Giai mã bí mật về ánh sáng

Ánh sáng và thị giác

• Hành trạng của các tia sáng

Léonard de Vinci (1452-1519) đã làm thí nghiệm buồng tối (được Alhazen miêu tả vào năm 1000): chọc một lỗ nhỏ vào tấm rèm phủ kín một buồng tối, lập tức các hình ảnh của thế giới được chiếu sáng từ bên ngoài sẽ hiện lên bức tường đối diện, nhưng lộn ngược. Theo Kepler (1571-1630), nếu mắt là một buồng tối và nếu các tia sáng đi vào mắt qua con ngươi có một kích thước nhất định, thì thế giới bên ngoài phải trình diện trước mắt ta một cỏch mờ nhũe, khụng rừ nột (cũng giống như trường hợp đường kớnh của hỡnh ảnh của Mặt Trăng chiếu qua một lỗ vào trong buồng tối lại luôn lớn hơn giá trị mong đợi, bởi kích thước hữu hạn của cái lỗ, làm cho ảnh bị nhòe). Kepler đã khẳng định một cách chính xác rằng tất cả các tia sáng đều đúng gúp cho thị giỏc và sở dĩ chỳng ta nhỡn thấy rừ nột cỏc hỡnh ảnh, chớnh là bởi vỡ tất cả các tia này đều bị lệch hướng và hội tụ vào một điểm duy nhất khi đi vào mắt người.

Thế kỷ 21 - Thế kỷ của phôtôn

• Những khả năng không giới hạn

Để đáp ứng được sự bùng phát thông tin thời đại ngày nay, những hệ thống truyền dẫn quang học tương lai sẽ có băng thông rộng gấp 1000 lần ngày nay và tất cả mọi người đều có thể tiếp cận với thông tin qua môi trường băng thông rộng một cách dễ dàng. Phương pháp truyền thông này đã tồn tại trong vài thế kỷ và sau đó con người đã cải tiến thành hệ thống mạng truyền thông phức tạp hơn với những trạm lặp xemapho (hệ thống truyền tín hiệu bằng cách đặt tay hoặc 2 lá cờ theo một vị trí xác định để biểu thị các con chữ và vần của chữ cái).Trong thời đại ngày nay, con người đã chuyển sang việc truyền dữ liệu bằng những hệ thống điện tử, giúp kết nối mọi người trên toàn thế giới. Tốc độ truyền dữ liệu trên internet tỉ lệ với sự phát triển của công nghệ lasers, sợi quang và kỹ thuật mã hoá quang.Cách đây gần 5 năm, kỹ thuật kết nối sợi quang đã đạt được trình độ rất cao giúp cho những hệ thống sợi quang có thể chịu đựng được trong những môi trường khắc nghiệt như trong xe hơi, dưới lòng biển và có thể dễ dàng sử dụng trong bất kỳ máy móc nào.

Tuy nhiên, công nghệ chiếu sáng bằng bán dẫn (SSL – solid-state lighting) như diode phát xạ ánh sáng mới thật sự tạo nên một cuộc cách mạng trong nền công nghiệp chiếu sáng và có tiềm năng rất lớn để thay thế các nguồn sáng truyền thống; giống như cách những vi mạch điện tử đã thay thế ống điện tử cách đây 50 năm. - Những dấu hiệu của tế bào ung thư có thể được nhận ra bởi các phương pháp quang học như phép chụp ảnh giao thoa (holography) hay phổ ký (spectroscopy)…Việc trị liệu bằng quang học đã dần thay thế phương pháp trị liệu bằng hóa chất. Hiện nay, laser công suất thấp được dùng để điều trị rất nhiều bệnh như viêm xoang, đau cột sống thóai hóa, phì đại tuyến tiền liệt lành tính, cắt cơn nghiện ma túy, di chứng bại não ở trẻ em, các bệnh phụ khoa…Ngoài ra, laser còn dùng để châm cứu thay thế việc châm cứu bằng kim gây đau và dễ mắc phải cảc bệnh truyền nhiễm.

