguyên tử có thể bị cưỡng bức bởi photon đến và chuyển xuống mức năng lượng thấp hơn mức trên một khoảng năng lượng đúng bằng năng lượng photon đến, đồng thời phát ra một photon cùng bước sóng với photon đến. Một photon riêng lẻ tương tác với một nguyên tử kích thích thì 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. Hình 2: Cơ chế phát ra laser 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 số nguyên tử hay phân tử ở mỗi mức năng lượng không thuận lợi cho việc phát xạ cưỡng bức. Do các nguyên tử có xu hướng tự chuyển 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, với năng lượng ứng với một quang electron điển hình là 1eV thì tỉ số giữa các nguyên tử ở trạng thái kích thích mức cao với trạng thái cơ bản mức thấp là 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 của ánh sáng khả kiến. Một lý do khiến bức 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 Hà Nam Thanh - Laser và triển vọng 7 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 gây ra phát xạ được. 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 mật độ cư trú. Miễn là số nguyên tử ở trạng thái cao nhiều hơn ở các mức 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 khác, các photon này sau đó lại kích thích sự phát xạ ra nhiều photon khác nữa, cứ thế tiếp diễn làm cho dòng thác photon tăng lên. Kết quả là ánh sáng phát xạ được khuyếch đại. Sự nghịch đảo mật độ cư trú có thể tạo ra qua hai cơ chế cơ bản: hoặc tạo ra sự dư thừa các nguyên tử hay phân tử ở trạng thái năng lượng cao, hoặc làm giảm mật độ cư trú ở trạng thái năng lượng thấp. Nhưng đối với laser hoạt động liên tục phải chú ý vừa làm tăng mật độ cư trú ở mức cao, vừa hạ thấp mật độ cư trú ở mức thấp. Nếu quá nhiều nguyên tử hay phân tử tích tụ ở mức thấp thì sự nghịch đảo mật độ cư trú sẽ không còn và laser ngừng hoạt động. Để tạo ra sự nghịch đảo mật độ cư trú 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 các cơ chế kích thích được chọn cho phần lớn laser. Ánh sáng và 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 chuyển xuống mức laser trên. Như đã nói ở phần trước, khoảng thời gian mà một nguyên tử hay Hà Nam Thanh - Laser và triển vọng 8 phân tử tồn tại ở một trạng thái kích thích quyết định nó bị phát xạ cưỡng bức và tham gia vào dòng thác photon hay mất đi năng lượng qua phát xạ tự phát. Các trạng thái kích thích thường có thời gian sống cỡ 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 bền). Với thời gian sống trong trạng thái này (khoảng micro đến mili giây) các nguyên tử bị kích thích có thể tạo ra một lượng đáng kể phát xạ cưỡng bức. Hình 3: Biểu diễn năng lượng Laser bơm 3 mức và 4 mức Ngoài việc tạo ra sự nghịch đảo mật độ cư trú, cũng cần các 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 phát xạ 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. 2.2 Mô hình cấu tạo Hình 4: Mô hình cấu tạo đơn giản của một máy phát laser Hà Nam Thanh - Laser và triển vọng 9 2.3 Nguyên lý hoạt động •: electron ở mức cơ bản, ◦: electron ở mức kích thích →: quĩ đạo photon. Bình thường các electron ở mức cơ bản E1: sau đó cung cấp năng lượng (bơm quang học) để tạo ra trạng thái nghịch đảo mật độ cư trú. Lúc này các electron đang ở trạng thái kích thích, chúng bức xạ cảm ứng phát ra các photon, các photon đầu tiên sẽ kích thích các electron khác phát xạ. Một photon va chạm với electron của nguyên tử tạo ra hai photon, hai photon này lại tạo ra bốn photon khác 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 chuyển động dọc theo trục ống. Khi đến đầu ống chúng bị hai gương phản xạ lại, va chạm với các electron của các nguyên tử khác đang ở trạng thái kích thích và khởi phát thêm bức xạ cảm ứng. Số photon vẫn tăng lên không ngừng, tất cả những sự kiện này diễn ra với tốc độ kinh hoàng, trong vài phần triệu giây. Hà Nam