Chặng đường phát triển của laser (laze) và những ứng dụng quan trọng

Chia sẻ: Trần Lê Kim Yến | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:9

Thêm vào BST

Báo xấu

98
lượt xem 9
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tham khảo tài liệu 'chặng đường phát triển của laser (laze) và những ứng dụng quan trọng', tài liệu phổ thông, vật lý phục vụ nhu cầu học tập, nghiên cứu và làm việc hiệu quả

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Chặng đường phát triển của laser (laze) và những ứng dụng quan trọng

Chặng đường phát triển của laser (laze) và những ứng dụng quan trọng Ngày nay Laser hiện diện ở nhiều nơi, nhưng khách quan mà nói, chúng ta hiểu về nó còn rất hạn chế. Laser phát triển mạnh vào những năm 1980, thời điểm này nước ta mới vượt ra khỏi cuộc chiến tranh nên điều kiện tiếp cận với Laser còn chưa nhiều, mặt khác sản phẩm của nó bán trên thị trường quá đắt so với túi tiền khi đó của chúng ta. Nhưng Laser phát triển rất nhanh, nó đã xâm nhập vào nhiều ngõ ngách của cuộc sống, vây nên chăng hãy tìm hiểu kỹ thêm: Laser là gì ? Laser xuất hiện như thế nào ? những chặng đường phát triển của nó ? những tính chất gì của Laser được ứng dụng vào trong đời sống ?... Hy vọng bài viết này phần nào làm sáng tỏ thêm những điều đó. Laser là khuếch đại ánh sáng bằng bức xạ cưỡng bức; chữ Laser là kết nối bởi những chữ đầu tiên của cụm từ nói trên bằng tiếng Anh (Light Amplification by Stimulated Emisson of Radiation). Người ta nhớ lại rằng, vào năm 1916, sau khi
được bầu vào Viên Hàn lâm Khoa học Đức, A.Einstein bằng tư duy trừu tượng cao, đã nêu thuyết: Nếu chiếu những nguyên tử bằng một làn sóng điện từ, sẽ có thể xẩy ra một bức xạ “được kích hoạt” và trở thành một chùm tia hoàn toàn đơn sắc, ở đó tất cả những photon (quang tử) phát ra sẽ có cùng một bước sóng. Đó là một ý tưởng khoa học. Nhưng chưa có ai chứng minh nên lý thuyết đó gần như bị lãng quên trong nhiều năm. Mãi tới năm 1951giáo sư Charles Townes thuộc trường Đại học Columbia của thành phố New York (Mỹ) mới chú ý đến sự khuếch đại của sóng cực ngắn (vi sóng). Ông thực hiện một thí nghiệm mang tên Maser (maze) là khuếch đại vi sóng bằng bức xạ cảm ứng, (chữ Maser cũng là chữ đầu của nghĩa đó bằng tiếng Anh: Microwave Amplification by Stimulated Emisson of radiation). Ông đã thành công, tuy phải chi phí khá tốn kém để nghiên cứu trong phòng thí nghiệm. Cũng vào thời gian này, ở một phương trời khác, hai nhà khoa học Xô Viết là N. Batsov và A. Prokhorov cũng phát minh ra máy khếch đại vi sóng và gần như cùng một dạng nguyên lý. Vì thế cả ba nhà khoa học nói trên đều được nhận giải Nobel vật lý vào năm 1964. Đạt tới việc khuếch đại các sóng cực ngắn rồi mà sao không dấn thêm vào các sóng phát sáng ?, đó là sự tiếc nuối thốt lên từ C. Townes. Bởi sau thành công này ông được cấp trên giao cho trọng trách mới. Thực ra nhà khoa học Anthus Schawlow (là em rể của Townes) đã có nhiều công suy nghĩ để biến Maze thành laze, nhưng mới trong phạm vi lý thuyết và tháng 8/1958 ông công bố phần lý thuyết đó trên tạp chí “Physical Review” rồi cũng dừng lại; để cho Theodora Maiman phát triển thêm lên. Theodora Maiman, là nhà khoa học của phòng thí nghiệm Hughes tại Malibu, bang California. Dựa vào lý thuyết và nền tảng thực nghiệm của Townes và Schawlow đã công bố, T. Maiman dành hơn hai năm đi sâu thêm, mở rộng thêm và trở thành người đầu tiên tìm ra tia Laser mà nguyên lý cơ bản của nó có thể tóm tắt như sau: Laze của Maiman phát sinh ra nhờ máy phát (xem hình 1) bao gồm: hộp cộng
