NHỮNG ỨNG DỤNG CỦA TIA LASER
Người đăng: NGUYEN VAN DE   
06/04/2007

Những ý tưởng sáng tạo bất ngờ

(24/11/2005) - 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 khi tia laser được phát minh, những đồng nghiệp của Charles Townes- tác giả phát minh, thường trêu đùa ông vì “sự lạc lõng” của tia laser với cuộc sống. Một vài người còn không ngần ngại tuyên bố laser là “một giải pháp sẽ khơi mào cho những phiền toái mới”. Tuy nhiên, tiến sĩ Townes (người sau này được trao giải Nobel) vẫn kiên trì với lý tưởng của mình. Thực tế đã chứng minh ông đúng.
Trong vòng 4 thập kỷ, công nghệ laser đã biến đổi từ một khái niệm mơ hồ trong phòng thí nghiệm trở thành một công nghệ phổ biến, được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống. Tia laser hiện có mặt ở khắp mọi nơi - từ những đầu đọc đĩa DVD cho tới các mạng điện thoại liên lạc, hệ thống vũ khí dành cho mục tiêu quân sự…. Tia laser có thể hướng đạo cho tên lửa, điều hướng các thiết bị hầm mỏ và cho phép các nhà thiên văn học có được những bức ảnh sắc nét hơn về bầu trời. Tia laser cũng trực tiếp đảm đương nhiều tác vụ "tầm thường" khác như in ấn văn phòng, gọt tỉa tóc tai v.v& Đương nhiên, ngay cả nhà phát minh cũng không thể tiên đoán hết tác dụng công nghệ họ đang nghiên cứu từ những thập kỷ 50.

Người đầu tiên dự báo về công nghệ laser không phải là Townes mà là Albert Einstein. Năm 1917, nhà vật lý vĩ đại tuyên bố nguyên lý một nguyên tử có thể phát ra một gói năng lượng (photon) theo một phương thức được kiểm soát thông qua quá trình kích thích phát xạ (“stimulated emission”). Vấn đề đặt ra là làm sao nguyên lý này có thể thực hiện được trên thực tế?

… Loé sáng

Theo tiến sĩ Townes, ý tưởng bất chợt đến khi ông đang ngồi trong công viên Franklin (Washington, Mỹ) vào một buổi sáng mùa xuân. Ngay lập tức ông chộp lấy mảnh giấy trong túi áo của mình và ghi lại những gì vừa xuất hiện trong đầu. "Rất may là tôi đã có một mẩu giấy bên mình. Đây là phong bì thư đã cũ với những dòng chữ nguệch ngoạc của một vị bác sĩ mà trước đó tôi đã ghé thăm", Townes thuật lại.

Xét về bản chất, tia laser hoạt động dựa trên một chuỗi phản ứng trong đó photon thuộc một bước sóng nhất định kích thích các nguyên tử khác “nhả” ra những photon tương tự. Để đảm bảo sự hoạt động trơn tru của chuỗi này, cần tới những vật liệu thích hợp (gọi là chất trung gian- gain medium) có thể là chất rắn, lỏng hoặc khí. Khởi đầu, chất trung gian sẽ được kích thích nhờ va chạm (bump) bởi một chùm sáng hoặc dòng điện. Động thái này kích thích nguyên tử trong chất trung gian, làm một số nguyên tử nhả photon thuộc một bước sóng cụ thể. Khi photon va chạm vào một nguyên tử khác ở trạng thái bị kích thích có thể khiến nguyên tử này sản sinh ra một photon giống hệt - quá trình được gọi là sự phát xạ do kích thích. Quá trình liên tục được lặp lại (liên tiếp có photon mới sản sinh) và chất trung gian đóng vai trò khuếch đại chùm sáng. Cũng từ đây, laser được đặt tên cho công nghệ (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation- phóng đại nguồn sáng bằng việc bức xạ do kích thích).

Tia laser có một vài thuộc tính khá đặc biệt. ánh sáng này là đơn sắc bởi chúng được tạo ra bởi cùng các photon giống nhau và cùng bước sóng. Bản thân bước sóng cũng quy định màu sắc của ánh sáng. Ngoài ra, tia laser cũng khá “nhất quán” về biên độ, bước sóng. Cũng chính từ đặc tính này mà chùm sáng laser thường rất “chặt” và tập trung, không phân tán.

