Tác dụng của tia Laser pptx

Tác dụng của tia Laser
Có rất ít những sáng tạo trong thế kỷ qua có thể “bì” được với tia laser
xét về mức độ hữu ích khi đem ra ứng dụng trong cuộc sống. Nếu nhìn ở góc
độ thí nghiệm, dường như không có giới hạn cụ thể nào về khả năng phục vụ
của laser.
Chỉ vài năm sau khitia laserđược phátminh, những đồng nghiệp của
CharlesTownes- tác giả phát minh, thường trêu đùaông vì “sự lạc lõng” củatia
laser vớicuộc sống.Một vài người cònkhông ngần ngại tuyên bố laser là “một giải
pháp sẽ khơi mào cho nhữngphiền toái mới”. Tuy nhiên, tiến sĩ Townes(người
sau này được trao giải Nobel)vẫn kiên trì với lý tưởng củamình. Thực tế đã chứng
minh ôngđúng.
Trongvòng 4thập kỷ,công nghệ laserđã biến đổitừ một khái niệm mơ hồ trong
phòngthí nghiệm trở thành một công nghệ phổ biến, đượcứng dụng trong nhiều
lĩnh vựccủa cuộcsống. Tia laserhiện cómặt ở khắp mọi nơi - từ những đầuđọc
đĩa DVDcho tới các mạngđiện thoại liên lạc, hệ thống vũ khí dành cho mục tiêu
quân sự…. Tia laser có thể hướngđạo cho tên lửa, điều hướngcác thiết bị hầmmỏ
và cho phép các nhàthiên văn họccó được nhữngbức ảnhsắc nét hơnvề bầu trời.
Tia lasercũng trựctiếp đảmđươngnhiều tácvụ "tầmthường" khác như inấn văn
phòng,gọt tỉa tóctai v.v& Đương nhiên,ngay cả nhà phátminhcũng khôngthể
tiên đoán hết tác dụng côngnghệ họ đangnghiên cứutừ nhữngthập kỷ 50.
Ngườiđầu tiên dự báo về công nghệ laserkhôngphải là Townesmà là Albert
Einstein.Năm 1917,nhà vật lý vĩ đại tuyên bố nguyên lýmột nguyên tử có thể phát
ra mộtgói nănglượng (photon) theo mộtphương thức đượckiểm soát thôngqua
quá trìnhkích thích phát xạ (“stimulatedemission”). Vấn đề đặt ra là làm sao
nguyênlý này cóthể thựchiện được trên thựctế?
… Loé sáng
Theo tiến sĩ Townes, ýtưởngbất chợtđến khi ôngđangngồi trong công viên
Franklin (Washington,Mỹ) vàomột buổi sáng mùaxuân. Ngay lập tứcông chộp lấy
mảnhgiấy trong túi áo của mình và ghi lại nhữnggì vừa xuất hiện trongđầu. "Rất
may là tôi đã có một mẩugiấy bên mình. Đây là phongbì thư đã cũ với những dòng
chữ nguệch ngoạc củamột vị bácsĩ mà trướcđó tôi đã ghé thăm", Townesthuật

lại.
Xét về bản chất, tia laserhoạt độngdựa trên mộtchuỗi phản ứng trong đó photon
thuộcmột bướcsóng nhất địnhkích thích các nguyên tử khác “nhả” ra những
photontương tự.Để đảm bảo sự hoạt động trơn tru củachuỗi này, cầntớinhững
vật liệu thích hợp (gọi là chất trunggian- gain medium) cóthể là chất rắn, lỏng
hoặc khí. Khởi đầu, chất trunggian sẽ đượckích thích nhờ vachạm (bump)bởi
một chùmsáng hoặc dòng điện. Độngthái này kích thích nguyên tử trong chất
trung gian, làm một số nguyên tử nhả photon thuộc một bước sóng cụ thể. Khi
photonva chạm vàomột nguyên tử khác ở trạng thái bị kích thích có thể khiến
nguyêntử này sản sinhra một photongiống hệt - quá trìnhđược gọi là sự phát xạ
do kích thích. Quá trìnhliên tục được lặp lại (liên tiếp cóphoton mớisản sinh) và
chất trung gianđóng vaitrò khuếch đại chùmsáng.Cũng từ đây, laserđược đặt tên
cho côngnghệ (LightAmplificationby StimulatedEmissionof Radiation-phóng
đại nguồnsáng bằngviệc bứcxạ do kích thích).