hưởng quang học trong đó chứa đựng: gương M1 và gương M2 đặt song song và đối diện nhau, riêng M2 là loại gương bán mạ (ở mức bán trong suốt). Khoảng giữa của hai gương là thanh hoạt chất H, Maiman đặt vào đó vật chất rắn là hồng ngọc, rồi chiếu lên đó chùm ánh sáng R mạnh; nhờ đó nó tạo ra môi trường hoạt động đặc biệt còn gọi là môi trường Laze: tại đây, một phản ứng hoá học, ion hoá trong hoạt chất được “bơm” lên một mức năng lượng kích thích E1 sau đó nó tự phát rời xuống mức nửa bền E2 ở dưới. Khi cảm ứng từ mức nửa bền chuyển dời về trạng thái ở mức năng lượng thấp hơn Eo sẽ phát ra phần tử ánh sáng gọi là Photon (quang tử). Những phần tử này phản xạ qua lại nhiều lần giữa hai gương M1 và M2. Quá trình đập đi đập lại làm chúng va đập phải các nguyên tử khác và các nguyên tử này cũng bị kích hoạt để phát ra photon khác. Theo cách thức này, ngày càng có nhiều photon kết hợp lại với nhau thành một chùm tia gọi là tia Laze, nó ngày càng mạnh và đến một giới hạn nào đó, chùm tia ánh sáng xuyên qua bề mặt tráng bán mạ của gương M2 ra ngoài, trở thành tia có độ định hướng cao và có mật độ quang năng lớn. Ngày 16/5/1960 là ngày đáng nhớ, bởi ngày này, T. Maiman chính thức tạo ra Laser từ thể rắn hồng ngọc. Tia sáng do ông tìm ra là luồng ánh sáng rất tập trung và có độ hội tụ lớn, hoàn toàn thẳng, rõ nét, thuần khiết, mầu đỏ lộng lẫy và bề dài bước sóng đo được là 0,694 micromet. Như vậy là giả thuyết mà Einstein nêu ra cách ngày ấy 54 năm đã được chứng minh. Những năm tiếp theo, các nhà khoa học khắp nơi đã nối dài thành quả laze ra thành nhiều loại, bằng cách: đưa vào thanh hoạt chất thể khí (ví như carbonic CO2 hoặc He , Ne , Ar ...) ta có tia laze từ thể khí; đưa vào đó arseniure (từ gallium) thì có tia laze từ bán dẫn; đưa vào đó dung dịch các chất nhuộm mầu hữu cơ thì cho ta laze lỏng; sử dụng oxy-iot vạn năng ta có laze hoá học; rồi laze rắn v..v.. Điều kỳ diệu là tuỳ theo hoạt chất mà tạo ra những mầu sắc khác nhau làm cho tia laze trở nên lung linh huyền ảo. Ví như tia laze từ Helium-neon cho mầu đỏ; tia laze của argon cho ta mầu xanh đậm và xanh lá cây.
Muốn có mầu sắc của tia laze thích hợp, nhà sản xuất phải cân chỉnh. Ví như Công ty Điện tử Pioneer đã tăng hoặc giảm tần số phát phổ sáng của loại laze thể rắn để tìm ra chùm tia xanh mà khách hàng ưa thích, (thao tác cân chỉnh này giống như dò giải tần sóng âm thanh để bắt được tín hiệu rõ nhất). Kể từ đó, laze có những bước phát triển vượt bậc. Người ta nhanh chóng phát minh ra laze từ excimere, nó xuất hiện trong tia tử ngoại và làm ra laze phát đi trong tia hồng ngoại mà mắt thường không thể thấy được. Đây là một thứ rất lợi hại, được các nhà quân sự tận dụng triệt để. Người ta dự đoán, cùng với bán dẫn, laze sẽ là một trong những lĩnh vực khoa học và công nghệ quan trọng vào bậc nhất của thế kỷ XXI; Những ứng dụng dưới đây của laze cho chúng ta thấy tiềm năng to lớn đó: 1/- ứng dụng laze vào trong công nghiệp: Các nhà công nghiệp đánh giá rất cao tính chất hội tụ cùng mật độ quang năng lớn của tia laze (độ hội tụ ấy lên tới hàng triệu Watt trên một cm2) với độ chính xác đáng nể của nó. Nhưng năng lực thấu của laze phụ thuộc vào môi trường sử dụng. Môi trường cung cấp cao khoảng 20 kW hoặc hơn thì có thể sử dụng trong công nghiệp. Với môi trường công nghiệp thì laze khí từ CO2 hoặc từ argon là sử dụng thích hợp nhất. Người ta có thể thiết kế lên những cỗ máy tự động sử dụng laze công suất mạnh, kết nối với máy tính để điều khiển dùng trong các nhà máy cơ khí chính xác. Những tia laze mầu xanh có thể trở thành những giao tiện sắc bén, tiện được, cắt, gọt được, qua đó gia công được những chi tiết máy phức tạp, hoặc những chi tiết máy siêu nhỏ. Tia laze cũng có thể làm nên những “mũi giao khắc”, có thể khắc hoặc khoét đủ hình dáng lên ống thép của các nhà máy hoá chất, hoặc bồn chứa, ống dẫn dầu-khí, hoặc để cưa cắt mhững tấm thép hợp kim rất dầy (tới 20 mm) phục vụ công nghệ đóng tầu biển. Ngoài ra để phá những tầu đã quá niên hạn, hoặc xe quân sự đã thanh lý đưa vào lò luyện thép, phải dùng laze hoá học công suất tới 100 kW thì mới làm nổi. Hoặc để chạm khắc lên những vật liệu khác như giấy carton, nhựa, gỗ... laze cũng áp dụng để hàn đủ thứ kim loại (từ kim loại mềm đến kim loại cứng nhất mà ta có thể gặp).
* Để phục vụ cho công nghiệp và nghiên cứu khoa học, người Nga đã sớm xây dựng máy phát laze ở vùng ngoại ô Matxcơva với công suất bước đầu là 1 MW. Đươc biết, để khởi động cho máy phát này, người ta phải cắt điện trong một phạm vi rộng lớn quanh vùng. Nhưng người Đức lại có cách nhìn thực tế và thực dụng hơn, họ sớm thiết lập nhiều công ty cung cấp công nghệ laze, nhờ đó chiếm đến 40% thị phần mặt hàng này trên thị trường thế giới, hàng năm sản xuất ra tới 600 máy laze đáp ứng mọi nhu cầu của nền công nghiệp của nước mình và theo đơn đặt hàng của nhiều nước. Đặc biệt, có các máy gia công sử dụng công nghệ laze thích hợp cho những doanh nghiệp vừa và nhỏ. Những hãng ôtô nổi tiếng như BMW hoặc Peugeot dùng laze vào các rôbốt để đảm trách các công đoạn: lắp ráp, hàn, sơn...những thao tác của rôbốt trở nên cực kỳ chính xác, nhanh và tiện lợi . Để phục vụ cho các công trình công nghiệp như nhà máy điện, những khu vực nhậy cảm, những hệ thống viễn thông, người Pháp đã thiết lập hệ thống thu lôi bằng laze tại Saint Privat – d’Allier. Đó là vùng thường xẩy ra dông – sét về mùa hè. Hệ thống này hợp thành “hàng rào” bảo vệ. Những chùm tia laze được chiếu thẳng vào lúc khởi đầu tia chớp có tác dụng như một ống máng để dồn sét vào nơi người định sẵn. * Trong lĩnh vực công nghiệp nhẹ, thương mại và viễn thông, laze được ứng dụng vào các công đoạn cắt vải đạt độ chính xác cao, rà soát mã số sản phẩm công nghiệp, báo giá các mặt hàng cho người thu ngân lưu giữ vào máy, để phát hiện tiền giả, để in bao bì sản phảm có độ nét cao, để đánh dấu những sợi cable nhỏ nhất trong công nghiệp điện tử, hay vẽ đường nét (theo thiết kế) lên những vi mạch... laze cũng được dùng rộng rãi trong ngành viễn thông ví như người Pháp và Mỹ đã lập mạng liên lạc đường dài với nhau từ năm 1988, bằng hệ thống liên lạc hồng ngoại laze nhờ sợi cáp quang dài chừng 150 ngàn km vượt qua biển Đại Tây Dương. Như vậy, tia laze đã được thu vào một sợi cáp quang rất mảnh (nh ỏ hơn sợi tóc) và được điều khi ển bởi một hệ thống phức tạp. Loại dây dẫn này có khả năng chứa nhiều thông tin hơn các loại dây dẫn khác nhiều lần. Chỉ khoảng 4 sợi lắp trong hệ thống xuyên đại dương có thể chuyển 40 ngàn cuộc nói chuyện cùng
