Tổng quan về lazer

Quái vật mắt laser của thập niên 1950Ánh sáng tự nhiên và ánh sáng nhân tạo thông thường được phát ra bởi sự thay đổi năng lượng ở các mức nguyên tử và phân tử xảy ra mà không cần có sự

Tổng quan về 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

Trong những bộ phim khoa học viễn tưởng nổi tiếng hồi thập niên 1950, các con quái vật thường được miêu tả có khả năng phát ra những tia sáng gây chết người từ đôi mắt của chúng (xem hình 1), nhưng cho tới khi phát minh ra laser thì các chùm năng lượng mãnh liệt và tập trung như thế cũng chỉ là tưởng tượng mà thôi Ngày nay, người ta có thể sửa đổi, thăm dò, hay phá hủy vật chất bằng cách sử dụng các bức xạ tập trung cao phát ra từ các nguồn năng lượng gọi là laser Hầu như tất cả ánh sáng mà chúng ta nhìn thấy hàng ngày, từ ánh sáng Mặt Trời, các vì sao, các bóng đèn nóng sáng và đèn 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 thừa của chúng

Hình 1 Quái vật mắt laser của thập niên 1950

Ánh sáng tự nhiên và ánh sáng nhân tạo thông thường được phát ra bởi sự thay đổi năng lượng ở các mức nguyên tử và phân tử xảy ra mà không cần có sự can thiệp từ bên ngoài Tuy nhiên, loại ánh sáng thứ hai tồn tại và xảy ra khi

nguyên tử hay phân tử vẫn giữ năng lượng dư thừa của nó cho đến khi bị cưỡng bức phải phát ra năng lượng dưới dạng ánh sáng Laser được chế tạo để tạo ra và khuếch đại dạng ánh sáng cưỡng bức này thành các chùm cường độ mạnh và tập

trung Laser là từ viết tắt của Light Amplification by theStimulated Emission

of Radiation (Khuếch đại ánh sáng bằng sự phát bức xạ cưỡng bức) Tính chất đặc

biệt của ánh sáng laser khiến cho kĩ thuật laser trở thành một công cụ thiết yếu trong hầu như mọi mặt đời sống hàng ngày, như viễn thông, giải trí, sản xuất và y khoa

Albert Einstein đã tình cờ đặt bước đầu tiên trong sự phát triển laser với việc nhận thấy có khả năng có hai loại phát xạ Trong một bài báo công bố năm

1917, ông là người đầu tiên đề xuất sự tồn tại của phát xạ cưỡng bức Trong nhiều năm, các nhà vật lí cho rằng sự phát xạ tự phát của ánh sáng là hình thức khả dĩ và trội nhất, và bất cứ sự phát xạ cưỡng bức nào cũng đều phải yếu hơn nhiều lần Mãi đến sau Thế chiến thứ hai, người ta mới bằt đầu tìm kiếm những điều kiện cần thiết cho sự phát xạ cưỡng bức chiếm ưu thế, và làm cho một nguyên tử hay phân

tử kích thích nguyên tử hay phân tử khác, tạo ra hiệu ứng khuếch đại ánh sáng phát xạ

Một nhà khoa học tại trường đại học Columbia , Charles H Townes, là người đầu tiên thành công trong việc khuếch đại bức xạ cưỡng bức hồi đầu thập niên

1950, nhưng nghiên cứu của ông tập trung vào các sóng viba (có bước sóng dài hơn nhiều so với bước sóng ánh sáng khả kiến), và ông đặt tên cho dụng cụ của mình là maser Các nhà khoa học khác theo chân ông chế tạo maser thành công, và một lượng đáng kể các nỗ lực tập trung vào cố gắng tạo ra bức xạ cưỡng bức ở các bước sóng ngắn hơn Nhiều khái niệm cơ sở cho sự ra đời của laser được phát triển cũng khoảng thời gian đó, cuối thập niên 1950, bởi Townes và Arthur

Schawlow (thuộc Phòng thí nghiệm Bell ) và bởi Gordon Gould ở trường đại học Columbia Gould đi thẳng tới việc đăng kí bằng sáng chế chứ không công bố ý tưởng của mình, và mặc dù ông được công nhận là người đặt ra từ “laser”, nhưng cũng phải mất gần 30 năm sau ông mới nhận được một vài bằng sáng chế Vẫn có

sự bất đồng về người xứng đáng được công nhận cho khái niệm laser Hai người Xô Viết, Nikolai Basov và Aleksander Prokhorov, cùng chia giải Nobel vật lí năm 1964 với Townes cho nghiên cứu tiên phong của họ về các nguyên lí nền tảng cho maser

và laser Schawlow thì chia giải Nobel vật lí năm 1981 cho nghiên cứu của ông về laser

Việc công bố công trình của Schawlow và Townes kích 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 được một dụng cụ bằng thỏi ruby tổng hợp, được công nhận là laser đầu tiên Laser ruby của Maiman phát ra các

xung ánh sáng đỏ kết hợp cường độ mạnh có bước sóng 694 nanomet, trong một chùm hẹp có mức độ tập trung cao, khá tiêu biểu cho những đặc tính biểu hiện bởi nhiều laser hiện nay Laser đầu tiên dùng một thỏi ruby nhỏ có hai đầu mạ bạc để phản xạ ánh sáng, bao quanh bởi một đèn flash xoắn ốc, và đủ nhỏ để cầm trong tay Điều thú vị là nhà nhiếp ảnh được Phòng thí nghiệm Hughes ủy quyền để

quảng cáo phát minh mới cho rằng laser thực tế quá nhỏ và chụp Maiman trong tư thế với laser lớn hơn mãi đến sau này vẫn không hoạt động được.bức ảnhchụp Maiman cùng với laser “hoành tráng hơn” đó vẫn được lưu truyền và sử dụng trong nhiều ấn phẩm

Mặc dù laser phát ra ánh sáng khả kiến là phổ biến nhất, nhưng các nguyên lí

cơ bản có thể áp dụng được cho nhiều vùng phổ điện từ Sự phát xạ cưỡng bức đầu tiên thu được trong vùng vi ba của phổ điện từ, nhưng hiện nay laser có mặt trên thị trường còn phát ra ánh sáng cực tím và hồng ngoại, và tiến bộ đang được thực hiện theo hướng tạo ra laser trong vùng phổ tia X Các laser thực tế được sử dụng hiện nay có công suất phát từ dưới 1 miliwatt cho đến nhiều kilowatt, và một số tạo ra cả nghìn tỉ watt trong những xung cực ngắn Hình 2 cho thấy một số loại laser điển hình, có kích thước đủ cỡ và ứng dụng rộng rãi Các phòng thí nghiệm thuộc quân đội và phòng thí nghiệm khác đã chế tạo được những thiết bị laser chiếm cả một tòa nhà, trong khi những laser phổ biến nhất sử dụng dụng cụ bán dẫn kích thước bằng một hạt cát

Để hiểu được các nguyên lí cơ bản của laser, điều cần thiết là phải giải thích cách thức bức xạ cưỡng bức được tạo ra và khuếch đại Nguyên lí đầu tiên trong số các nguyên lí này là cần thiết, bởi vì laser vốn dĩ là một dụng cụ cơ lượng tử và bản chất lượng tử của năng lượng phải được kể đến để giải thích hoạt động của laser Vật lí cổ điển cho rằng năng lượng có thể biến thiên liên tục và đều đặn, và các nguyên tử và phân tử có thể có bất kì lượng năng lượng nào Công trình nghiên cứu của Einstein, cáo trở thành chìa khóa cho sự phát triển của cơ học lượng tử, cho rằng năng lượng tồn tại trong từng đơn vị gián đoạn, hay lượng tử, và các nguyên tử và phân tử (và do đó là mọi đối tượng khác) bị hạn chế chỉ có những lượng năng lượng gián đoạn nhất định

Hình 2 Một số loại laser thông dụng

Thêm một vài khái niệm nữa cũng cần thiết để hiểu được hoạt động laser, bắt đầu là photon và mức nguyên tử và xuất phát từ nguyên tắc lượng tử hóa:

 Sự lượng tử hóa năng lượng trong nguyên tử làm cho 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 với sự phát xạ ánh sáng

 Một số loại chuyển trạng thái xảy ra và ảnh hưởng đến lượng năng lượng trong sự chuyển đó

 Sự phát xạ tự phát và cưỡng bức có thể xảy ra do sự chuyển mức năng lượng

 Nghịch đảo dân cư giữa các mức năng lượng phải thu được để khuếch đại

sự phát bức xạ cưỡng bức

Nếu như nguyên tử hay phân tử nằm ở một trạng thái năng lượng cao hơn trạng thái thấp nhất, hay trạng thái cơ bản, nó có thể tự phát rơi xuống mức năng lượng thấp hơn mà không cần 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 hai mức năng lượng) dưới dạng một photon ánh sáng

Nguyên tử hay phân tử kích thích có một thời gian phát xạ đặc trưng, đó là thời gian trung bình mà chúng vẫn giữ được trạng thái năng lượng kích thích cao hơn trước khi rơi xuống mức năng lượng thấp hơn và phát ra photon Thời gian phát xạ

là một nhân tố quan trọng trong việc tạo ra phát xạ cưỡng bức, loại phát xạ thứ hai

mà Einstein nêu ra

Còn ở trạng thái kích thích, nếu nguyên tử được rọi với photon đến có cùng năng lượng chính xác như năng lượng mà sự chuyển trạng thái có thể xảy ra tự phát, nguyên tử có thể bị cưỡng bức bằng photon đến để quay trở lại trạng thái năng lượng thấp hơn và đồng thời phát ra một photon có cùng năng lượng chuyển trạng thái Một photon riêng lẻ tương tác với một nguyên tử bị kích thích do đó có thể tạo ra hai photon phát xạ Nếu các photon phát xạ được xem là sóng, thì sự

phát xạ cưỡng bức sẽ dao động cùng tần số với ánh sáng tới, và cùng pha (kết hợp), kết quả là làm khuếch đại cường độ của ánh sáng ban đầu Hình 3 minh họa sự phát xạ tự phát (a) và cưỡng bức (b) với hai sóng kết hợp như trường hợp thứ hai

ở trên

Hình 3 Các quá trình tự phát và cưỡng bức

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, dân cư, hay số nguyên

tử hoặc phân tử ở mỗi mức năng lượng, không thuận lợi cho sự phát xạ cưỡng bức

Do các nguyên tử và phân tử có xu hướng tự rơi xuống các mức năng lượng thấp hơn nên số nguyên tử hay phân tử ở mỗi mức sẽ giảm khi năng lượng tăng Thật vậy, dưới những điều kiện bình thường, đối với một sự chuyển mức năng lượng ứng với một bước sóng quang điển hình (vào bậc 1 electron-volt), tỉ số của số nguyên tử hay phân tử ở trạng thái năng lượng cao hơn và số nguyên tử hay phân

tử ở trạng thái cơ bản thấp hơn có lẽ là 1017 Nói cách khác, hầu như tất cả các nguyên tử hay phân tử ở vào trạng thái cơ bản đối với sự chuyển mức năng lượng ánh sáng khả kiến

Một lí do khiến sự phát 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 trạng thái kích thích với sự phát xạ ánh sáng sau đó và tự phát Ánh sáng phát

xạ có thể dễ dàng kích thích sự phát xạ từ các nguyên tử bị kích thích khác, nhưng

một số cỏ thể gặp phải nguyên tử ở trạng thái cơ bản và bị hấp thụ chứ không gây

ra phát xạ (hình 3c) Do số nguyên tử ở trạng thái kích thích ít hơn nhiều so với số nguyên tử ở trạng thái cơ bản nên photon phát xạ có khả năng bị hấp thụ nhiều hơn, bù lại thì số phát xạ cưỡng bức cũng không đáng kể so với phát xạ tự phát (ở trạng thái cân bằng nhiệt động lực học)