tâm nghiên cứu laser thuộc trường Đại học Tổng hợp Nam California, Garmire tốt nghiệp khoa vật lí của Đại học Harvard năm 1961, bảo vệ luận án tiến sĩ ở Viện kĩ thuật Massachussette năm 1965 về quang học phi tuyến dưới sự hướng dẫn của nhà vật lí được giải thưởng Nobel C.H Townes. Bà là tác giả của hơn 160 bài báo và hơn 9 bằng sáng chế phát minh, là nhà nghiên cứu trong các lĩnh vực điện tử học lượng tử và các dụng cụ quang học tuyến tính và phi tuyến trong suốt 25 năm qua. Bà là thành viên của Viện hàn lâm kĩ thuật quốc gia, thành viên của Hội quang học Mĩ và là chủ tịch của Hội này từ năm 1993.
Laser – Chiến tranh giữa các vì sao – Những chiếc máy ánh sáng thần kì là những từ gợi lên bao niềm mơ tưởng cho trẻ em, cho các nhà khoa học cũng như các kĩ sư. Mấy năm sau khi phát minh ra laser năm 1958, laser còn được gọi là “giải pháp tìm kiếm bài toán”. Bây giờ sau 35 năm, laser thực sự giải quyết được nhiều bài toán. Trong tiểu luận này chúng tôi chỉ muốn trình bày một số ít trong hàng ngàn ứng dụng của laser.
Các laser bức xạ ánh sáng rất đặc biệt, đó là ánh sáng kết hợp (tiết 40-5). Ánh sáng do laser phát ra là một sóng điện từ có tần số và pha hoàn toàn xác định. Tính kết hợp ấy đạt được là do kết quả ở lối ra được chuẩn trực đơn sắc. Những ứng dụng của laser liên quan mật thiết đến tính chất kết hợp này.Thí dụ ánh sáng có số pha hoàn toàn xác định có thể chuẩn trực qua kính viễn vọng để áp dụng chẳng hạn trong việc quan sát và liểm tra hoặc có thể hội tụ lại trên một điểm khá nhỏ ở đó cường độ đạt được rất cao. Hơn nữa khả năng đo pha của ánh sáng cùng với cường độ có thể cung cấp thông tin mới. Phần lớn những ứng dụng mô tả trong tiểu luận này là sử dụng các đặc trưng này. Những ứng dụng có tính chất đặc thù phụ thuộc vào những đặc tính của laser được sử dụng mà ta sẽ mộ tả sơ lược ngay dưới đây.
Để phát ánh sáng kết hợp, một laser cần phải có một môi trường khếch đại và các gương để cung cấp năng lượng do phản xạ ngược lại (tiết 35-7). Bằng một mô tả một trong số rất nhiều laser đã được dùng rộng rãi hiện nay. Các chất khí, chất lỏng (các dung dịch thuốc nhuộm) ; tinh thể (YAG - grơnát ittri alumin), thủy tinh và chất bán dẫn GaAs đều có thể dùng trong laser. Ngay cả các excimer (các phân tử gồm khí hiếm và các halogen như ArF) và các khí ngoài vũ trụ cũng được chứng minh là thể hiện tính chất laser. Vùng bước sóng của laser kéo dài từ vùng cực tím xa ( <200 nm) đến vùng hồng ngoại xa (>200 mm). Các laser có thể hoạt động với lối ra là một bước sóng liên tục hay là một xung nhờ các kỹ thuật chuyển mạch như
“chuyển mạch Q” (QS), “khoá mod” (ML) hay “phóng điện bằng điện trường ngang trong khí quyển” (TEA). Công suất bức xạ của các laser rẻ tiền (như He - Ne, GaAs) là vài milioát mW, trong lúc đó công suất cực đại của các laser xung có th6ẻ đến hàng gigaóat GW. Các đặc tính khác như tính hiệu quả và bền vững có thể cũng là bền vững đối với một số ứng dụng cụ thể.
Để tạo khuyếch đại, có thể thực hiện kích thích bằng phóng điện (chất khí) tiêm dòng (chất bán dẫn), đèn xung (chất rắn), các laser khác (laser màu) hoặc các phản ứng hóa học. Các hình 1-4 cho thấy sơ đồ một số loại laser. Những đặc trưng của các laser rất khác nhau: giá từ vài đô la đến vài triệu đô la; công suất từ microoát mW đến gigaoát GW; kích thước từ vài phần mười milimét đến hàng chục mét; độ rộng vạch từ 10-1 đến 10-15; độ dài xung từ 10-14 giây đến liên tục.
