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

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 ánhsáng bằng bứcxạ cưỡngbức; chữ Laser là kết nối
bởi những chữ đầu tiên của cụmtừ nói trên bằngtiếng Anh(Light Amplificationby
Stimulated EmissonofRadiation).Người ta nhớ lại rằng,vào năm1916, sau khi
được bầu vào Viên Hànlâm Khoahọc Đức, A.Einsteinbằng tư duy trừu tượng cao,
đã nêu thuyết: Nếu chiếu nhữngnguyêntử bằng một làn sóng điện từ,sẽ có thể
xẩy ra một bức xạ “được kích hoạt” và trở thànhmột chùm tiahoàn toàn đơn sắc, ở
đó tất cả những photon(quang tử) phátra sẽ có cùng một bước sóng.Đó là một ý
tưởng khoahọc. Nhưngchưa cóai chứngminh nên lý thuyết đó gần như bị lãng
quên trong nhiềunăm.
Mãi tới năm 1951giáosư CharlesTownesthuộc trường Đại họcColumbia của
thành phố NewYork (Mỹ) mới chú ýđến sự khuếch đại của sóng cực ngắn (vi
sóng). Ông thực hiện mộtthí nghiệmmang tên Maser(maze) làkhuếch đại vi sóng
bằngbức xạ cảm ứng, (chữ Masercũng là chữ đầu của nghĩađó bằng tiếng Anh:
MicrowaveAmplificationby Stimulated Emissonof radiation).Ôngđã thành công,
tuy phải chi phí khá tốn kémđể nghiêncứu trongphòngthí nghiệm. Cũngvào thời
gian này, ở một phương trời khác, hainhà khoahọc XôViết là N.Batsov vàA.
Prokhorov cũng phát minhra máy khếchđại vi sóngvà gần như cùng một dạng
nguyênlý. Vì thế cả banhà khoahọc nói trên đều được nhận giải Nobel vật lý vào
năm 1964.

Đạt tớiviệc khuếch đại các sóng cực ngắn rồi mà sao khôngdấnthêm vào các sóng
phátsáng ?, đó là sự tiếc nuối thốtlên từ C. Townes.Bởi sauthànhcông này ông
được cấp trên giaocho trọngtrách mới. Thực ra nhà khoa học Anthus Schawlow
(là em rể của Townes) đã có nhiềucông suynghĩ để biến Maze thành laze, nhưng
mớitrong phạm vi lýthuyết và tháng8/1958ôngcôngbố phần lý thuyết đó trên
tạp chí “PhysicalReview”rồi cũngdừng lại; để cho TheodoraMaimanpháttriển
thêmlên. TheodoraMaiman,là nhà khoa học của phòng thí nghiệmHughes tại
Malibu,bangCalifornia.Dựa vào lý thuyết và nền tảng thực nghiệm củaTownes và
Schawlowđã công bố,T. Maimandành hơnhai nămđi sâuthêm, mở rộng thêmvà
trở thành người đầu tiên tìm ratia Laser mà nguyên lý cơ bản của nó cóthể tóm
tắt như sau:
Lazecủa Maimanphát sinhranhờ máy phát (xem hình 1)bao gồm: hộp cộng
hưởngquang học trong đó chứa đựng: gương M1 và gươngM2 đặt songsong và
đối diệnnhau, riêng M2là loại gươngbán mạ (ở mức bántrongsuốt). Khoảng giữa
của haigương làthanh hoạt chất H, Maimanđặtvào đó vật chất rắnlà hồng ngọc,
rồi chiếu lênđó chùm ánh sáng Rmạnh; nhờ đó nó tạo ra môi trườnghoạtđộng
đặc biệt còn gọi là môi trườngLaze: tạiđây, mộtphản ứnghoá học, ion hoá trong
hoạt chất được “bơm” lên một mức năng lượngkích thích E1 sauđó nó tự phát rời
xuống mức nửa bền E2ở dưới. Khi cảmứng từ mức nửa bền chuyển dời về trạng
thái ở mức năng lượng thấp hơnEo sẽ phát raphần tử ánh sánggọi là Photon
(quangtử).Nhữngphần tử nàyphảnxạ qua lại nhiều lầngiữa haigươngM1và M2.