Cùng với sự phát triển của thời đại internet, đã có những nổ lực để nâng cao tính bảo mật bằng cách mã hoá những thông điệp truyền trên mạng; tuy nhiên, những kỹ thuật mã hoá này vẫn có thể bị bẻ gãy với các máy tính siêu mạnh kết hợp với các phần mềm hỗ trợ. Dù doanh thu công khai của ngành này trên tòan thế giới chỉ mới vào khỏang 2-3 tỉ USD nhưng laser lại đóng vai trò then chốt, mang tính quyết định cho nhiều công nghệ quan trọng và những ngành tăng trưởng nhanh, đầy triển vọng như công nghệ thông tin, vi cơ khí và kỹ thuật đo. Thực tế, laser không chỉ là mối quan tâm riêng của các nhà khoa học và kỹ thuật mà con thu hút trí tưởng tượng của nhiều người, từ các nhà chính trị đến các nhà văn, nhà thơ, đạo diễn điện ảnh… Sức cuốn hút mạnh mẽ đó của laser có lẽ phải giải thích bởi vì nó là ánh sáng, mà ánh sáng lại quá ư quen thuộc và hữu ích trong cuộc sống thường nhật của chúng ta.

Động cơ cho thành công của laser không phải chỉ là một bước phát triển mới về mặt công nghệ, mà trước hết, đó là một ý tưởng về cơ bản hoàn toàn mới mà ta có thể tóm gọn là: con người đã “thuần hoá” được photon.

PIN MẶT TRỜI

Lớp này ngăn không cho electron khuếch tán từ n sang p và lổ trống khuếch tán từ p sang n.Vì vậy người ta gọi lớp tiếp xúc này là lớp chặn. -Khi chiếu ánh sáng có bước sóng ngắn hơn giới hạn quang điện vào lớp kim loại mỏng ở trên cùng thì ánh sáng sẽ đi xuyên qua lớp này vào lớp loại p, gây ra hiện tượng quang điện trong và giải phóng ra các cặp electron và lổ trống. Còn lổ trống bị giữ lại trong lớp p.Kết quả là điện cực kim loại mỏng ở trên sẽ nhiễm điện dương và trở thành điện cực dương của pin, còn đế kim loại ở dưới sẽ nhiễm điện âm và trở thành điện cực âm của pin.

Ánh sáng mặt trời cung cấp cho chúng ta khoảng 1 kilowatt/m2 ( Chính xác là 1,34 KW/m2:Đây chính là hằng số mặt trời) , tuy nhiên các hiệu suất chuyển thành điện năng của các pin mặt trời chỉ vào khoảng 8% đến 12%. Một nguyên nhân nữa cũng cản trở việc nâng cao hiệu suất của pin mặt trời, đó là cách chúng ta bố trí các tiếp xúc kim loại để lấy dòng điện. Ở mặt dưới của tấm pin hiển nhiên ta có thể cho tiếp xúc với 1 tấm kim loại nhưng ở mặt trên nó cần trong suốt để ánh sáng có thể đi qua.

Nếu chỉ bố trí các tiếp xúc ở mép tấm pin thì các điện tử phải di chuyển quá xa trong tinh thể Si mới vào được mạch điện (chú ý là bán dẫn Si dẫn điện kém, tức điện trở của nó lớn). Tuy nhiên kích thước lưới không thể giảm vô hạn nên cũng phần nào làm giảm hiệu suất chuyển năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện. Pin quang điện được ứng dụng trong các máy đo ánh sáng, vệ tinh nhân tạo, máy tính bỏ túi..Ngày nay, người ta đã chế tạo thử thành công ô tô và cà máy bay chạy bằng pin quang điên.

Giá thành và chi phí lắp đặt cao tạo ra sự hạn chế sử dụng ở quy mô lớn.Nên năng lượng mặt trời đóng góp một phần rất nhỏ trong sản xuất năng năng lượng thế giới.