Thanh - Laser và triển vọng 10 Khi photon chuyển động dọc theo trục ống tăng lên đến một cường độ nhất định, thì các photon này sẽ đi qua hai gương bán mạ, và ta thấy một tia laser ló ra từ đó. 3 Tính chất của laser • Độ định hướng cao: tia laser phát ra hầu như là chùm song song do đó có 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 phát ra chỉ có một màu (hay một bước sóng) duy nhất. Đây là tính chất đặc biệt nhất mà không có chùm sáng nào có được. • Tính kết hợp: đoàn sóng laser có thể dài tới hàng 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 trình cỡ khoảng cách nói trên. • Tính hội tụ: mật độ năng thông đối với chùm laser cỡ 1016W/cm2 là hoàn toàn có thể. 4 Phân loại laser Theo môi trường khuyếch đại Hà Nam Thanh - Laser và triển vọng 11 Hình 5: Một số loại laser Môi trường Công suất Độ dài Bước sóng Công dụng khuyếch đại đỉnh xung Khí He_Ne 10nW Liên tục 633nm Máy quét mã vạch Argon 210W Liên tục 488nm Tiêu khiển, y học CO2 200W Liên tục 10.6µm Cắt, hàn CO2 TEA 5MW 20ns 10.6µm Xử lý nhiệt Bán dẫn GaAs 5mW Liên tục 840nm Đĩa laser AlGaAs 50mW Biến điệu 760nm In laser GaInAsP 20mW Biến điệu 1.3µm Truyền tin sợi quang Chất rắn Hồng ngọc 100MW 10ns 694nm ảnh toàn cảnh Nd:YAG 50W Liên tục 1.06µm gia công bán dẫn Nd:YAG(QS) 50MW 20ns 1.06µm áp dụng trong y học Nd:YAG(ML) 2KW 60ps 1.06µm nghiên cứu xung ngắn Nd:thủy tinh 100TW 11ps 1.06µm nấu chảy bằng laser Chất lỏng Chất màu 100mW Liên tục thay đổi Quang phổ Rh6G 10KW 10fs 600nm Nghiên cứu khoa học Hóa học Hf 50MW 50ns 3µm Làm vũ khí Hà Nam Thanh - Laser và triển vọng 12 5 Một số ứng dụng của laser 5.1 Trong y học Nghiên cứu quan trọng của laser trong y học cũng khá sớm từ những năm 1962-1963 của thế kỉ 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 của laser trong chuẩn đoán và điều trị bệnh từ đó mở ra nhiều triển vọng trong chữa bệnh và làm đẹp cho con người. Laser được ứng dụng trong chuẩn 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 60-1000C. Khi đó tổ chức sinh học bị đông kết và dẫn đến hoại tử. Hiệu ứng được ứng dụng nhiều trong lĩnh vực nhãn khoa như: quang đông võng mạc, quang đông điều trị tân hạch 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 3000C thì các matrix rắn của tổ chức sinh học nhận đủ năng lượng để bay hơi. Hiệu ứng này được ứng dụng 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... được biết đến với tên gọi là “dao mổ nhiệt”. 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 để 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 như bị “bóc từng lớp”. Laser excimer được ứng dụng trong y học với tên gọi là “dao cắt lạnh” (phi nhiệt). Hai 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 Hà Nam Thanh - Laser và triển vọng 13 khúc xạ của mắt. Hình 6: Thiết bị laser-excimer Bằng cách quét qua lượng máu dự trữ trong ngân hàng máu, laser có thể diệt rất nhiều loại virus nguy hiểm như virus gây bệnh AIDS, sởi, herpes... Ngoài ra, một ứng dụng đặc biệt của laser mà người ta cũng đang chú ý đến đó là Cai nghiện ma túy bằng tia laser theo phương pháp châm cứu. Thiết bị này do Đại học Bách khoa TP.Hồ Chí Minh chế tạo, đã được thử nghiệm trên 20 người nghiện ma túy. Sau 5 ngày con nghiện đã được cắt cơn, ăn uống trở lại bình thường, không còn sợ nước. Bệnh nhân hồi phục hoàn toàn sau 10-20 ngày điều trị bổ sung. Kết quả kiểm tra sau điều trị cho thấy, lượng morphine trong cơ thể con nghiện giảm rõ rệt. Phương pháp này hạn chế được nhược điểm của châm cứu theo y học cổ truyền, đó là việc gây đau đớn cho bệnh nhân khi dùng kim châm. Hình 7: Thiết bị châm cứu bằng laser Hiện nay phòng thí nghiệm công nghệ laser của Đại học Bách khoa Hà Nam Thanh - Laser và triển vọng 14 TP.Hồ Chí Minh đã chế tạo và chuyển giao loại máy trên cho một số trung tâm cai nghiện như Trung tâm y tế Lộc Ninh (Bình Phước), Bệnh