Quátrình đậpđi đập lại làm chúngva đập phải các nguyên tử khác và các nguyên
tử này cũng bị kích hoạt để phátra photonkhác. Theocách thức này, ngàycàng có
nhiều photonkết hợp lạivới nhauthành một chùm tia gọi là tia Laze,nó ngàycàng
mạnhvà đếnmột giớihạn nàođó, chùm tiaánhsáng xuyên qua bề mặt tráng bán
mạ của gương M2rangoài, trở thành tia có độ định hướng cao vàcó mậtđộ quang
năng lớn.
Ngày 16/5/1960 là ngàyđángnhớ, bởi ngày này,T. Maiman chính thức tạo ra
Laser từ thể rắn hồng ngọc. Tiasáng do ông tìm ralà luồngánh sáng rất tậptrung
và có độ hội tụ lớn, hoàntoàn thẳng, rõnét, thuần khiết, mầu đỏ lộng lẫy vàbề dài

bướcsóng đo được là0,694 micromet.Như vậy là giả thuyết mà Einstein nêu ra
cách ngày ấy 54 nămđã đượcchứng minh.
Những năm tiếp theo,các nhà khoahọc khắp nơi đã nối dài thànhquả lazera
thành nhiều loại, bằng cách: đưavàothanh hoạt chất thể khí (ví như carbonic CO2
hoặc He, Ne , Ar ) ta có tia lazetừ thể khí; đưa vào đó arseniure (từ gallium) thì
có tialaze từ bán dẫn; đưa vào đó dung dịch các chất nhuộm mầu hữu cơ thì cho ta
laze lỏng;sử dụng oxy-iotvạnnăng ta có laze hoá học; rồi lazerắn v v Điều kỳ
diệu là tuỳ theohoạt chất màtạo ra nhữngmầu sắc khác nhaulàm cho tia lazetrở
nên lunglinh huyền ảo. Ví như tia laze từ Helium-neoncho mầuđỏ; tia laze của
argoncho tamầu xanh đậm vàxanh lá cây.
Muốn có mầusắc của tia laze thích hợp,nhà sảnxuất phải cân chỉnh. Ví như Công
ty Điệntử Pioneerđã tănghoặcgiảm tần số phát phổ sáng của loại laze thể rắn để
tìm rachùm tiaxanh màkháchhàng ưa thích, (thaotác cân chỉnhnày giốngnhư
dò giải tần sóngâm thanh để bắtđược tínhiệurõ nhất). Kể từ đó, laze có những
bướcphát triển vượtbậc. Người ta nhanhchóng phát minhra lazetừ excimere, nó
xuấthiện trongtia tử ngoại vàlàm ra laze phátđi trong tia hồngngoại mà mắt
thường không thể thấy được.Đây là một thứ rất lợi hại, được cácnhà quân sự tận
dụngtriệt để.Người ta dự đoán, cùng với bándẫn, laze sẽ là một trongnhững lĩnh
vực khoahọc và côngnghệ quan trọngvào bậc nhấtcủa thế kỷ XXI; Nhữngứng
dụngdưới đây của lazecho chúng ta thấytiềmnăng to lớnđó:
1/- ứngdụng lazevào trongcông nghiệp:
Các nhà công nghiệp đánhgiá rất cao tínhchất hội tụ cùng mậtđộ quangnăng lớn
của tialaze (độ hội tụ ấy lên tới hàng triệu Watt trên một cm2)với độ chínhxác
đáng nể của nó. Nhưng năng lựcthấucủa laze phụ thuộc vào môi trườngsử dụng.
