Laser-Quang lượng tử

Tài liệu vật lý về "Laser-Quang lượng tử".

Hà Nam Thanh - Laser triển vọng MỞ ĐẦU Lí chọn đề tài Thế kỉ XXI kỉ công nghệ cao, công nghệ kĩ thuật số, quan tâm tới khả đáp ứng nhu cầu công việc máy mà đánh giá cao gọn nhẹ chúng Muốn 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 Transitor 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 Ngày laser diện nhiều nơi, thông tin đại chúng cịn hạn chế Laser phát triển mạnh vào năm 80 kỉ XX, thời điểm nước ta vừa vực dậy sau chiến tranh nên điều kiện tiếp cận với thành khoa học đại hạn chế, mặt khác giá thành khơng nhỏ Nhưng laser phát triển nhanh, xâm nhập nhiều vào sống, nên tìm hiều kĩ nó: laser gì? laser xuất nào? chặng đường phát triển nó? tính chất ứng dụng vào đời sống? Chắc câu hỏi có từ lâu, người chúng ta, người ngày chứng kiến bùng nổ cơng nghệ, kĩ thuật, phải tự hỏi Với mong muốn trả lời câu hỏi đó, tơi chọn đề tài: “Laser triển vọng” để tìm hiều nghiên cứu tiểu luận Hà Nam Thanh - Laser triển vọng 2 Nội dung nghiên cứu Đề tài nghiên cứu đến kiến thức laser phương diện: Lịch sử đời laser, Nguyên tắc cấu tạo, Các tính chất Phân loại laser; tìm hiểu ứng dụng quan trọng laser Y học, Công nghiệp Khoa học, đặc biệt mở triển vọng phát triển laser tương lai Phương pháp nghiên cứu • Tổng hợp phân tích tài liệu • So sánh khái quát hóa Giới hạn đề tài Đề tài tập trung nghiên cứu vấn đề laser ứng dụng quan trọng laser, không sâu vào kiến thức chuyên ngành Hà Nam Thanh - Laser triển vọng NỘI DUNG Lịch sử đời phát triển laser Laser từ viết tắt cụm từ: Light Amplification by Stimulated Emisson of Radiation, nghĩa khuyếch đại ánh sáng xạ cưỡng Người ta nhớ lại vào năm 1916, sau bầu vào Viện Hàn lâm Khoa học Đức, Enstein tư trừu tượng cao, nêu thuyết: “Nếu chiếu nguyên tử sóng điện từ, xảy 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 chứng minh nên nhanh chóng lãng quên nhiều năm Mãi đến năm 1951, Giáo sư Charles Townes thuộc trường đại học Columbia thành phố New York (Mỹ) ý đến khuyếch đại sóng cực ngắn (vi sóng) Ơng thực thí nghiệm mang tên Maser (maze) khuyếch đại vi sóng xạ cảm ứng (chữ Maser từ viết tắt cụm từ Microwave Amplification by Stimulated Emisson of radiation) Ơng thành cơng, phí tốn để nghiên cứu phịng thí nghiệm Cũng vào thời gian này, phương trời khác, hai nhà khoa học Xô Viết Nikolay Gennadiyevich Basov Aleksandr Mikhailovich Prokhorov phát minh máy khuyếch đại vi sóng gần dạng nguyên lý: tạo hệ thống phóng tia liên tục cách dùng nhiều mức lượng, hệ thống phóng tia liên tục mà khơng cho hạt xuống mức lượng bình thường, giữ tần suất Cả ba nhà khoa học nói giải Nobel vật lý năm 1964 tảng cho lĩnh vực điện tử lượng tử, dẫn đến việc tạo máy dao động phóng đại dựa thuyết laser-maser “Đạt tới việc khuyếch đại sóng cực ngắn mà không dấn thêm vào sóng phát sáng?”, câu nói lên từ C Townes Bởi sau thành công ông cấp giao cho trọng trách Thực nhà khoa học Anthus Schawlow Hà Nam Thanh - Laser triển vọng (em rể Townes) tốn nhiều công suy nghĩ để biến Maser thành laser, phạm vi lý thuyết, tháng 8/1958 ông công 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, Townes