Vào năm 1961, các nhà nghiên cứu đã chứng minh rằng ánh sáng laser có thể biến đổi từ màu này sang màu khác, hiệu ứng quang học phi tuyến đầu tiên, đưa đến các ứng dụng đa dạng từ quang học lượng tử đến phẫu thuật mắt.
Chỉ một năm sau phát minh laser vào năm 1960, một đội gồm các nhà vật lí đã báo cáo một thí nghiệm đơn giản làm tăng gấp đôi tần số của ánh sáng laser, tạo ra bức xạ tử ngoại từ ánh sáng đỏ. Đây là minh chứng đầu tiên của một hiện tượng quang học phi tuyến – hiện tượng trong đó cường độ ánh sáng dẫn tới các hiệu ứng nằm ngoài phạm vi lí giải của lí thuyết điện từ chuẩn. Ngày nay, quang học phi tuyến được sử dụng để tạo ra bức xạ laser tia X, tăng công suất trong truyền dữ liệu quang học, và tạo ra các xung cường độ cao cho phẫu thuật.
Trong điện từ học cổ điển, chiết suất của một chất trong suốt liên hệ với độ phân cực của nó – mức độ mà một điện trường ngoài tạo ra một trường phân cực nội (tương đương với từ trường được sinh ra bởi một từ trường). Nếu trường ngoài là yếu, thì độ phân cực tỉ lệ thuận với trường ngoài. Nhưng đối với một điện trường mạnh, thì mức phi tuyến có thể trở nên quan trọng, nghĩa là độ phân cực có thể là tổng của các số hạng phụ thuộc vào bình phương và các lũy thừa cao hơn của điện trường. Vào năm 1961, các nhà nghiên cứu đã biết hiệu ứng phi tuyến này đối với các trường tĩnh, mạnh, nhưng chưa ai từng thấy nó được tạo ra bởi trường của một sóng điện từ cường độ mạnh.
Mặc dù cường độ của những laser ruby đầu tiên là thấp so với các tiêu chuẩn ngày nay, nhưng Peter Franken và các đồng sự của ông tại trường Đại học Michigan ở Ann Arbor nhận ra rằng bằng cách tập trung một xung laser, họ có thể tạo ra một cường độ điện trường định xứ cỡ 107 V/m hoặc cao hơn. Điện trường đó, theo họ nghĩ, sẽ đủ để tạo ra các hiệu ứng phi tuyến có thể phát hiện thấy.
Để nghiên cứu khả năng này, Franken đã viết một phương trình trong đó độ phân cực phụ thuộc vào bình phương của điện trường và thành phần tuyến tính như thông thường. Vì bình phương của một sóng sin có thể được viết theo các sóng sin tần số gấp đôi, nên Franken kết luận rằng việc cho một chùm laser đủ mạnh đi qua một vật liệu thích hợp sẽ tạo ra một họa âm (phiên bản điều hòa tần số gấp đôi) của tín hiệu gốc. Tăng gấp đôi tần số ánh sáng phát ra từ một laser ruby nghĩa là giảm một nửa bước sóng của nó từ 694,3 nm, trong vùng đỏ của quang phổ, xuống còn khoảng 347 nm, trong vùng phổ tử ngoại. Cường độ của họa âm bậc hai này sẽ phụ thuộc vào độ lớn của phản ứng phi tuyến.
Phẫu thuật sử dụng các xung laser femto giây thuộc về một trong nhiều công nghệ hiện đại hoạt động trên cơ sở quang học laser phi tuyến, được chứng minh lần đầu tiên vào năm 1961.
Franken dự tính thử một thí nghiệm sử dụng thủy tinh hoặc thạch anh nóng chảy làm môi trường phi tuyến, nhưng ông nhận được một đề xuất lí thuyết quan trọng từ đồng tác giả và đồng sự của ông ở Michigan, Gabriel Weireich. Weinreich nói với Franken rằng sẽ không có sự tăng gấp đôi tần số ở những vật liệu này do tính đối xứng cao của chúng. Trong một vật liệu như thế, việc chiếu mỗi nguyên tử qua một tâm đối xứng là tương đương với việc đảo dấu của trường ngoài và độ phân cực cảm ứng. Nhưng bất kì thành phần phân cực nào tỉ lệ với bình phương của điện trường sẽ không đổi dấu. Cách duy nhất thỏa mãn cả hai điều kiện là cho số hạng bình phương – số hạng gây ra sự tăng gấp đôi tần số – bằng không.
Do đó, Franken, Weinreich, cùng các đồng sự của họ quyết định thử một đơn tinh thể thạch anh, một vật liệu dị hướng. Họ làm hội tụ ánh sáng phát ra từ một laser ruby lên trên một điểm bên trong tinh thể và sử dụng một quang phổ kế để phân tích ánh sáng ló ra từ phía bên kia. Một tấm kính ảnh cho thấy một đốm lớn tương ứng với ánh sáng tần số gốc và một đốm sáng mờ tần số gấp đôi. Để xác nhận đây thật sự là họa âm bậc hai của ánh sáng laser, họ đã chứng minh rằng nó không xuất hiện khi họ thay tinh thể thạch anh bằng một miếng thủy tinh. Trớ trêu thay, đốm sáng mờ đó không xuất hiện trong hình đăng trên tạp chí Physical Review Letters bởi vì ai đó tại xưởng in cho rằng nó là một vết bẩn và đã xóa nó đi, Weinreich cho biết.
Herbert Winful, một nhà nghiên cứu quang học tại Đại học Michigan, người không dính líu gì với nghiên cứu ban đầu, cho biết rằng việc nghiên cứu và ứng dụng kĩ thuật của các hiệu ứng quang học phi tuyến bắt đầu cất cánh khi các laser trở nên đủ mạnh. Sự nhân tần bậc cao, lên tới họa âm bậc 100, có thể tạo ra bức xạ kết hợp trong chế độ tử ngoại cực ngắn và tia X. Các hiệu ứng phi tuyến tạo ra các cặp photon vướng víu biểu hiện các hiện tượng quang lượng tử. Nói rộng ra, Winful bổ sung thêm, những vật liệu có chiết suất biến thiên theo cường độ ánh sáng giúp mang lại các xung laser cực ngắn cỡ femto giây, chúng được dùng trong phẫu thuật và vi chế tạo.
Nghiên cứu công bố trên tạp chí Physical Review Letters.
Nguồn: David Lindley, APS Physics
Physics 7, 112 (2014) | DOI: 10.1103/Physics.7.112
