Đề tài " Laser và triển vọng" doc

Hà Nam Thanh - Laser và triển vọng 1
MỞ ĐẦU
1. Lí do chọn đề tài
Thế kỉ XXI là thế kỉ của những công nghệ cao, công nghệ kĩ thuật
số, chúng ta không những quan tâm tới khả năng đáp ứng nhu cầu
công việc của các máy mà còn đánh giá cao sự gọn nhẹ của chúng.
Muốn vậy phải có những công nghệ rất tiên tiến mới đáp ứng được.
Các nhà khoa học đã công bố hai phát kiến quan trọng có tầm ảnh
hưởng rất lớn đến nền công nghệ ngày nay:
Thứ nhất, sự ra đời của Transitor đã kích thích sự phát triển của
vi điện tử, công nghệ “vi mô”.
Thứ hai, quan trọng hơn là sự phát minh ra laser, mở ra một con
đường mới cho các nhà phát minh, sáng chế. Laser có tầm ảnh hưởng
sâu rộng đến tất cả các lĩnh vực của đời sống.
Laser, có thể rất gần gũi với tất cả mọi người. Hầu hết chúng ta
đều nghe nhắc đến cụm từ này một vài lần. Ngày nay laser hiện diện
ở nhiều nơi, nhưng những thông tin đại chúng về nó thì vẫn còn rất
hạn chế. Laser phát triển mạnh vào những năm 80 của thế kỉ XX, thời
điểm này nước ta vừa vực dậy sau cuộc chiến tranh nên điều kiện tiếp
cận với thành quả khoa học hiện đại này vẫn còn rất hạn chế, mặt
khác giá thành của nó cũng không hề nhỏ. Nhưng laser phát triển rất
nhanh, nó đã xâm nhập rất nhiều vào cuộc sống, vậy nên chăng hãy
tìm hiều kĩ hơn về nó: laser là gì? laser xuất hiện như thế nào? những
chặng đường phát triển của nó? những tính chất gì của nó đã được
ứng dụng vào trong đời sống? Chắc hẳn đó là những câu hỏi đã có
từ rất lâu, và mỗi người trong chúng ta, những người đang từng ngày
chứng kiến sự bùng nổ của công nghệ, kĩ thuật, phải ít nhất tự hỏi
mình như vậy. Với mong muốn trả lời những câu hỏi đó, tôi đã chọn
đề tài: “Laser và triển vọng” để tìm hiều và nghiên cứu trong tiểu
luận này.
Hà Nam Thanh - Laser và triển vọng 2

2. Nội dung nghiên cứu
Đề tài nghiên cứu đến những kiến thức cơ bản của laser ở các
phương diện: Lịch sử ra đời của laser, Nguyên tắc cấu tạo, Các tính
chất và Phân loại laser; tìm hiểu những ứng dụng cơ bản và quan
trọng của laser trong Y học, Công nghiệp và Khoa học, đặc biệt mở
ra những triển vọng phát triển của laser trong tương lai.
3. Phương pháp nghiên cứu
• Tổng hợp và phân tích tài liệu.
• So sánh và khái quát hóa.
4. Giới hạn đề tài
Đề tài chỉ tập trung nghiên cứu những vấn đề cơ bản của laser
và những ứng dụng cơ bản và quan trọng của laser, không đi sâu vào
kiến thức chuyên ngành.
Hà Nam Thanh - Laser và triển vọng 3
NỘI DUNG
1 Lịch sử ra đời và sự phát triển của laser
Laser là từ viết tắt của cụm từ: Light Amplification by Stimulated
Emisson of Radiation, nghĩa là khuyếch đại ánh sáng bằng bức xạ cưỡng
bức. Người ta nhớ lại rằng vào năm 1916, sau khi được bầu vào Viện Hàn
lâm Khoa học Đức, Enstein bằng tư duy trừu tượng cao, đã nêu thuyết:
“Nếu chiếu những nguyên tử bằng một làn sóng điện từ, sẽ có thể xảy 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 được ai chứng minh nên nó nhanh
chóng lãng quên trong nhiều năm.
Mãi đến năm 1951, Giáo sư Charles Townes thuộc trường đại học
Columbia của thành phố New York (Mỹ) mới chú ý đến sự khuyếch đại
của sóng cực ngắn (vi sóng). Ông thực hiện một thí nghiệm mang tên Maser
(maze) là khuyếch đại vi sóng bằng bức xạ cảm ứng (chữ Maser cũng là
từ viết tắt của cụm từ 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 Nikolay Gennadiyevich Basov và Aleksandr
Mikhailovich Prokhorov cũng phát minh ra máy khuyếch đại vi sóng và
gần như cùng một dạng nguyên lý: tạo ra hệ thống phóng tia liên tục bằng
cách dùng nhiều hơn 2 mức năng lượng, hệ thống đó có thể phóng ra tia
liên tục mà không cho các hạt xuống mức năng lượng bình thường, vì thế
vẫn giữ tần suất.
Cả ba nhà khoa học nói trên đều được giải Nobel vật lý năm 1964
về nền tảng cho lĩnh vực điện tử lượng tử, dẫn đến việc tạo ra máy dao
động và phóng đại dựa trên thuyết laser-maser. “Đạt tới việc khuyếch đại
các sóng cực ngắn rồi mà sao không dấn thêm vào các sóng phát sáng?”,
đó là câu nói 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
Hà Nam Thanh - Laser và triển vọng 4
(em rể của Townes) đã tốn nhiều công suy nghĩ để biến Maser thành laser,
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,
Townes và Schawlow dành thêm hai năm để đi sâu nghiên cứu, mở rộng
thêm và trở thành người đầu tiên tìm ra laser.
Hình 1: Máy tạo Maser đầu tiên trong lịch sử
Ngày 12/05/1960 là một ngày đáng nhớ, T. Maiman đã 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,
màu đỏ lộng lẫy và bề dài bước sóng đo được là 0,694 micromet. Như vậy
là giả thiết mà Einstein nêu ra 54 năm trước đó đã được chứng minh.
Nhiều năm tiếp theo, các nhà khoa học khắp nơi đã nối dài con đường