Môitrường cungcấp cao khoảng20 kWhoặc hơn thì có thể sử dụng trong công
nghiệp. Với môi trườngcông nghiệp thì laze khítừ 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 nốivới máy tính để điều khiểndùngtrong các nhàmáy cơ khí
chínhxác. Những tia laze mầu xanh cóthể trở thành những giao tiện sắc bén, tiện
được, cắt, gọt được, quađó gia công được những chi tiếtmáy phức tạp, hoặc

những chi tiết máy siêu nhỏ. Tialaze cũngcó thể làm nên những “mũi giaokhắc”,
có thể khắc hoặc khoét đủ hìnhdáng lênống thépcủa các nhà máy hoá chất, hoặc
bồn chứa, ống dẫn dầu-khí, hoặc để cưa cắt mhữngtấm thép hợpkim rấtdầy (tới
20 mm)phục vụ công nghệ đóng tầu biển. Ngoài rađể phá những tầu đã quá niên
hạn, hoặc xe quân sự đã thanhlý đưa vào lò luyện thép,phải dùng laze hoáhọc
công suất tới 100kW thì mới làm nổi.Hoặc để chạm khắclên những vật liệu khác
như giấy carton,nhựa, gỗ laze cũng áp dụng để hàn đủ thứ kim loại (từ kim loại
mềm đếnkimloại cứng nhất mà ta cóthể gặp).
* Để phục vụ cho công nghiệp và nghiên cứu khoa học, người Ngađã sớmxây dựng
máyphátlazeở vùngngoạiô Matxcơvavới côngsuất bướcđầulà1 MW. Đươc biết,
để khởi động cho máy phát này, người ta phải cắt điện trong một phạmvi rộng lớn
quanh vùng. Nhưng người Đứclại có cách nhìn thực tế và thực dụng hơn, họ sớm
thiết lậpnhiều công ty cung cấpcông nghệ laze,nhờ đó chiếm đến40% thị phần
mặthàng này trên thị trường thế giới, hàng năm sản xuất ra tới600 máy laze đáp
ứng mọi nhu cầu của nền côngnghiệp củanướcmình và theo đơnđặt hàng của
nhiều nước. Đặc biệt,có các máy gia côngsử dụngcôngnghệ laze thích hợp cho
những doanhnghiệp vừa và nhỏ. Nhữnghãng ôtô nổi tiếngnhư BMWhoặc
Peugeotdùng laze vào các rôbốtđể đảm trách các công đoạn: lắp ráp, hàn,
sơn nhữngthao tác của rôbốttrở nên cực kỳ chính xác, nhanh vàtiện lợi .
Để phục vụ cho các công trình công nghiệp như nhà máyđiện, những khu vực nhậy
cảm,những hệ thống viễn thông,ngườiPháp đã thiết lập hệ thốngthu lôi bằng laze
tại SaintPrivat– d’Allier.Đó là vùng thường xẩy ra dông– sét về mùa hè. Hệ thống
này hợpthành“hàng rào” bảo vệ. Nhữngchùmtia laze được chiếu thẳngvào lúc
khởi đầu tia chớp cótác dụng như một ống mángđể dồn sét vàonơi ngườiđịnh
sẵn.
* Tronglĩnh vực côngnghiệp nhẹ, thươngmạivà viễn thông, lazeđược ứng dụng
vào các công đoạn cắt vải đạtđộ chínhxác cao,rà soát mã số sản phẩmcông
nghiệp, báo giá các mặt hàng chongười thu ngân lưu giữ vào máy, để phát hiện
tiền giả, để in bao bì sản phảm có độ nét cao, để đánh dấu nhữngsợi cable nhỏ
nhất trong công nghiệp điện tử, hayvẽ đường nét (theo thiết kế) lên những vi

mạch laze cũng được dùng rộngrãi trong ngành viễn thông vínhư ngườiPháp và
Mỹ đã lập mạng liên lạc đường dài với nhautừ năm 1988, bằng hệ thống liên lạc
hồng ngoại laze nhờ sợi cáp quangdài chừng150 ngànkm vượt qua biển Đại Tây
Dương.Như vậy, tia laze đã được thuvào một sợi cáp quangrất mảnh (nhỏ hơn
sợi tóc) và được điều khiển bởi mộthệ thống phứctạp. Loại dây dẫn này cókhả
năng chứanhiều thông tinhơn các loại dây dẫnkhác nhiều lần.Chỉ khoảng 4 sợi
lắp trong hệ thống xuyên đại dương có thể chuyển40 ngàn cuộc nói chuyện cùng
một lúc. (Để đối chiếu, ta hãy nhớ lại rằng,hệ thống cápxuyên Thái Bình Dương
làm năm 1957 bằng dây đồngchỉ chuyểnđược 90 cuộc điện đàmcùngmộtlúc).