Chỉ một số ít laser mới có thị trường buôn bán. Cho tới đây laser He-Ne còn là loại laser ờ vùng khả kiến rẻ tiền duy nhất. Bây giờ nó được thay bằng loại laser bán dẫn vùng khả kiến (hàng triệu cái đã được dùng trong các máy in laser). Sở dĩ như thế là vì laser bán dẫn nhỏ và rẻ tiền, có hiệu suất cao có thể biến điệu được, hàng triệu chiếc cũng đã được dùng trong các dàn CD và trong thông tin cáp quang. Laservùng hồng ngoại xa của khí CO2 là loại laser có hiệu suất cao hiệu quả nhất, nó được dùng để cắt và đốt nóng. Các laser Ar, excimer và Nd: YAG được dùng tong y tế.
Cắt, phẫu thuật và xử lý vật liệu
Sự kết hợp pha cho phép hội tụ ánh sáng laser thành một điểm nhỏ có đường kính khoảng bằng bước sóng (10-4 cm). Như vậy laser 1 oát có thể hội tự để có một cường độ 108 W/cm2. Khi còn là sinh viên cao học năm 1963, ngay sau khi phát minh ra laser hồng ngọc (công suất ở đỉnh là 108 oát (W)) được hội tụ để có cường độ ở đỉnh là 1016 W/cm2 có thể khoan những lổ trên các dao cạo râu và ion hóa không khí. Độ sáng rất cao (cường độ) của những laser này làm cho chúng trở nên nguy hiểm. Một laser He-Ne công suất 1 milioát chưa hội tụ đã có cường độ bằng độ sáng của Mặt Trời vào ngày nắng (0,1xW/cm2) và khá nguy hiểm khi nhìn thẳng vào chùm laser. Các tia laser có công suất mạnh hơn có thể gây ra những tổn thương rất nhanh. Bằng kinh nghiệm cay đắng tôi biết đích xác rằng một laser Argon 1 oát chưa hội tụ có cường độ 100xW/cm2 có thể làm cháy một lổ trên áo. Các sinh viên ở trung tâm nghiên cứu laser đều được yêu cầu phải tuân thủ những qui tắc về an toàn laser. Cường độ mạnh của tia laser có thể được ứng dụng trong một loạt những yêu cấu của y tế. Laser được dùng rộng rãi để hàn lại võng mạc bị bong ra trong mắt của bệnh nhân. Các nhà phẫu thuật rất chuộng laser để mổ vì rằng ánh sáng không những không làm nhiểm trùng vết thương mà còn chống cầm máu. Dùng một sợi quang để dẫn ánh sáng vảo trong dạ dày các thầy thuốc đốt các vết loét bằng laser.
Laser còn được dùng để tẩy các vết chàm cũng như các loại ung thư da. Như vậy rõ ràng là laser đã cứu nhiều sinh mạng.
Các laser CO2 đã được điều tiêu có thể được dùng để cung cấp nhiệt cho nhiều ứng dụng. Thí dụ như hàn quai vào nồi. Ở đây sự quan trọng của laser là ở chỗ đồng của nồi dẫn nhiệt tốt, để phân bố nhiệt một cách nhanh chóng và thức ăn chín đều trong đó thép không gỉ của quai lại có độ dẫn nhiệt kém. Cách hàn thông thường gặp khó khăn lớn khi hàn các kim loại có độ dẫn nhiệt khác nhau. Nhiệt độ cao của laser cho phép hàn trong một thời gian rất ngắn nên độ dẫn nhiệt khác nhau không còn tác dụng.
Các laser phối hợp với máy tính cho phép tự động hóa sản xuất, chẳng hạn cắt quần áo tự động. Kích thước quần áo được lập chương trình trong máy tính để điều khiển một gương di động tập trung những tia laser lên những lớp vải cần cắt. Laser có thể cung cấp nhiệt tại một điểm nhất định để xử lí các mặt như trong việc tôi một số bộ phận của trục cam ô tô. Nếu như toàn bộ trục cam được nung nóng để tôi thì không tránh khỏi làm trục sẽ hơi bị vênh làm mất chính xác. Ngược lại laser có thể tập trung nhiệt đúng trên các mặt cam cần tôi của trục cam nên có thể giữ được độ chính xác cao.
Chùm tia laser hội tụ khá chính xác tại một điểm nhỏ được dùng trong nhiều công việc sản xuất các màng mỏng bán dẫn. Sự cắt xén bằng laser các điện trở, loại bỏ những vật liệu thừa làm cho điện trở tăng. Một chíp các mạch tổ hợp cùng loại có thể được nối tiếp điểm kim loại bằng một chùm laser Nd : YAG.
CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA MỘT SỐ LASER TIÊU BIỂU MÔI TRƯỜNG KHẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT ĐỈNH DÀI ĐỘ XUNG BƯỚC SÓNG CÔNG DỤNG Khí Hene Argon CO2 CO2 TEA 1nW 10nW 210W 200W 5MW liên tục liên tục liên tục 20ns 633nm 633nm 488nm 10,6 m 10,6 m
Máy quét mã vạch dùng trong siêu thị
Tiêu khiển, y học Cắt và hàn Xử lí nhiệt Bán dẫn GaAs AIGaAs GalnAsP 5mW 50mW 20mW liên tục biến điệu biến điệu 840nm 760nm 1,3 m Đĩa Laser In Laser
Truyền tin sợi quang Chất rắn Hồng ngọc Nđ : YAG Nđ : YAG Nđ : YAG Nđ : thủy tinh 100mW 50W 50MW 2KW 100TW 10ns liên tục 20ns 60ps 11ps 694nm 1,06 m 1,06 m 1,06 m 1,06 m Ảnh toàn cảnh sống động Gia công bán dẫn Áp dụng trong y học Nghiên cứu xung ngắn Nấu chảy bằng Laser
Chất màu (thuốc nhuộm) Chất màu Chạy vòng Rh6G 100mW 10 10kW tiếp tục 10 10fs
Thay đổi được 600nm
Quang phổ
Nghiên cứu khoa học
Hoá học Hf 50mW 50ns 3 m Vũ khí Excimes ArF XeCL 10MW 50KW 20ns 10ns 193nm 375nm
Gia công vật liệu
Áp dụng trong y học Các hùm laser mạnh có thể hạ ngay cả tên lửa đã được Mĩ dự định nghiên cứu dưới tên gọi SDI (Sáng kiến phòng thủ chiến lược). Yêu cầu đặt ra của kế hoạch này là chế tạo những laser đặt trong các vệ tinh và hướng chúng rất chính xác để hạ tên lửa trước khi tên lửa bay đến đích. Ý tưởng này khá hấp dẫn vì ánh sáng chuyển động nhanh hơn tên lửa, tyu nhiên những thách thức về kĩ thuật làm cho chương trình này bị nhiềungười hoài nghi.
Photon học. Laser tác động mạnh đến công nghệ thông tin
Laser đã trở thành quan trọng trong thông tin liên lạc, lưu trữ, thu nhận và xử lí thông tin, đến nỗi có cả một tên mới cho loại công nghệ này – đó là phôtôn học (như điện tử học trước kia - ND). Ánh sáng laser có thể để truyền thông tin. Một ví dụ loại này là máy quét (scaner) laser trong các siêu thị. Trong máy này mã số vạch trên
nhận bằng một tín hiệu ánh sáng biến điệu thay đổi với thời gian theo hình của mã vạch. Máy thu biến đổi tín hiệu ánh sáng biến đổi tín hiệu ánh sáng thành một tín hiệu điện. Việc đọc thông tin bằng ánh sáng là một áp dụng quan trọng của laser. Thông tin gốc có thể được in ra, giống như mã số vạch của máy quét laser trong siêu thị, hoặc có thể khắc thành những lỗ nhỏ trên đĩa như đĩa laser.
Hệ thống điều khiển trong gia đình dùng các đĩa laser để cung cấp những tín hiệu số cho tiếng hay hình. Thông tin được lưu giữ trong các đĩa này bằng cách dùi một loạt các lỗ nhỏ trên bề mặt phản xạ bằng một chùm laser mạnh và được biến điệu. Đầu phát của một laser bán dẫn dọi ánh sáng lên đĩa, từ đấy ánh sáng phản xạ lên đến một máy thu, trừ trường hợp có một lỗ trên lớp phản xạ. Khi đĩa quay, hình ảnh các lỗ được chuyển động thành tín hiệu số chứa đựng thông tin âm thanh đã được mã hóa.
Từ lúc các chùm tia laser điều tiêu có thể cất giữ thông tin trong một vết sáng có kích thước cỡ bước sóng ánh sáng, việc lưu trữ thông tin cơ đọng (compact) trở thành khả thi bằng các bộ nhớ quang học. Trên thực tế một số quyển sách thông thường chứa khoảng 6 Mêgabít, trong một cái đĩa 12 inch về lí thuyết có thể chứa được nội dung của 10.000 quyển sách như thế. Đầu tiên là micorophim, sau là đĩa từ và đến bây giờ là đĩa quang đã thu gọn ghê gớm thể tích lưu trữ thông tin.
Thông tin cũng có thể đặt dấu ấn lên trên một chùm sáng bằng cách biến điệu ngay chính laser. Trong máy in laser của hệ máy tính người ta dùng một laser bán dẫn đã được biến điệu vế nguyên lí về in xêrô. Ánh sáng laser được hội tụ vả quét trên một khoảng trống bằng xêlen, ở đó cá điện tích được tạo thành do được chiều sáng. Các điện tích này có tác dụng giữ các hạt cacbon của mực in. Người ta lăn giấy in trên trống này. Dười tác dụng của nhiệt mực in dính lên giấy tao nên một bản in. Thách thức của ứng dụng này là phải tạo được một laser bán dẫn có công suất đủ lớn trong vùng ánh sáng đỏ, là vùng mà xêlen bắt nhạy. Các laser loại này hiện nay khá rẻ và có thể dùng làm những mũi dò để đọc thông tin.