phát triển của laser ra thành nhiều loại, và bằng nhiều cách: đưa vào thanh
hoạt chất thể khí (ví dụ như cacbonic CO
2
hoặc He, Ne, Ar ) ta có tia
laser từ thể khí, đưa vào đó arseniure (từ gallium) thì có tia laser từ bán
dẫn, đưa vào đó các chất dung dịch nhuộm màu hữu cơ thì cho ta laser
lỏng, sử dụng oxy-iot vạn năng ta có laser hóa học, rồi laser rắn vv Điều
kì diệu này là tùy theo hoạt chất mà tạo ra nhiều màu sắc khác nhau làm
cho tia laser trở nên lung linh huyền ảo.
Hà Nam Thanh - Laser và triển vọng 5
2 Nguyên lý cấu tạo laser
Nguyên lý cấu tạo chung của một máy laser gồm có: buồng cộng hưởng
chứa hoạt chất laser, nguồn nuôi và hệ thống dẫn quang. Trong đó buồng
cộng hưởng với hoạt chất laser là bộ phận chủ yếu.
Buồng cộng hưởng chứa hoạt chất laser, đó là một chất đặc biệt có
khả năng khuyếch đại ánh sáng bằng phát xạ cưỡng bức để tạo ra laser.
Khi 1 photon tới va chạm vào hoạt chất này thì kéo theo đó là 1 photon
khác bật ra bay theo cùng hướng với photon tới. Mặt khác buồng cộng
hưởng có 2 mặt chắn ở hai đầu, một mặt phản xạ toàn phần các photon
khi bay tới, mặt kia cho một phần photon qua một phần phản xạ lại làm
cho các hạt photon va chạm liên tục vào hoạt chất laser nhiều lần tạo mật
độ photon lớn. Vì thế cường độ chùm laser được khuyếch đại lên nhiều lần.
Tính chất của laser phụ thuộc vào hoạt chất đó, do đó người ta căn cứ vào
hoạt chất để phân loại laser.
2.1 Cơ sở lý thuyết
Chúng ta cần thêm một vài khái niệm nữa để hiểu rõ nguyên lý cấu tạo
laser. Sự lượng tử hóa trong nguyên tử làm cho các nguyên tử có các mức
năng lượng gián đoạn. Sự chuyển từ mức năng lượng này sang mức năng
lượng khác phải xảy ra cùng sự phát xạ ánh sáng.
Theo tiên đề Bohr, nếu nguyên tử hay phân tử nằm ở trạng thái

năng lượng cao hơn năng lượng ở trạng thái thấp nhất (trạng thái cơ bản)
thì nó có thể tự chuyển về các mức năng lượng thấp hơn mà không cần
kích thích từ bên ngoài. Một kết quả có thể xảy ra cùng với sự chuyển mức
năng lượng là giải phóng năng lượng dư thừa (ứng với hiệu hai mức năng
lượng) dưới dạng một photon. Nguyên tử hay phân tử kích thích có một
thời gian phát xạ đặc trưng, đó là thời gian mà chúng vẫn giữ được trạng
thái năng lượng kích thích cao hơn trước khi chúng chuyển xuống các mức
thấp hơn và phát ra photon. Từ thời gian phát xạ của nguyên tử Einstein
đã nghĩ ra một loại phát xạ mới: phát xạ cưỡng bức.
Ở trạng thái kích thích, nếu một nguyên tử được chiếu vào một
Hà Nam Thanh - Laser và triển vọng 6
photon có năng lượng bằng hiệu hai mức năng lượng mà sự chuyển trạng
thái có thể xảy ra tự phát, thì nguyên tử có thể bị cưỡng bức bởi photon
đến và chuyển xuống mức năng lượng thấp hơn mức trên một khoảng năng
lượng đúng bằng năng lượng photon đến, đồng thời phát ra một photon
cùng bước sóng với photon đến. Một photon riêng lẻ tương tác với một
nguyên tử kích thích thì có thể tạo ra hai photon phát xạ. Nếu các photon
được xem là sóng thì sự bức xạ cưỡng bức sẽ dao động với tần số của
ánh sáng tới, cùng pha (thỏa mãn tính chất kết hợp) nên làm khuyếch đại
cường độ của chùm sáng ban đầu.
Hình 2: Cơ chế phát ra laser
Vấn đề quan trọng nhất trong việc thu được phát xạ laser cưỡng bức
là dưới những điều kiện cân bằng nhiệt động lực học bình thường thì số
nguyên tử hay phân tử ở mỗi mức năng lượng không thuận lợi cho việc
phát xạ cưỡng bức. Do các nguyên tử có xu hướng tự chuyển xuống các
mức năng lượng thấp hơn nên số nguyên tử hay phân tử ở mỗi mức sẽ giảm
khi năng lượng tăng. Dưới những điều kiện bình thường, với năng lượng
ứng với một quang electron điển hình là 1eV thì tỉ số giữa các nguyên tử
ở trạng thái kích thích mức cao với trạng thái cơ bản mức thấp là vào
khoảng 10

