Ánh sángvà Nănglượng Ứng dụng chụp ảnh quangđiệntử: Sự chuyển hóa ánh sángthànhtín hiệu điện Một trong những ứng dụng thôngdụngnhất củahiệuứng quangđiệnlà trong các dụngcụ dùng để phát hiệnphoton mangthông tin về hìnhảnh trong camera,kính hiển vi, kínhthiên văn và những dụng cụ ghi ảnh khác. Với sự phát triển của công nghệ ghi ảnh kĩ thuật số,sự tiến bộ nhanhchóng đã xuấthiện trong công nghệ dùng để chuyển hóa ánh sángthànhtín hiệu điện có ý nghĩa. Một vài loại detector ánhsáng đang đượcsử dụng phổ biến. Một số thu nhậncác tín hiệu có thôngtin hìnhảnh mà không phân biệt không gian, cònmộtsố khác là những detector cục bộ bắt lấy hình ảnh trực tiếphơn với thôngtin không gian vàcường độ kết hợp. Cácdetector ánhsáng dựa trên hiệuứng quangđiện gồm các ống nhân quang,các diodequangthác, dụng cụ tíchđiện kép, bộ phận khuếch đại hìnhảnh, và các bộ cảmbiến quang bán dẫn oxidekim loại bổ chính (CMOS). Trong số này, dụngcụ tích điện kép được dùng rộng rãi nhấtcho công việc ghiảnh và phát hiện, và do đó được sử dụng phổ biến nhất. Nguyêntắc hoạtđộng của nó cũng là cơ sở cho nhiệm vụ của các loại detector khác. Dụng cụ tích điện kép (CCD) là mạch tích hợp trênnền silicon gồmmột ma trận,hay mộtdãy, dàyđặc cácdiode quang hoạt độngbằng cáchchuyển hóa năng lượng ánh sáng dưới dạng photonthànhđiện tích. Mỗi diodequangtrong dãy hoạt độngtheo nguyên tắc tươngtự như tế bào quangđiện trong, nhưng trong CCD, các electronphát rabởitương tác của photon với nguyên tử silicon được lưu trữ trong một giếngthế và sau đó có thể truyền qua chip, quathanh ghi, rồi đi rangoài tới bộ phận khuếch đại. Hình 7minh họa cấu trúc của một CCD điển hình. CCD được phát minh vàocuối thập niên 1960bởi nhà khoa học nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Bell,người lúc đầu mang ýtưởng về mộtloại mạch điện nhớ mớidùng cho máy tính.Những nghiên cứu sauđó cho thấy rằngdụngcụ đó, vì khả năng truyền điện tích của nó và phản ứng điện củanó với ánh sáng, cũng sẽ cóích cho những ứngdụng khác như xử lí tín hiệu và ghiảnh. Niềm hivọngban đầu về một dụng cụ nhớ mới hoàn toàn tan biến, nhưng CCD nổi lên là mộttrongnhững ứng cử viên hàng đầucho các detector ghi ảnhđiện tử dùng cho mọi mục đích,có khả năng thaythế phimtronglĩnh vựcghi ảnhkĩ thuật số, cả cho mục đích phổ dụnglẫn trongcác lĩnhvực chuyênmôn như kĩ thuật chụpảnh hiển vi kĩ thuật số. Chế tạo trên chất nền silicongiống hệt như các mạch tích hợp khác, CCD được xử lí trongmộtchuỗi in ảnh litôphứctạp gồm khắc acid,cấy ion,lắng màng mỏng,kim loại hóa và thụ động hóa để vạch rõcác nhiệm vụ khác nhaubên trong dụngcụ. Chất nền silicon đượcpha tạp điện hình thành siliconloại p, mộtchất trong đó hạt mangđiện chủ yếu là cáclỗ trống tích điện dương. Khimột photon tử ngoại,khả kiến, hoặchồng ngoại va chạm với mộtnguyên tử silicon nằm trong hoặc gần diode quang CCD, nó sẽ luôn tạo ramộtelectron tự do và một “lỗ trống” gây ra bởi sự vắng mặttạmthời củaelectron trong mạng tinh thể silicon.Electron tự do sau đó được gomvào mộtgiếng thế (nằm sâu bên trong silicon, trongmột khu vực gọi là lớp suy vong),còn lỗ trống buộcphải rời khỏi giếng và cuối cùngbị chiếm chỗ trong chất nền silicon. Từngdiode quangcách điện với các láng giềng của chúngbằng một rãnh dừng,hình thành bằngcách cho khuếch tán các ion boron quamộtmặt lọcvàochất nền silicon loại