Tác dụng của tia Laser pptx

Tác dụng của tia Laser Có rất ít những sáng tạo trong thế kỷ qua có thể “bì” được với tia laser xét về mức độ hữu ích khi đem ra ứng dụng trong cuộc sống. Nếu nhìn ở góc độ thí nghiệm, dường như không có giới hạn cụ thể nào về khả năng phục vụ của laser. Chỉ vài năm sau khitia laserđược phátminh, những đồng nghiệp của CharlesTownes- tác giả phát minh, thường trêu đùaông vì “sự lạc lõng” củatia laser vớicuộc sống.Một vài người cònkhông ngần ngại tuyên bố laser là “một giải pháp sẽ khơi mào cho nhữngphiền toái mới”. Tuy nhiên, tiến sĩ Townes(người sau này được trao giải Nobel)vẫn kiên trì với lý tưởng củamình. Thực tế đã chứng minh ôngđúng. Trongvòng 4thập kỷ,công nghệ laserđã biến đổitừ một khái niệm mơ hồ trong phòngthí nghiệm trở thành một công nghệ phổ biến, đượcứng dụng trong nhiều lĩnh vựccủa cuộcsống. Tia laserhiện cómặt ở khắp mọi nơi - từ những đầuđọc đĩa DVDcho tới các mạngđiện thoại liên lạc, hệ thống vũ khí dành cho mục tiêu quân sự…. Tia laser có thể hướngđạo cho tên lửa, điều hướngcác thiết bị hầmmỏ và cho phép các nhàthiên văn họccó được nhữngbức ảnhsắc nét hơnvề bầu trời. Tia lasercũng trựctiếp đảmđươngnhiều tácvụ "tầmthường" khác như inấn văn phòng,gọt tỉa tóctai v.v& Đương nhiên,ngay cả nhà phátminhcũng khôngthể tiên đoán hết tác dụng côngnghệ họ đangnghiên cứutừ nhữngthập kỷ 50. Ngườiđầu tiên dự báo về công nghệ laserkhôngphải là Townesmà là Albert Einstein.Năm 1917,nhà vật lý vĩ đại tuyên bố nguyên lýmột nguyên tử có thể phát ra mộtgói nănglượng (photon) theo mộtphương thức đượckiểm soát thôngqua quá trìnhkích thích phát xạ (“stimulatedemission”). Vấn đề đặt ra là làm sao nguyênlý này cóthể thựchiện được trên thựctế? … Loé sáng Theo tiến sĩ Townes, ýtưởngbất chợtđến khi ôngđangngồi trong công viên Franklin (Washington,Mỹ) vàomột buổi sáng mùaxuân. Ngay lập tứcông chộp lấy mảnhgiấy trong túi áo của mình và ghi lại nhữnggì vừa xuất hiện trongđầu. "Rất may là tôi đã có một mẩugiấy bên mình. Đây là phongbì thư đã cũ với những dòng chữ nguệch ngoạc củamột vị bácsĩ mà trướcđó tôi đã ghé thăm", Townesthuật lại. Xét về bản chất, tia laserhoạt độngdựa trên mộtchuỗi phản ứng trong đó photon thuộcmột bướcsóng nhất địnhkích thích các nguyên tử khác “nhả” ra những photontương tự.Để đảm bảo sự hoạt động trơn tru củachuỗi này, cầntớinhững vật liệu thích hợp (gọi là chất trunggian- gain medium) cóthể là chất rắn, lỏng hoặc khí. Khởi đầu, chất trunggian sẽ đượckích thích nhờ vachạm (bump)bởi một chùmsáng hoặc dòng điện. Độngthái này kích thích nguyên tử trong chất trung gian, làm một số nguyên tử nhả photon thuộc một bước sóng cụ thể. Khi photonva chạm vàomột nguyên tử khác ở trạng thái bị kích thích có thể khiến nguyêntử này sản sinhra một photongiống hệt - quá trìnhđược gọi là sự phát xạ do kích thích. Quá trìnhliên tục được lặp lại (liên tiếp cóphoton mớisản sinh) và chất trung gianđóng vaitrò khuếch đại chùmsáng.Cũng từ đây, laserđược đặt tên cho côngnghệ (LightAmplificationby StimulatedEmissionof Radiation-phóng