Schawlow dành thêm hai năm để sâu nghiên cứu, mở rộng thêm trở thành người tìm laser Hình 1: Máy tạo Maser lịch sử Ngày 12/05/1960 ngày đáng nhớ, 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, màu đỏ lộng lẫy bề dài bước sóng đo 0,694 micromet Như giả thiết mà Einstein nêu 54 năm trước chứng minh Nhiều năm tiếp theo, nhà khoa học khắp nơi nối dài đường phát triển laser thành nhiều loại, nhiều cách: đưa vào hoạt chất thể khí (ví dụ cacbonic CO2 He, Ne, Ar ) ta có tia laser từ thể khí, đưa vào arseniure (từ gallium) có tia laser từ bán dẫn, đưa vào chất dung dịch nhuộm màu hữu cho ta laser lỏng, sử dụng oxy-iot vạn ta có laser hóa học, laser rắn vv Điều kì diệu tùy theo hoạt chất mà tạo nhiều màu sắc khác làm cho tia laser trở nên lung linh huyền ảo Hà Nam Thanh - Laser triển vọng Nguyên lý cấu tạo laser Nguyên lý cấu tạo chung máy laser gồm có: buồng cộng hưởng chứa hoạt chất laser, nguồn ni hệ thống dẫn quang Trong buồng cộng hưởng với hoạt chất laser phận chủ yếu Buồng cộng hưởng chứa hoạt chất laser, chất đặc biệt có khả khuyếch đại ánh sáng phát xạ cưỡng để tạo laser Khi photon tới va chạm vào hoạt chất kéo theo photon khác bật bay theo hướng với photon tới Mặt khác buồng cộng hưởng có mặt chắn hai đầu, mặt phản xạ toàn phần photon bay tới, mặt cho phần photon qua phần phản xạ lại làm cho hạt photon va chạm liên tục vào hoạt chất laser nhiều lần tạo mật độ photon lớn Vì cường độ chùm laser khuyếch đại lên nhiều lần Tính chất laser phụ thuộc vào hoạt chất đó, người ta vào hoạt chất để phân loại laser 2.1 Cơ sở lý thuyết Chúng ta cần thêm vài khái niệm để hiểu rõ nguyên lý cấu 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 phát xạ ánh sáng Theo tiên đề Bohr, nguyên tử hay phân tử nằm trạng thái lượng cao lượng trạng thái thấp (trạng thái bản) tự chuyển mức lượng thấp mà khơng cần kích thích từ bên ngồi Một kết xảy với chuyển mức lượng giải phóng lượng dư thừa (ứng với hiệu hai mức lượng) dạng photon Ngun 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 thấp phát photon Từ thời gian phát xạ nguyên tử Einstein nghĩ loại phát xạ mới: phát xạ cưỡng Ở trạng thái kích thích, nguyên tử chiếu vào Hà Nam Thanh - Laser triển vọng photon có lượng hiệu hai mức lượng mà chuyển trạng thái xảy tự phát, nguyên tử bị cưỡng photon đến chuyển xuống mức lượng thấp mức khoảng lượng lượng photon đến, đồng thời phát photon bước sóng với photon đến Một photon riêng lẻ 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 Hình 2: Cơ chế phát laser Vấn đề quan trọng việc thu phát xạ laser cưỡng điều kiện cân nhiệt động lực học bình thường số nguyên tử hay phân tử mức lượng không thuận lợi cho việc phát xạ cưỡng Do nguyên tử có xu hướng tự chuyển xuống mức lượng thấp nên số nguyên tử hay phân tử mức giảm lượng tăng Dưới điều kiện bình thường, với lượng ứng với quang electron điển hình 1eV 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 Một lý khiến xạ cưỡng khó thu trở nên hiển nhiên xem xét kiện có khả xảy quanh phân hủy electron từ Hà Nam Thanh - Laser triển vọng trạng thái kích thích với phát xạ ánh sáng sau tự phát Ánh sáng phát xạ kích thích phát xạ từ nguyên tử bị kích thích khác, số gặp phải ngun tử trạng thái bị hấp thụ không gây phát xạ Do 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 nguyên 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 mật độ cư trú Miễn số nguyên tử trạng thái cao nhiều mức thấp hơn, phát xạ cưỡng lấn át thu dòng thác photon Photon phát xạ ban đầu kích thích phát xạ nhiều photon khác, photon sau lại kích thích phát xạ nhiều photon khác nữa, tiếp diễn làm cho dòng thác photon tăng lên Kết ánh sáng phát xạ khuyếch đại Sự nghịch đảo mật độ cư trú tạo qua hai chế bản: tạo dư thừa nguyên tử hay phân tử trạng thái lượng cao, làm giảm mật độ cư trú trạng thái lượng thấp Nhưng laser hoạt động liên tục phải ý vừa làm tăng mật độ cư trú mức cao, vừa hạ thấp mật độ cư trú mức thấp Nếu nhiều nguyên tử hay phân tử tích tụ mức thấp nghịch đảo mật độ cư trú khơng cịn laser ngừng hoạt động Để tạo nghịch đảo mật độ cư trú 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 nguyên tử lên mức lượng cao chọn Sau chuyển xuống mức laser Như nói phần trước, khoảng thời gian mà nguyên tử hay Hà Nam Thanh - Laser triển vọng phân tử tồn trạng thái kích thích định bị phát xạ cưỡng tham gia vào dòng thác photon hay lượng qua phát xạ tự phát Các trạng thái kích thích thường có thời gian sống cỡ nano giây, trước chúng giải phóng lượng thời gian không đủ lâu để chúng bị kích thích photon khác Do vậy, mức lượng cao phải có thời gian sống lâu (trạng thái bền) Với thời gian sống trạng thái (khoảng micro đến mili giây) nguyên tử bị kích thích tạo lượng đáng kể phát xạ cưỡng Hình 3: Biểu diễn lượng Laser bơm mức mức Ngoài việc tạo nghịch đảo mật độ cư trú, cần yếu tố khác để khuyếch đại tập trung ánh sáng thành chùm Công việc thực hộp cộng hưởng, phát xạ số ánh sáng trở lại môi trường laser, qua nhiều lần tương tác hình thành hay khuyếch đại cường độ ánh sáng 2.2 Mơ hình cấu tạo Hình 4: Mơ hình cấu tạo đơn giản máy phát laser Hà Nam Thanh - Laser triển vọng 2.3 Nguyên lý hoạt động •: electron mức bản, ◦: electron mức kích thích →: quĩ đạo photon Bình thường electron mức E1 : sau cung cấp lượng (bơm quang học) để tạo trạng thái nghịch đảo mật độ cư trú Lúc electron trạng thái kích thích, chúng xạ cảm ứng phát photon, photon kích thích electron khác phát xạ Một photon va chạm với electron nguyên tử tạo hai photon, hai photon lại tạo bốn photon khác thế, số photon nhân lên Các photon sinh chuyển động theo hướng khác Một lượng lớn chúng thoát khỏi ống, số chuyển động dọc theo trục ống Khi đến đầu ống chúng bị hai gương phản xạ lại, va chạm với electron nguyên tử khác trạng thái kích thích khởi phát thêm xạ cảm ứng Số photon tăng lên không ngừng, tất kiện diễn với tốc độ kinh hoàng, vài phần triệu giây Hà Nam Thanh - Laser triển vọng 10 Khi photon chuyển động dọc theo trục ống tăng lên đến cường độ định, photon qua hai gương bán mạ, ta thấy tia laser ló từ Tính chất laser • Độ định hướng cao: tia laser phát chùm song song có khả chiếu xa hàng nghìn km mà khơng bị tán xạ Chùm sáng laser khơng cịn tính song song hiệu ứng nhiễu xạ, định bước sóng ánh sáng độ lối • Tính đơn sắc cao: chùm sáng phát có màu (hay