TIỂU LUẬN môn PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN cứu KHOA học LASER và TRIỂN VỌNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP.HCM KHOA : VẬT LÝ  BỘ MÔN: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC TÊN ĐỀ TÀI TIỂU LUẬN: Giáo viên hướng dẫn : Thầy Lê Văn Hồng Nhóm thực hiện: Nguyễn Văn Tèo Châu Hồng Gia Nguyễn Văn Tình Nguyễn Tấn Đạt Nguyễn Chí Điền TP.HCM, Tháng 05/2009 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com GVHD: TSKH.Lê Văn Hoàng laser triển vọng MỤC LỤC: I Laser - Lịch sử đời phát triển Laser: .4 II Nguyên lý tạo Laser: A Cơ sở lí thuyết: .6 B Mơ hình cấu tạo 10 C Nguyên lý hoạt động: 10 III Tính chất Laser: 12 IV Phân loại Laser: 13 A V Môi trường khuyếch đại: 13 Một số ứng dụng quan trọng Laser: 14 A Trong y học: .14 B Trong công nghiệp: 16 C Trong khoa học: 17 Đo khoảng cách laser 17 Dùng laser tạo phản ứng nhiệt hạch: .18 Ảnh tồn ký hình ảnh ba chiều: 18 Trong đời sống (Ứng dụng laser để đọc đĩa CD DVD)… 20 VI Triển vọng 21 A Chip laser 21 B Mặt trời nhân tạo: 22 C Tạo xung cực ngắn 24 D Việc tạo từ trường mạnh nhờ laser: 27 E Giấc mơ "đi ngược thời gian" thành thực: 27 Trang LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com GVHD: TSKH.Lê Văn Hoàng laser triển vọng LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI: Thế kỉ XXI kỉ công nghệ cao, công nghệ kĩ thuật số, quan tâm tới máy đáp ứng nhu cầu công việc mà đánh giá cao gọn nhẹ Để phải có cơng nghệ tiên tiến đáp ứng Các nhà khoa học cơng bố hai phát kiến quan trọng có tầm ảnh hưởng lớn đến công nghệ ngày nay: Thứ nhất, đời Tranzitor kích thích phát triển vi điện tử, công nghệ “vi mô” Thứ hai, quan trọng phát minh Laser, mở đường cho nhà phát minh, sáng chế Laser có tầm ảnh hưởng sâu rộng đến tất lĩnh vực đời sống Laser, gần gũi với tất người Hầu hết nghe nhắc đến cụm từ vài lần Các em nhỏ lại quên phim “chiến tranh sao”, phim khoa học viễn tưởng, máy ánh sáng thần kì gợi lên bao niềm mơ tưởng cho trẻ em, cho nhà khoa học kĩ sư Ngày Laser diện nhiều nơi, khách quan mà nói, hiểu cịn hạn chế Laser phát triển mạnh vào năm 1980, thời điểm nước ta vượt khỏi chiến tranh nên điều kiện tiếp cận với Laser chưa nhiều, mặt khác sản phẩm bán thị trường đắt so với túi tiền Nhưng Laser phát triển nhanh, xâm nhập vào nhiều ngõ ngách sống, vây nên tìm hiểu kỹ thêm: Laser ? Laser xuất ? chặng đường phát triển ? tính chất Laser ứng dụng vào đời sống ?! Chúng tơi nghĩ câu hỏi có từ lâu người chúng ta, người ngày chứng kiến bùng nổ công nghệ, kĩ thuật, phải tự hỏi thân Cùng với bán dẫn, laze lĩnh vực khoa học công nghệ quan trọng vào bậc kỷ XXI Tất nhà khoa học, nhà phát minh, sáng chế, Trang LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com GVHD: TSKH.Lê Văn Hồng laser triển vọng kỹ sư,… có tham vọng khai thác tính chất Laser để phục vụ cho cơng việc Và khẳng định Laser tâm điểm ý giới khoa học, công nghệ nhân loại thập kỉ trở lại Trang LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com GVHD: TSKH.Lê Văn Hoàng laser triển vọng I Laser - Lịch sử đời phát triển Laser: Ngày Laser diện nhiều nơi, khách quan mà nói, hiểu cịn hạn chế Laser phát triển mạnh vào năm 1980 Laser phát triển nhanh, xâm nhập vào nhiều ngõ ngách sống, vây nên tìm hiểu kỹ thêm: Laser ? Laser xuất ? chặng đường phát triển ? Laser chữ viết tắt cách kết nối chữ cụm từ nói tiếng Anh (Light Amplification by Stimulated Emisson of Radiation) nghĩa khuếch đại ánh sáng xạ cưỡng Người ta nhớ lại rằng, vào năm 1916, sau bầu vào Viên Hàn lâm Khoa học Đức, A.Einstein tư trừu tượng cao, nêu thuyết: Nếu chiếu nguyên tử sóng điện từ, xẩy xạ “được kích hoạt” trở thành