17
, hầu như tất cả các nguyên tử hay phân tử ở vào trạng thái cơ
bản đối với sự chuyển mức năng lượng của ánh sáng khả kiến. Một lý do
khiến bức xạ cưỡng bức khó thu được trở nên hiển nhiên khi xem xét các
sự kiện có khả năng xảy ra quanh sự phân hủy của một electron từ một
Hà Nam Thanh - Laser và triển vọng 7
trạng thái kích thích với sự phát xạ ánh sáng sau đó và tự phát. Ánh sáng
phát xạ có thể kích thích sự phát xạ từ các nguyên tử bị kích thích khác,
nhưng một số có thể gặp phải nguyên tử ở trạng thái cơ bản và bị hấp thụ
chứ không gây ra phát xạ được. Do số nguyên tử ở trạng thái kích thích
ít hơn nhiều số nguyên tử ở trạng thái cơ bản nên photon phát xạ có khả
năng hấp thụ nhiều hơn, bù lại số photon cưỡng bức cũng không đáng kể
so với phát xạ tự phát (ở trạng thái cân bằng nhiệt động lực học).
Cơ chế làm cho sự phát xạ cưỡng bức có thể lấn át là phải có số
nguyên tử ở trạng thái kích thích nhiều hơn số nguyên tử ở trạng thái
năng lượng thấp hơn, sao cho các photon có khả năng gây kích thích phát
xạ nhiều hơn là bị hấp thụ. Do điều kiện này là nghịch đảo trạng thái cân
bằng nên được gọi là sự nghịch đảo mật độ cư trú. Miễn là số nguyên tử ở
trạng thái cao nhiều hơn ở các mức thấp hơn, thì phát xạ cưỡng bức sẽ lấn
át và thu được dòng thác photon. Photon phát xạ ban đầu sẽ kích thích
sự phát xạ của nhiều photon khác, các photon này sau đó lại kích thích
sự phát xạ ra nhiều photon khác nữa, cứ thế tiếp diễn làm cho dòng thác
photon tăng lên. Kết quả là ánh sáng phát xạ được khuyếch đại.
Sự nghịch đảo mật độ cư trú có thể tạo ra qua hai cơ chế cơ bản:
hoặc tạo ra sự dư thừa các nguyên tử hay phân tử ở trạng thái năng lượng
cao, hoặc làm giảm mật độ cư trú ở trạng thái năng lượng thấp. Nhưng
đối với laser hoạt động liên tục phải chú ý vừa làm tăng mật độ cư trú ở
mức cao, vừa hạ thấp mật độ cư trú ở mức thấp. Nếu quá nhiều nguyên tử
hay phân tử tích tụ ở mức thấp thì sự nghịch đảo mật độ cư trú sẽ không
còn và laser ngừng hoạt động.

Để tạo ra sự nghịch đảo mật độ cư trú thì phải kích thích có chọn
lọc các nguyên tử hay phân tử lên một mức năng lượng đặc biệt. Ánh sáng
và dòng điện là các cơ chế kích thích được chọn cho phần lớn laser. Ánh
sáng và các electron có thể cung cấp năng lượng cần thiết để kích thích
các phân tử hay nguyên tử lên các mức năng lượng cao được chọn. Sau đó
sẽ chuyển xuống mức laser trên.
Như đã nói ở phần trước, khoảng thời gian mà một nguyên tử hay
Hà Nam Thanh - Laser và triển vọng 8
phân tử tồn tại ở một trạng thái kích thích quyết định nó bị phát xạ cưỡng
bức và tham gia vào dòng thác photon hay mất đi năng lượng qua phát
xạ tự phát. Các trạng thái kích thích thường có thời gian sống cỡ nano
giây, trước khi chúng giải phóng năng lượng một thời gian không đủ lâu
để chúng bị kích thích bởi các photon khác. Do vậy, mức năng lượng cao
phải có thời gian sống lâu hơn (trạng thái bền). Với thời gian sống trong
trạng thái này (khoảng micro đến mili giây) các nguyên tử bị kích thích có
thể tạo ra một lượng đáng kể phát xạ cưỡng bức.
Hình 3: Biểu diễn năng lượng Laser bơm 3 mức và 4 mức
Ngoài việc tạo ra sự nghịch đảo mật độ cư trú, cũng cần các yếu tố
khác để khuyếch đại và tập trung ánh sáng thành một chùm. Công việc
này được thực hiện trong một hộp cộng hưởng, nó phát xạ một số ánh
sáng trở lại môi trường laser, và qua nhiều lần tương tác sẽ hình thành hay
khuyếch đại cường độ ánh sáng.
2.2 Mô hình cấu tạo
Hình 4: Mô hình cấu tạo đơn giản của một máy phát laser
Hà Nam Thanh - Laser và triển vọng 9
2.3 Nguyên lý hoạt động
•: electron ở mức cơ bản, ◦: electron ở mức kích thích →: quĩ đạo photon.
Bình thường các electron ở mức cơ bản E
1
:

sau đó cung cấp năng lượng (bơm quang học) để tạo ra trạng thái nghịch
đảo mật độ cư trú.
Lúc này các electron đang ở trạng thái kích thích, chúng bức xạ cảm
ứng phát ra các photon, các photon đầu tiên sẽ kích thích các electron khác
phát xạ. Một photon va chạm với electron của nguyên tử tạo ra hai photon,
hai photon này lại tạo ra bốn photon khác và cứ như thế, số photon được
nhân lên. Các photon sinh ra chuyển động theo các hướng khác nhau.
Một lượng lớn chúng thoát ra khỏi ống, một số chuyển động dọc theo
trục ống. Khi đến đầu ống chúng bị hai gương phản xạ lại, va chạm với các
electron của các nguyên tử khác đang ở trạng thái kích thích và khởi phát
thêm bức xạ cảm ứng. Số photon vẫn tăng lên không ngừng, tất cả những
sự kiện này diễn ra với tốc độ kinh hoàng, trong vài phần triệu giây.
Hà Nam Thanh - Laser và triển vọng 10
Khi photon chuyển động dọc theo trục ống tăng lên đến một cường độ
nhất định, thì các photon này sẽ đi qua hai gương bán mạ, và ta thấy một
tia laser ló ra từ đó.
3 Tính chất của laser
• Độ định hướng cao: tia laser phát ra hầu như là chùm song song do
đó có khả năng chiếu xa hàng nghìn km mà không bị tán xạ. Chùm
sáng laser không còn tính song song chỉ do các hiệu ứng nhiễu xạ,
được quyết định bởi bước sóng của ánh sáng và khẩu độ lối ra.
• Tính đơn sắc rất cao: chùm sáng phát ra chỉ có một màu (hay một
bước sóng) duy nhất. Đây là tính chất đặc biệt nhất mà không có
chùm sáng nào có được.
• Tính kết hợp: đoàn sóng laser có thể dài tới hàng trăm km, điều này
có nghĩa là các vân giao thoa vẫn có thể tạo thành khi chồng chất hai
chùm sóng riêng biệt có hiệu quang trình cỡ khoảng cách nói trên.
• Tính hội tụ: mật độ năng thông đối với chùm laser cỡ 10
16
W/cm