Việt Namcũng đã thamgia vàohệ thống cáp quanghiện đạinày (trong chương
trìnhSea-Me-Wezgồm 32 nướctham gia). Hệ thống này, ngoài việc phục vụ điện
tín, fax, điện thoại nócòn hỗ trợ đắclực cho hệ thống Internettrên toàn cầu.
2/- Lazephục vụ sứckhoẻ và cuôcsống văn hoá, tinh thần chocon người:
Ngườita có thể sử dụng các nguồn lazevới côngsuất khácnhau, vì rất thuận tiện
trong việc sử dụng vào nhiều lĩnh vực khác nhaucủa cuộcsống. Vínhư
Trongy học, ngườita sớm dùnglaze như mộtgiao mổ, kết hợpvới nội soi nên tăng
thêmsự chính xáckhi điềutrị bằng phẫuthuật u bướu lànhtính cũngnhư ác tính
trong nội tạng của bệnh nhân.laze kếtnối với máy tính cóthể phẫu thuậtmắt,
hoặc phẫu thuật thần kinh,tai mũi họng,hoặc khaithôngnhững mạch máu bị tắc
chínhxác và hiệu quả. Có thể dùng tia lazeđể đốt những vết sắc tố ngoài da,tẩy vết
săm, hoặc tẩymụn
Trongvăn hoá,nghệ thuật,thể thao, nhờ độ phân giải cao, laze đã nhanh chóng
xâm nhập vào đĩa compact và vidéo.Trong trườnghợp này ngườita dùngnhiều
đến laze xanhvì so với Laserđỏ thì laze xanh cóthể đọcđược nhiều tinhơn trên
cùng một khônggian ghi.Để chứa một cuốn phim vidéothời lượng 2 giờ,nếu dùng
laze xanhchỉ 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, trongvũ trường khôngthể thiếu những ánhsáng 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 rađời, một thế hệ vũ khí mới xuất hiện,

chúng rất nguy hiểmcho loàingười, chỉ với nhữnggì đã biếtdưới đây đã nóilên
điều đó:
* Thời chiếntranh lạnh, người Ngađã có cơ sở nghiên cứu vũ khí lazerất sớm ở
Smoliachkov(gần St. Petersburg),chính họ đã nêu lên nhiều ý tưởngvũ khí laze
hiện đại.Nhưngtừ 1990trở lạiđây, khả năng tài chính không cho phép,do vậy
người Nga chỉ thực hiênđược mộtphầntham vọngcủa mình.
Mặtkhác họ rấtkín đáovề lĩnhvực laze trong quốc phòng. Người có công lớn
trong lĩnh vực mới này là Viện sĩ Fedo Bunkin. Ông đã được nhà nướctrao giải
thưởng về nhữngứng dụng quantrọngnày.
* Còn người Mỹ, người Pháp đã và đangthànhlập nhà máy lazesiêu mạnh, để phục
vụ cho công nghiệp,kỹ nghệ vũ trụ Viện Nghiên cứuLawrenceLivermore
NationalLaboratory ở California (Mỹ)đã lắpđặt một máylaze thuộc loại lớnnhất
thế giới, siêu mạnh và siêu hiện đại trên diện tíchrộng bằng 2 sân bóng đá, với giá
1,8 tỷ USD. Nhưng giới thạo tinthì cho rằng: nó để tạo thành nguồn điện như dòng
điện xuất hiện trong quátrinh phản ứng nhiệt hạch trên mặt trời để từ đó quan sát
quá trìnhphảnứng hạt nhân của hydro phục vụ việc chế tạo vàhoàn thiệnbom
kinh phí có sứcphá huỷ khủng khiếp. Cũngphảinói thêmrằng: Máy laze dù lớn
hay bé,đều có chungmộtnguyênlý tạo thành giống nhau, chỉ khác ở kích cỡ, công
suất năng lượng chođầu vào và phải giải quyết khâu làm lạnh cho tấtcả hệ thống,
để làm lạnh, thườngphải nhờ vào nitơ lỏng.
Còn máy lazecủa người Phápđược 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 việcthử bom
khinhkhí. Công việc trênsẽ được hoàn thành vào năm 2005.