chùm tia hồn tồn đơn sắc, tất photon (quang tử) phát có bước sóng Đó ý tưởng khoa học Nhưng chưa có chứng minh nên lý thuyết gần bị lãng quên nhiều năm Mãi tới năm 1951 giáo sư Charles Townes thuộc trường Đại học Columbia thành phố New York (Mỹ) ý đến khuếch đại sóng cực ngắn (vi sóng) Ông thực thí nghiệm mang tên Maser (maze) khuếch đại vi sóng xạ cảm ứng, (chữ Maser chữ đầu nghĩa tiếng Anh: Microwave Amplification by Stimulated Emisson of radiation) Ông thành cơng, phí tốn để nghiên cứu phịng thí nghiệm Cũng vào thời gian này, phương trời khác, hai nhà khoa học Xô Viết N Batsov A Prokhorov phát minh máy khếch đại vi sóng gần dạng nguyên lý Trang LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com GVHD: TSKH.Lê Văn Hoàng laser triển vọng Máy tạo Maser lịch sử Vì ba nhà khoa học nói nhận giải Nobel vật lý vào năm 1964 Đạt tới việc khuếch đại sóng cực ngắn mà khơng dấn thêm vào sóng phát sáng ?, tiếc nuối lên từ C Townes Bởi sau thành công ông cấp giao cho trọng trách Thực nhà khoa học Anthus Schawlow (là em rể Townes) có nhiều công suy nghĩ để biến Maze thành Laser, phạm vi lý thuyết tháng 8/1958 ông cơng bố phần lý thuyết tạp chí “Physical Review” dừng lại; Theodora Maiman phát triển thêm lên Theodora Maiman, nhà khoa học phịng thí nghiệm Hughes Malibu, bang California Dựa vào lý thuyết tảng thực nghiệm Townes Schawlow công bố, T Maiman dành hai năm sâu thêm, mở rộng thêm trở thành người tìm tia Laser Ngày 16/5/1960 ngày đáng nhớ, ngày này, T Maiman thức tạo Laser từ thể rắn hồng ngọc Tia sáng ông tìm luồng ánh sáng tập trung có độ hội tụ lớn, hồn tồn thẳng, rõ nét, khiết, mầu đỏ lộng lẫy bề dài bước sóng đo 0,694 micromet Như giả thuyết mà Einstein nêu cách ngày 54 năm chứng minh Trang LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com GVHD: TSKH.Lê Văn Hoàng laser triển vọng Những năm tiếp theo, nhà khoa học khắp nơi nối dài thành laser thành nhiều loại, cách: đưa vào hoạt chất thể khí (ví carbonic CO2 He , Ne , Ar ) ta có tia laser từ thể khí; đưa vào arseniure (từ gallium) có tia laze từ bán dẫn; đưa vào dung dịch chất nhuộm mầu hữu cho ta laze lỏng; sử dụng oxy-iot vạn ta có laze hố học; laze rắn v v Điều kỳ diệu tuỳ theo hoạt chất mà tạo mầu sắc khác làm cho tia laze trở nên lung linh huyền ảo II Nguyên lý tạo Laser: A Cơ sở lí thuyết: Chúng ta cần thêm vài khái niệm để hiểu rõ nguyên lý tạo Laser! Sự lượng tử hóa nguyên tử làm cho nguyên tử có mức lượng gián đoạn Sự chuyển từ mức lượng sang mức lượng khác phải xảy với phát xạ ánh sáng Theo tiên đề Borh, nguyên tử hay phân tử nằm trạng thái lượng cao lượng trạng thái thấp hay trạng thái tự phát rơi xuống mức lượng thấp hơn, mà khơng cần kích thích từ bên ngồi Một kết xảy với rơi làm giảm trạng thái lượng giải phóng lượng dư thừa ( ứng với hiệu hai mức lượng) dạng phô ton ánh sáng Nguyên tử hay phân tử kích thích có thời gian phát xạ đặc trưng, thời gian mà chúng giữ trạng thái lượng kích thích cao trước chúng chuyển xuống mức lượng thấp sinh photon Từ thời gian phát xạ nguyên tử Einstein nghĩ loại phát xạ mới: phát xạ cưỡng Trang LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com laser triển vọng GVHD: TSKH.Lê Văn Hồng (b) (c) Cịn trạng thái kích thích, nguyên tử rọi với photon đến có lượng xác lượng mà chuyển trạng thái xảy tự phát, nguyên tử bị cưỡng photon đến để quay trở lại trạng thái lượng thấp phát photon có lượng chuyển trạng thái Một photon riêng lẽ tương tác với ngun tử kích thích tạo hai photon phát xạ Nếu photon xem sóng xạ cưỡng dao động với tần số ánh sáng tới, pha ( thỏa mãn tính chất kết hợp) nên làm khuyếch đại cường độ chùm sáng ban đầu Vấn đề quan