2
là hoàn toàn có thể.
4 Phân loại laser
Theo môi trường khuyếch đại
Hà Nam Thanh - Laser và triển vọng 11
Hình 5: Một số loại laser
Môi trường Công suất Độ dài Bước sóng Công dụng
khuyếch đại đỉnh xung
Khí
He_Ne 10nW Liên tục 633nm Máy quét mã vạch
Argon 210W Liên tục 488nm Tiêu khiển, y học
CO
2
200W Liên tục 10.6µm Cắt, hàn
CO
2
TEA 5MW 20ns 10.6µm Xử lý nhiệt
Bán dẫn
GaAs 5mW Liên tục 840nm Đĩa laser
AlGaAs 50mW Biến điệu 760nm In laser
GaInAsP 20mW Biến điệu 1.3µm Truyền tin sợi quang
Chất rắn
Hồng ngọc 100MW 10ns 694nm ảnh toàn cảnh
Nd:YAG 50W Liên tục 1.06µm gia công bán dẫn
Nd:YAG(QS) 50MW 20ns 1.06µm áp dụng trong y học
Nd:YAG(ML) 2KW 60ps 1.06µm nghiên cứu xung ngắn
Nd:thủy tinh 100TW 11ps 1.06µm nấu chảy bằng laser
Chất lỏng
Chất màu 100mW Liên tục thay đổi Quang phổ
Rh6G 10KW 10fs 600nm Nghiên cứu khoa học

Hóa học Hf 50MW 50ns 3µm Làm vũ khí
Hà Nam Thanh - Laser và triển vọng 12
5 Một số ứng dụng của laser
5.1 Trong y học
Nghiên cứu quan trọng của laser trong y học cũng khá sớm từ những năm
1962-1963 của thế kỉ trước. Lúc đầu laser được dùng để điều trị bệnh bong
võng mạc, từ đó laser đã được sử dụng rộng rãi trong y khoa, ứng dụng
của laser trong chuẩn đoán và điều trị bệnh từ đó mở ra nhiều triển vọng
trong chữa bệnh và làm đẹp cho con người.
Laser được ứng dụng trong chuẩn đoán và điều trị có bước sóng nằm
trong khoảng từ 193 nm đến 10.6µm, thuộc vùng tử ngoại, khả kiến và
hồng ngoại gần, có thể làm việc ở chế độ xung hay chế độ liên tục.
Hiệu ứng quang đông (nhiệt): bức xạ laser có năng lượng vừa đủ và
được giải phóng trong thời gian thích hợp thì có thể làm nhiệt độ vùng tổ
chức tăng lên 60-100
0
C. Khi đó tổ chức sinh học bị đông kết và dẫn đến
hoại tử. Hiệu ứng được ứng dụng nhiều trong lĩnh vực nhãn khoa như:
quang đông võng mạc, quang đông điều trị tân hạch hắc mạc, quang đông
phù điểm vàng
Hiệu ứng bay hơi tổ chức (nhiệt): tương tự như hiệu ứng quang đông,
nhiệt độ vùng tổ chức tăng lên và khi đạt đến 300
0
C thì các matrix rắn
của tổ chức sinh học nhận đủ năng lượng để bay hơi. Hiệu ứng này được
ứng dụng trong phẫu thuật, chùm tia được dùng như chiếc dao mổ tạo ra
những vết cắt nhỏ, không đau, ít chảy máu, vô trùng. Tiêu biểu là laser
CO
2
, laser YAG được biết đến với tên gọi là “dao mổ nhiệt”.

Hiệu ứng bóc lớp (quang cơ-phi nhiệt): chúng ta dùng các xung cực
ngắn (ns- nanosecond), công suất đỉnh cực cao, bước sóng vùng tử ngoại
gần để chiếu vào tổ chức sinh học. Bức xạ laser vùng tử ngoại chỉ bị các
phần tử hữu cơ hấp thụ, khi năng lượng hấp thụ đủ lớn, mạch hữu cơ bị
đứt gãy, xảy ra các “vi nổ”, từ đó nước bị đẩy ra khỏi tổ chức, cuối cùng
tổ chức sinh học như bị “bóc từng lớp”.
Laser excimer được ứng dụng trong y học với tên gọi là “dao cắt
lạnh” (phi nhiệt). Hai trong nhiều ứng dụng quan trọng của laser excimer
là phẫu thuật tạo hình tim mạch bằng laser chọc qua da và điều trị tật
Hà Nam Thanh - Laser và triển vọng 13
khúc xạ của mắt.
Hình 6: Thiết bị laser-excimer
Bằng cách quét qua lượng máu dự trữ trong ngân hàng máu, laser
có thể diệt rất nhiều loại virus nguy hiểm như virus gây bệnh AIDS, sởi,
herpes
Ngoài ra, một ứng dụng đặc biệt của laser mà người ta cũng đang
chú ý đến đó là Cai nghiện ma túy bằng tia laser theo phương pháp châm
cứu. Thiết bị này do Đại học Bách khoa TP.Hồ Chí Minh chế tạo, đã được
thử nghiệm trên 20 người nghiện ma túy. Sau 5 ngày con nghiện đã được
cắt cơn, ăn uống trở lại bình thường, không còn sợ nước. Bệnh nhân hồi
phục hoàn toàn sau 10-20 ngày điều trị bổ sung.
Kết quả kiểm tra sau điều trị cho thấy, lượng morphine trong cơ thể
con nghiện giảm rõ rệt. Phương pháp này hạn chế được nhược điểm của
châm cứu theo y học cổ truyền, đó là việc gây đau đớn cho bệnh nhân khi
dùng kim châm.
Hình 7: Thiết bị châm cứu bằng laser
Hiện nay phòng thí nghiệm công nghệ laser của Đại học Bách khoa
Hà Nam Thanh - Laser và triển vọng 14
TP.Hồ Chí Minh đã chế tạo và chuyển giao loại máy trên cho một số trung
tâm cai nghiện như Trung tâm y tế Lộc Ninh (Bình Phước), Bệnh viện Y