Tia lasercó một vài thuộc tính khá đặc biệt. ánh sáng này là đơn sắc bởi chúng
được tạora bởicùng các photongiống nhauvà cùngbước sóng.Bản thân bước
sóng cũngquy địnhmàu sắc của ánh sáng. Ngoài ra,tia laser cũng khá “nhất quán”
về biênđộ, bước sóng. Cũng chính từ đặc tínhnày mà chùm sáng laserthường rất
“chặt”và tập trung,không phân tán.
Tiếnsĩ Townes, phụ trách phòng thí nghiệm bức xạ thuộcĐại học Columbia (New
York), đã áp dụng ý tưởngcủa mình để tạo racác chùmbức xạ vi sóng vô hìnhsử
dụngchất trung gian là a-mô-ni-ắc.Đồng nghiệp củaTownes gọi thiết bị là maser
(microwave amplificationby stimulatedemissionof radiation- tạm dịch:khuếch
đại vi sóngthôngqua kích thích bức xạ). Maserđầu tiên không cókhả năng phátra
các chùm bức xạ liêntiếp vàngười tìm ra giải pháp khắc phục vấn đề này là các
nhà khoahọc Nga,Nikolai Basovvà Aleksandr Prokhorov.Năm 1964, hainhà khoa
học này vinh dự nhận giải Nobelcùng với tiến sĩ Townes.
Ngay sausự rađời của maser,câu hỏi lớn là liệu công nghệ này có đượcáp dụng
để tạo ra các chùm sáng hữu hình(visible). Tiếp tục hành trình, tiến sĩ Townes
cùng emrể ArthurSchawlow(làm việccho phòng thí nghiệm danh tiếng Bell) đã

đặt nềntảng lý thuyết cho một “maser quang học” trên tạp chíPhysical Review
xuấtbản năm1958.Đặc biệt,họ có ý tưởngđặt gươngở hai đầuchất trung gian,
nhờ đó cácphoton có thể bậtqua bật lại, tăng hiệu năng củalaser. Tuy nhiên, ý
tưởng quantrọng quyết địnhtính khả dụng củalaser hữu hìnhchỉ xuất hiệnvào
năm 1957và người "tình cờ" nắm bắt được ý tưởng này là GordonGould- nghiên
cứu sinhcủa Đạihọc Columbia(học trò của tiến sĩ Townes).Ngaysau khitia chớp
sáng tạo vụt qua, Gouldđã viết đầy6 trang giấy về chi tiết phương thức hoạtđộng
của thiết bị. Trongghi chép của mình, Gouldcũng làngười đầu tiên sử dụng thuật
ngữ laser(trongkhi tiến sĩ Townesvẫn gọi là maserquanghọc). Sau khiphác thảo
hết ý tưởng,Gould lập tứctới phòng công chứng địaphương để công chứngbản
thảo. Tuynhiên, ôngđã sai lầm khikhông đăng ký bản quyền. Gouldđã tỏ ra "nông
cạn"khicớngh tới chuyệnxây dựngmột mẫu thiết bị (prototype)trước khi đăng
ký bảnquyền.
Trongcuộc chiến bản quyền kéo dài suốt 30 nămsau đó, tiến sĩ Gould đã tuyên bố
ở rất nhiều hộithảo rằng Townes đã đánh cắp ý tưởng củamình. Bản thân ông
cũng cho rằng mình nhìn thấy tiềm năng thựcsự của tia laser trong các ứng dụng
thực tế- vốn được môtả khásơ sài trong bằng sáng chế dành cho Townesvà
Schawlow.Trong nhữngnăm 70 và 80,Gould đã giànhchiến thắngtrong mộtvài
“cuộc chiến pháp lý”,sở hữu được một số bản quyền liên quan tới laser.Thời điểm
đó, chắcchắn đã có nhiềungười ngạc nhiên vì cả Townesvà Schawlowđều không
phải là người đầu tiênthử nghiệm laser.
Năm 1960,Theodore Maiman-một nhàvật lý thuộcTrung tâmnghiên cứu Hughes
ở Malibu,California- bằng cách nào đó đã kết hợptốtcách đặt cấu hìnhgương,
chất trung gianvà cơ chế kích thích qua vachạm để cho ra đời máy phát tia laser
đầu tiên trên thế giới.