bước sóng) Đây tính chất đặc biệt mà khơng có chùm sáng có • Tính kết hợp: đồn sóng laser dài tới hàng trăm km, điều có nghĩa vân giao thoa tạo thành chồng chất hai chùm sóng riêng biệt có hiệu quang trình cỡ khoảng cách nói • Tính hội tụ: mật độ thơng chùm laser cỡ 1016 W/cm2 hoàn toàn Phân loại laser Theo mơi trường khuyếch đại Hà Nam Thanh - Laser triển vọng 20 phương, dùng tác chiến gần, khoảng cách vài km, trời mưa mù khoảng cách cịn ngắn hơn, xách tay, lắp xe tăng, máy bay trực thăng Vũ khí laser lượng cao dùng chùm tia laser cực mạnh chiếu đến điểm mục tiêu, dừng lại thời gian ngắn để vật liệu chảy khí hóa Chùm tia laser mạnh phá hủy đường điện, gây cháy thùng nguyên liệu máy bay, gây nổ đạn đạo Lắp đặt mặt đất, tàu, máy bay, vệ tinh có tốc độ nhanh, xác cao, khơng cần thuốc mồi, khơng sinh lực đẩy phía sau, khơng tạo nhiễm nên loại vũ khí “sạch” Vũ khí laser lắp đặt vệ tinh bắn hạ tên lửa đạn đạo vệ tinh đối phương Hình 17: Súng laser- vũ khí lợi hại Theo dự tính, để phá hủy tên lửa đạn đạo cách xa 1000 km cần lượng laser 20000KW kính phản xạ đường kính 10m với thời gian chiếu xạ giây Đầu năm 90, Mĩ chế tạo tia laser lượng 5000KW Tuy khoảng cách xa tương lai, vũ khí laser trở thành công cụ chiến tranh lợi hại đua công nghệ cường quốc giới 5.5 Trong đời sống Laser ứng dụng nhiều đời sống, mà thân quen hữu dụng để ghi đọc đĩa CD DVD Các đĩa CD (Compact) DVD (Digital Versatile Disc, đĩa số hóa đa dụng) hệ quang học lưu trữ thông tin Người ta dùng chùm laser để ghi thông tin lên màng mỏng nhạy cảm với ánh sáng chiếu vào đĩa, thông tin mã hóa Hà Nam Thanh - Laser triển vọng 21 rãnh nhỏ đĩa Để khắc rãnh này, chùm tia laser phải nhỏ cỡ micromet, chúng khắc thành đường rãnh xốy trơn ốc với chiều dài lên đến 5km ! Hình 18: Ghi đọc đĩa laser Đầu đọc chùm laser hồng ngoại, ánh sáng laser chiếu vào rãnh, phần vào tận đáy rãnh bị đáy phản xạ, phần lại bị bề mặt xung quanh rãnh phản xạ Khi hai sóng ánh sáng kết hợp với nhau, chúng pha ngược pha làm cường độ tăng cường giảm bớt Nếu ánh sáng tới không gặp rãnh khơng bị thay đổi cường độ phản xạ Sự thay đổi không cường độ chùm laser detector đầu CD đọc, mã hóa thành số nhị phân 1, mã nhị phân ghi lên đĩa Thông tin tái tạo lại gần hoàn hảo âm hình ảnh ban đầu Người ta dùng tia laser để phục hồi tranh cổ ! Các nhà khoa học Tây Ban Nha cho biết, công việc làm lớp bụi bám hàng kỉ tranh cổ trở nên dễ dàng với ứng dụng tia laser Trước công việc phục hồi trình gian khổ khơng nguy phá hủy tranh Theo cách truyền thống, nhà phục chế tranh phải sử dụng dao nhỏ dung môi để trả lại màu tranh Ông Marta Castillejo, Viện nghiên cứu khoa học Tây Ban Nha cho biết: “Giờ tia laser hạn chế tối đa cọ xát bề mặt tranh Tia cực tím loại bỏ thành phần bề mặt lớp vécni bảo vệ mà khơng làm ảnh hưởng đến thành tố hóa học lớp màu bên Khi Hà Nam Thanh - Laser triển vọng 22 laser chiếu vào tranh, dụng cụ chuyên dụng hút bụi khí ngoài.” Thiết bị laser hỗ trợ lái xe đêm tối Hệ thống hoạt động nguyên tắc chùm laser “tầm nhiệt” Đầu quét tia lắp cạnh vị trí đèn pha đèn hậu để phát đối tượng tỏa nhiệt (người, động vật sống ) phía trước sau xe truyền hình