trọng việc thu phát xạ Laser cưỡng điều kiện cân nhiệt động lực học bình thường dân cư, số nguyên tử, phân tử mức lượng không thuận lợi cho việc phát xạ cưỡng nguyên tử có xu hướng tự rơi xuống mức lượng thấp nên số nguyên tử hay phân tử mức giảm lượng tăng Dưới điều kiện bình thường lượng ứng với quang electron điển hình (1 eV) tỉ số nguyên tử trạng thái kích thích mức cao với trạng thái mức thấp vào khoảng 1017, tất nguyên tử hay phân tử vào trạng thái chuyển mức lượng ánh sáng khả kiến lí khiến phát xạ cưỡng khó thu trở nên hiển nhiên xem xét kiện có khả xảy quanh phân hủy electron Trang LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com GVHD: TSKH.Lê Văn Hoàng laser triển vọng từ trạng thái kích thích với phát xạ ánh sáng sau tự phát Ánh sáng phát xạ kích thích phát xạ từ ngun tử bị kích thích khác, số gặp phải nguyên tử trạng thái bị hấp thụ gây phát xạ số nguyên tử trạng thái kích thích nhiều số nguyên tử trạng thái nên photon phát xạ có khả hấp thụ nhiều hơn, bù lại số photon cưỡng không đáng kể so với phát xạ tự phát (ở trạng thái cân nhiệt động lực học) Cơ chế làm cho phát xạ cưỡng lấn át phải có số ngun tử trạng thái kích thích nhiều số nguyên tử trạng thái lượng thấp hơn, cho photon có khả gây kích thích phát xạ nhiều bị hấp thụ Do điều kiện nghịch đảo trạng thái cân nên gọi nghịch đảo dân cư Miễn có nhiều nguyên tử trạng thái lượng cao nhiều nguyên tử trạng thái lượng thấp hơn, phát xạ cưỡng lấn át thu dòng thác photon Photon phát xạ ban đầu kích thích phát xạ nhiều photon photon sau lại kích thích phát xạ nhiều photon nữa, tiếp diễn làm cho dòng thác photon tăng lên Kết ánh sáng phát xạ khuyếch đại nghịch đảo dân cư chấm dứt (nguyên tử trạng thái lấn áp phát xạ tự phát lại trở thành chủ yếu) Sự nghịch đảo dân cư tạo qua hai chế bản: tạo số dư thừa số nguyên tử hay phân tử trạng thái lượng cao, làm giảm dân số trạng thái lượng thấp Nhưng hoạt động Laser liên tục phải ý vừa làm tăng dân cư mức lượng cao vừa làm giảm dân cư mức lượng thấp Nếu nhiều nguyên tử hay phân tử tích tụ mức lượng thấp nghịch đảo dân cư khơng cịn hoạt động laser dừng lại Để tạo nghịch đảo dân cư cho cho hoạt động laser phải kích thích có chọn lọc ngun tử hay phân tử lên mức lượng đặc biệt Ánh sáng dịng điện chế kích thích chọn cho phần lớn Laser Ánh sáng electron cung cấp lượng cần thiết để kích thích phân tử hay Trang LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com GVHD: TSKH.Lê Văn Hoàng laser triển vọng nguyên tử lên mức lượng cao chọn Sau rơi xuống mức Laser cao Biểu diễn lượng Laser ba mức bốn mức Như nói phần trước lượng thời gian mà nguyên tử hay phân tử tồn trạng thái kích thích định bị cưỡng phát xạ tham gia vào dòng thác photon hay lượng qua việc phát xạ tự phát Các trạng thái kích thích thường có thời gian sống khoảng nano giây trước chúng giải phóng lượng thời gian khơng đủ lâu để chúng bị kích thích photon khác Do mức lượng cao phải có thời gian sống lâu (trạng thái siêu bền) Với thời gian sống trạng thái (khoảng micro giây đến mili giây) nguyên tử bị kích thích tạo lượng đáng kể phát xạ cưỡng Ngoài việc tạo nghịch đảo dân cư, cần yếu tố khác để khuyếch đại tập trung ánh sáng thành chùm Công việc thực hộp cộng hưởng, phản xạ trở lại số ánh sáng trở lại môi trường laser, qua nhiều lần tương tác hình thành hay khuyếch đại cường độ ánh sáng Trang LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com GVHD: TSKH.Lê Văn Hoàng laser triển vọng C Trong khoa học: Đo khoảng cách laser ứng dụng tia Laser phép đo khoảng cácch Ánh sáng laser có tính định hướng nên chùm tia giử gược dộ mảnh suốt q trình lan truyền khoảng cách lớn chùm laser