Tổng quanvề laser Là một trong những dụng cụ có hiệu suất thuộc vào loại tồi - chỉ trên dưới 1% - nhưng những tia sáng laser kì diệu ngày càng thâm nhập sâu vào đời sống của con người. Bài viết trình bày chi tiết những vấn đề có liên quan đến kĩ thuật laser, từ lịch sử phát mính cho đến nguyên lí hoạt động và ứng dụng Trongnhững bộ phim khoahọc viễn tưởngnổi tiếnghồi thậpniên 1950,các con quái vật thườngđượcmiêu tả có khả năng phát ra nhữngtia sánggây chết người từ đôi mắt của chúng (xemhình1), nhưng chotới khi phát minhra laserthì các chùm năng lượng mãnh liệt và tập trung như thế cũng chỉ làtưởng tượng mà thôi. Ngày nay, người ta có thể sửa đổi, thăm dò, hayphá hủy vật chất bằngcách sử dụngcác bức xạ tập trungcao phát ra từ các nguồnnăng lượng gọi là laser.Hầu như tất cả ánh sáng mà chúngta nhìn thấy hàng ngày, từ ánh sángMặt Trời,các vì sao, cácbóng đènnóng sáng vàđèn huỳnh quang, cho đến các bộ ti vi, đều xảy ra tự phát khi các nguyên tử và phân tử tự giải phóng năng lượng thừacủa chúng. Hình 1. Quái vật mắt laser của thập niên 1950 Ánh sángtự nhiên và ánh sáng nhân tạothông thường được phát rabởi sự thayđổi năng lượngở các mứcnguyên tử và phântử xảy ra mà không cần cósự can thiệp từ bên ngoài. Tuynhiên, loại ánh sáng thứ hai tồn tại và xảy ra khi nguyêntử hayphân tử vẫn giữ năng lượng dư thừa của nó cho đến khibị cưỡng bức phải phátra năng lượng dưới dạng ánh sáng. Laserđược chế tạo để tạora và khuếch đại dạngánh sáng cưỡng bức này thành các chùmcường độ mạnhvà tập trung. Laser làtừ viết tắtcủa Light Amplificationby theStimulatedEmission of Radiation(Khuếch đại ánh sáng bằng sự phát bức xạ cưỡng bức). Tính chất đặc biệt của ánh sánglaser khiến cho kĩ thuật laser trở thành mộtcông cụ thiết yếu trong hầu như mọi mặtđời sống hàng ngày, như viễnthông,giải trí, sản xuấtvà y khoa. Albert Einsteinđã tìnhcờ đặt bước đầu tiên trong sự phát triển laservới việc nhận thấy có khả năng có hailoại phátxạ. Trong một bài báo công bố năm 1917, ông là người đầu tiên đề xuất sự tồn tại củaphát xạ cưỡng bức.Trongnhiều năm, các nhà vật lí cho rằng sự phát xạ tự phát của ánhsáng là hình thức khả dĩ và trội nhất, và bất cứ sự phát xạ cưỡng bứcnào cũng đều phải yếu hơn nhiềulần. Mãi đến sau Thế chiến thứ hai, ngườita mới bằt đầu tìm kiếmnhững điều kiện cần thiết chosự phátxạ cưỡngbức chiếm ưu thế, và làm cho một nguyên tử hay phân tử kích thích nguyên tử hay phântử khác, tạo ra hiệu ứng khuếch đại ánh sáng phátxạ. Một nhà khoa họctại trườngđại học Columbia, Charles H.Townes, là người đầu tiên thànhcông trong việc khuếchđại bức xạ cưỡng bứchồi đầuthập niên 1950, nhưng nghiên cứucủa ông tập trung vào các sóng viba(có bước sóng dài hơnnhiều so với bước sóngánh sáng khả kiến), và ông đặt tên chodụng cụ của mình là maser.Các nhà khoa họckhác theo chân ôngchế tạo maser thành công,và một lượngđáng kể các nỗ lực tậptrung vào cố gắng tạo ra bức xạ cưỡng bứcở các bướcsóng ngắn hơn. Nhiều khái niệm cơ sở cho sự rađờicủa laser được phát triển cũng khoảng thời gianđó,cuối thập niên 1950,bởi Townes và Arthur Schawlow(thuộc Phòng thí nghiệm Bell )và bởiGordon Gouldở trường đại học Columbia. Gould đi thẳng tới việcđăng kí bằng sáng chế chứ không công bố ý tưởng của mình,và mặc dù ôngđược công nhận làngười đặtra từ “laser”, nhưng cũng phải mấtgần 30 năm sau ôngmới nhận đượcmột vài bằng sáng chế. Vẫn có sự bất đồng về người xứng đáng được côngnhậncho