viện Y học cổ truyền Trà Vinh. Phòng thí nghiệm sẽ tiếp tục nghiên cứu kết hợp máy cai nghiện với hệ thống máy tính để chuẩn đoán được tình trạng của bệnh nhân, từ đó có hướng điều trị phù hợp. 5.2 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 10−8W/cm2. Chính năng lượng hội tụ cao như vậy nên dùng laser công suất lớn để khoan, cắt, khắc hình ảnh lên kim loại với tốc độ cũng như độ chính xác rất cao. Hình 8: Dùng laser để hàn vật liệu với độ chính xác rất cao Hình 9: Laser cường độ mạnh dùng để cắt vật liệu rất nhanh và chính xác 5.3 Trong khoa học • Đo khoảng cách bằng laser Ánh sáng laser có tính định hướng nên chùm tia vẫn giữ được độ mảnh của nó trong suốt quá trình lan truyền trên những khoảng cách rất lớn. Chùm tia laser có công suất vài Oát cũng có thể dễ dàng vượt Hà Nam Thanh - Laser và triển vọng 15 qua khoảng cách Trái đất - Mặt trăng (384 000 km) rồi bị phản xạ ở bề mặt Mặt trăng quay trở 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. Hình 10: Ứng dụng của laser trong phép đo khoảng cách 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 đoàn Apollo đã để lại trên Mặt trăng các gương phản xạ đặc biệt có khả năng phản xạ chùm tia 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 quĩ đạo của Mặt trăng với độ chính xác đến vài cm, đối với khoảng cách Trái đất - Mặt trăng thì độ chính xác đến 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 cm mỗi năm. • Dùng laser tạo phản ứng nhiệt hạch Laser được dùng để làm nóng vật chất lên 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 lí thường sử dụng đơtêri và triti, 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 một chục chùm tia laser có cường Hà Nam Thanh - Laser và triển vọng 16 độ mạnh tập trung chiếu đồng thời vào viên này từ tất cả các hướng, làm cho nó co lại và nổ, đẩy áp suất và nhiệt độ của hỗn hợp đơtêri và triti tăng lên rất cao (trên 100 triệu độ) để khởi phát sự tổng hợp proton. Chỉ trong khoảng thời gian vài phần tỉ giây, công suất được hệ laser giải phóng cao hơn tổng công suất của tất cả các nhà máy điện của nước Mĩ. Ở nhiệt độ cao như thế hỗn hợp đơtêri-triti va chạm dữ dội và làm mất các electron và tạo thành một dạng vật chất mới, đó là plasma. Vật chất lúc này sẽ phình ra, tỏa nhiệt rất nhanh và sau chưa đầy một phần tỉ 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 ở nhiệt độ rất cao và tìm cách giam hãm chúng bằng các từ trường rất 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, Mĩ và Nga hợp tác đang được xây dựng ở Cadarache (Pháp), các nhà vật lý sẽ cố gắng thực hiện được sự giam hãm vật chất cực nóng trong từ trường mạnh. Hình 11: Dùng chùm laser tao phản ứng nhiệt hạch • Chụp ảnh toàn kí ba chiều bằng laser Một trong những ứng dụng quan trọng nhất của laser là chụp ảnh toàn kí (holographie, tiếng Hy lạp holos có nghĩa là “toàn bộ” và graphos Hà Nam Thanh - Laser và triển vọng 17 có nghĩa là “viết”), một ngành 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 lí 1971. Nhưng ý tưởng đó chỉ được thực hiện khi có sự lên ngôi của laser. Hình 12: Sơ đồ hệ thống tạo ảnh toàn kí Người ta dùng một chùm tia laser chia hai phần: phần thứ nhất gọi là “chùm vật”, được hướng đến các vật cần chụp ảnh, và được vật này phản chiếu đến phim, phần thứ hai gọi là “chùm tựa” (hay chùm qui chiếu), được gương phản xạ và đi thẳng đến phim mà không hề gặp vật. Hai chùm laser tương tác với nhau để tạo ra “môtíp giao thoa”, và môtíp này được phim giữ lại. Phim sẽ chứa toàn bộ thông tin về các pha của sóng ánh sáng, đóng vai trò như “âm bản” của ảnh chụp thông thường. Hình 13: Hình ảnh chú chó được xây dựng từ ảnh toàn kí Muốn đọc được các môtíp giao thoa và tái dựng lại hình ảnh nổi Hà Nam Thanh - Laser và triển vọng 18 “dương bản” phải dùng một chùm laser cùng bản chất với chùm laser đã dùng để tạo 