có cơng suất vài oát dễ dàng vượt qua khoảng cách Trái Đất Mặt Trăng (384.000 km) bị bề mặt Mặt Trăng quay lại Trái Đất Một chùm Tia Laser ban đầu có kích thước bút chì lên Mặt Trăng có kích thước vịng trịn đường kính vài km Sự loe rộng chùm laser 0.001% khoảng cách Trái đất Mặt Trăng Bằng cách đo thời gian chùm tia laser nhà thiên văn dựng đồ Mặt Trăng Trong thập niên 70 nhà du hành phi hành đoàn Apollo để lại mặt Trăng gương phản xạ đặt biệt có khả năg phản xạ chùm laser Ánh sáng phản xạ kính thiên văn mặt đất Quan sát Bằng cách nhà thiên văn xác định quỹ đạo Mặt Trăng với độ xác tới vài xentimét khoảng cách Trái Đất-Mặt Trăng độ xác tới phần mười tỉ Bằng cách thực phép đo từ lục địa khác nhà thiên văn đo tốc độ trơi dạt mảng lục địa, vận tốc vài xentimét năm Trang 17 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com GVHD: TSKH.Lê Văn Hoàng laser triển vọng Dùng laser tạo phản ứng nhiệt hạch: Laser dùng để làm nóng vật chất lên nhiệt độ cao để tạo lượng hạt nhân thông qua tổng hợp proton, tâm Các nhà vật lý thường sử dụng đơtêri triti đồng vị hydro dễ dàng tổng hợp hydro Các xung laser bắn vào viên trịn đường kính khoảng 2mm chứa vài miligam đơtêri triti Khoảng chục chùm tia laser có cường độ cực mạnh tập trung chiếu đồng thời vào viên từ tất hướng, làm cho nổ co vào, dẫn đến áp suất nhiệt độ hỗn hợp đơtêri-triti tăng lên cao (trên 100 triệu độ) để khởi phát tổng hợp proton Chỉ khoảng thời gian vài phần tỷ giây, công suất hệ laser giải phóng cao tổng cơng suất tất nhà máy điện nước Mỹ Ở nhiệt độ cao hỗn hợp đơtêri –triti va chạm dội electron tạo thành hỗn hợp gọi plasma Vật chất phình ra, tản mát chưa đầy phần tỷ giây phản ứng dừng lại Sự tổng hợp hạt nhân laser dùng xung laser, nên khơng thực tế muốn dùng để tạo lượng với số lượng lớn, giúp nhà vật lý tạo vật chất nóng tìm cách giam hãm chúng từ trường cực mạnh, để ngày chế tạo lị phản ứng tổng hợp nhiệt hạch có khả tạo đủ lượng cho mục đích thương mại Lị phản ứng nghiên cứu mang tên ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) châu Âu, Nhật Bản, Mỹ Nga xây dựng Cadarache (Pháp), nhà vật lý tìm cách giam cầm vật chất cực nóng từ trường cực mạnh Ảnh tồn ký hình ảnh ba chiều: Một ứng dụng quan trọng laser chụp ảnh toàn ký (holographie, tiếng Hy Lạp holos nghĩa “tồn bộ” graphos có nghĩa “viết”), nghành khoa học cho phép tạo ảnh ba chiều, mà không cần phải sử dụng thấu kính Ý tưởng hình thành vào năm 1947 nhà vật lý Dennis Gabor (1900-1979), nhờ ông giải Nobel vật lý 1971 Nhưng phải đến lên ngơi laser người ta thực Trang 18 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com GVHD: TSKH.Lê Văn Hoàng laser triển vọng Người ta dùng chùm tia laser chia hai phần: phần thứ gọi “chùm vật”, hướng đến vật cần chụp ảnh vật phản chiều đến phim; phần thứ hai gọi “chùm tựa” (hay chùm quy chiếu), gương phản xạ thẳng đến gương mà không gặp vật Hai chùm laser tương tác với để tạo “mơtíp giao thoa”, mơtíp phim lưu lại Phim chứa tồn thơng tin pha sóng ánh sáng, đóng vai trị “âm bản” ảnh chụp thơng thường Muốn đọc mơtíp giao thoa tái dựng lại hình ảnh “dương bản”, phải dùng chùm laser chất với chùm dùng để tạo mơtíp Khi tranh laser chùm laser chiếu sáng, mơtíp tái tạo lại cấu trúc không gian vật, vật ba chiều, lơ lửng khơng trung Ảnh tồn ký trơng thực, xoay chúng phát phần vật khơng thể thấy nhìn đối diện trường hợp nhìn vật thật Ảnh tồn ký cịn có tính chất kỳ lạ: phần ảnh tồn ký chứa tồn thơng tin ảnh Nếu phần tranh giao thoa tạo nên âm ảnh tồn ký bị cắt mất, chiếu sáng phần cịn lại chùm laser thích hợp, thu tồn ảnh, mặt dù độ sáng yếu với phối cảnh hạn chế Sở dĩ có toàn cảnh ghi lại tất