ảnh tới tài xế qua mành hình Cơng nghệ chùm laser cảm nhiệt ứng dụng trước tiên lĩnh vực quốc phịng Các kĩ sư tập đồn General Motor nghiên cứu cải tiến hệ thống để phục vụ việc lái xe đêm Cơng trình họ giải pháp kĩ thuật hay lĩnh vực chế tạo ôtô năm 1999 Cấu tạo hệ thống mơ tả camera hồng ngoại, đối tượng nhiệt ống kính đặc biệt thu lên hình đặt salon xe, hình ảnh giống phim âm đen trắng Năm 2000, hệ thống áp dụng lần mẫu xe Cadillac DeVille dành cho nguyên thủ quốc gia Phiên thiết bị laser đặt ơtơ cho hình ảnh tốt khoảng cách 50 m Các chuyên gia cố gắng gia tăng độ nhạy cảm biến để cung cấp hình ảnh từ khoảng cách xa rõ nét Kết cải tiến cho thấy thiết bị mơ tả lại đường trước mặt lái xe xa tầm đèn pha Từ đó, chuyên gia GM, Peugeot Citroen hợp tác hoàn thiện sản phẩm Vào năm 2004, thiết bị ứng dụng rộng rãi loại xe phổ thông Giá thành việc lắp đặt hệ thống dự tính khoảng 400-500 USD Hiện hạ giá nhiều Ngồi chùm laser cịn làm náo nhiệt khơng khí lễ hội Một số sai lầm hiểu laser Sự diện laser tác phẩm khoa học viễn tưởng, hay phim hành động, lời bình phẩm nói chung dẫn đến suy nghĩ sai lầm Ví dụ, trái với xuất phim Star Wars, tia laser Hà Nam Thanh - Laser triển vọng 23 khơng nhìn thấy chân khơng, chân khơng khơng có tán xạ ánh sáng Trong khơng khí, tia laser va chạm với bụi hay vật cản đường bị tán xạ, tạo tia lóe sáng; tương tự ánh nắng mặt trời tỏa sáng môi trường bụi Kĩ xảo ứng dụng cho tia laser nhìn thấy, mục đích chụp ảnh, cách tăng số lượng hạt khơng khí, dùng bình xịt thơm Tia laser với cường độ cao nhìn thấy khơng khí nhờ vào tán xạ Rayleigh hay tán xạ Raman Với tia có cường độ cao hơn, tập trung điểm nhỏ, không khí bị nung đến trạng thái plasma, laser nhìn thấy nhờ xạ từ plasma Tuy nhiên tăng áp suất đột ngột khơng khí bị nóng nhanh tạo tiếng nổ lớn, tạo phản hồi tia laser làm hư thiết bị (tùy vào thiết kế laser) Trong phim khoa học viễn tưởng, hiệu ứng đặc biệt thường miêu tả vũ khí laser truyền vài mét giây, trái với thực tế tia laser di chuyển với tốc độ ánh sáng, nhanh đến mức thấy dịch chuyển laser Ngoài ra, vài cảnh phim miêu tả hệ thống an tồn sử dụng laser đỏ vơ hiệu hóa nhân vật cách sử dụng gương, người nhìn thấy tia laser cách rải bụi trắng không khí; thực tế đa số hệ thống an tồn sử dụng laser hồng ngoại laser nhìn thấy cách 7.1 Triển vọng 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 kỉ kết thúc, triển vọng công nghệ ngành 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 thông Hà Nam Thanh - Laser triển vọng 24 Kết mang lại khả tạo chip hàng trăm chí hàng ngàn tia laser sáng cực nhỏ Phát minh đạt liên kết tảng photpho indi phát ánh sáng vào bề mặt chip silicon đạt tiêu chuẩn axit với rãnh đặc biệt Các rãnh đóng vai trị “người dẫn đường” cho sóng ánh sáng Hình 19: Chip laser cực nhỏ 7.2 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 10−4 cm Như laser có cơng suất 1W hội tụ để có cường độ 108 W/cm2 Năm 1963, sau phát minh laser hồng ngọc, bà Elsa Garmire (hiện giám đốc trung tâm nghiên cứu laser thuộc Đại học tổng hợp Nam California) chứng minh xung laser hồng ngọc, có cơng suất đỉnh 108 W , hội tụ 