học cổ truyền Trà Vinh. Phòng thí nghiệm sẽ tiếp tục nghiên cứu kết hợp
máy cai nghiện với hệ thống máy tính để chuẩn đoán được tình trạng của
bệnh nhân, từ đó có hướng điều trị phù hợp.
5.2 Trong công nghiệp
Sự kết hợp các 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 1W có thể
hội tụ để có một cường độ 10
−8
W/cm
2
. Chính năng lượng hội tụ cao như
vậy nên dùng laser công suất lớn để khoan, cắt, khắc hình ảnh lên kim loại
với tốc độ cũng như độ chính xác rất cao.
Hình 8: Dùng laser để hàn vật liệu với độ chính xác rất cao
Hình 9: Laser cường độ mạnh dùng để cắt vật liệu rất nhanh và chính xác
5.3 Trong khoa học
• Đo khoảng cách bằng laser
Ánh sáng laser có tính định hướng nên chùm tia vẫn giữ được độ mảnh
của nó trong suốt quá trình lan truyền trên những khoảng cách rất
lớn. Chùm tia laser có công suất vài Oát cũng có thể dễ dàng vượt
Hà Nam Thanh - Laser và triển vọng 15
qua khoảng cách Trái đất - Mặt trăng (384 000 km) rồi bị phản xạ ở
bề mặt Mặt trăng quay trở lại Trái đất. Một chùm tia laser ban đầu
có kích thước bằng cái bút chì thì khi lên Mặt trăng nó có kích thước
bằng một vòng tròn đường kính vài km. Sự loe rộng này của chùm
laser chỉ bằng 0.001% khoảng cách Trái đất và Mặt trăng.
Hình 10: Ứng dụng của laser trong phép đo khoảng cách
Bằng cách đo thời gian đi và về của chùm tia laser các nhà thiên

văn có thể dựng bản đồ Mặt trăng. Trong thập niên 70, các nhà du
hành trong phi đoàn Apollo đã để lại trên Mặt trăng các gương phản
xạ đặc biệt có khả năng phản xạ chùm tia laser. Ánh sáng phản xạ
được các kính thiên văn trên mặt đất quan sát. Bằng cách này các
nhà thiên văn có thể xác định quĩ đạo của Mặt trăng với độ chính xác
đến vài cm, đối với khoảng cách Trái đất - Mặt trăng thì độ chính xác
đến một phần mười tỉ. Bằng cách thực hiện các phép đo này từ các
lục địa khác nhau các nhà thiên văn có thể đo tốc độ trôi dạt của các
mảng lục địa, vận tốc này là vài cm mỗi năm.
• Dùng laser tạo phản ứng nhiệt hạch
Laser được dùng để làm nóng vật chất lên nhiệt độ rất cao để tạo ra
năng lượng hạt nhân thông qua sự tổng hợp các proton, như trong
tâm của các ngôi sao. Các nhà vật lí thường sử dụng đơtêri và triti,
là các đồng vị của hydro, dễ dàng tổng hợp hơn hydro.
Các xung laser bắn vào các viên tròn đường kính khoảng 2mm chứa
vài miligam đơtêri và triti. Khoảng một chục chùm tia laser có cường
Hà Nam Thanh - Laser và triển vọng 16
độ mạnh tập trung chiếu đồng thời vào viên này từ tất cả các hướng,
làm cho nó co lại và nổ, đẩy áp suất và nhiệt độ của hỗn hợp đơtêri
và triti tăng lên rất cao (trên 100 triệu độ) để khởi phát sự tổng hợp
proton. Chỉ trong khoảng thời gian vài phần tỉ giây, công suất được hệ
laser giải phóng cao hơn tổng công suất của tất cả các nhà máy điện
của nước Mĩ. Ở nhiệt độ cao như thế hỗn hợp đơtêri-triti va chạm
dữ dội và làm mất các electron và tạo thành một dạng vật chất mới,
đó là plasma. Vật chất lúc này sẽ phình ra, tỏa nhiệt rất nhanh và
sau chưa đầy một phần tỉ giây các phản ứng sẽ lập tức dừng lại. Sự
tổng hợp hạt nhân bằng laser chỉ có thể dùng các xung laser, nên sẽ
không thực tế nếu muốn dùng nó để tạo ra năng lượng với số lượng
lớn, nhưng cũng đã giúp các nhà vật lý tạo ra được vật chất ở nhiệt
độ rất cao và tìm cách giam hãm chúng bằng các từ trường rất mạnh,

để một ngày nào đó sẽ chế tạo ra các lò phản ứng tổng hợp nhiệt
hạch có khả năng tạo ra đủ năng lượng cho mục đích thương mại. Lò
phản ứng nghiên cứu mang tên ITER (International Thermonuclear
Experimental Reactor) do Châu Âu, Nhật Bản, Mĩ và Nga hợp tác
đang được xây dựng ở Cadarache (Pháp), các nhà vật lý sẽ cố gắng
thực hiện được sự giam hãm vật chất cực nóng trong từ trường mạnh.
Hình 11: Dùng chùm laser tao phản ứng nhiệt hạch
• Chụp ảnh toàn kí ba chiều bằng laser
Một trong những ứng dụng quan trọng nhất của laser là chụp ảnh toàn
kí (holographie, tiếng Hy lạp holos có nghĩa là “toàn bộ” và graphos
Hà Nam Thanh - Laser và triển vọng 17
có nghĩa là “viết”), một ngành khoa học cho phép tạo ra các ảnh nổi
ba chiều, mà không cần phải sử dụng các thấu kính. Ý tưởng này được
hình thành vào năm 1947 do nhà vật lý Dennis Gabor (1900-1979), và
nhờ đó ông được giải Nobel vật lí 1971. Nhưng ý tưởng đó chỉ được
thực hiện khi có sự lên ngôi của laser.
Hình 12: Sơ đồ hệ thống tạo ảnh toàn kí
Người ta dùng một chùm tia laser chia hai phần: phần thứ nhất
gọi là “chùm vật”, được hướng đến các vật cần chụp ảnh, và được vật
này phản chiếu đến phim, phần thứ hai gọi là “chùm tựa” (hay chùm
qui chiếu), được gương phản xạ và đi thẳng đến phim mà không hề
gặp vật. Hai chùm laser tương tác với nhau để tạo ra “môtíp giao
thoa”, và môtíp này được phim giữ lại. Phim sẽ chứa toàn bộ thông
tin về các pha của sóng ánh sáng, đóng vai trò như “âm bản” của ảnh
chụp thông thường.
Hình 13: Hình ảnh chú chó được xây dựng từ ảnh toàn kí
Muốn đọc được các môtíp giao thoa và tái dựng lại hình ảnh nổi
Hà Nam Thanh - Laser và triển vọng 18
“dương bản” phải dùng một chùm laser cùng bản chất với chùm laser
đã dùng để tạo môtíp. Khi bức tranh laser được chùm laser chiếu

