Giải mã những bí ẩn về bản chất ánh sáng: Vận tốc, áp suất, và lý thuyết lượng tử

Áp suất ánh sáng

Khi một chùm tia sáng đập vào bề mặt S, các photon sẽ truyền cho mặt này một động lượng, nghĩa là sẽ tác dụng lên bề mặt đó một áp suất, tương tự như khi tác dụng một lực nén lên diện tích S. - Nếu bề mặt phản xạ một phần với hệ số phản chiếu là thì trong nC photon tới diện tích đơn vị S cónC(1−ζ) photon bị hấp thụ và nC ζ photon bị phản xạ trở lại.

Các lý thuyết về ánh sáng

Lý thuyết lượng tử của ánh sáng nói riêng và vật chất nói chung ra đời khi các thí nghiệm về bức xạ vật đen được giải thích bởi Max Planck và hiệu ứng quang điện được giải thích bởi Albert Einstein đều cần dùng đến giả thuyết rằng ánh sáng là dòng chuyển động của các hạt riêng lẻ, gọi là quang tử (photon). Vì tính chất hạt và tính chất sóng cùng được quan sát ở ánh sáng, và cho mọi vật chất nói chung, lý thuyết lượng tử đi đến kết luận về lưỡng tính sóng hạt của ánh sáng và vật chất; đúc kết ở công thức de Broglie, 1924, liên hệ giữa động lượng một hạt và bước sóng của nó.

Cuộc đấu tranh đưa đến kết luận bản chất

Khi tần số của ánh sáng tới lớn hơn một giá trị nào đó thì năng lượng của quang tử đủ lớn để đánh rời hạt điện tử đang liên kết với các nguyên tử trên bề mặt kim loại để chúng tự do bay từ mặt kim loại bên phải (được rọi sáng) qua mặt kim loại bên trái .Sự chuyển động của các hạt điện tử, theo định nghĩa, chính là dòng điện, gọi là quang điện. Trong khi phát triển thuyết lượng tử của ông, Einstein đề xuất về mặt toán học rằng các electron gắn liền với các nguyên tử trong kim loại có thể hấp thụ một số lượng ánh sáng nhất định (ban đầu đặt tên là lượng tử, nhưng về sau đổi tên là photon), và như thế nó có năng lượng để thoát ra ngoài.

Phân loại a. Laser chất rắn

• Hồng ngọc (Rubi): hoạt chất là tinh thể Alluminium có gắn những ion chrom, có bước sóng 694,3nm thuộc vùng đỏ của ánh sáng trắng. • He-Ne: hoạt chất là khí Heli và Neon, có bước sóng 632,8nm thuộc phổ ánh sáng đỏ trong vùng nhìn thấy, công suất nhỏ từ một đến vài chục mW. Là nguồn kích thích cho laser màu, đo độ ô nhiễm, nghiên cứu khoa học, Laser nitơ có khả năng hoạt động ở cường độ yếu.

• Độ định hướng cao: tia laser phát ra hầu như là chùm song song do đó khả năng chiếu xa hàng nghìn km mà không bị phân tán. • Tính kết hợp: trong trường hợp nguồn sáng laser, các photon phát ra đều đồng pha nên ánh sáng laser là một chùm ánh sáng kết hợp.Chính vì vậy, chùm tia laser có thể gây ra những tác dụng rất mạnh ( tổng hợp các dao động cùng pha ). • Có khả năng phát xung cực ngắn: cỡ mili giây (ms), nano giây, pico giây, cho phép tập trung năng lượng tia laser cực lớn trong thời gian cực ngắn.

Phân loại

• Multimode stepped index (chiết xuất bước): Lừi lớn (100 micron), cỏc tia tạo xung ỏnh sỏng cú thể đi theo nhiều đường khỏc nhau trong lừi: thẳng, zig-zag…. • Multimode graded index (chiết xuất liờn tục): Lừi cú chỉ số khỳc xạ giảm dần từ trong ra ngoài cladding (Vật chất quang bờn ngoài bao bọc lừi mà phản xạ ỏnh sỏng trở lại vào lừi).

Thế kỷ 21 - Thế kỷ của phôtôn

Lĩnh vực này có liên quan đến rất nhiều ngành khác đã có từ lâu như quang học, khoa học vật liệu, kỹ thuật điện tử, công nghệ nano, vật lý và hóa học. Trước đây, sự kết hợp giữa ánh sáng và điện tử đã tạo ra những điều kỳ diệu không ai có thể mơ tới cho đến khi Pierre Aigrain (một nhà khoa học người Pháp) đặt ra thuật ngữ “photonics” vào năm 1967. Cho đến đầu thế kỷ 21, các nhà khoa học và kỹ sư đang chuẩn bị làm chủ ánh sáng trên một phương diện mới, mang lại sự đột phá trong việc phát triển và tăng cường cạnh tranh về kinh tế.

Lịch sử đã cho chúng ta thấy rằng một nguyên lý kỹ thuật có tính đột phá có thể kích thích cuộc cách mạng công nghiệp trong những thập kỷ sau khi nó được khám phá ra. Transistor đã từng ngay lập tức đóng vai trò quan trọng trong việc khuếch đại tín hiệu điện khi nó được khám phá ra vào năm 1948 và không ai có thể tưởng tượng những sự. Vài năm sau, chính xác vào năm 1958, Laser đã được phát minh và tại thời điểm đó không ai có thể ngờ tới laser đã tạo ra cuộc cách mạng trong truyền thông, khoa học sự sống, sản xuất và giải trí như ngày nay….

Những khả năng không giới hạn

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.

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. 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.

PIN MẶT TRỜI

-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%.

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). 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.