khái niệm laser.Hai người Xô Viết, NikolaiBasovvà Aleksander Prokhorov,cùngchia giải Nobelvật lí năm 1964 với Towneschonghiên cứu tiên phong của họ về các nguyênlí nền tảng cho maser và laser. Schawlowthìchia giải Nobelvật lí năm 1981cho nghiên cứu của ông về laser. Việc côngbố công trìnhcủa Schawlowvà Towneskích thích một nỗ lực to lớn nhằm chế tạo một hệ laser hoạt động được. Tháng 5/1960,Theodore Maiman, làm việc tại Phòng nghiên cứu Hughes, chế tạo đượcmột dụng cụ bằng thỏi ruby tổng hợp, đượccông nhận là laserđầu tiên. Laser ruby củaMaiman phát racác xungánh sáng đỏ kết hợpcườngđộ mạnhcó bước sóng 694 nanomet,trong một chùmhẹp có mức độ tập trung cao, khá tiêu biểu cho nhữngđặc tính biểu hiện bởi nhiều laserhiệnnay. Laserđầu tiêndùngmột thỏi ruby nhỏ có hai đầu mạ bạc để phản xạ ánh sáng, bao quanh bởimột đèn flash xoắn ốc, và đủ nhỏ để cầm trong tay. Điều thú vị là nhà nhiếp ảnh đượcPhòng thí nghiệmHughes ủyquyền để quảngcáo phátminh mới cho rằng laserthực tế quá nhỏ và chụp Maiman trongtư thế với laser lớnhơn mãi đến saunày vẫnkhônghoạt động được.bức ảnh chụp Maimancùng vớilaser “hoành tránghơn” đó vẫnđược lưu truyền và sử dụng trong nhiều ấn phẩm. Mặcdù laser phát ra ánh sáng khả kiếnlà phổ biến nhất, nhưng các nguyên lí cơ bản có thể áp dụngđược chonhiều vùng phổ điện từ. Sự phát xạ cưỡng bứcđầu tiên thu được trong vùng vi bacủa phổ điện từ,nhưng hiện nay laser có mặt trên thị trường còn phát raánh sáng cựctím và hồng ngoại, và tiến bộ đang đượcthực hiện theo hướngtạo ralaser trongvùng phổ tia X. Các laserthực tế được sử dụng hiện naycó côngsuất pháttừ dưới 1 miliwatt cho đến nhiềukilowatt, và một số tạo ra cả nghìntỉ watttrongnhững xung cực ngắn. Hình 2 chothấymột số loại laser điển hình, có kích thước đủ cỡ và ứng dụng rộngrãi. Các phòngthí nghiệm thuộcquân đội vàphòng thí nghiệm khác đã chế tạo được những thiết bị laser chiếm cả một tòa nhà, trong khi những laserphổ biến nhất sử dụng dụng cụ bán dẫn kích thướcbằng một hạtcát. Để hiểuđược cácnguyênlí cơ bản của laser,điều cầnthiết là phải giải thích cách thức bứcxạ cưỡng bức được tạo ra vàkhuếch đại. Nguyên líđầu tiên trongsố các nguyên lí này là cần thiết,bởi vì laservốn dĩ là một dụng cụ cơ lượng tử và bản chất lượng tử của nănglượng phải được kể đếnđể giải thích hoạt độngcủalaser. Vật lí cổ điển chorằng năng lượng có thể biến thiên liên tục và đều đặn, và các nguyêntử và phân tử có thể có bất kì lượngnănglượng nào. Côngtrình nghiên cứu của Einstein,cáotrở thành chìakhóacho sự phát triển củacơ học lượng tử, cho rằngnănglượng tồn tại trong từng đơnvị gián đoạn, haylượng tử, và các nguyêntử và phân tử (và do đó là mọi đối tượngkhác) bị hạn chế chỉ có những lượng năng lượng gián đoạn nhất định. Hình 2. Một số loại laser thông dụng Thêmmột vàikhái niệm nữa cũng cầnthiết để hiểu được hoạt động laser, bắt đầu là photonvà mứcnguyêntử và xuất pháttừ nguyên tắc lượng tử hóa: Sự lượng tử hóa năng lượngtrong nguyên tử làm cho nguyên tử có các mức nănglượnggián đoạn. Sự chuyển từ mức năng lượngnày sangmức năng lượngkhác phải xảy ra cùng với sự phát xạ ánh sáng. Một số loại chuyển trạng thái xảyra và ảnh hưởng đến lượng nănglượng trong sự chuyểnđó. Sự phátxạ tự phát và cưỡng bứccó thể xảy ra do sự chuyển mức năng lượng. Nghịch đảodân cư giữa các mứcnăng lượng phải thu được để khuếch đại sự phátbức xạ cưỡngbức. Nếu như nguyên tử hay phân tử nằm ở một trạng