sáng, môtíp này tái tạo lại cấu trúc không gian của vật, vật hiện ra
ba chiều, lơ lửng trong không trung. Ảnh toàn kí trông rất thật, có
thể xoay chúng và phát hiện cả những phần của vật chất không thể
thấy nếu nhìn đối diện như trong trường hợp nhìn vật thật.
Hình 14: Mô hình tòa nhà từ ảnh toàn kí
Ảnh toàn kí còn có một tính chất hết sức kì lạ: mỗi phần của ảnh
toàn kí đều chứa toàn bộ thông tin của cả bức ảnh. Nếu một phần
bức tranh giao thoa tạo nên âm bản của ảnh toàn kí bị cắt mất, thì
khi chiếu sáng phần còn lại bằng một chùm laser thích hợp, vẫn sẽ thu
được toàn bộ bức ảnh, mặc dù độ sáng yếu hơn và với các phối cảnh
hạn chế hơn. Sở dĩ có được như vậy là vì toàn bộ cảnh được ghi lại ở
tất cả các điểm của âm bản ảnh toàn kí. Nói cách khác, mỗi điểm của
ảnh toàn kí chứa toàn bộ vật, một đặc điểm không có ở ảnh thường.
Đó là tính tổng thể của ảnh toàn kí.
5.4 Trong quân sự
Máy đo khoảng cách bằng laser trong quân sự là loạt thiết bị quan
trọng. Có nhiều loại khác nhau: máy đo cự ly hàng không, máy đo cự ly
xe tăng, máy đo cự ly xách tay Máy đo cự ly hàng không đo chính xác
cự ly từ máy bay đến mục tiêu trên trái đất, nâng cao độ trúng đích khi
ném bom. Nguyên lý hoạt động: đo khoảng cách chênh lệch giữa các xung
laser phát ra và xung phản hồi về rồi nhân với tốc độ ánh sáng (300 000
Hà Nam Thanh - Laser và triển vọng 19
km/s) rồi chia 2, được kết quả cần đo.
Hình 15: Laser tank- một cỗ máy đầy uy lực
Rada laser có độ chính xác cao hơn rada thông thường, có thể hướng
dẫn hai tàu vũ trụ ghép nối chính xác trên không gian. Máy bay chiến đấu
bay ở tầm siêu thấp, nếu trang bị rada laser có thể né chính xác tất cả
các chướng ngại vật, kể cả đường dây điện ! Tuy nhiên những thiết bị laser
đều chịu ảnh hưởng của thời tiết, trời mù hoặc mưa thì khoảng cách đo bị
giảm đi nhiều.

Hình 16: Máy bay có gắn laser- vũ khí chiến lược
Bom có lắp thiết bị dẫn đường bằng laser và có đuôi lắp hệ thống lái
điều khiển sẽ tự động tìm kiếm và đánh trúng mục tiêu.
La bàn laser thay thế la bàn phổ thông, để đo phương vị máy bay,
dùng trong máy bay phản lực cỡ lớn và máy bay chiến đấu tính năng cao.
Laser còn được biết đến như một loại vũ khí lợi hại, tuy chưa phổ
biến. Được chia làm hai loại: Vũ khí laser công suất thấp làm lóa mắt đối
Hà Nam Thanh - Laser và triển vọng 20
phương, dùng trong tác chiến gần, khoảng cách chỉ vài km, trời mưa mù
khoảng cách còn ngắn hơn, có thể xách tay, lắp trên xe tăng, máy bay trực
thăng. Vũ khí laser năng lượng cao dùng chùm tia laser cực mạnh chiếu
đến một điểm trên mục tiêu, dừng lại một thời gian ngắn để vật liệu chảy
ra hoặc khí hóa. Chùm tia laser mạnh có thể phá hủy đường điện, gây cháy
thùng nguyên liệu trong máy bay, gây nổ đạn đạo. Lắp đặt trên mặt đất,
trên tàu, trên máy bay, vệ tinh có tốc độ nhanh, chính xác cao, không cần
thuốc mồi, không sinh lực đẩy ra phía sau, không tạo ô nhiễm nên nó là
loại vũ khí “sạch”. Vũ khí laser lắp đặt trên vệ tinh có thể bắn hạ tên lửa
đạn đạo và vệ tinh đối phương.
Hình 17: Súng laser- một vũ khí lợi hại
Theo dự tính, để phá hủy tên lửa đạn đạo cách xa 1000 km cần năng
lượng laser 20000KW và kính phản xạ đường kính 10m với thời gian chiếu
xạ 1 giây. Đầu những năm 90, Mĩ có thể chế tạo ra tia laser năng lượng
5000KW. Tuy vẫn còn một khoảng cách khá xa nhưng trong tương lai, vũ
khí laser sẽ trở thành công cụ chiến tranh lợi hại và là cuộc đua công nghệ
của các cường quốc trên thế giới.
5.5 Trong đời sống
Laser được ứng dụng rất nhiều trong đời sống, mà thân quen và hữu
dụng nhất là để ghi và đọc đĩa CD và DVD Các đĩa CD (Compact) và
DVD (Digital Versatile Disc, đĩa số hóa đa dụng) là một hệ quang học lưu
trữ thông tin. Người ta dùng chùm laser để ghi thông tin lên một màng

