Chặng đường phát triển
của laser (laze) và những
ứng dụng quan trọng
Ngày nay Laser hiện diệnởnhiều nơi, nhưng khách quan mà nói, chúng
ta hiểu vềnó còn rất hạn chế. Laser phát triển mạnh vào những năm 1980,
thờiđiểm 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 thịtrường
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 kỹthêm: Laser là gì ? Laser xuất hiện nhưthếnào ? những chặng đường
phát triển của nó ? những tính chất gì của Laser đượcứng dụng vào trong
đời sống ?... Hy vọng bài viết này phần nào làm sáng tỏthêm những điềuđó.
Laser là khuếch đại ánh sáng bằng bức xạcưỡng bức; chữLaser là kết nối
bởi những chữ đầu tiên của cụm từnói trên bằng tiếng Anh (Light Amplification by
Stimulated Emisson of Radiation). Người ta nhớlại rằng, vào năm 1916, sau khi
được bầu vào Viên Hàn lâm Khoa họcĐức, A.Einstein bằng tưduy trừu tượng cao,
đã nêu thuyết: Nếu chiếu những nguyên tửbằng một làn sóng điện từ, sẽcó thể
xẩy ra một bức xạ “được kích hoạt” và trởthành một chùm tia hoàn toàn đơn sắc, ở
đó tất cảnhững photon (quang tử) phát ra sẽcó cùng một bước sóng. Đó là một ý
tưởng khoa học. Nhưng chưa có ai chứng minh nên lý thuyếtđó gần nhưbịlãng
quên trong nhiều năm.
Mãi tới năm 1951giáo sưCharles Townes thuộc trường Đại học Columbia của
thành phốNew York (Mỹ) mới chú ý đến sựkhuếch đại của sóng cực ngắn (vi
sóng). Ông thực hiện một thí nghiệm mang tên Maser (maze) là khuếch đại vi sóng
bằng bức xạcảmứng, (chữMaser cũng là chữ đầu của nghĩađó 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, ởmột 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 nhưcùng một dạng
nguyên lý. Vì thếcảba nhà khoa học nói trên đềuđược 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 sựtiếc nuối thốt lên từC. Townes. Bởi sau thành công này ông
được cấp trên giao cho trọng trách mới. Thực ra nhà khoa học Anthus Schawlow
(là em rểcủa 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 bốphần lý thuyếtđó 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 nămđi sâu thêm, mởrộng thêm và
trởthành ngườiđầu tiên tìm ra tia Laser mà nguyên lý cơbản của nó có thểtóm
tắt nhưsau:
Laze của Maiman phát sinh ra nhờmáy phát (xem hình 1) bao gồm: hộp cộng
hưởng quang học trong đó chứađựng: gương M1 và gương M2 đặt song song và
đối diện nhau, riêng M2 là loại gương bán mạ(ởmức 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 hoạtđộng
đặc biệt còn gọi là môi trường Laze: tạiđây, một phảnứng hoá học, ion hoá trong
hoạt chấtđược “bơm” lên một mức năng lượng kích thích E1 sau đó nó tựphát rời
xuống mức nửa bền E2 ởdưới. Khi cảmứng từmức nửa bền chuyển dời vềtrạng
thái ởmức năng lượng thấp hơn Eo sẽphát ra phần tửánh sáng gọi là Photon
(quang tử). Những phần tửnày phản xạqua lại nhiều lần giữa hai gương M1 và M2.
Quá trình đậpđiđập lại làm chúng va đập phải các nguyên tửkhác và các nguyên
tửnày cũng bịkích hoạtđể 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 bềmặt tráng bán
mạcủa gương M2 ra ngoài, trởthành tia có độ định hướng cao và có mậtđộ quang
năng lớn.
Ngày 16/5/1960 là ngày đáng nhớ, bởi ngày này, T. Maiman chính thức tạo ra
Laser từthểrắn hồng ngọc. Tia sáng do ông tìm ra là luồng ánh sáng rất tập trung
và có độ hội tụlớn, hoàn toàn thẳng, rõ nét, thuần khiết, mầuđỏ lộng lẫy và bềdài
bước sóng đođược là 0,694 micromet. Nhưvậy là giảthuyết mà Einstein nêu ra
cách ngày ấy 54 nămđã được chứng minh.
Những năm tiếp theo, các nhà khoa học khắp nơiđã nối dài thành quảlaze ra
thành nhiều loại, bằng cách: đưa vào thanh hoạt chất thểkhí (ví nhưcarbonic CO2
hoặc He , Ne , Ar ...) ta có tia laze từthểkhí; đưa vào đó arseniure (từgallium) thì
có tia laze từbán dẫn; đưa vào đó dung dịch các chất nhuộm mầu hữu cơthì cho ta
laze lỏng; sửdụng oxy-iot vạn năng ta có laze hoá học; rồi laze rắn v..v.. Điều kỳ
diệu là tuỳtheo hoạt chất mà tạo ra những mầu sắc khác nhau làm cho tia laze trở
nên lung linh huyềnảo. Ví nhưtia laze từHelium-neon cho mầuđỏ; 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 nhưCông
ty Điện tửPioneer đã tăng hoặc giảm tần sốphát phổsáng của loại laze thểrắnđể
tìm ra chùm tia xanh mà khách hàng ưa thích, (thao tác cân chỉnh này giống như
dò giải tần sóng âm thanh để bắtđược tín hiệu rõ nhất). Kểtừ đó, laze có những
bước phát triển vượt bậc. Người ta nhanh chóng phát minh ra laze từexcimere, nó
xuất hiện trong tia tửngoại và làm ra laze phát đi trong tia hồng ngoại mà mắt
thường không thểthấyđược. Đây là một thứrất lợi hại, được các nhà quân sựtận
dụng triệtđể. Người ta dự đoán, cùng với bán dẫn, laze sẽlà một trong những lĩnh
vực khoa học và công nghệquan trọng vào bậc nhất của thếkỷXXI; Những ứng
dụng dướiđây của laze cho chúng ta thấy tiềm năng to lớnđó:
1/- ứng dụng laze vào trong công nghiệp:
Các nhà công nghiệpđánh giá rất cao tính chất hội tụcùng mậtđộ quang năng lớn
của tia laze (độ hội tụ ấy lên tới hàng triệu Watt trên một cm2) vớiđộ chính xác
đáng nểcủa nó. Nhưng năng lực thấu của laze phụthuộc vào môi trường sửdụng.