Kể từ năm 1999, hãng Boeingcủa Mỹ đã sảnxuất vàđã thử nghiệm bước đầu loại
máy baycó trangbị vũ khí laze. Trên đó có buồng chứa6 máy lazehoá học và hệ
thống ống teleđường kính1,8mđể hội tụ và hướng tia laze vào mục tiêu. Máy laze
này được coi là một thứ súng, nhưng tínhnăng của súngnày phụ thuộc vào khí
quyển. Được biết,nếu súngnàyở tầm cao 11ngàn km(tức là nơi khôngcònkhí
quyển nữa) thì tầm hiệu dụng của súng là 300km. Nếuvượt quátầm nàythì tia
laze không đủ sức làm nóng chảy kimloại, nghĩa là khôngsát thương được mục

tiêu.
* Súng Laser dùng chobộ binh thườnghướngvào: làm thế nào vô hiệuhoá được
chiến binh của đối phương,cản trở sự triển khai vũ khí và phương tiện chiến tranh
của đối phương. Ví dụ, ta biếtrằng, hệ tiêu hoá của chúng ta luôn có tần số tự
nhiênkhoảng dưới 10 hertz. Dovậy vào những năm sau1960, người Mỹ đã chế tạo
ra “súng âm thanh trầm” có tần số tươngứng như vậy. Khi súnghướng vàobụng,
dạ dầy của đối phươngtạo ra sự cộng hưởng với biên độ tăng dần, làm cho đối
phươngbuồnnôn kèm theo chóngmặt,hoa mắt mà không sao cưỡng lại được.
Ngườitrúng loại “đạnâm thanh” đó tức khắc bị loại ra khỏi cuộc chiến. Cũng như
vậy, người ta đã dùng sóngradioxấp xỉ với sóngcủa não người để gây rối loạn đầu
óc củađối phương.Những loại súngnày thường gọn nhẹ (chỉ bằng cây bút chì). Có
khi dùngtia lazelàm mù mắt của đốiphương
Ngườita dùnglaze để chế tạo ra súngphun nhựa (lanceglu)phun vào đối phương,
ngay tức khắcngười bị dính nhựa không cựa quây được (giốngnhư mạng nhện
bao bọclấy con ruồi), đến mức khôngthể sử dụng súng để chống trả được nữa,chỉ
chờ được cứu, hoặc chờ bị bắt. Vẫn biết rằng, không thiếu gì dungmôi hoà tan
nhựa, nhưnghoà tan đượcnhựa thì cũnghoà tancả tế bào da, nên lại bị bỏng nặng.
Hoặc có khi bơmvào đối phương “nhữngbọt dầu nhớt”như bọt xà phòng.làm đối
phươngkhông nghethấygì v.v
* Ngoài ra, laze còn dùngđể đo khoảngcách các mục tiêuquân sự , biết được thời
gian đi và về của tia sáng ta dễ dàng tính rađược khoảng cách. Bằngcáchnày, các
nhà khoahọc đã dùng laze để đo khoảngcách từ trái đất tớimặt trăng một cách
chínhxác. Như trong cuộc chiến ở Irắc vừa qua, ngườiMỹ dùng laze để điều khiển
các tên lửa vàkích chonó nổ khi đã đến mụctiêu v.v
Quađây ta thấy, lazedùng trong quân sự là khá nguy hiểm. Nếu những nghiên cứu
của cácnước 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 phòngMỹ ngangnhiên xemxét
đạo luật “coi khoảngkhông gian gần trái đất là vùng quyềnlợi của nước Mỹ” (!)
Một mặt, họ đẩy nhanhviệc phóng vệ tinh lên đây và dự kiến đến 2010sẽ có 1.700
vệ tinh trên đó là của người Mỹ.Mặt khác, họ tăngcường vũ khí lazeở trên vùng

này để bảo vệ “quyền lợi” của họ Vậy màvũ khí lazevẫnkhông có một tổ chức
nào, mộtcơ chế nào của cộngđồng quốc tế để kiểm soát chúng.Phải chăng đó là
một tai hoạ khủng khiếpvẫn còn được cheđậy?./.