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 cơng suất 1mW 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 Hà Nam Thanh - Laser triển vọng 25 gây tổn thương nhanh Nhưng laser lại công cụ tốt cho nhà vật lý, nhà khoa học tạo mơi 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 học nói riêng Ngày này, nhà khoa học tiên phong nhà vật lý đẩy nhanh cơng “tìm hạt chúa” việc chế tạo máy gia tốc cực lớn LHC, song song với nhà khoa học thu nhiều thành tựu với cơng nghệ laser Chế tạo Mặt trời phịng thí nghiệm Bằng phương pháp chiếu tia laser cực mạnh vào cầu khí, nhà khoa học Mĩ 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 (Mĩ) tạo (xem Hình 11) 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 Mĩ mở đường cho loạt thí nghiệm để tạo sức nóng áp suất lõi Mặt trời Hình 20: Hội tụ cường độ laser để tạo lượng lớn Theo nhà khoa học, tia laser NIF tạo lượng Hà Nam Thanh - Laser triển vọng 26 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 Ngoài ra, nhà khoa học cịn hy vọng tạo loại lượng an toàn từ việc đốt cháy nguyên tử thay cho biện pháp tách nguyên tử Dự án trị giá 3.5 tỉ USD Trung tâm lượng Quốc gia Mĩ San Francisco (NIF), nhằm tạo nguồn lượng vô tận, có lợi cho mơi trường Nơi thử nghiệm Nơi thử nghiệm Mặt trời nhân tạo “phịng thí nghiệm” vỏ cầu thép, đường kính 9m, nặng 500 Giữa tâm vỏ cầu thép, người ta đặt cầu khí (đường kính 0.1m) bắn phá 192 tia laser cực mạnh từ hướng khác Năng lượng từ tia laser gộp lại- vịng phần tỉ giây- lớn gấp đơi 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 nhà khoa học chưa thành công việc tạo phản ứng nhiệt hạch nhân cầu khí Lần này, với 3.5 tỉ USD tham gia gần 300 nhà khoa học, NIF hy vọng tạo Mặt trời nhân tạo vào năm 2020 7.3 Tạo xung cực ngắn Nhờ hệ thống laser siêu mạnh, nhà vật lý Mĩ hy vọng tạo tia chớp ngắn giới Theo dự kiến, lóe sáng vịng phần nghìn tỉ-tỉ giây (10−21 s) 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 mức lượng cao Theo lý thuyết, hạt đồng thời bị hãm trạng thái đứng im, chúng phóng tia chớp cực ngắn Hà Nam Thanh - Laser triển vọng 27 Hệ thống laser sản sing từ trường siêu mạnh, mạnh gấp 10 tỉ lần từ trường Trái đất Do người ta sử dụng để nghiên cứu tính chất thiên thể lạ vũ trụ, ví dụ neutron Trước đó, số nhà nghiên cứu khác đạt nhiều thành tựu việc chế tọa xung laser cấp độ vài trăm atto giây (1 atto giây = 10−18 s) Một nhóm nhà khoa học châu Âu tạo xung laser cỡ 250 atto giây Không lâu sau, nhà khoa học Áo, Đức Canada tạo xung xạ phổ tia X kéo dài 650 atto giây Để thấy tinh tế xạ cấp độ atto giây, ta tưởng tượng, ta tạo xung ánh sáng bình thường 1.28 giây, xung ánh sáng vươn tới Mặt trăng; đó, xạ tia X tạo 650 atto giây vài phần tỉ mét, nghĩa dài virus ! Trước đó, việc hồn thiện hóa xung laser cấp độ phần triệu tỉ giây (femto giây: 10−15 s) giúp nhân loại tiến vượt bậc việc hiểu biết q trình phản ứng hóa học (giải thưởng Nobel hóa học năm 1999 trao cho nhà hóa học Mĩ gốc Ai cập cống hiến ông việc sử dụng xạ cấp độ femto giây vào nghiên cứu phản ứng hóa học) Nay, với kĩ thuật cao hơn, xung xạ cấp độ atto giây giúp nhân loại “chụp ảnh” chuyển động electron bên nguyên tử, hay