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 kí trông rất thật, có thể xoay chúng và phát hiện cả những phần của vật chất không thể thấy nếu nhìn đối diện như trong trường hợp nhìn vật thật. Hình 14: Mô hình tòa nhà từ ảnh toàn kí Ảnh toàn kí còn có một tính chất hết sức kì lạ: mỗi phần của ảnh toàn kí đều chứa toàn bộ thông tin của cả bức ảnh. Nếu một phần bức tranh giao thoa tạo nên âm bản của ảnh toàn kí bị cắt mất, thì khi chiếu sáng phần còn lại bằng một chùm laser thích hợp, vẫn sẽ thu được toàn bộ bức ảnh, mặc 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 kí. Nói cách khác, mỗi điểm của ảnh toàn kí chứa toàn bộ vật, một đặc điểm không có ở ảnh thường. Đó là tính tổng thể của ảnh toàn kí. 5.4 Trong quân sự Máy đo khoảng cách bằng laser trong quân sự là loạt thiết bị quan trọng. Có nhiều loại khác nhau: máy đo cự ly hàng không, máy đo cự ly xe tăng, máy đo cự ly xách tay... Máy đo cự ly hàng không đo chính xác cự ly từ máy bay đến mục tiêu trên trái đất, nâng cao độ trúng đích khi ném bom. Nguyên lý hoạt động: đo khoảng cách chênh lệch giữa các xung laser phát ra và xung phản hồi về rồi nhân với tốc độ ánh sáng (300 000 Hà Nam Thanh - Laser và triển vọng 19 km/s) rồi chia 2, được kết quả cần đo. Hình 15: Laser tank- một cỗ máy đầy uy lực Rada laser có độ chính xác cao hơn rada thông thường, có thể hướng dẫn hai tàu vũ trụ ghép nối chính xác trên không gian. Máy bay chiến đấu bay ở tầm siêu thấp, nếu trang bị rada laser có thể né chính xác tất cả các chướng ngại vật, kể cả đường dây điện ! Tuy nhiên những thiết bị laser đều chịu ảnh hưởng của thời tiết, trời mù hoặc mưa thì khoảng cách đo bị giảm đi nhiều. Hình 16: Máy bay có gắn laser- vũ khí chiến lược Bom có lắp thiết bị dẫn đường bằng laser và có đuôi lắp hệ thống lái điều khiển sẽ tự động tìm kiếm và đánh trúng mục tiêu. La bàn laser thay thế la bàn phổ thông, để đo phương vị máy bay, dùng trong máy bay phản lực cỡ lớn và máy bay chiến đấu tính năng cao. Laser còn được biết đến như một loại vũ khí lợi hại, tuy chưa phổ biến. Được chia làm hai loại: Vũ khí laser công suất thấp làm lóa mắt đối Hà Nam Thanh - Laser và triển vọng 20 phương, dùng trong tác chiến gần, khoảng cách chỉ vài km, trời mưa mù khoảng cách còn ngắn hơn, có thể xách tay, lắp trên xe tăng, máy bay trực thăng. Vũ khí laser năng lượng cao dùng chùm tia laser cực mạnh chiếu đến một điểm trên mục tiêu, dừng lại một thời gian ngắn để vật liệu chảy ra hoặc khí hóa. Chùm tia laser mạnh có thể phá hủy đường điện, gây cháy thùng nguyên liệu trong máy bay, gây nổ đạn đạo. Lắp đặt trên mặt đất, trên tàu, trên máy bay, vệ tinh có tốc độ nhanh, chính xác cao, không cần thuốc mồi, không sinh lực đẩy ra phía sau, không tạo ô nhiễm nên nó là loại vũ khí “sạch”. Vũ khí laser lắp đặt trên vệ tinh có thể bắn hạ tên lửa đạn đạo và vệ tinh đối phương. Hình 17: Súng laser- một vũ khí lợi hại Theo dự tính, để phá hủy tên lửa đạn đạo cách xa 1000 km cần năng lượng laser 20000KW và kính phản xạ đường kính 10m với thời gian chiếu xạ 1 giây. Đầu những năm 90, Mĩ có thể chế tạo ra tia laser năng lượng 5000KW. Tuy vẫn còn một khoảng cách khá xa nhưng trong tương lai, vũ khí laser sẽ trở thành công cụ chiến tranh lợi hại và là cuộc đua công nghệ của các cường quốc trên thế giới. 5.5 Trong đời sống Laser được ứng dụng rất nhiều trong đời sống, mà thân quen và hữu dụng nhất là để ghi và đọc đĩa CD và DVD... Các đĩa CD (Compact) và DVD (Digital Versatile Disc, đĩa số hóa đa dụng) là một hệ quang học lưu trữ thông tin. Người ta dùng chùm laser để ghi thông tin lên một màng mỏng rất nhạy cảm với ánh sáng chiếu vào đĩa, thông tin được mã hóa bởi Hà Nam Thanh - Laser và triển vọng 21 các rãnh nhỏ trên đĩa. Để khắc được các rãnh này, chùm tia laser phải nhỏ cỡ 1 micromet, chúng được khắc thành đường rãnh xoáy trôn