p. Đặc điểm kiến trúc chủ yếu củaCCD là một dãy lớn chuỗi thanhghi lệch chế tạo cólớp polysiliconpha tạp dẫn điệnxếp theo chiềuthẳng đứng phântáchvới chất nền bán dẫn siliconbằng một màng mỏng cách điện silicon dioxide.Sau khi electronđượcthu gom vào mỗi diodequang củadãy,một điện thế được áp vào lớp điện cựcpolysilicon(gọi là các cổng) làm thayđổi thế tĩnh điện của silionnằmbên dưới.Chất nền siliconnằm ngaydưới điện cựccổng khi đó trở thành một giếng thế có khả năng thu gom các electron phát racục bộ do ánh sáng tới gây ra.Các cổng lân cận giúp giam giữ electrontrong giếng thế bằng cáchhình thành vùng thế cao, gọi là hàng rào thế, baoquanh giếng. Bằng cách điều chỉnhhiệu điện thế đặt vào cổng polysilicon,chúng có thể có xu hướnghoặc là hìnhthànhmột giếngthế, hoặc là hàngrào thế để điện tích tích hợpđược thu thập bởi diodequang. Sau khi đượcrọi sáng bằng photontới trongthời kì gọi là sự tích hợp, giếng thế trong dãy diodequangCCD trở nên đầyelectron tạora trong lớp suy vong của chất nền silicon.Điệntích trữ trong mỗi giếngphải đượcđọc lại theo một phương pháp cóhệ thống. Những phép đo điện tích lưu trữ nàyđược hoàn thành bằng sự kết hợp di chuyển chuỗi vàsongsong của điện tích tích góp đến mộtnút ra tại rìa chíp, nơi nó kếtnối với bộ khuếch đạingoài.Tốc độ truyền điện tích songsong thường đủ để hoàn thành trong thời gian tích hợpđiện tích cho hình ảnh tiếp theo . Sau khi thu gom vào giếng thế, electron dờichỗ song song, mỗi lần một hàng, bằngmột tín hiệu phát ra từ đồng hồ thanhghi dịch đứng. Đồnghồ thanh ghidịch đứng hoạt động theo chukì, làm thay đổi điện thế trêncác điệncực xen kẽ của cổng thẳng đứng để làmdi chuyển điện tích tích góp qua CCD. Sau khiđiqua dãy cổng thanh ghi dịch song song,cuối cùngđiện tíchchạmtới mộthàng cổngđặcbiệt gọi là chuỗi thanhghi lệch. Tại đây,các gói electronbiểu diễn mỗi pixel bị dịch ngang trong chuỗi, dưới sự điều khiển của đồnghồ thanh ghi dịch ngang, về phía bộ khuếch đại ngoài và rakhỏi chip. Một CCD tiêu biểu chỉ có mộtbộ khuếch đại đọc lại nằm ở góc của toàn bộ dãy diodequang. Trong bộ khuếch đại ra,các gói electronghi nhận lượngđiện tích tạo ra bởi các diode quangliêntiếp từ trái sang phải trong một hàng bắt đầu với hàng thứ nhất và tiếp tục cho tới hết. Điều này tạo ra mộtsự quét mànhtươngtự của điện tíchquangpháttừ toàn bộ dãy hai chiều của cácnguyêntố cảm biến diode quang. Sự chuyển hóa năng lượngthành ánhsáng Vì độ lớn và tínhrộng khắp của ánh sáng và năng lượng Mặt Trời chạm tới Trái Đất,nên sự chuyển hóangược lại từ các dạng nănglượng khác thành ánh sáng dườngnhư là không quan trọng. Tuy nhiên, những bức hìnhchụp mới đây từ phi thuyền và vệ tinh củaTrái Đấtvào banđêm chothấyở nhữngkhuvựcdân cư đông đúc, loài người đã thànhcôngtrong việc tạo ramột lượng đáng kể ánh sáng bằng cách chuyển hóa nguồnnăng lượngđiện(hình 8). Những quá trìnhtự nhiên khác cũng xảy ra làm phát sinhánh sáng, thường đi cùngvới nhiệt. Dùcho xảy ra tự nhiênhay là có sự hỗ trợ khéo léo của con người, ánh sáng cóthể phát ra từ các cơ chế chuyển hóa năng lượngcơ học, hóa học, vàđiện học. Hình8 là một ảnh ghép từ hàng trăm tấm ảnh chụpTrái Đất từ vệ tinh. Ánhsángtừ các nguồn nhân tạomô tả rõ ràngcáctrung tâm dân cư chính ở Bắc Mĩ và Tây Âu, như minh họa trong hình. Tại một số thời điểm trongquá khứ xa xôi, loài ngườiđã họcđược