Chùmsáng thành công
“Khôngcó gì làngạc nhiên khigiáo sư Townesvà Schawlow không thể dự báotác
dụngcủa laser vì nhữngứng dụng của laserlà quá nhiều và đadạng. Trong bối
cảnh đó,việc đặt ra câu hỏi lasercó ảnh hưởng như thế nàotới cuộc sống hiệnđại
cũng tương tự như thắc mắc về những tác dụng củađiện năng”, Lou Bloomfield-

nhà vật lý thuuộc Đại học Virginia(Charlottesville)nhận định.
Đầu tiên, laserphát huy hiệu quả tốt nhất trong côngnghiệp vàcác lĩnh vựcnghiên
cứu:laser ứng dụngtrong quangphổ học cho phép thămdò các đặc tính của vật
chất. Dần dần,những cụm phát laser bándẫn nhỏ hiệndiện ở khắp mọi nơi. Đơn
giản nhất, bạn có thể tìm thấy cácthiết bị phátlaser ở trong hàng trăm triệu đầu
đọc đĩaCD, DVD, cácdòng máy PC và cácbộ game console.
Trongmột ổ đĩaquang, chùm laserđược tậptrung thànhcác tia rất nhỏ vàrọi lên
bề mặt đĩa.Trong quá trìnhquay, các chùmsáng đượcmặt đĩa phản xạ lại. Từng
phân vùng trên bề mặt đĩacho kết quả phản xạ khác nhauvà sự khác biệtnày
được ghinhận thông qua bộ cảm biếnquang học. Đến lượt mình,bộ cảm biến
“biên dịch” thông tinnhận được sangdạng số (digital).
Đầu đọc CD và DVDhoạtđộng theo cùngcơ chế, duy chỉ có điềuDVD chứa được
lượng dữ liệu nhiều hơn bởi sử dụng tia laser bước sóngngắn hơn (650nano-mét
so với780 nano-métcủa CD).Bướcsóngngắnhơn chophép tăngtầnsuất vachạm,
sản sinhphoton và tương đồng với nó là dữ liệu. Dự kiến, thế hệ ổ quangmới dựa
trên côngnghệ ghiđĩa laserxanh (với bước sóng khoảng 405 nano-mét), cókhả
năng lưutrữ nhữngbộ phimchất lượngcao (High Definition-HD).
“So vớicác đầu máy đọc băng videocassette dựa vào băngtừ và chứa nhiều bộ
phận phức tạp, chi phí cao, cácthiết bị lasersử dụng cácthành tố giá rẻ hơn”, Paul
Jackson- chuyênviên tư vấn của Forrester, khuyến cáo.Đương nhiên, giá thànhcác
bộ đầuđọc DVDgiảmmạnh so với các “đồngnghiệp” VCR,trở thànhmột trong
những sản phẩmdễ được ngườisử dụng chấp nhậnnhất trong lịch sử công nghệ.
Đượcbiết, chiếc đầu đọcDVD đầu tiênxuất hiện vào năm 1997.Chỉ hơn 10năm
sau, gần một nửa các hộ gia đìnhở nhữngquốc gia phát triển có đầuđọc DVD với
mức giáchỉ 40 USD/bộ.
Hình dáng đẹp và chất lượng tốt
Hỗ trợ việc manghình ảnh lên cácmàn hình, tia laser còn trợ giúp người ta xem
những hình ảnh đó mà không phải dùng tới… kính: laser đượcứng dụng trong
phẫu thuật mắt. Đầu thập kỷ 60, khả năng ứng dụng lasertrong y họcđã đượcbàn
tới và người đầu tiên có đượcý tưởng này là LeonGoldman- mệnhdanhlà “chađẻ

của lasery học”. Ban đầu, Goldmannhận “đơnđặt hàng”thẩm địnhmức độ an toàn
của tialaser công nghiệp.Công trình nghiên cứu của ôngvề tác độngsinh học của
laser đã khiến ôngđi đến kếtluận rằng cóthể dùng tia lasertrong giải phẫu.
