ỨNG DỤNG CỦA TIA LASER pot

ỨNG DỤNG CỦA TIA LASER

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 (nhỏ
hơn sợi tóc) và được điều khiển 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?./.