Trong một hệ thông thông tin quang học, một laser đã biến điệu phát ra một chùm ánh sáng mang thông tin đến một máy thu có thể cách xa nhiều cây số. Trong một hệ quang sợi, lối ra của một laser bán dẫn được biến điện bằng cách thay đổi dòng điện nuôi và được hội tụ trong một sợi quang (xem tiểu luận 12). Để liên lạc đến vệ tinh hay ngược lại từ vệ tinh, các hệ thống quang học “đường ngắm” rất quan trọng. Trong áp dụng này người ta dùng một laser Nd : YAG cùng với một máy biến điệu bên ngoài cấu tạo bằng một thể LiNbO3 (Lithium niobate) hoạt động như một cửa trập máy ảnh. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Sự biến thiên bên ngoài với hiệu suất cao hơn có thể hoạt động nếu như ánh sáng được hạn chế trong những ống dẫn sóng quang học được gọi là quang học tổ hợp. Mơ ước cuối cùng của quang học tổ hợp là thay thế các hệ quang học rời rạc và phức tạp bằng một “chíp” bán dẫn duy nhất chứa đựng tất cả dụng cụ quang học cần thiết cho thế hệ ánh sáng như biến điệu, tổ hợp, xử lí và thu nhận. Chúng ta đang đứng ở ngưỡng cửa của sự phát triển của mạch quang học tổ hợp có thể cạnh tranh với mạch điện tử tổ hợp. Thuật ngữ “quang – điện tử” được dùng cho những mạch tổ hợp các thành phần điện tử và quang học trong cùng một “chíp”.
Tính kết hợp của laser làm cho chúng trở thành lí tưởng cho nhiều phép đo như phép đo giao thoa và quang phổ học.
Giám sát những chuyển động nhỏ của quả đất khi động đất có thể theo dõi được nhờ một giao thoa kế laser.
Rađa laser (liđar) cung cấp những số đo chính xác về các khoảng cách dến Mặt Trăng hoặc đến các vệ tinh. Người đầu tiên lên Mặt Trăng đã đặt ở đó một chiếc gương chế tạo đặc biệt để phản xạ ánh sáng ngược lại mà không phụ thuộc vào phương. Một chùm laser xung hồng ngọc đã được chuẩn trực nhờ một kính viễn vọng ở Texas và hướng lên chiếc gương đó trên Mặt Trăng, từ đó nó được phản xạ lại kính viễn vọng. Thời gian trễ của tín hiệu trở về xác định khoảng cách đến Mặt Trăng với một sai số cỡ 1 vài centimet.
Một trong những kĩ thuật độc đáo của laser đem đến cho khoa học đo lường là hôlô graphi (chụp ảnh nổi). Đo giao thoa giữa ánh sáng phản xạ từ một vật và một chùm tia, cường độ và pha tương đối cả hai đều được ghi lại cho phép tạo được hình ảnh ba chiều. Các quảng cáo nghệ thuật và thương mại như hình ảnh nổi của Trái Đất trên bìa tại chí National Geographic (Địa lí quốc gia) ra tháng 12 năm 1998, con dấu in trên thẻ tín dụng, đã cho phép nhiều người thường nhìn thấy được hình ảnh nổi.Trong khoa học và thuật hô – lô graphi đuợc dùng dể do những biến dạng của vật. Nếu chỉ cần vật di chuyển một phần của bước sóng là đủ dể phát hiện được bằng cách chụp ảnh nổi hai lần phơi sáng trước và sau khi di chuyển, kết quả thể hiện trên các dải vân giao thoa thu được trên ảnh.
Sự đơn sắc của tia laser dã cho phép làm một cuộc cách mạng trong quang phổ học nhằm do sự hấp thụ và bức xạ của ánh sáng trong các môi trường nguyên tử và phân tử. Bằng cách xác định cẩn thận những bước sóng đặc trưng bị hấp thụ hay bức xạ các nhà quang phổ có thể thu được những thông tin quan trọng về trang thái của các nguyên tử hay phân tử đã hấp thụ hay bức xạ ánh sáng. Quang phổ học rất cần thiết cho nhiều lĩnh vực khoa học như hóa học, vật lí, sinh học và thiên văn học. Những cuộc cách mạng thật sự về nhận thức do khả năng của tia laser mang lại đã làm hẹp độ rộng của các vạch khi đo đến thừa số 1010 !