mỏng rất nhạy cảm với ánh sáng chiếu vào đĩa, thông tin được mã hóa bởi
Hà Nam Thanh - Laser và triển vọng 21
các rãnh nhỏ trên đĩa. Để khắc được các rãnh này, chùm tia laser phải nhỏ
cỡ 1 micromet, chúng được khắc thành đường rãnh xoáy trôn ốc với chiều
dài lên đến 5km !
Hình 18: Ghi và đọc đĩa bằng laser
Đầu đọc là một chùm laser hồng ngoại, khi ánh sáng laser chiếu vào
một rãnh, một phần đi vào tận đáy rãnh và bị đáy này phản xạ, trong
khi phần còn lại bị bề mặt xung quanh rãnh phản xạ. Khi hai sóng ánh
sáng kết hợp với nhau, chúng có thể cùng pha hoặc ngược pha làm cường
độ được tăng cường hoặc giảm bớt. Nếu ánh sáng tới không gặp rãnh thì
sẽ không bị thay đổi cường độ khi phản xạ. Sự thay đổi hoặc không của
cường độ chùm laser sẽ được một detector trong đầu CD đọc, và được mã
hóa thành các số nhị phân 0 và 1, và mã nhị phân được ghi lên đĩa. Thông
tin sẽ được tái tạo lại gần hoàn hảo như các âm thanh và hình ảnh ban
đầu.
Người ta còn dùng tia laser để phục hồi các tranh cổ ! Các nhà khoa
học Tây Ban Nha cho biết, công việc làm sạch lớp bụi đã bám hàng thế kỉ
trên các bức tranh cổ trở nên dễ dàng hơn với ứng dụng tia laser. Trước
đây công việc phục hồi này là cả một quá trình gian khổ và không ít
nguy cơ phá hủy bức tranh. Theo cách truyền thống, các nhà phục chế
tranh phải sử dụng dao nhỏ và dung môi để trả lại màu căn bản của bức
tranh. Ông Marta Castillejo, tại Viện nghiên cứu khoa học Tây Ban Nha
cho biết: “Giờ đây tia laser hạn chế tối đa sự cọ xát trên bề mặt tranh.
Tia cực tím sẽ loại bỏ các thành phần bề mặt của lớp vécni bảo vệ mà
không làm ảnh hưởng đến các thành tố hóa học của lớp màu bên dưới. Khi
Hà Nam Thanh - Laser và triển vọng 22
laser chiếu vào tranh, một dụng cụ chuyên dụng sẽ hút bụi và khí ra ngoài.”
Thiết bị laser hỗ trợ lái xe trong đêm tối.
Hệ thống hoạt động trên nguyên tắc chùm laser “tầm nhiệt”. Đầu quét

tia được lắp cạnh vị trí đèn pha và đèn hậu để có thể phát hiện những đối
tượng tỏa nhiệt (người, động vật sống ) phía trước hoặc sau xe và truyền
hình ảnh tới tài xế qua một mành hình.
Công nghệ chùm laser cảm nhiệt được ứng dụng trước tiên trong lĩnh
vực quốc phòng. Các kĩ sư của tập đoàn General Motor đã nghiên cứu cải
tiến hệ thống này để nó phục vụ việc lái xe đêm. Công trình của họ là
một trong những giải pháp kĩ thuật hay nhất trong lĩnh vực chế tạo ôtô
năm 1999. Cấu tạo của hệ thống có thể mô tả như một camera hồng ngoại,
những đối tượng nhiệt do ống kính đặc biệt này thu được sẽ hiện lên màn
hình đặt trong salon xe, hình ảnh giống như phim âm bản đen trắng.
Năm 2000, hệ thống này được áp dụng lần đầu tiên trên mẫu xe
Cadillac DeVille dành cho các nguyên thủ quốc gia. Phiên bản đầu tiên
của thiết bị laser đặt trên ôtô cho hình ảnh tốt ở khoảng cách 50 m. Các
chuyên gia cố gắng gia tăng độ nhạy của cảm biến để có thể cung cấp hình
ảnh từ khoảng cách xa và rõ nét hơn. Kết quả cải tiến mới nhất cho thấy
thiết bị có thể mô tả lại con đường trước mặt lái xe xa hơn cả tầm đèn
pha. Từ đó, các chuyên gia GM, Peugeot và Citroen đã hợp tác hoàn thiện
sản phẩm. Vào năm 2004, thiết bị này đã được ứng dụng rộng rãi trên các
loại xe hơi phổ thông. Giá thành của việc lắp đặt hệ thống dự tính khoảng
400-500 USD. Hiện nay nó đã hạ giá rất nhiều.
Ngoài ra chùm laser còn làm náo nhiệt không khí các lễ hội.
6 Một số sai lầm khi hiểu về laser
Sự hiện diện của laser trong các tác phẩm khoa học viễn tưởng, hay phim
hành động, cũng như lời bình phẩm nói chung dẫn đến các suy nghĩ sai
lầm. Ví dụ, trái với những gì xuất hiện trên phim Star Wars, tia laser
Hà Nam Thanh - Laser và triển vọng 23
không bao giờ nhìn thấy trong chân không, do chân không không có tán
xạ ánh sáng. Trong không khí, tia laser có thể va chạm với bụi hay vật cản
trên đường và bị tán xạ, tạo ra các tia lóe sáng; tương tự như ánh nắng
mặt trời tỏa sáng trong môi trường bụi. Kĩ xảo này có thể ứng dụng cho