một lúc. (Để đối chiếu, ta hãy nhớ lại rằng, hệ thống cáp xuyên Thái Bình Dương làm năm 1957 bằng dây đồng chỉ chuyển được 90 cuộc điện đàm cùng một lúc). Việt Nam cũng đã tham gia vào hệ thống cáp quang hiện đại này (trong chương trình Sea-Me-Wez gồm 32 nước tham gia). Hệ thống này, ngoài việc phục vụ điện tín, fax, điện thoại...nó còn hỗ trợ đắc lực cho hệ thống Internet trên toàn cầu. 2/- Laze phục vụ sức khoẻ và cuôc sống văn hoá, tinh thần cho con người: Người ta có thể sử dụng các nguồn laze với công suất khác nhau, vì rất thuận tiện trong việc sử dụng vào nhiều lĩnh vực khác nhau của cuộc sống. Ví như Trong y học, người ta sớm dùng laze như một giao mổ, kết hợp với nội soi nên tăng thêm sự chính xác khi điều trị bằng phẫu thuật u bướu lành tính cũng như ác tính trong nội tạng của bệnh nhân. laze kết nối với máy tính có thể phẫu thuật mắt, hoặc phẫu thuật thần kinh, tai mũi họng, hoặc khai thông những mạch máu bị tắc chính xác và hiệu quả. Có thể dùng tia laze để đốt những vết sắc tố ngoài da, tẩy vết săm, hoặc tẩy mụn ... Trong văn hoá, nghệ thuật, thể thao, nhờ độ phân giải cao, laze đã nhanh chóng xâm nhập vào đĩa compact và vidéo. Trong trường hợp này người ta dùng nhiều đến laze xanh vì so với Laser đỏ thì laze xanh có thể đọc được nhiều tin hơn trên cùng một không gian ghi. Để chứa một cuốn phim vidéo thời lượng 2 giờ, nếu dùng laze xanh chỉ cần nén vào một đĩa CD là đủ, nhưng nếu dùng laze đỏ phải cần đến 3 đĩa CD mới chứa hết. Ngày nay trong các buổi trình diễn nghệ thuật, thể thao, trong công viên nước, trong vũ trường...không thể thiếu những ánh sáng kỳ diệu nhiều mầu sắc: xanh, đỏ, hồng, vàng, cam, tím...của laze (xem hình-2) v..v.. 3/- Laser dùng trong quân sự : Từ khi laze ra đời, một thế hệ vũ khí mới xuất hiện, chúng rất nguy hiểm cho loài người, chỉ với những gì đã biết dưới đây đã nói lên điều đó:
* Thời chiến tranh lạnh, người Nga đã có cơ sở nghiên cứu vũ khí laze rất sớm ở Smoliachkov (gần St. Petersburg), chính họ đã nêu lên nhiều ý tưởng vũ khí laze hiện đại. Nhưng từ 1990 trở lại đây, khả năng tài chính không cho phép, do vậy người Nga chỉ thực hiên được một phần tham vọng của mình. Mặt khác họ rất kín đáo về lĩnh vực laze trong quốc phòng. Người có công lớn trong lĩnh vực mới này là Viện sĩ Fedo Bunkin. Ông đã được nhà nước trao giải thưởng về những ứng dụng quan trọng này. * Còn người Mỹ, người Pháp đã và đang thành lập nhà máy laze siêu mạnh, để phục vụ cho công nghiệp, kỹ nghệ vũ trụ... Viện Nghiên cứu Lawrence Livermore National Laboratory ở California (Mỹ) đã lắp đặt một máy laze thuộc loại lớn nhất thế giới, siêu mạnh và siêu hiện đại trên diện tích rộng bằng 2 sân bóng đá, với giá 1,8 tỷ USD. Nhưng giới thạo tin thì cho rằng: nó để tạo thành nguồn điện như dòng điện xuất hiện trong quá trinh phản ứng nhiệt hạch trên mặt trời để từ đó quan sát quá trình phản ứng hạt nhân của hydro phục vụ việc chế tạo và hoàn thiện bom kinh phí có sức phá huỷ khủng khiếp. Cũng phải nói thêm rằng: Máy laze dù lớn hay bé, đều có chung một nguyên lý tạo thành giống nhau, chỉ khác ở kích cỡ, công suất năng lượng cho đầu vào và phải giải