Năm 1965,các bác sĩ bắt đầu sử dụng tialaser hoá chất Argonđể chữatrị nguycơ
võng mạc rời-triệu chứngmàng mỏng bêntrong mắt cónguy cơ bị tách biệtvới
các mô hỗ trợ. Tập trung một chùm sáng laser trên bề mặt võng mạc, “đốt”tạo các
mô sẹođể gắn kết trở lại võng mạc (tươngtự nguyên lý hàn). Ngaycả đối với
những nhà phátminh laser,ứng dụngnày là một bước phát triển mới vàhoàn toàn
bất ngờ.“Thậmchí tôi chưa từng nghetới cụm từ võng mạc rời”, tiến sĩ Townes
tâmsự.
Ngày càngcó nhiều người nói lời chia tayvới chiếc kính nhờ công nghệ LASIK
(laser-assistedin situ keratomileusis).Trongnăm 2005, đã có khoảng2 triệu
người Mỹ trải qua điều trị sử dụng tialaser để chữamắt cận hoặc viễnthị. Trong
quá trìnhphẫu thuật LASIK, mộtcông cụ sắc được sử dụngđể cắt một vết nhỏ trên
giác mạc (cornea). Bởivì hình dạngcủa giácmạc quyết định mắtngười sẽ cận hay
viễn thị, tia laser đượcsử dụngđể điều chỉnh trực tiếp hìnhdạngcủa bộ phận này.
Không chỉ giải phẫu mắt, tia lasercòn đượcứng dụng rộngrãi trong nhiềuloại
hình giải phẫu khácnhư giải phẫu tĩnhmạch, trị mụn, xoá nếp nhăn(làm đẹp)…
“Tác dụng củalaser và những công nghệ tương tự trong lĩnhvực trị liệu bệnh
ngoài datrong vòng20 năm qualà rất lớn”, DavidGoldberg- Giám đốctrung tâm
nghiêncứu lasertạiĐại học Y Mount Sinai(NewYork, Mỹ), nhận định. Cuộc sống
ngày càng đượccải thiện, các nhànghiên cứu cócơ sở để tập trungđầu tư công
sức hơnnữa vào các ứngdụnglàm đẹp sử dụng laser.
Sẽ không phải bàn luận nhiềunếu laser chỉ có các tính năng làm đẹp, tialaser còn
được sử dụng để cứu sống tínhmạng nhiều người. Tialaser có thể trị u, loại bỏ
tình trạng chảy máutế bào v.v… nhờ đặc tính chính xáchơn rất nhiều so vớicác
công cụ phẫu thuậttruyền thống,ít gâytổn thương (vì thế mau lành).Đặc biệt, tia
laser cũng cóthể đượctruyền dẫn bên trongcác sợi quang mềm dẻovà thựcthi
nhiệmvụ cả ở bên trong cơ thể.
Xunglaser (laserpulse) di chuyển dọc các ống quang có tácdụng chữa bệnh nhưng

lại được biếttới nhiều hơn nhờ khả năng truyền tải dữ liệu. Năm1988, tuyến cáp
quangxuyên Đại Tây Dươngđầu tiên được đưa vàohoạt động. Sự kiện nàycó tác
độngrất lớn, thay đổi quanniệm kinhtế về viễn thông. “Nếu bạn nhìn vào bản đồ
thế giới, bạn có thể tưởng tượng raquả địa cầu là một mạng nhện lớn mà các sợi tơ
là những tuyếncáp quangxuyên biển”, chuyên gia nghiên cứu về laser của Viện các
kỹ sư điện và điện tử (IEEE) PaulShumate nhận định. Nói về tốc độ phát triển của
laser truyền dữ liệu, Tổngbiên tập tạp chí Laser Focus WorldStephen Anderson
cho biết: "Năm1975, toàn mạngđiện thoại khôngcó lấy một sợi cáp quang. 30
năm sau,sự hiện diện của dây đồng lại rất ít- ngoại trừ ở những nútnối cuối". Cũng
theo Anderson, có rất ít người nhớ được sự khó khăn khimuốn thựchiện các cuộc
gọi xuyên Đại Tây Dương ở thời điểm khoảng 40 năm về trước: phảithông qua
nhiều cơ quan, tổ chức; phải “đặt hàng”trước vài ngày… Trongnhữngnăm 1990,
cơn sốtcáp quangđã dẫntới tình trạng đầu tư thái quá, cungvượt cầu. Đương
nhiên,kết quả là sự sụp đổ của ngànhviễn thông trong khingười tiêu dùng được
lợi.