đại nguồnsáng bằngviệc bứcxạ do kích thích). Tia lasercó một vài thuộc tính khá đặc biệt. ánh sáng này là đơn sắc bởi chúng được tạora bởicùng các photongiống nhauvà cùngbước sóng.Bản thân bước sóng cũngquy địnhmàu sắc của ánh sáng. Ngoài ra,tia laser cũng khá “nhất quán” về biênđộ, bước sóng. Cũng chính từ đặc tínhnày mà chùm sáng laserthường rất “chặt”và tập trung,không phân tán. Tiếnsĩ Townes, phụ trách phòng thí nghiệm bức xạ thuộcĐại học Columbia (New York), đã áp dụng ý tưởngcủa mình để tạo racác chùmbức xạ vi sóng vô hìnhsử dụngchất trung gian là a-mô-ni-ắc.Đồng nghiệp củaTownes gọi thiết bị là maser (microwave amplificationby stimulatedemissionof radiation- tạm dịch:khuếch đại vi sóngthôngqua kích thích bức xạ). Maserđầu tiên không cókhả năng phátra các chùm bức xạ liêntiếp vàngười tìm ra giải pháp khắc phục vấn đề này là các nhà khoahọc Nga,Nikolai Basovvà Aleksandr Prokhorov.Năm 1964, hainhà khoa học này vinh dự nhận giải Nobelcùng với tiến sĩ Townes. Ngay sausự rađời của maser,câu hỏi lớn là liệu công nghệ này có đượcáp dụng để tạo ra các chùm sáng hữu hình(visible). Tiếp tục hành trình, tiến sĩ Townes cùng emrể ArthurSchawlow(làm việccho phòng thí nghiệm danh tiếng Bell) đã đặt nềntảng lý thuyết cho một “maser quang học” trên tạp chíPhysical Review xuấtbản năm1958.Đặc biệt,họ có ý tưởngđặt gươngở hai đầuchất trung gian, nhờ đó cácphoton có thể bậtqua bật lại, tăng hiệu năng củalaser. Tuy nhiên, ý tưởng quantrọng quyết địnhtính khả dụng củalaser hữu hìnhchỉ xuất hiệnvào năm 1957và người "tình cờ" nắm bắt được ý tưởng này là GordonGould- nghiên cứu sinhcủa Đạihọc Columbia(học trò của tiến sĩ Townes).Ngaysau khitia chớp sáng tạo vụt qua, Gouldđã viết đầy6 trang giấy về chi tiết phương thức hoạtđộng của thiết bị. Trongghi chép của mình, Gouldcũng làngười đầu tiên sử dụng thuật ngữ laser(trongkhi tiến sĩ Townesvẫn gọi là maserquanghọc). Sau khiphác thảo hết ý tưởng,Gould lập tứctới phòng công chứng địaphương để công chứngbản thảo. Tuynhiên, ôngđã sai lầm khikhông đăng ký bản quyền. Gouldđã tỏ ra "nông cạn"khicớngh tới chuyệnxây dựngmột mẫu thiết bị (prototype)trước khi đăng ký bảnquyền. Trongcuộc chiến bản quyền kéo dài suốt 30 nămsau đó, tiến sĩ Gould đã tuyên bố ở rất nhiều hộithảo rằng Townes đã đánh cắp ý tưởng củamình. Bản thân ông cũng cho rằng mình nhìn thấy tiềm năng thựcsự của tia laser trong các ứng dụng thực tế- vốn được môtả khásơ sài trong bằng sáng chế dành cho Townesvà Schawlow.Trong nhữngnăm 70 và 80,Gould đã giànhchiến thắngtrong mộtvài “cuộc chiến pháp lý”,sở hữu được một số bản quyền liên quan tới laser.Thời điểm đó, chắcchắn đã có nhiềungười ngạc nhiên vì cả Townesvà Schawlowđều không phải là người đầu tiênthử nghiệm laser. Năm 1960,Theodore Maiman-một nhàvật lý thuộcTrung tâmnghiên cứu Hughes ở Malibu,California- bằng cách nào đó đã kết hợptốtcách đặt cấu hìnhgương, chất trung gianvà cơ chế kích thích qua vachạm để cho ra đời máy phát tia laser đầu tiên trên thế giới. Chùmsáng thành công “Khôngcó gì làngạc nhiên