tia laser có thể nhìn thấy, như trong mục đích chụp ảnh, bằng cách tăng
số lượng các hạt trong không khí, như dùng bình xịt thơm.
Tia laser với cường độ cao có thể nhìn thấy trong không khí nhờ vào
tán xạ Rayleigh hay tán xạ Raman. Với các tia có cường độ cao hơn, tập
trung tại một điểm nhỏ, không khí có thể bị nung đến trạng thái plasma,
do đó laser có thể được nhìn thấy nhờ bức xạ từ plasma này. Tuy nhiên sự
tăng áp suất đột ngột khi không khí bị nóng nhanh có thể tạo ra tiếng nổ
lớn, và tạo ra sự phản hồi của tia laser làm hư thiết bị (tùy vào thiết kế
của laser).
Trong phim khoa học viễn tưởng, các hiệu ứng đặc biệt thường miêu
tả các vũ khí laser truyền đi vài mét trong một giây, trái với thực tế là
tia laser di chuyển với tốc độ ánh sáng, nhanh đến mức không thể thấy
sự dịch chuyển của laser. Ngoài ra, một vài cảnh phim miêu tả hệ thống
an toàn sử dụng laser đỏ có thể được vô hiệu hóa bằng các nhân vật bằng
cách sử dụng các gương, khi người này nhìn thấy tia laser bằng cách rải
các bụi trắng trong không khí; nhưng thực tế đa số hệ thống an toàn sử
dụng laser hồng ngoại hơn là laser có thể nhìn thấy bằng cách như trên.
7 Triển vọng
7.1 Chip laser
Phát triển này là kết quả nghiên cứu của Intel, nhà sản xuất chip lớn nhất
thế giới, và Đại học California, SantaBarbara. Việc thương mại hóa công
nghệ mới này chưa thể thực hiện trước khi thập kỉ này kết thúc, nhưng
triển vọng về công nghệ trong ngành công nghiệp chip chắc chắn sẽ làm
rung động cả giới truyền thông và công nghiệp máy tính, con chip này có
thể chuyển dữ liệu gấp 100 lần tốc độ so với chip hiện nay ở các thiết bị
truyền thông.
Hà Nam Thanh - Laser và triển vọng 24
Kết quả trên mang lại một khả năng tạo trên mỗi con chip hàng trăm
thậm chí hàng ngàn tia laser sáng cực nhỏ.
Phát minh này đã đạt được bởi sự liên kết nền tảng của photpho và

indi phát ra ánh sáng vào bề mặt của chip silicon đạt tiêu chuẩn axit với
các rãnh đặc biệt. Các rãnh này đóng vai trò như “người dẫn đường” cho
sóng ánh sáng.
Hình 19: Chip laser cực nhỏ
7.2 Mặt trời nhân tạo
Các laser bức xạ ánh sáng rất đặc biệt, đó là ánh sáng kết hợp. Ánh sáng
do laser phát ra là một sóng điện từ có tần số và pha hoàn toàn xác định.
Tính kết hợp ấy là do kết quả ở lối ra được trực chuẩn đơn sắc. Những ứng
dụng của laser liên quan mật thiết với tính chất này.
Sự kết hợp các 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 có công
suất 1W có thể hội tụ để có một cường độ 10
8
W/cm
2
. Năm 1963, ngay sau
khi phát minh ra laser hồng ngọc, bà Elsa Garmire (hiện đang là giám đốc
trung tâm nghiên cứu laser thuộc Đại học tổng hợp Nam California) đã
chứng minh được rằng 1 xung laser hồng ngọc, có công suất ở đỉnh 10
8
W ,
được hội tụ ở cường độ cao nhất là 10
16
W/cm
2
có thể khoan những lỗ trên
các lưỡi dao cạo râu và ion hóa không khí. Độ sáng rất cao của chùm laser
này có thể gây nguy hiểm. Một laser He-Ne với công suất 1mW chưa hội

tụ cũng đã có độ sáng bằng độ sáng của Mặt trời vào ngày nắng gắt, rất
nguy hiểm khi nhìn thẳng vào tia này. Các laser có công suất mạnh hơn
Hà Nam Thanh - Laser và triển vọng 25
thì gây ra những tổn thương rất nhanh. Nhưng laser lại là công cụ rất
tốt cho các nhà vật lý, các nhà khoa học tạo ra một môi trường có năng
lượng rất cao trong khoảng thời gian ngắn. Việc này có thể giúp các nhà
khoa học, nhà vật lý trong việc tìm đến những chân trời kiến thức mới của
khoa học nói chung và vật lý học nói riêng. Ngày này, các nhà khoa học và
tiên phong là các nhà vật lý đang đẩy nhanh công cuộc “tìm hạt cơ bản
của chúa” bằng việc chế tạo các máy gia tốc cực lớn LHC, song song với
nó các nhà khoa học cũng đã thu được nhiều thành tựu với công nghệ laser.
Chế tạo Mặt trời trong phòng thí nghiệm
Bằng phương pháp chiếu tia laser cực mạnh vào một quả cầu khí, các
nhà khoa học Mĩ hy vọng sẽ làm không khí nén đặc nóng chảy, tạo ra một
chuỗi phản ứng hạt nhân. Quá trình này sẽ giải phóng nhiệt lượng vô cùng
lớn, khiến quả cầu nhỏ bé cháy sáng, phát nhiệt tương tự Mặt trời. Tia
laser này do cơ sở National Ignition Facility (NIF) thuộc phòng thí nghiệm
quốc gia Lawrence Livermore tại bang California (Mĩ) tạo ra (xem Hình
11). Với tính năng có thể dự đoán chức năng của đầu đạn hạt nhân, tia
laser của NIF có thể được sử dụng trong lĩnh vực vật lý thiên thể, cho
phép các nhà khoa học đưa ra những điều kiện giống với lõi hành tinh và
hệ Mặt trời mới.
Bằng việc xác nhận tia laser của NIF, Bộ Năng lượng Mĩ đã mở
đường cho một loạt các thí nghiệm để tạo ra các sức nóng và áp suất như
ở lõi Mặt trời.
Hình 20: Hội tụ cường độ laser để tạo ra năng lượng lớn
Theo các nhà khoa học, tia laser của NIF có thể tạo ra năng lượng