ốc với chiều dài lên đến 5km ! Hình 18: Ghi và đọc đĩa bằng laser Đầu đọc là một chùm laser hồng ngoại, khi ánh sáng laser chiếu vào một rãnh, một phần đi vào tận đáy rãnh và bị đáy này phản xạ, trong khi phần còn lại bị bề mặt xung quanh rãnh phản xạ. Khi hai sóng ánh sáng kết hợp với nhau, chúng có thể cùng pha hoặc ngược pha làm cường độ được tăng cường hoặc giảm bớt. Nếu ánh sáng tới không gặp rãnh thì sẽ không bị thay đổi cường độ khi phản xạ. Sự thay đổi hoặc không của cường độ chùm laser sẽ được một detector trong đầu CD đọc, và được mã hóa thành các số nhị phân 0 và 1, và mã nhị phân được ghi lên đĩa. Thông tin sẽ được tái tạo lại gần hoàn hảo như các âm thanh và hình ảnh ban đầu. Người ta còn dùng tia laser để phục hồi các tranh cổ ! Các nhà khoa học Tây Ban Nha cho biết, công việc làm sạch lớp bụi đã bám hàng thế kỉ trên các bức tranh cổ trở nên dễ dàng hơn với ứng dụng tia laser. Trước đây công việc phục hồi này là cả một quá trình gian khổ và không ít nguy cơ phá hủy bức tranh. Theo cách truyền thống, các nhà phục chế tranh phải sử dụng dao nhỏ và dung môi để trả lại màu căn bản của bức tranh. Ông Marta Castillejo, tại Viện nghiên cứu khoa học Tây Ban Nha cho biết: “Giờ đây tia laser hạn chế tối đa sự cọ xát trên bề mặt tranh. Tia cực tím sẽ loại bỏ các thành phần bề mặt của lớp vécni bảo vệ mà không làm ảnh hưởng đến các thành tố hóa học của lớp màu bên dưới. Khi Hà Nam Thanh - Laser và triển vọng 22 laser chiếu vào tranh, một dụng cụ chuyên dụng sẽ hút bụi và khí ra ngoài.” Thiết bị laser hỗ trợ lái xe trong đêm tối. Hệ thống hoạt động trên nguyên tắc chùm laser “tầm nhiệt”. Đầu quét tia được lắp cạnh vị trí đèn pha và đèn hậu để có thể phát hiện những đối tượng tỏa nhiệt (người, động vật sống...) phía trước hoặc sau xe và truyền hình ảnh tới tài xế qua một mành hình. Công nghệ chùm laser cảm nhiệt được ứng dụng trước tiên trong lĩnh vực quốc phòng. Các kĩ sư của tập đoàn General Motor đã nghiên cứu cải tiến hệ thống này để nó phục vụ việc lái xe đêm. Công trình của họ là một trong những giải pháp kĩ thuật hay nhất trong lĩnh vực chế tạo ôtô năm 1999. Cấu tạo của hệ thống có thể mô tả như một camera hồng ngoại, những đối tượng nhiệt do ống kính đặc biệt này thu được sẽ hiện lên màn hình đặt trong salon xe, hình ảnh giống như phim âm bản đen trắng. Năm 2000, hệ thống này được áp dụng lần đầu tiên trên mẫu xe Cadillac DeVille dành cho các nguyên thủ quốc gia. Phiên bản đầu tiên của thiết bị laser đặt trên ôtô cho hình ảnh tốt ở khoảng cách 50 m. Các chuyên gia cố gắng gia tăng độ nhạy của cảm biến để có thể cung cấp hình ảnh từ khoảng cách xa và rõ nét hơn. Kết quả cải tiến mới nhất cho thấy thiết bị có thể mô tả lại con đường trước mặt lái xe xa hơn cả tầm đèn pha. Từ đó, các chuyên gia GM, Peugeot và Citroen đã hợp tác hoàn thiện sản phẩm. Vào năm 2004, thiết bị này đã được ứng dụng rộng rãi trên các loại xe hơi phổ thông. Giá thành của việc lắp đặt hệ thống dự tính khoảng 400-500 USD. Hiện nay nó đã hạ giá rất nhiều. Ngoài ra chùm laser còn làm náo nhiệt không khí các lễ hội. 6 Một số sai lầm khi hiểu về laser Sự hiện diện của laser trong các tác phẩm khoa học viễn tưởng, hay phim hành động, cũng như lời bình phẩm nói chung dẫn đến các suy nghĩ sai lầm. Ví dụ, trái với những gì xuất hiện trên phim Star Wars, tia laser Hà Nam Thanh - Laser và triển vọng 23 không bao giờ nhìn thấy trong chân không, do chân không không có tán xạ ánh sáng. Trong không khí, tia laser có thể va chạm với bụi hay vật cản trên đường và bị tán xạ, tạo ra các tia lóe sáng; tương tự như ánh nắng mặt trời tỏa sáng trong môi trường bụi. Kĩ xảo này có thể ứng dụng cho tia laser có thể nhìn thấy, như trong mục đích chụp ảnh, bằng cách tăng số lượng các hạt trong không khí, như dùng bình xịt thơm. Tia laser với cường độ cao có thể