khigiáo sư Townesvà Schawlow không thể dự báotác dụngcủa laser vì nhữngứng dụng của laserlà quá nhiều và đadạng. Trong bối cảnh đó,việc đặt ra câu hỏi lasercó ảnh hưởng như thế nàotới cuộc sống hiệnđại cũng tương tự như thắc mắc về những tác dụng củađiện năng”, Lou Bloomfield- nhà vật lý thuuộc Đại học Virginia(Charlottesville)nhận định. Đầu tiên, laserphát huy hiệu quả tốt nhất trong côngnghiệp vàcác lĩnh vựcnghiên cứu:laser ứng dụngtrong quangphổ học cho phép thămdò các đặc tính của vật chất. Dần dần,những cụm phát laser bándẫn nhỏ hiệndiện ở khắp mọi nơi. Đơn giản nhất, bạn có thể tìm thấy cácthiết bị phátlaser ở trong hàng trăm triệu đầu đọc đĩaCD, DVD, cácdòng máy PC và cácbộ game console. Trongmột ổ đĩaquang, chùm laserđược tậptrung thànhcác tia rất nhỏ vàrọi lên bề mặt đĩa.Trong quá trìnhquay, các chùmsáng đượcmặt đĩa phản xạ lại. Từng phân vùng trên bề mặt đĩacho kết quả phản xạ khác nhauvà sự khác biệtnày được ghinhận thông qua bộ cảm biếnquang học. Đến lượt mình,bộ cảm biến “biên dịch” thông tinnhận được sangdạng số (digital). Đầu đọc CD và DVDhoạtđộng theo cùngcơ chế, duy chỉ có điềuDVD chứa được lượng dữ liệu nhiều hơn bởi sử dụng tia laser bước sóngngắn hơn (650nano-mét so với780 nano-métcủa CD).Bướcsóngngắnhơn chophép tăngtầnsuất vachạm, sản sinhphoton và tương đồng với nó là dữ liệu. Dự kiến, thế hệ ổ quangmới dựa trên côngnghệ ghiđĩa laserxanh (với bước sóng khoảng 405 nano-mét), cókhả năng lưutrữ nhữngbộ phimchất lượngcao (High Definition-HD). “So vớicác đầu máy đọc băng videocassette dựa vào băngtừ và chứa nhiều bộ phận phức tạp, chi phí cao, cácthiết bị lasersử dụng cácthành tố giá rẻ hơn”, Paul Jackson- chuyênviên tư vấn của Forrester, khuyến cáo.Đương nhiên, giá thànhcác bộ đầuđọc DVDgiảmmạnh so với các “đồngnghiệp” VCR,trở thànhmột trong những sản phẩmdễ được ngườisử dụng chấp nhậnnhất trong lịch sử công nghệ. Đượcbiết, chiếc đầu đọcDVD đầu tiênxuất hiện vào năm 1997.Chỉ hơn 10năm sau, gần một nửa các hộ gia đìnhở nhữngquốc gia phát triển có đầuđọc DVD với mức giáchỉ 40 USD/bộ. Hình dáng đẹp và chất lượng tốt Hỗ trợ việc manghình ảnh lên cácmàn hình, tia laser còn trợ giúp người ta xem những hình ảnh đó mà không phải dùng tới… kính: laser đượcứng dụng trong phẫu thuật mắt. Đầu thập kỷ 60, khả năng ứng dụng lasertrong y họcđã đượcbàn tới và người đầu tiên có đượcý tưởng này là LeonGoldman- mệnhdanhlà “chađẻ của lasery học”. Ban đầu, Goldmannhận “đơnđặt hàng”thẩm địnhmức độ an toàn của tialaser công nghiệp.Công trình nghiên cứu của ôngvề tác độngsinh học của laser đã khiến ôngđi đến kếtluận rằng cóthể dùng tia lasertrong giải phẫu. Năm 1965,các bác sĩ bắt đầu sử dụng tialaser hoá chất Argonđể chữatrị nguycơ võng mạc rời-triệu chứngmàng mỏng bêntrong mắt cónguy cơ bị tách biệtvới các mô hỗ trợ. Tập trung một chùm sáng laser trên bề mặt võng mạc, “đốt”tạo các mô sẹođể gắn kết trở lại võng mạc (tươngtự nguyên lý hàn). Ngaycả đối với những nhà phátminh laser,ứng dụngnày là một bước phát triển mới vàhoàn toàn bất ngờ.