Trang 19 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com GVHD: TSKH.Lê Văn Hoàng laser triển vọng điểm âm ảnh tồn ký Nói cách khác, điểm ảnh toàn ký chứa toàn vật, đặt điểm khơng có ảnh thơng thường Đó tính tổng thể ảnh tồn ký Hình ảnh ba chiều phép chụp tồn kí Trong đời sống (Ứng dụng laser để đọc đĩa CD DVD)… Các đĩa CD (đĩa compact) DVD (Digital Versatile Disc, đĩa số hoá đa dụng) hệ quang học lưu giữ thông tin Người ta dùng chùm laser để ghi thông tin lên màng mỏng nhạy cảm với ánh sáng đĩa, thơng tin mã số hố lỗ nhỏ đĩa Để khắc lỗ nhỏ đưịng kính chùm tia laser phải nhỏ micromét, chúng khắc theo rảnh hình xoắn trơn ốc dài đến 5km Đầu đọc chùm laser hồng ngoại, ánh sáng laser chiếu vào lỗ, phần vào tới tận đáy lỗ bị đáy phản xạ, phần lại bị bề mặt xung quanh lỗ phản xạ Khi hai sóng ánh sáng kết hợp với nhau, chúng pha ngược pha làm cường độ tăng giảm Nếu ánh sáng tíơ khơng gặp lỗ không thay đổi cường độ Sự thay đổi hay không thay đổi cường độ chùm laser detector đầu CD đọc, chuyển hoá thành chuỗi số 1, phản ánh mã nhị phân ghi đĩa Thông tin tái tạo lại gần hoàn hảo âm hình ảnh Trang 20 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com GVHD: TSKH.Lê Văn Hoàng laser triển vọng Đĩa laser có dung lượng chứa thơng tin khổng lồ VI Triển vọng A Chip laser Phát triển kết nghiên cứu Intel, nhà sản xuất chip lớn giới Đại học California, SantaBarbara Việc thương mại hóa cơng nghệ chưa thể thực trước thập kỷ kết thúc triển vọng công nghệ công nghiệp chip chắn làm rung động giới truyền thơng cơng nghiệp máy tính chip chuyển liệu gấp 100 lần tốc độ so với chip thiết bị truyền thống Kết mang lại khả tạo nên cho chíp máy tính hàng trăm hàng ngàn tia laser sáng cực nhỏ Chip laser tạo luồng ánh sáng chứa liệu khổng lồ Trang 21 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com GVHD: TSKH.Lê Văn Hoàng laser triển vọng Phát minh đạt liên kết tảng phốt indi phát ánh sáng vào bề mặt chip silicon đạt tiêu chuẩn khắc axít với rãnh đặc biệt Các rãnh vận hành “người dẫn đường” cho sóng ánh sáng B Mặt trời nhân tạo: Các laser xạ ánh sáng đặc biệt, ánh sáng kết hợp Ánh sáng laser phát sóng điện từ có tần số pha hồn tồn xác định Tính kết hợp kết lối trực chuẩn đơn sắc Những ứng dụng laser liên quan mật thiết với tính chất Sự kết hợp pha cho phép hội tụ ánh sáng laser thành điểm nhỏ có đường kính khoảng bước sóng (10-4cm) Như laser 1W hội tụ để có cường độ 108 W/cm2 Năm 1963, sau phát minh laser hồng ngọc, bà Elsa Garmire ( giám đốc trung tâm nghiên cứu laser thuộc trường Đại Học tổng hợp Nam California ) chứng minh xung laser hồng ngọc, có cơng suất đỉnh 10 W, hội tụ đến cường độ cao 1016 W/cm2 khoan lỗ lưỡi dao cạo râu ion hóa khơng khí Độ sáng cao chùm laser gây nguy hiểm Một laser He-Ne với công suất mW chưa hội tụ có độ sáng độ sáng Mặt trời vào ngày nắng gắt, nguy hiểm nhìn thẳng vào tia Các laser có cơng suất mạnh gây tổn thương nhanh Nhưng laser lại công cụ tốt cho nhà vật lý, nhà khoa học tạo môi trường có lượng cao khoảng thời gian ngắn Việc giúp nhà khoa học, nhà vật lý việc tìm đến chân trời kiến thức khoa học nói chung vật lý nói riêng Ngày nhà khoa học, nhà vật lý học đẩy nhanh cơng “tìm hạt chúa” việc chế tạo máy gia tốc cực lớn LHC, song song với công nghệ laser nhà khoa học thu nhận nhiều kết vĩ đại Chế tạo Mặt trời phịng thí nghiệm: Trang 22 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com GVHD: TSKH.Lê Văn Hoàng laser triển vọng Bằng phương pháp bắn tia laser cực mạnh vào cầu khí, nhà khoa học Mỹ hy vọng làm khơng khí nén đặc nóng chảy, tạo chuỗi phản ứng hạt nhân Quá trình giải phóng nhiệt lượng vơ lớn, khiến cầu nhỏ bé cháy