Sử dụng cùng lúcnhiều chùmlaser, mỗi chùm thuộc một bước sóng hoặc màusắc
khác nhau, cókhả năng truyền tảinhiều dòngdữ liệutrong cùng mộtsợi cáp
quang- thủ thuật mangtên “ghép kênh đa bước sóng”(wavelength division
multiplexing- WDM). Tăngmức độ chính xáctrong cách thức tạo chùm tialaser
(thườngthông qua việc kiểm soát nhiệtđộ) có thể tăng đáng kể khả năng truyền
tải dữ liệu của cáp quang.Đầu những năm 1980, cácsợi cáp quangchỉ có thể
truyền tải mộtdòng dữ liệu duy nhấtở tốc độ 45 Mbit/s. Theotiến sĩ Shumate,tốc
độ này đã được cảithiện đạt mức 10 Gbit/s(tối đã 40 Gbit/s trong môi trườnglý
tưởng ở các phòngthí nghiệm). Thông quaviệc gửi cùng lúc hàng chụcdòng dữ
liệu riêngbiệt như vậy (hàng chục chùm tia cóbước sóngkhác nhau), tốcđộ
truyền tải củamột sợi cápquang trên nguyêntắc có thể đạthàng terabit/s(hàng
triệuMbit/s). Tómlại, những bước tiếncủa công nghệ lasercó thể tăng khả năng
của mạng lưới mà khôngcần phải lắp đặt nhữngđường cáp mới.
Đương nhiên, các nhà khoa họcsẽ tiếptục nghiên cứu tìm tòi cácứng dụng mới
của laser.Một trongnhữnghướng tiếp cận mới có thể đã xuất hiện tại siêu thị ngay

cạnh nhà bạn.Hiện tại, các nhà bán lẻ đã sử dụng các máy quét laser để đọc mã
vạch. Trongkhi đó SherwoodTechnology(một công ty ở Widnes, Anh) đã tạo ra
một hệ thống mangtên “Datalase” sử dụng tialaser để ghi giá, ngày tháng và
những thông tintrên rau quả, thậm chí cả bánh kẹo. Để làmđược việc này, trước
tiên cácloại thựcphẩm đượcphủ một lớp bọcnhạy sángvà& ăn được. Rõ ràng,
chưa thể kếtluận đâu là tínhnăng cuối cùng của tia laser 10 năm saungày sinh của
nó.
Bài họctừ tia laser
Những ứng dụng của tia laser vượt xaranh giới mục tiêuban đầucủa nó là phục
vụ quang phổ học. “Ngay cả những nhà khoa họcđại tài cũng không thể tưởng
tượng ralaser lạicó tác dụng lớn như vậy. Tuy nhiên, đây là đặcđiểm chung khi
những ýtưởng lớn vừa xuất hiện”, tiến sĩ Townes nhận định.Theo tiếnsĩ
Schawlow,việc có dự báo khả năng ứng dụng tia laser thậm chí còn cản trở quá
trìnhtiến hoá của nó.
Một số người lo ngại môitrường nghiên cứu giúpphát minh ra công nghệ cơ bản
này ngày càng hiếm. Bản thân tiến sĩ Bloomfield-người cũng đã từngcó đóng góp
tại BellLabs, cho rằng cácphòng nghiên cứu tại các doanhnghiệp lớn thường
khôngcó khả năngnhìn xa quá mốc thời gian 6tháng. "Càng ngày con người càng
có tật xấu là nhường vị trí tiênphong trong một lĩnh vực nào đó cho người khác rồi
tìm cách lợi dụng thànhquả củahọ", ông Bloomfieldnói.
Tia lasermang kèmtheo nó là một bài học khách quan về giátrị của những công
trìnhnghiên cứu tưởngnhư viển vông. Mộtcông nghệ mơ hồ cũng có thể mang lại
rất nhiều ứng dụng thực tiễn.Liệu tiến sĩ Townes cóquay lại công viên Franklin
nơi ông đã có được ý tưởngđột phá? Chắc là không. Tuynhiên rất có thể nếu quay
lại ôngsẽ có những ý tưởng hoàn toànmới.