“Thậmchí tôi chưa từng nghetới cụm từ võng mạc rời”, tiến sĩ Townes tâmsự. Ngày càngcó nhiều người nói lời chia tayvới chiếc kính nhờ công nghệ LASIK (laser-assistedin situ keratomileusis).Trongnăm 2005, đã có khoảng2 triệu người Mỹ trải qua điều trị sử dụng tialaser để chữamắt cận hoặc viễnthị. Trong quá trìnhphẫu thuật LASIK, mộtcông cụ sắc được sử dụngđể cắt một vết nhỏ trên giác mạc (cornea). Bởivì hình dạngcủa giácmạc quyết định mắtngười sẽ cận hay viễn thị, tia laser đượcsử dụngđể điều chỉnh trực tiếp hìnhdạngcủa bộ phận này. Không chỉ giải phẫu mắt, tia lasercòn đượcứng dụng rộngrãi trong nhiềuloại hình giải phẫu khácnhư giải phẫu tĩnhmạch, trị mụn, xoá nếp nhăn(làm đẹp)… “Tác dụng củalaser và những công nghệ tương tự trong lĩnhvực trị liệu bệnh ngoài datrong vòng20 năm qualà rất lớn”, DavidGoldberg- Giám đốctrung tâm nghiêncứu lasertạiĐại học Y Mount Sinai(NewYork, Mỹ), nhận định. Cuộc sống ngày càng đượccải thiện, các nhànghiên cứu cócơ sở để tập trungđầu tư công sức hơnnữa vào các ứngdụnglàm đẹp sử dụng laser. Sẽ không phải bàn luận nhiềunếu laser chỉ có các tính năng làm đẹp, tialaser còn được sử dụng để cứu sống tínhmạng nhiều người. Tialaser có thể trị u, loại bỏ tình trạng chảy máutế bào v.v… nhờ đặc tính chính xáchơn rất nhiều so vớicác công cụ phẫu thuậttruyền thống,ít gâytổn thương (vì thế mau lành).Đặc biệt, tia laser cũng cóthể đượctruyền dẫn bên trongcác sợi quang mềm dẻovà thựcthi nhiệmvụ cả ở bên trong cơ thể. Xunglaser (laserpulse) di chuyển dọc các ống quang có tácdụng chữa bệnh nhưng lại được biếttới nhiều hơn nhờ khả năng truyền tải dữ liệu. Năm1988, tuyến cáp quangxuyên Đại Tây Dươngđầu tiên được đưa vàohoạt động. Sự kiện nàycó tác độngrất lớn, thay đổi quanniệm kinhtế về viễn thông. “Nếu bạn nhìn vào bản đồ thế giới, bạn có thể tưởng tượng raquả địa cầu là một mạng nhện lớn mà các sợi tơ là những tuyếncáp quangxuyên biển”, chuyên gia nghiên cứu về laser của Viện các kỹ sư điện và điện tử (IEEE) PaulShumate nhận định. Nói về tốc độ phát triển của laser truyền dữ liệu, Tổngbiên tập tạp chí Laser Focus WorldStephen Anderson cho biết: "Năm1975, toàn mạngđiện thoại khôngcó lấy một sợi cáp quang. 30 năm sau,sự hiện diện của dây đồng lại rất ít- ngoại trừ ở những nútnối cuối". Cũng theo Anderson, có rất ít người nhớ được sự khó khăn khimuốn thựchiện các cuộc gọi xuyên Đại Tây Dương ở thời điểm khoảng 40 năm về trước: phảithông qua nhiều cơ quan, tổ chức; phải “đặt hàng”trước vài ngày… Trongnhữngnăm 1990, cơn sốtcáp quangđã dẫntới tình trạng đầu tư thái quá, cungvượt cầu. Đương nhiên,kết quả là sự sụp đổ của ngànhviễn thông trong khingười tiêu dùng được lợi. Sử dụng cùng lúcnhiều chùmlaser, mỗi chùm thuộc một bước sóng hoặc màusắc khác nhau, cókhả năng truyền tảinhiều dòngdữ liệutrong cùng mộtsợi cáp quang- thủ thuật mangtên “ghép kênh đa bước sóng”(wavelength division multiplexing- WDM). Tăngmức độ chính xáctrong cách thức tạo chùm tialaser (thườngthông qua việc kiểm soát nhiệtđộ) có thể tăng đáng kể khả năng truyền tải dữ liệu của cáp quang.