bứt tách electron từ nguyên tử tác dụng photon lượng cao Hình 21: Hệ thống laser để chụp electron phản ứng hóa học Những tia chớp cực ngắn loại cho phép nghiên cứu giới vi mô Hà Nam Thanh - Laser triển vọng 28 phản ứng 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 pico giây (10−12 s) 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 Hình 22: Ứng dụng xung laser cực ngán vào việc chụp hình electron Việc chụp ảnh vật chuyển động cực nhanh Để chụp rơi, ta cần máy ảnh thường, rơi chậm Nhưng để chụp xe máy lao qua, ta cần máy ảnh có tốc độ mở ống kính 1/1000 giây, ta hạn chế dịch chuyển xe (cịn khoảng 5cm) 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 tốt hơn, nhanh hơn, nhạy xác , laser công cụ 7.4 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 sơi sục trạng thái plasma Từ trung tâm đám khí xuất từ trường mạnh chưa Hà Nam Thanh - Laser triển vọng 29 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 điện tích sơi sục Theo giả thiết 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 môi trường gần giống nhân chúng thực nghiệm Nhóm nhà khoa học sử dụng hệ thống laser Phòng thí nghiệm Rutherford Appleton (Anh) bắn chùm tia laser với xạ cực đại 90.000 tỉ W/cm2 thời gian phần tỉ giây Dưới tác dụng chùm laser này, vật liệu bốc thành đám khí nóng gồm hạt điện tích Ở vùng trung tâm dày đặc đám khí xuất trường điện từ T=34000 Tesla, mạnh gấp tỉ lần từ trường Trái đất Trước chưa có nhóm khoa học làm kì tích Với kết này, nhà khoa học hy vọng tới tạo điều kiện giống hệt nơtron, nhằm kiểm nghiểm lý thuyết ngành vật lý thiên văn dạng thiên thể Tuy nhiên điều lại không dễ dàng chút nào, từ trường nơtron dự đoán mạnh tới tỉ Tesla 7.5 Giấc mơ ngược thời gian thành thực Khi bắt thời gian quay, ta trở khứ ! Đây viễn tưởng, chúng xây dựng tảng lý thuyết vững kiểm nghiệm khoa học GS Ronald Mallet, Đại học Connecticut, Mĩ Ông cho có khả 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 Hà Nam Thanh - Laser triển vọng 30 “năng lượng âm” lớn Ơng khơng theo quan điểm nhà logic học Kurt Goedel, người thuyết máy thời gian, cho hữu “vũ trụ quay” điều tất yếu Hoàn toàn theo cách ngược lại, Mallet dựa tảng vật lý vững 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 tỉ 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 tọa độ chiều, thời gian chiều thứ tư) có vùng trũng tương tự Cũng theo tính tốn lý thuyết “bằng cách đó”, thời gian bị làm trũng tới mức khơng cịn chạy thẳng mà chạy theo vịng trịn Hình 23: Tác dụng trường hấp dẫn lên vật thể xung quanh Trước 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 Mallet theo hướng khác Ơng nghiên cứu thuộc tính ánh sáng theo thuyết tương đối rộng thuyết lượng tử Theo ánh sáng thực khơng có khối lượng, bị bẻ Hà Nam Thanh - Laser triển vọng 31 cong qua trường hấp dẫn cực lớn khơng gian bị bẻ cong Năm trước, đăng tạp chí khoa học New Scientist, Mallett rằng, tia laser chuyển động đường tròn sản sinh trường xốy xung quanh Mới đây, ơng lại giả định trường xốy ánh sáng loại giãn nở dần không-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 Hình 24: Sự trơi bình thường thời gian Một vấn đề khó giải