nhìn thấy trong không khí nhờ vào tán xạ Rayleigh hay tán xạ Raman. Với các tia có cường độ cao hơn, tập trung tại một điểm nhỏ, không khí có thể bị nung đến trạng thái plasma, do đó laser có thể được nhìn thấy nhờ bức xạ từ plasma này. Tuy nhiên sự tăng áp suất đột ngột khi không khí bị nóng nhanh có thể tạo ra tiếng nổ lớn, và tạo ra sự phản hồi của tia laser làm hư thiết bị (tùy vào thiết kế của laser). Trong phim khoa học viễn tưởng, các hiệu ứng đặc biệt thường miêu tả các vũ khí laser truyền đi vài mét trong một giây, trái với thực tế là tia laser di chuyển với tốc độ ánh sáng, nhanh đến mức không thể thấy sự dịch chuyển của laser. Ngoài ra, một vài cảnh phim miêu tả hệ thống an toàn sử dụng laser đỏ có thể được vô hiệu hóa bằng các nhân vật bằng cách sử dụng các gương, khi người này nhìn thấy tia laser bằng cách rải các bụi trắng trong không khí; nhưng thực tế đa số hệ thống an toàn sử dụng laser hồng ngoại hơn là laser có thể nhìn thấy bằng cách như trên. 7 Triển vọng 7.1 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 kỉ này kết thúc, nhưng triển vọng về công nghệ trong ngành công nghiệp chip chắc chắn sẽ làm rung động cả giới truyền thông và công nghiệp máy tính, con chip này có thể chuyển dữ liệu gấp 100 lần tốc độ so với chip hiện nay ở các thiết bị truyền thông. Hà Nam Thanh - Laser và triển vọng 24 Kết quả trên mang lại một khả năng tạo trên mỗi con chip hàng trăm thậm chí hàng ngàn tia laser sáng cực nhỏ. Phát minh này đã đạt được bởi sự liên kết nền tảng của photpho và indi phát ra ánh sáng vào bề mặt của chip silicon đạt tiêu chuẩn axit với các rãnh đặc biệt. Các rãnh này đóng vai trò như “người dẫn đường” cho sóng ánh sáng. Hình 19: Chip laser cực nhỏ 7.2 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 có công suất 1W có thể hội tụ để có một cường độ 108W/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 Đại học tổng hợp Nam California) đã chứng minh được rằng 1 xung laser hồng ngọc, có công suất ở đỉnh 108W , được hội tụ ở cường độ cao nhất là 1016W/cm2 có thể khoan những lỗ trên các lưỡi dao cạo râu và ion hóa không khí. Độ sáng rất cao của chùm laser này có thể gây nguy hiểm. Một laser He-Ne với công suất 1mW 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 Hà Nam Thanh - Laser và triển vọng 25 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 học nói riêng. Ngày này, các nhà khoa học và tiên phong là các nhà vật lý đang đẩy nhanh công cuộc “tìm hạt cơ bản của chúa” bằng việc chế tạo các máy gia tốc cực lớn LHC, song song với nó các nhà khoa học cũng đã thu được nhiều thành tựu với công nghệ laser. Chế tạo Mặt trời trong phòng thí nghiệm Bằng phương pháp chiếu tia laser cực mạnh vào một quả cầu khí, các nhà khoa học Mĩ 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 (Mĩ) tạo ra (xem Hình 11). 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 Mĩ đã mở đường cho một loạt các thí nghiệm để tạo ra các sức nóng và áp suất như ở lõi Mặt trời. Hình 20: Hội tụ cường độ laser để tạo ra năng lượng lớn Theo các nhà khoa học, tia laser của NIF có thể tạo ra năng lượng Hà Nam Thanh - Laser và triển vọng 26 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 hy 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. Dự án đó trị giá 3.5 tỉ USD của Trung tâm năng lượng Quốc gia Mĩ ở San Francisco (NIF), nhằm tạo ra nguồn năng lượng vô tận, có lợi cho môi trường. Nơi thử nghiệm Nơi thử nghiệm Mặt trời nhân tạo là một “phòng thí nghiệm” bằng vỏ cầu thép, đường kính 9m, nặng 500 tấn. Giữa tâm vỏ cầu thép, người ta đặt một quả cầu khí (đường kính 0.1m) 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 tỉ 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 tỉ USD và sự tham gia của gần 300 nhà khoa học, NIF hy vọng có thể tạo ra Mặt trời nhân tạo vào năm 2020. 