Môi trường cung cấp cao khoảng 20 kW hoặc hơn thì có thểsửdụng trong công
nghiệp. Với môi trường công nghiệp thì laze khí từCO2 hoặc từargon là sửdụng
thích hợp nhất. Người ta có thểthiết kếlên những cỗmáy tự động sửdụng laze
công suất mạnh, kết nối với máy tính để điều khiển dùng trong các nhà máy cơkhí
chính xác. Những tia laze mầu xanh có thểtrởthành những giao tiện sắc bén, tiện
được, cắt, gọtđược, qua đó gia công được những chi tiết máy phức tạp, hoặc
những chi tiết máy siêu nhỏ. Tia laze cũng có thểlàm nên những “mũi giao khắc”,
có thểkhắc hoặc khoét đủ hình dáng lên ống thép của các nhà máy hoá chất, hoặc
bồn chứa, ống dẫn dầu-khí, hoặcđể cưa cắt mhững tấm thép hợp kim rất dầy (tới
20 mm) phục vụcông nghệ đóng tầu biển. Ngoài ra để phá những tầuđã 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. Hoặcđể chạm khắc lên những vật liệu khác
nhưgiấy carton, nhựa, gỗ... laze cũng áp dụng để hàn đủ thứkim loại (từkim loại
mềmđến kim loại cứng nhất mà ta có thểgặp).
*Để phục vụcho công nghiệp và nghiên cứu khoa học, người Nga đã sớm xây dựng
máy phát laze ởvùng ngoại ô Matxcơva với công suất bướcđầu là 1 MW. Đươc biết,
để khởiđộng cho máy phát này, người ta phải cắtđiện trong một phạm vi rộng lớn
quanh vùng. Nhưng ngườiĐức lại có cách nhìn thực tếvà thực dụng hơn, họsớm
thiết lập nhiều công ty cung cấp công nghệlaze, nhờ đó chiếmđến 40% thịphần
mặt hàng này trên thịtrường thếgiới, hàng năm sản xuất ra tới 600 máy laze đáp
ứng mọi nhu cầu của nền công nghiệp của nước mình và theo đơnđặt hàng của
nhiều nước. Đặc biệt, có các máy gia công sửdụng công nghệlaze thích hợp cho
những doanh nghiệp vừa và nhỏ. Những hãng ôtô nổi tiếng nhưBMW hoặc
Peugeot dùng laze vào các rôbốtđể đảm trách các công đoạn: lắp ráp, hàn,
sơn...những thao tác của rôbốt trởnên cực kỳchính xác, nhanh và tiện lợi .
Để phục vụcho các công trình công nghiệp nhưnhà máy điện, những khu vực nhậy
cảm, những hệthống viễn thông, người Pháp đã thiết lập hệthống thu lôi bằng laze
tại Saint Privat – d’Allier. Đó là vùng thường xẩy ra dông – sét vềmùa hè. Hệthống
này hợp thành “hàng rào” bảo vệ. Những chùm tia laze được chiếu thẳng vào lúc
khởiđầu tia chớp có tác dụng nhưmộtống máng để dồn sét vào nơi ngườiđịnh
sẵn.
* Trong lĩnh vực công nghiệp nhẹ, thương mại và viễn thông, laze đượcứng dụng
vào các công đoạn cắt vảiđạtđộ chính xác cao, rà soát mã sốsản phẩm công
nghiệp, báo giá các mặt hàng cho người thu ngân lưu giữvào 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 nghiệpđiện tử, hay vẽ đường nét (theo thiết kế) lên những vi
mạch... laze cũng được dùng rộng rãi trong ngành viễn thông ví nhưngười Pháp và
Mỹ đã lập mạng liên lạcđường dài với nhau từnăm 1988, bằng hệthống liên lạc
hồng ngoại laze nhờsợi cáp quang dài chừng 150 ngàn km vượt qua biểnĐại Tây
Dương. Nhưvậy, tia laze đã được thu vào một sợi cáp quang rất mảnh (nhỏhơn
sợi tóc) và đượcđiều khiển bởi một hệthống phức tạp. Loại dây dẫn này có khả
năng chứa nhiều thông tin hơn các loại dây dẫn khác nhiều lần. Chỉkhoảng 4 sợi
lắp trong hệthống xuyên đại dương có thểchuyển 40 ngàn cuộc nói chuyện cùng