Đầu những năm 1980, cácsợi cáp quangchỉ có thể truyền tải mộtdòng dữ liệu duy nhấtở tốc độ 45 Mbit/s. Theotiến sĩ Shumate,tốc độ này đã được cảithiện đạt mức 10 Gbit/s(tối đã 40 Gbit/s trong môi trườnglý tưởng ở các phòngthí nghiệm). Thông quaviệc gửi cùng lúc hàng chụcdòng dữ liệu riêngbiệt như vậy (hàng chục chùm tia cóbước sóngkhác nhau), tốcđộ truyền tải củamột sợi cápquang trên nguyêntắc có thể đạthàng terabit/s(hàng triệuMbit/s). Tómlại, những bước tiếncủa công nghệ lasercó thể tăng khả năng của mạng lưới mà khôngcần phải lắp đặt nhữngđường cáp mới. Đương nhiên, các nhà khoa họcsẽ tiếptục nghiên cứu tìm tòi cácứng dụng mới của laser.Một trongnhữnghướng tiếp cận mới có thể đã xuất hiện tại siêu thị ngay cạnh nhà bạn.Hiện tại, các nhà bán lẻ đã sử dụng các máy quét laser để đọc mã vạch. Trongkhi đó SherwoodTechnology(một công ty ở Widnes, Anh) đã tạo ra một hệ thống mangtên “Datalase” sử dụng tialaser để ghi giá, ngày tháng và những thông tintrên rau quả, thậm chí cả bánh kẹo. Để làmđược việc này, trước tiên cácloại thựcphẩm đượcphủ một lớp bọcnhạy sángvà& ăn được. Rõ ràng, chưa thể kếtluận đâu là tínhnăng cuối cùng của tia laser 10 năm saungày sinh của nó. Bài họctừ tia laser Những ứng dụng của tia laser vượt xaranh giới mục tiêuban đầucủa nó là phục vụ quang phổ học. “Ngay cả những nhà khoa họcđại tài cũng không thể tưởng tượng ralaser lạicó tác dụng lớn như vậy. Tuy nhiên, đây là đặcđiểm chung khi những ýtưởng lớn vừa xuất hiện”, tiến sĩ Townes nhận định.Theo tiếnsĩ Schawlow,việc có dự báo khả năng ứng dụng tia laser thậm chí còn cản trở quá trìnhtiến hoá của nó. Một số người lo ngại môitrường nghiên cứu giúpphát minh ra công nghệ cơ bản này ngày càng hiếm. Bản thân tiến sĩ Bloomfield-người cũng đã từngcó đóng góp tại BellLabs, cho rằng cácphòng nghiên cứu tại các doanhnghiệp lớn thường khôngcó khả năngnhìn xa quá mốc thời gian 6tháng. "Càng ngày con người càng có tật xấu là nhường vị trí tiênphong trong một lĩnh vực nào đó cho người khác rồi tìm cách lợi dụng thànhquả củahọ", ông Bloomfieldnói. Tia lasermang kèmtheo nó là một bài học khách quan về giátrị của những công trìnhnghiên cứu tưởngnhư viển vông. Mộtcông nghệ mơ hồ cũng có thể mang lại rất nhiều ứng dụng thực tiễn.Liệu tiến sĩ Townes cóquay lại công viên Franklin nơi ông đã có được ý tưởngđột phá? Chắc là không. Tuynhiên rất có thể nếu quay lại ôngsẽ có những ý tưởng hoàn toànmới. . kếtluận đâu là tínhnăng cuối cùng của tia laser 10 năm saungày sinh của nó. Bài họctừ tia laser Những ứng dụng của tia laser vượt xaranh giới mục tiêuban đầucủa nó là phục vụ quang phổ học. “Ngay. ra đời máy phát tia laser đầu tiên trên thế giới. Chùmsáng thành công “Khôngcó gì làngạc nhiên khigiáo sư Townesvà Schawlow không thể dự báotác dụngcủa laser vì nhữngứng dụng của laserlà quá nhiều. LeonGoldman- mệnhdanhlà “chađẻ của lasery học”. Ban đầu, Goldmannhận “đơnđặt hàng”thẩm địnhmức độ an toàn của tialaser công nghiệp.Công trình nghiên cứu của ôngvề tác độngsinh học của laser đã khiến ôngđi