7.3 Tạo xung cực ngắn Nhờ một hệ thống laser siêu mạnh, các nhà vật lý Mĩ hy vọng tạo ra được tia chớp ngắn nhất thế giới. Theo dự kiến, nó chỉ lóe sáng trong vòng một phần nghìn tỉ-tỉ giây (10−21s). 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 các mức 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. Hà Nam Thanh - Laser và triển vọng 27 Hệ thống laser cũng sản sing ra một từ trường siêu mạnh, mạnh gấp 10 tỉ 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 dụ như sao neutron. Trước đó, một số nhà nghiên cứu khác cũng đã đạt được nhiều thành tựu trong việc chế tọa xung laser ở cấp độ vài trăm atto giây (1 atto giây = 10−18s). Một nhóm các nhà khoa học châu Âu đã tạo ra các xung laser cỡ 250 atto giây. Không lâu sau, các nhà khoa học Áo, Đức và Canada đã tạo được những xung bức xạ trong phổ tia X kéo dài 650 atto giây. Để thấy được sự tinh tế của các bức xạ cấp độ atto giây, ta có thể tưởng tượng, nếu ta 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 bức xạ tia X tạo ra trong 650 atto giây chỉ bằng vài phần tỉ mét, nghĩa là chỉ dài bằng một con virus ! Trước đó, việc hoàn thiện hóa các xung laser ở cấp độ 1 phần triệu tỉ giây (femto giây: 10−15s) 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 Mĩ 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 kĩ thuật cao hơn, các xung bức xạ ở cấp độ atto giây sẽ giúp nhân loại “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. Hình 21: Hệ thống laser để chụp các electron trong phản ứng hóa học Những tia chớp cực ngắn loại này cho phép nghiên cứu thế giới vi mô Hà Nam Thanh - Laser và triển vọng 28 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 hoặc pico giây (10−12s). 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. Hình 22: Ứng dụng xung laser cực ngán vào việc chụp hình các electron Việc chụp ảnh đối với các vật chuyển động cực nhanh Để chụp một chiếc lá rơi, ta chỉ cần một chiếc máy ảnh thường, vì lá rơi chậm. Nhưng để chụp một chiếc xe máy lao vụt qua, ta cần một máy ảnh có tốc độ mở ống kính 1/1000 giây, vì chỉ như vậy ta mới hạn chế được sự dịch chuyển của xe (còn khoảng 5cm) để có một bức ảnh rõ nét. Với các hiện tượng khác nhau cũng vậy. Khi mà nhân loại dần đi tới những chân trời kiến thức: vô cùng lớn trong 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, nhanh hơn, nhạy hơn và chính xác hơn..., và laser là một trong những công cụ như thế. 7.4 Việc tạo ra các 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 Hà Nam Thanh - Laser và triển vọng 29 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 điện tích sôi sục. Theo giả thiết 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 môi trường gần giống nhân của chúng bằng thực nghiệm. Nhóm các nhà khoa học sử dụng hệ thống laser của Phòng thí nghiệm Rutherford Appleton (Anh) đã bắn ra chùm tia laser với bức xạ cực đại 90.000 tỉ W/cm2 trong thời gian một phần tỉ giây. Dưới tác dụng của chùm laser này, vật liệu bốc hơi thành một đám khí nóng gồm các hạt điện tích. Ở vùng trung tâm dày đặc của đám khí đã xuất hiện một trường điện từ T=34000 Tesla, mạnh gấp một tỉ lần từ trường của Trái đất. Trước đó chưa có nhóm khoa học nào làm được một kì 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 nghiểm lý thuyết của ngành vật lý thiên văn về dạng của thiên thể này. Tuy nhiên điều này lại không dễ dàng chút nào, bởi từ trường ở các sao nơtron được dự đoán là mạnh tới 1 tỉ Tesla. 7.5 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 một viễn tưởng, bởi chúng được xây dựng trên nền tảng lý thuyết vững chắc và những kiểm nghiệm khoa học mới nhất của GS Ronald Mallet, Đại học Connecticut, Mĩ. 