quyết, là: 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 giãm đòi hỏi lượng Theo định luật, ánh sáng chậm dần mức độ nhiễu loạn không-thời gian lớn, nhiễu loạn sinh lượng hỗ trợ cho việc bẻ cong thời gian Mallet muốn dùng máy thời gian laser “hãm” ánh sáng làm cho Hà Nam Thanh - Laser triển vọng 32 chuyển động chậm đến mức Cuối ơng làm điều kì diệu: hãm ánh sáng từ tốc độ 300 000km/s tới lúc dừng lại hồn tồn ! “Điều mở vùng trời mà chưa dám mơ tưởng đến”, Mallet nói Hình 25: Sự trơi thời gian theo vịng trịn Tuy nhiên, việc “hãm” tốc độ ánh sáng thực mơi trường có nhiệt độ gần sát với độ khơng tuyệt đối (−2730 C) Chính thế, thử nghiệm chế tạo máy thời gian Mallet 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, Mallet tiến hành thực nghiệm nhỏ bước thứ đo tác động vòng quay laser vào nguyên tử đơn) Hà Nam Thanh - Laser triển vọng 33 KẾT LUẬN Sự phát triển nhanh chóng vượt bậc laser đến người công nhận, ứng dụng thực tiễn nghiên cứu khoa học hữu dụng laser chứng tỏ điều Tiểu luận phần nêu lên ứng dụng đời sống nhiều ứng dụng quan trọng nghiên cứu khoa học nhiều lĩnh vực khác laser nhiều năm trở lại Tuy nhiên công nghệ laser khơng dừng lại đó, phát triển mạnh mẽ nhiều năm tới để đóng góp nhiều cho tiện ích sống người, góp phần chứng minh cho định luật vui thực tế nhà khoa học Morre: Sau năm, cơng nghệ tích hợp sản phẩm tăng gấp đôi giá thành giảm nửa Nhận biết tầm quan trọng LaTex nghiên cứu khoa học để phục vụ tốt cho việc hồn thành khóa luận tốt nghiệp, mạnh dạn ứng dụng LaTex để trình bày tiểu luận Đây chương trình phức tạp sinh viên khơng phải chun ngành tốn-tin, sau thời gian nghiên cứu sử dụng, đạt số kết bước đầu với chương trình này, tiểu luận thể phần điều Tri thức nhân loại ln rộng lớn ngày trình độ người cịn nhiều hạn chế Với thời gian lực thân có hạn, khn khổ tiểu luận tơi chưa thể trình bày hết nhiều khía cạnh khác laser, âu cánh cửa mở thúc dục sinh viên khóa sau tiếp tục tìm hiểu Mong tài liệu tham khảo hữu ích cho bạn sinh viên khóa sau đam mê tìm hiểu laser, mong bạn đóng góp ý kiến tiếp tục hoàn thiện đề tài Hà Nam Thanh - Laser triển vọng 34 TÀI LIỆU THAM KHẢO Hồ Quang Quí, Vũ Ngọc Sáu (2005), Laser có bước sóng thay đổi ứng dụng, NXB ĐHQG Hà Nội Trịnh Xuân Thuận, Phạm Văn Thiều, Ngô Vũ dịch (2008), Những đường ánh sáng, Tập 2, NXB Trẻ David Halliday (2007), Cơ sở vật lý, tập 6: Quang học Vật lý lượng tử, NXB Giáo dục Trần Đức Hân, Nguyễn Minh Hiển (2003), Cơ sở kĩ thuật laser, NXB Giáo dục http://meslab.org/mes/archive/index.php http://www.zewail.caltech.edu/nobel/index.html http://www.cct.nrcan.gc.ca ... 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 phát xạ ánh sáng Theo tiên đề Bohr, nguyên tử hay phân tử nằm trạng thái lượng. .. thường số nguyên tử hay phân tử mức lượng không thuận lợi cho việc phát xạ cưỡng Do nguyên tử có xu hướng tự chuyển xuống mức lượng thấp nên số nguyên tử hay phân tử mức giảm lượng tăng Dưới điều... nguyên tử chiếu vào Hà Nam Thanh - Laser triển vọng photon có lượng hiệu hai mức lượng mà chuyển trạng thái xảy tự phát, ngun tử bị cưỡng photon đến chuyển xuống mức lượng thấp mức khoảng lượng lượng