sáng, phát nhiệt tương tự Mặt trời Tia laser sở National Ignition Facility (NIF) thuộc Phịng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore bang California (Mỹ) tạo Với tính dự đốn chức đầu đạn hạt nhân, tia laser NIF sử dụng lĩnh vực vật lý thiên thể, cho phép nhà khoa học đưa điều kiện giống với lõi hành tinh hệ Mặt Trời Bằng việc xác nhận tia laser NIF, Bộ Năng lượng Mỹ mở đường cho loạt thí nghiệm nhằm tạo sức nóng áp suất lõi Mặt Trời Theo nhà khoa học, tia laser NIF tạo lượng loạt thí nghiệm vào năm 2010 theo mục tiêu đề tạo đủ độ nóng áp suất để đốt cháy nguyên tử hydro mục tiêu hình trụ nhỏ nhằm sản sinh nhiều lượng Ngồi ra, nhà khoa học cịn hi vọng tạo loại lượng an toàn từ việc đốt cháy nguyên tử thay cho biện pháp tách nguyên tử Bằng cách hội tụ cường độ laser, ta tạo lượng cực lớn Dự án trị giá 3,5 tỷ USD Trung tâm Năng lượng Quốc gia Mỹ San Francisco (NIF), nhằm tạo nguồn lượng vơ tận, có lợi cho mơi trường Trang 23 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com GVHD: TSKH.Lê Văn Hoàng laser triển vọng Nơi thử nghiệm mặt trời nhân tạo "phịng thí nghiệm" vỏ cầu thép, đường kính mét, nặng 500 Giữa tâm vỏ cầu thép, người ta đặt cầu khí (đường kính 0,1 m) bắn phá 192 tia laser cực mạnh từ hướng khác Năng lượng từ tia laser gộp lại - vòng phần tỷ giây - lớn gấp đôi tổng lượng giới tiêu thụ thời gian Dưới sức ép tia laser, cầu khí nóng chảy, dẫn tới phản ứng nhiệt hạch, tương tự nhân Mặt trời Mặc dù ý tưởng nguồn lượng bất tận Mặt trời có từ lâu, đến nay, nhà khoa học chưa thành công việc tạo phản ứng nhiệt hạch nhân cầu khí Lần này, với 3,5 tỷ USD tham gia gần 300 nhà khoa học, NIF hy vọng cho mặt trời nhân tạo vào năm 2002 C Tạo xung cực ngắn Nhờ hệ thống laser siêu mạnh, nhà vật lý Mỹ hy vọng tạo tia chớp ngắn giới Theo dự kiến, l sáng vịng phần nghìn tỷ tỷ giây (10 mũ -21 giây) Với chớp sáng loại này, người ta quan sát phản ứng hóa học cực nhanh hạt nhân Alexander Kaplan Peter Shkolnilov, hai tác giả dự án, cho biết chớp sáng chế tạo nhờ việc dùng tia laser cực mạnh kích thích điện tử, đẩy chúng lên cấp độ lượng cao Theo lý thuyết, hạt đồng thời bị hãm trạng thái đứng im, chúng phóng tia chớp cực ngắn Hệ thống laser sản sinh từ trường siêu mạnh - mạnh gấp 10 tỷ lần từ trường trái đất Do vậy, người ta sử dụng để nghiên cứu tính chất thiên thể lạ vũ trụ, ví neutron Trước đó, số nhà nghiên cứu khác đạt nhiều thành tựu việc chế tạo xung laser cấp độ vài trăm atto giây (1 atto giây = 10 mũ -18 giây) Một nhóm khoa học châu Âu tạo xung laser cỡ 250 atto giây Và tháng 11, nhà khoa học Áo, Đức Canada tạo xung xạ phổ tia X kéo dài 650 atto giây Những chớp ngắn loại cho phép nghiên cứu giới vi mô phản ứng Trang 24 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com GVHD: TSKH.Lê Văn Hoàng laser triển vọng hạt nhân Ví dụ, hình thành tan rã liên kết hóa học, hay dao động nguyên tử liên kết hóa học, thường xảy quãng thời gian femto giây (10 mũ -15 giây) pico giây (10 mũ -12 giây) Hiện nay, việc chế tạo xung laser cỡ femto giây trở thành bình thường Chúng sử dụng để chụp ảnh sắc nét vật thể chuyển động nhanh Việc chụp ảnh vật chuyển động cực nhanh: Để chụp rơi, bạn cần máy ảnh thường, rơi chậm Nhưng để chụp xe máy lao qua, bạn cần máy ảnh có tốc độ mở 1/1000 giây, bạn hạn chế độ dịch chuyển xe (cịn khoảng cm), để có ảnh rõ nét Với tượng khác Khi mà nhân loại dần tới chân trời kiến thức: vô lớn vũ trụ, vô nhỏ giới vi hạt, vô nhanh trình vật lý cấp độ nguyên tử, họ cần có cơng cụ mới, tốt hơn, nhạy hơn, nhanh hơn, xác Laser cơng cụ hữu ích Mới đây, nhóm khoa học gồm nhà vật lý Áo, Canada Đức công bố, họ tạo xác nhận diện xung