cách sử dụnglửa theokiểu có lợi. Nhữngngọn lửa phát sáng cókhả năng manglại nguồn sáng nhân tạo đầutiên, và những ngọn lửa tự nhiên này vẫn đượcduytrì làm tài sản quý trong thời gian dài. Nếu một ngọn lửa tắt, thì một nguồn lửamới phải được tìm thấy bằng cách săn tìm và thu thập. Thành công sớmnhất trong việccố ý tạo ra lửa là kết quả của việc sản sinh nhiệt và than hồngtừ ma sát khicọ các que củi vàonhau,hoặc “lóe” tia lửa điện bằng cáchcọ những hòn đá hoặc khoángvật nhất địnhvới nhau,chúng làmbốc cháymộtsố chất liệu dễ bắt lửa đặt gần đó. NgườiLa Mã đã biết cách sử dụng đuốc tẩm nhựa làm nguồn sáng di động từ hơn 2000 năm trước. Lửa không phải chỉ có ích, mà còncó ý nghĩa biểu trưngto lớn trong nhiều nềnvăn hóasơ khaivàtrong thần thoại của họ.Bắt đầu từ truyền thống Hy Lạp cổ đại, các kì thế vận hội Olympic ngày nay vẫn giữ tinh thần “mang lửa” từ Hy Lạptớiđịa điểmtổ chức sự kiện. Loài ngườiđã sử dụng sự cháy của một số dạng nhiên liệukết hợp với oxygen trong không khí cung cấplửa (cũng như nhiệt) trong hàng nghìn năm trời, và mộthướngtiến bộ khôngthể tránh được sau đó là việc tìm kiếm những cảitiến cả về chức năng vàđộ antoàn. Saukhi người ta biết rằng mỡ động vật và dầu thực vật cháy với ngọn lửa màu vàng chói, đã có nhu cầu lớn về nhữngloại dầu này, và phần nhiều trongsố đó được lấy từ động vật biển,ví dụ như cá voi và hải cẩu. Việc đốt cháy dầukhó kiểmsoát, và phải thêm bấc vào đèn để điều khiển tốc độ cháy và ngăn cảnnguyhiểm vì ngọn lửacháy bùng lên. Đèn dầu được biết là đã sử dụng hơn10.000 năm. Nến là một mô phỏng của đèn dầu,cung cấp nhiên liệuở dạng rắn, tiệnlợihơn. Nhữngcây nến sớmnhấtsử dụng mỡ động vật hoặc sáp ong, còn những cây nến hiện đại chủ yếu cấu tạo từ parafinchiết từ dầu mỏ. Sự phát triển hơnnữa trongviệc sử dụng lửa mang lại ánhsáng xảy ra trongthế kỉ 19, khi những ngọn đèn khí trở nên được sử dụng rộngrãi ở các thànhphố và đô thị. Diêmđược sử dụng để đốt cháy các chất dễ bắt lửa khác sử dụng phản ứng hóa học để tạo ra lửa.Que diêmthườngphủ hợp chất phosphorebắt lửa trongsự có mặt của oxygenkhichúngđược làmnóngbằng masát quaviệc cọ xát lên một mặtmài mòn.Cái gọi là diêm antoànphải thắp sáng bằng cáchcọ xát lên một bề mặtđặc biệt, và sẽ không bắtlửakhi vô tình cọ xát với các bề mặt khác. Hợp chất hóa học trong đầudiêm và bề mặt cọ xát kết hợp tạo ra tialửa điện lúc đầu khởi độngmột phản ứng hóa học dẫn tới sự cháy của que diêm. Sự chuyển hóa năng lượngđiện thành ánh sángbắt đầu trở thành thực tế trong những năm1800với sự phát triển đèn hồ quang.Những đèn này hoạt động bằngcách tạora một dòng điện phóng qua mộtkhe giữa haique than, tạo ra một cung sáng chóiduy trìliên tục. Mặcdù chúng có khả năng phát ra nhiều ánh sáng hơnnhững ngọnnến củ kĩ hoặcphươngpháp đèn khí, nhưngđènhồ quang yêu cầu duytrì liêntục và là ngọn lửa nhiều rủi ro. Năm 1879,cả Joseph Swanở Anh, và ThomasEdisonở Mĩ, đều chứng minhđược đèn điệnsử dụng dây tóc carbon nung nóng bằng dòng điện hàn kíntrong bóng thủy tinhhút chân không một phần. Ví “bóng” thủytinh của nhữngngọn đènnày được bơm tới trạngthái chân không một phần, và chứa rất ítoxygen,nên dây tóc sẽ không bắtlửa,nhưngsẽ rất nóng và sáng rực rỡ. Đèn điện hiện đạisử dụng ba quá trìnhkhác nhauđể tạo ra ánhsáng từ năng lượng điện cungcấp chochúng. Đèn nóng sángchuẩn,lấy trựctiếp từ các mẫu