quyết khâu làm lạnh cho tất cả hệ thống, để làm lạnh, thường phải nhờ vào nitơ lỏng. Còn máy laze của người Pháp được đặt ở Bordeaux, chủ yếu dưới ngầm, được đầu tư 1,5 tỷ USD. Theo họ, đó là để kích thích quá trình gây nổ trong việc thử bom khinh khí. Công việc trên sẽ được hoàn thành vào năm 2005. Kể từ năm 1999, hãng Boeing của Mỹ đã sản xuất và đã thử nghiệm bước đầu loại máy bay có trang bị vũ khí laze. Trên đó có buồng chứa 6 máy laze hoá học và hệ thống ống tele đường kính 1,8m để hội tụ và hướng tia laze vào mục tiêu. Máy laze này được coi là một thứ súng, nhưng tính năng của súng này phụ thuộc vào khí quyển. Được biết, nếu súng này ở tầm cao 11 ngàn km (tức là nơi không còn khí quyển nữa) thì tầm hiệu dụng của súng là 300 km. Nếu vượt quá tầm này thì tia
laze không đủ sức làm nóng chảy kim loại, nghĩa là không sát thương được mục tiêu. * Súng Laser dùng cho bộ binh thường hướng vào: làm thế nào vô hiệu hoá được chiến binh của đối phương, cản trở sự triển khai vũ khí và phương tiện chiến tranh của đối phương. Ví dụ, ta biết rằng, hệ tiêu hoá của chúng ta luôn có tần số tự nhiên khoảng dưới 10 hertz. Do vậy vào những năm sau 1960, người Mỹ đã chế tạo ra “súng âm thanh trầm” có tần số tương ứng như vậy. Khi súng hướng vào bụng, dạ dầy của đối phương tạo ra sự cộng hưởng với biên độ tăng dần, làm cho đối phương buồn nôn kèm theo chóng mặt, hoa mắt mà không sao cưỡng lại được. Người trúng loại “đạn âm thanh” đó tức khắc bị loại ra khỏi cuộc chiến. Cũng như vậy, người ta đã dùng sóng radio xấp xỉ với sóng của não người để gây rối loạn đầu óc của đối phương. Những loại súng này thường gọn nhẹ (chỉ bằng cây bút chì). Có khi dùng tia laze làm mù mắt của đối phương ... Người ta dùng laze để chế tạo ra súng phun nhựa (lanceglu) phun vào đối phương, ngay tức khắc người bị dính nhựa không cựa quây được (giống như mạng nhện bao bọc lấy con ruồi), đến mức không thể sử dụng súng để chống trả được nữa, chỉ chờ được cứu, hoặc chờ bị bắt. Vẫn biết rằng, không thiếu gì dung môi hoà tan nhựa, nhưng hoà tan được nhựa thì cũng hoà tan cả tế bào da, nên lại bị bỏng nặng. Hoặc có khi bơm vào đối phương “những bọt dầu nhớt” như bọt xà phòng. làm đối phương không nghe thấy gì v.v.. * Ngoài ra, laze còn dùng để đo khoảng cách các mục tiêu quân sự , biết được thời gian đi và về của tia sáng ta dễ dàng tính ra được khoảng cách. Bằng cách này, các nhà khoa học đã dùng laze để đo khoảng cách từ trái đất tới mặt trăng một cách chính xác. Như trong cuộc chiến ở Irắc vừa qua, người Mỹ dùng laze để điều khiển các tên lửa và kích cho nó nổ khi đã đến mục tiêu v.v.. Qua đây ta thấy, laze dùng trong quân sự là khá nguy hiểm. Nếu những nghiên cứu của các nước giầu nêu trên thành công thì trở thành mối lo ngại cho loài người.
Cũng phải nói thêm rằng, kể từ năm 1997, Bộ quốc phòng Mỹ ngang nhiên xem xét đạo luật “coi khoảng không gian gần trái đất là vùng quyền lợi của nước Mỹ” (!) Một mặt, họ đẩy nhanh việc phóng vệ tinh lên đây và dự kiến đến 2010 sẽ có 1.700 vệ tinh trên đó là của người Mỹ. Mặt khác, họ tăng cường vũ khí laze ở trên vùng này để bảo vệ “quyền lợi” của họ... Vậy mà vũ khí laze vẫn không có một tổ chức nào, một cơ chế nào của cộng đồng quốc tế để kiểm soát chúng. Phải chăng đó là một tai hoạ khủng khiếp vẫn còn được che đậy?./.