xạ phổ tia X có độ dài cỡ phần tỷ phần tỷ giây (chính xác họ ghi nhận tồn xung có độ dài 650 atto giây)! Để thấy tinh tế xạ cấp độ atto giây, bạn tưởng tượng, bạn tạo xung ánh sáng bình thường 1,28 giây, xung ánh sáng vươn tới mặt trăng Trong đó, xung xạ tia X tạo 650 atto giây vài phần tỷ mét, nghĩa dài virus! Trước đó, việc hồn thiện hóa xung laser cấp độ phần triệu tỷ giây (femto giây) giúp nhân loại tiến vượt bậc việc hiểu biết trình phản ứng hóa học (giải thưởng Nobel hóa học năm 1999 trao cho nhà hóa học Mỹ gốc Ai Cập cống hiến ơng việc sử dụng xạ cấp độ femto giây vào nghiên cứu phản ứng hóa học) Nay, với kỹ thuật cao hơn, xung xạ cấp độ atto giây giúp nhân loại "chụp ảnh" chuyển động electron bên Trang 25 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com GVHD: TSKH.Lê Văn Hoàng laser triển vọng nguyên tử, hay bứt tách electron từ nguyên tử tác dụng photon lượng cao Hệ thống tia laser để chụp hình electron phản ứng hóa học ứng dụng xung laser cực ngắn vào việc chụp hình electron phản ứng Trang 26 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com GVHD: TSKH.Lê Văn Hoàng laser triển vọng D Việc tạo từ trường mạnh nhờ laser: Bằng cách bắn chùm laser cực mạnh vào chất liệu đặc biệt, nhà khoa học Anh tạo đám mây khí sôi sục trạng thái plasma Từ trung tâm đám khí xuất từ trường mạnh chưa thấy Hiện tượng so sánh với xảy nhân nơtron Khi ngơi khơng cịn phát sáng nữa, chúng co lại thành lùn trắng hay nơtron Trong nhân chúng, vật chất tồn dạng plasma, gồm hạt tích điện sơi sục Theo giả thuyết nhà vật lý, phát trường điện từ cực lớn Đến nay, người ta chưa có cách để kiểm chứng giả thuyết trên, khơng có hội quan sát trường điện từ khoảng cách xa Nhóm nghiên cứu Michael Tatrakis, Đại học London, dường tiến dần tới câu trả lời bí mật nơtron, họ tạo một môi trường gần giống nhân chúng thực nghiệm Nhóm khoa học sử dụng hệ thống laser Phịng thí nghiệm Rutherford Appleton (Anh), bắn chùm laser với xạ cực đại 90.000 tỷ Watt/1cm2 thời gian phần tỷ giây Dưới tác dụng chùm laser này, vật liệu bốc thành đám khí nóng, gồm hạt tích điện Ở trung tâm dày đặc đám khí xuất trường điện từ T = 34.000 Tesla, mạnh gấp tỷ lần từ trường trái đất Trước đó, chưa có nhóm khoa học làm kỳ tích Với kết này, nhà khoa học hy vọng tới tạo điều kiện giống hệt nơtron, nhằm kiểm nghiệm lý thuyết ngành vật lý thiên văn dạng thiên thể Tuy nhiên, điều khơng dễ dàng chút nào, từ trường nơtron dự đoán mạnh tới tỷ Tesla E Giấc mơ "đi ngược thời gian" thành thực: Khi bắt thời gian quay, ta trở q khứ Đây khơng phải chuyện giật gân, viễn tưởng, chúng xây dựng tảng lý thuyết sáng sủa kiểm nghiệm khoa học GS Ronald Mallet, Đại học Connecticut, Mỹ Ông cho có khả Trang 27 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com GVHD: TSKH.Lê Văn Hoàng laser triển vọng ngược thời gian! Mallet không theo cách tiếp cận nhà nghiên cứu máy thời gian khác, cho vũ trụ có cấu trúc xoắn ốc, "lỗ sâu đục" khơng có khả xâm nhập, địi hỏi “năng lượng âm” lớn Ơng khơng theo quan điểm nhà logic học Kurt Goedel, người khởi xướng thuyết máy thời gian, cho hữu “vũ trụ quay” điều tất yếu Hoàn toàn theo cách ngược lại, Mallet dựa tảng vật lý sáng sủa nhất: Thuyết không gian cong Einstein thuyết lượng tử ánh sáng Vùng trũng thời gian: Mỗi thiên thạch, chuyển động gây trường hấp dẫn ảnh hưởng tới không gian thời gian xung quanh nó, ảnh hưởng tỷ lệ thuận theo khối lượng thiên thạch Trong trường hợp định, "gợn sóng" khơng gian gây chuyển động làm thời gian bị uốn cong Tương tự viên sỏi đặt gối mềm, không-thời gian (hệ toạ độ chiều, thời gian chiều thứ 4) có vùng trũng tương tự Cũng theo tính tốn lý thuyết