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 Hà Nam Thanh - Laser và triển vọng 30 “năng lượng âm” rất lớn. Ông cũng không theo quan điểm của nhà logic học Kurt Goedel, người đầu tiên 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 vững chắc 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 tỉ 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 tọa độ 4 chiều, trong đó thời gian là chiều thứ tư) 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 tới mức nó không còn chạy thẳng nữa mà sẽ chạy theo vòng tròn. Hình 23: Tác dụng của trường hấp dẫn lên các vật thể 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. Mallet 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 Hà Nam Thanh - Laser và triển vọng 31 cong khi đi qua một trường hấp dẫn cực lớn và khi đó không gian cũng bị bẻ cong. Năm trước, 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 !. 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. Hình 24: Sự trôi bình thường của thời gian 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 giãm 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 Hà Nam Thanh - Laser và triển vọng 32 nó chuyển động chậm đến mức có thể. Cuối cùng ông đã làm được một điều kì diệu: hãm ánh sáng từ tốc độ 300 000km/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. Hình 25: Sự trôi của thời gian theo vòng tròn Tuy nhiên, việc “hãm” tốc độ ánh sáng trên chỉ có thể thực hiện ở một môi trường có nhiệt độ gần sát với độ không tuyệt đối (−2730C). Chính vì thế, nếu thử nghiệm chế tạo máy thời gian của Mallet 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, Mallet mới chỉ tiến hành những thực nghiệm nhỏ ở bước thứ nhất là đo những tác động của vòng quay laser vào một nguyên tử đơn). Hà Nam Thanh - Laser và triển vọng 33 KẾT LUẬN Sự phát triển nhanh chóng và vượt bậc của laser đến nay đều đã được mọi người công nhận, chính những ứng dụng thực tiễn và nghiên cứu khoa học hết sức hữu dụng của laser đã chứng tỏ điều đó. Tiểu luận đã phần nào nêu lên được những ứng dụng cơ bản trong đời sống và nhiều ứng dụng mới quan trọng trong nghiên cứu khoa học cũng như trong nhiều lĩnh vực khác của laser trong nhiều năm trở lại đây. Tuy nhiên công nghệ laser không chỉ dừng lại ở đó, nó vẫn và sẽ phát triển mạnh mẽ trong nhiều năm tới đây để đóng góp nhiều hơn nữa cho tiện ích cuộc sống con người, góp phần chứng minh cho một định luật vui nhưng thực tế của nhà khoa học Morre: Sau một năm, công nghệ được tích hợp trong các sản phẩm sẽ tăng gấp đôi và giá thành sẽ giảm đi một nửa. Nhận biết được tầm quan trọng của LaTex trong nghiên cứu khoa học và cũng để phục vụ tốt hơn cho việc hoàn thành khóa luận tốt nghiệp, tôi đã mạnh dạn ứng dụng LaTex để trình bày bài tiểu luận này. Đây là một chương trình khá mới và phức tạp đối với những sinh viên không phải chuyên ngành toán-tin, nhưng sau một thời gian nghiên cứu và sử dụng, tôi đã đạt được một số kết quả bước đầu với chương trình này, và bài tiểu luận này đã thể hiện được một phần của điều đó. Tri thức nhân loại luôn rộng lớn hơn từng ngày và trình độ của con người thì vẫn còn nhiều hạn chế. Với thời gian và năng lực bản thân có hạn, trong khuôn khổ bài tiểu luận này tôi chưa thể trình bày hết được nhiều khía cạnh khác của laser, âu đó cũng là cánh cửa mở thúc dục các sinh viên khóa sau tiếp tục tìm hiểu. Mong rằng đây có thể là một tài liệu tham khảo hữu ích cho các bạn sinh viên khóa sau đam mê tìm hiểu về laser, rất mong các bạn đóng góp ý kiến và tiếp tục hoàn thiện hơn về đề tài này. Hà Nam Thanh - Laser và triển vọng 34 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Hồ Quang Quí, Vũ Ngọc Sáu (2005), Laser có bước sóng thay đổi và ứng dụng, NXB ĐHQG Hà Nội. 2. Trịnh Xuân Thuận, Phạm Văn Thiều, Ngô Vũ dịch (2008), Những con đường của ánh sáng, Tập 2, NXB Trẻ. 3. David Halliday (2007), Cơ sở vật lý, tập 6: Quang học và Vật lý lượng tử, NXB Giáo dục. 4. Trần Đức Hân, Nguyễn Minh Hiển (2003), Cơ sở kĩ thuật laser, NXB Giáo dục. 5. 6. 7.