thái nănglượng caohơn trạngthái thấpnhất, hay trạng thái cơ bản, nó cóthể tự phát rơi xuống mứcnăng lượng thấp hơnmà khôngcần kích thích từ bên ngoài. Một kết quả có thể xảy ra của sự rơi làm giảm trạng thái năng lượng là giải phóng năng lượng dư thừa (bằng với sự chênh lệch giữa haimứcnăng lượng) dưới dạng một photonánh sáng. Nguyên tử hayphân tử kích thích có một thời gian phát xạ đặc trưng,đó là thời gian trung bìnhmà chúngvẫn giữ được trạng thái năng lượngkích thích caohơn trướckhi rơi xuống mứcnăng lượng thấp hơn và phát ra photon.Thời gianphát xạ là một nhân tố quantrọng trongviệc tạo raphát xạ cưỡng bức, loại phát xạ thứ hai mà Einstein nêu ra. Còn ở trạng thái kích thích, nếu nguyên tử được rọi với photonđến có cùng năng lượngchính xácnhư nănglượng mà sự chuyển trạng thái có thể xảy ratự phát,nguyên tử có thể bị cưỡng bức bằngphotonđến để quaytrở lại trạng thái năng lượngthấp hơn và đồng thời phátra một photoncó cùngnăng lượng chuyển trạngthái. Một photonriêng lẻ tương tác với một nguyên tử bị kích thích dođó có thể tạo ra haiphoton phát xạ. Nếucác photonphát xạ được xemlàsóng, thì sự phát xạ cưỡngbứcsẽ daođộngcùngtần số với ánhsángtới,và cùngpha(kếthợp), kết quả là làm khuếch đại cường độ củaánh sáng banđầu. Hình3 minh họa sự phátxạ tự phát(a) và cưỡngbức (b)với haisóng kết hợp như trườnghợp thứ hai ở trên. Hình 3. Các quá trình tự phát và cưỡng bức Vấn đề quan trọngnhấttrong việc thu được phát xạ lasercưỡng bứclà dưới những điều kiện cân bằngnhiệt động lựchọc bìnhthường, dân cư, hay số nguyên tử hoặc phântử ở mỗi mức nănglượng, không thuậnlợi cho sự phát xạ cưỡng bức. Do các nguyên tử và phân tử có xu hướngtự rơixuống các mức nănglượng thấp hơnnên số nguyên tử hay phân tử ở mỗi mức sẽ giảm khi năng lượng tăng. Thật vậy, dưới nhữngđiều kiệnbìnhthường, đối với mộtsự chuyển mức năng lượng ứng với một bướcsóng quang điển hình (vào bậc 1 electron-volt),tỉ số củasố nguyêntử hayphân tử ở trạng thái năng lượngcao hơn và số nguyêntử hayphân tử ở trạng thái cơ bản thấphơn cólẽ là 10 17 . Nói cách khác, hầunhư tất cả các nguyêntử hayphân tử ở vào trạng thái cơ bản đối với sự chuyển mứcnăng lượng ánh sáng khả kiến. Một lí dokhiến sự phát xạ cưỡng bức khó thu được trở nên hiển nhiên khi xem xét các sự kiện có khả năngxảy ra quanhsự phân hủycủa một electrontừ một trạngthái kích thích với sự phát xạ ánh sáng sauđó và tự phát. Ánh sángphát xạ có thể dễ dàngkíchthích sự phát xạ từ các nguyên tử bị kích thíchkhác, nhưng một số cỏ thể gặp phải nguyên tử ở trạngthái cơ bản và bị hấp thụ chứ không gây ra phát xạ (hình3c). Do số nguyên tử ở trạng thái kích thích ít hơnnhiều so với số nguyêntử ở trạng tháicơ bản nên photon phát xạ có khả năng bị hấp thụ nhiều hơn, bùlại thìsố phát xạ cưỡng bứccũng không đángkể so với phát xạ tự phát (ở trạngthái cânbằng nhiệt động lực học). . Tổng quanvề laser Là một trong những dụng cụ có hiệu suất thuộc vào loại tồi - chỉ trên dưới 1% - nhưng những tia sáng laser kì diệu ngày càng thâm nhập sâu. 1964 với Towneschonghiên cứu tiên phong của họ về các nguyênlí nền tảng cho maser và laser. Schawlowthìchia giải Nobelvật lí năm 1981cho nghiên cứu của ông về laser. Việc côngbố công trìnhcủa Schawlowvà. tạo một hệ laser hoạt động được. Tháng 5/1960,Theodore Maiman, làm việc tại Phòng nghiên cứu Hughes, chế tạo đượcmột dụng cụ bằng thỏi ruby tổng hợp, đượccông nhận là laser ầu tiên. Laser ruby