thì, “bằng cách đó”, thời gian bị làm trũng đến mức khơng cịn chạy thẳng mà chạy theo vòng tròn Tác dụng trường hấp dẫn thiên thể lên vật xung quanh Trước nay, nhà khoa học trí cho trung tâm hấp dẫn trung tâm không-thời gian bị bẻ cong, họ dồn nỗ lực nghiên cứu theo hướng Mallett theo hướng khác Ơng nghiên cứu thuộc tính ánh sáng theo thuyết Trang 28 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com laser triển vọng GVHD: TSKH.Lê Văn Hoàng tương đối rộng thuyết lượng tử Theo đó, ánh sáng thực khơng có khối lượng, bị bẻ cong qua trường hấp dẫn cực lớn khơng gian bị bẻ cong Năm ngoái, đăng tạp chí khoa học New Scientist, Mallett rằng, tia laser chuyển động đường trịn sản sinh trường xốy xung quanh Mới đây, ơng lại giả định trường xoáy ánh sáng loại giãn nở dần khơng-thời gian Nhưng, để xảy trường hợp theo tính tốn lý thuyết, cần có laser thứ hai Khi chuyển động ngược chiều với tia laser thứ nhất, cường độ tăng lên tương ứng Khi khơng gian thời gian hốn vị vai trị cho thời gian "quay" phía vịng laser! Theo đó, mặt lý thuyết, lồi người tìm ngược q khứ mình, đến thời điểm mà vịng trịn khép kín Một vấn đề khó giải quyết, là: Khi bắt thời gian chạy vào vòng tròn, ta cần lượng lớn khủng khiếp Việc tạo nguồn lượng nằm khả Mallet đề nghị giải pháp “hãm thời gian” để giảm đòi hỏi lượng.Theo định luật “nếu ánh sáng chậm dần mức độ nhiễu loạn không-thời gian lớn” nhiễu loạn sinh lượng hỗ trợ cho việc bẻ cong thời gian Cỗ máy thời gian Sự trơi bình thường thời gian Trang 29 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com GVHD: TSKH.Lê Văn Hoàng laser triển vọng Mallet muốn dùng máy thời gian laser “hãm” ánh sáng làm cho chuyển động chậm đến mức Cuối cùng, ông làm điều kỳ diệu: Hãm ánh sáng từ tốc độ 300.000 km/s tới lúc dừng lại hồn tồn! “Điều mở vùng trời mà chưa dám mơ tưởng đến”, Mallet nói Tuy nhiên, việc “hãm” tốc độ ánh sáng thực môi trường nhiệt độ sát gần điểm không tuyệt đối (-273 độ C) Chính thế, thử nghiệm chế tạo máy thời gian Mallet thành công phải đối đầu với vấn đề nan giải: Làm để thể người thích ứng với nhiệt độ “băng hà” để “du hành” thời gian? (Hiện nay, Mallett tiến hành thực nghiệm nhỏ Bước thứ đo tác động vòng quay laser vào nguyên tử đơn) Trang 30 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com GVHD: TSKH.Lê Văn Hoàng laser triển vọng TÀI LIỆU THAM KHẢO:  David Halliday ( tháng 5/2007), sở vật lý, tập 6: quang học vật lý lượng tử, Nhà xuất Giáo Dục, Hà Tây, trang 143-148; 285-292; 307-314  Trịnh Xuân Thuận, Phạm Văn Thiêu, Ngô Vũ dịch, Những đường ánh sáng, tập II, nhà xuất Trẻ 2008 Các tài liệu từ internet:  http://meslab.org/mes/archive/index.php  http://hiepkhachquay.300mb.com  http://www.thietbiysinh.com.vn/BMIWEB/Pages/ArticleDetail.aspx?id=157  http://vtc.vn/congnghe/tinhoc/chip-laser-lam-rung-dong-nen-cong/-nghiep-may- tinh149922/index.htm  http://www.cct.nrcan.gc.ca  http://www.photostuff.co.uk  http://www.zewail.caltech.edu/nobel/index.html Trang 31 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ... Hoàng laser triển vọng I Laser - Lịch sử đời phát triển Laser: Ngày Laser diện nhiều nơi, khách quan mà nói, hiểu cịn hạn chế Laser phát triển mạnh vào năm 1980 Laser phát triển nhanh, xâm nhập vào... TSKH.Lê Văn Hồng laser triển vọng Đĩa laser có dung lượng chứa thông tin khổng lồ VI Triển vọng A Chip laser Phát triển kết nghiên cứu Intel, nhà sản xuất chip lớn giới Đại học California, SantaBarbara... luanvanchat@agmail.com laser triển vọng GVHD: TSKH.Lê Văn Hồng Hóa học Hf 50MW 50ns 3µm Làm vũ khí V Một số ứng dụng quan trọng Laser: A Trong y học: Nghiên cứu ứng dụng laser y học sớm từ năm 1962–1963