ban đầu của nhữngnăm 1800,ngày nay chủ yếu sử dụng dây tócvolfram trongmột chất khí trơ, và phát ra ánh sáng bằng hiệu ứng điện trở làm cho dây tóc nóng lên khi có dòng điện chạy qua. Đèn huỳnh quanglà loại năng lượng hiệu quả hơn phát ra ánhsáng từ sự rọi sáng huỳnh quangcủa phosphor phủ ở bề mặt bên trong của ống thủytinh. Lớp phủ phosphorbị kích thíchpháthuỳnh quang bằng bức xạ cực tím phátra khi dòng điện truyềnqua chất khí trong ống. Loại đèn thứ ba được dùngphổ biến là đènhơi, chúng hợpnhất các chất khí như thủy ngân hoặc natriđể phátra ánh sáng khả kiến khidòng điện chạy qua thể tích khí. Những đèn này có thể có áp suấtcao hoặcthấpđa dạng, và phátra ánh sáng cóđặc trưngphổ phụ thuộcvào chất khí và những chất khác hợp nhất trong đèn. Có lẽ quá trìnhcơ bản nhất chuyển hóa năng lượngthành ánh sáng tươngtự như nguồn nhiệt và ánhsángcủa Mặt Trời, đó là quátrình nhiệt hạchhạt nhân.Các nhà khoahọccó thể tạo ra phản ứng nhiệt hạch chỉ trong khoảng chừngnửa thế kỉ nay, nhưng những phản ứng như thế đã và đangxảy raliên tục trong vũ trụ hàngtỉ năm nay.Nhiệt hạch là quátrình trongđó hai hạt nhân nguyên tử nhẹ vachạm nhau hình thành nên mộthạt nhân nặnghơn(xem hình9). Hạt nhân thu được có khối lượng nhỏ hơn tổngkhốilượng của hai hạt nhân hợpnhân, và khối lượng bị mấtchuyển hóa thành năng lượng, phùhợp với phươngtrình tươngđươngkhối lượng/năng lượngcủa Einstein.Phản ứng nhiệthạch là nguồn phát năng lượng của đa số các sao, kể cả Mặt Trời của chúngta. Như vậy, sự ấm áp của MặtTrời và ánh sáng của nó là sản phẩm của sự nhiệthạch hạt nhân,hình thành nên cơ sở cho tất cả sự sống trên Trái Đất. Khi mới hìnhthành, một ngôi sao chứa hydrogen và heliumcó thể đượctạo ra trong vũ trụ nguyên thủy.Hạt nhân hydrogen tiếp tục va chạm, tạo nên hạt nhân helium, rồi chúng lại vachạmtạo nên những hạtnhân nặng hơn, và cứ thế, trong chuỗi phản ứng tổng hợphạt nhân. Sự hợp nhâncủa cácđồng vị hydrogen khác nhau thành đồng vị heliumtạo ra năng lượnggấp hàng triệu lần một phản ứnghóa học thông thường.Phản ứng cơ bản nàykhiến Mặt Trời sẽ tiếptục soi sáng mãi cho đến khi nguồnhydrogengần như cạn kiệtvà MặtTrời tiến hóa thành mộtsao kềnhđỏ, tăng kích thước nhấn chìm TráiĐất và các hành tinhnhóm trong. Những thínghiệm đầu tiên của con người với sự nhiệthạch hạt nhân đưatới sự phát triểnbom khinhkhí. Nghiên cứu đangđượctiến hành hiện nay có thể mang lạinhững ứng dụng có ích hơn cho việc sử dụng phản ứng nhiệt hạch kiểm soát được làm nguồn phát điện sạch, không đắt tiền. Những tính toán về tốcđộ mà MặtTrời sử dụng nguồn hydrogenbanđầu của nó cho thấy chúng ta cóthể chỉ còn có khoảng 5 tỉ năm nữađể thừa hưởng nguồn năng lượng này và nghiêncứu sự nhiệt hạch. Hi vọng rằngkhoảng thời gian nàylà đủ dài. . lượngthành ánhsáng Vì độ lớn và tínhrộng khắp của ánh sáng và năng lượng Mặt Trời chạm tới Trái Đất,nên sự chuyển hóangược lại từ các dạng nănglượng khác thành ánh sáng dườngnhư là không quan. nhân thu được có khối lượng nhỏ hơn tổngkhốilượng của hai hạt nhân hợpnhân, và khối lượng bị mấtchuyển hóa thành năng lượng, phùhợp với phươngtrình tươngđươngkhối lượng /năng lượngcủa Einstein.Phản. phi thuyền và vệ tinh củaTrái Đấtvào banđêm chothấyở nhữngkhuvựcdân cư đông đúc, loài người đã thànhcôngtrong việc tạo ramột lượng đáng kể ánh sáng bằng cách chuyển hóa nguồnnăng lượng iện(hình