Tiến sĩ Townes, phụ trách phòng thí nghiệm bức xạ thuộc Đại học Columbia (New York), đã áp dụng ý tưởng của mình để tạo ra các chùm bức xạ vi sóng vô hình sử dụng chất trung gian là a-mô-ni-ắc. Đồng nghiệp của Townes gọi thiết bị là maser (microwave amplification by stimulated emission of radiation- tạm dịch: khuếch đại vi sóng thông qua kích thích bức xạ). Maser đầu tiên không có khả năng phát ra các chùm bức xạ liên tiếp và người tìm ra giải pháp khắc phục vấn đề này là các nhà khoa học Nga, Nikolai Basov và Aleksandr Prokhorov. Năm 1964, hai nhà khoa học này vinh dự nhận giải Nobel cùng với tiến sĩ Townes.

Ngay sau sự ra đời của maser, câu hỏi lớn là liệu công nghệ này có được áp dụng để tạo ra các chùm sáng hữu hình (visible). Tiếp tục hành trình, tiến sĩ Townes cùng em rể Arthur Schawlow (làm việc cho phòng thí nghiệm danh tiếng Bell) đã đặt nền tảng lý thuyết cho một “maser quang học” trên tạp chí Physical Review xuất bản năm 1958. Đặc biệt, họ có ý tưởng đặt gương ở hai đầu chất trung gian, nhờ đó các photon có thể bật qua bật lại, tăng hiệu năng của laser. Tuy nhiên, ý tưởng quan trọng quyết định tính khả dụng của laser hữu hình chỉ xuất hiện vào năm 1957 và người "tình cờ" nắm bắt được ý tưởng này là Gordon Gould- nghiên cứu sinh của Đại học Columbia (học trò của tiến sĩ Townes). Ngay sau khi tia chớp sáng tạo vụt qua, Gould đã viết đầy 6 trang giấy về chi tiết phương thức hoạt động của thiết bị. Trong ghi chép của mình, Gould cũng là người đầu tiên sử dụng thuật ngữ laser (trong khi tiến sĩ Townes vẫn gọi là maser quang học). Sau khi phác thảo hết ý tưởng, Gould lập tức tới phòng công chứng địa phương để công chứng bản thảo. Tuy nhiên, ông đã sai lầm khi không đăng ký bản quyền. Gould đã tỏ ra "nông cạn" khicớngh tới chuyện xây dựng một mẫu thiết bị (prototype) trước khi đăng ký bản quyền.

Trong cuộc chiến bản quyền kéo dài suốt 30 năm sau đó, tiến sĩ Gould đã tuyên bố ở rất nhiều hội thảo rằng Townes đã đánh cắp ý tưởng của mình. Bản thân ông cũng cho rằng mình nhìn thấy tiềm năng thực sự của tia laser trong các ứng dụng thực tế- vốn được mô tả khá sơ sài trong bằng sáng chế dành cho Townes và Schawlow. Trong những năm 70 và 80, Gould đã giành chiến thắng trong một vài “cuộc chiến pháp lý”, sở hữu được một số bản quyền liên quan tới laser. Thời điểm đó, chắc chắn đã có nhiều người ngạc nhiên vì cả Townes và Schawlow đều không phải là người đầu tiên thử nghiệm laser.

Năm 1960, Theodore Maiman- một nhà vật lý thuộc Trung tâm nghiên cứu Hughes ở Malibu, California- bằng cách nào đó đã kết hợp tốt cách đặt cấu hình gương, chất trung gian và cơ chế kích thích qua va chạm để cho ra đời máy phát tia laser đầu tiên trên thế giới.

Chùm sáng thành công

“Không có gì là ngạc nhiên khi giáo sư Townes và Schawlow không thể dự báo tác dụng của laser vì những ứng dụng của laser là quá nhiều và đa dạng. Trong bối cảnh đó, việc đặt ra câu hỏi laser có ảnh hưởng như thế nào tới cuộc sống hiện đại cũng tương tự như thắc mắc về những tác dụng của điện năng”, Lou Bloomfield- nhà vật lý thuuộc Đại học Virginia (Charlottesville) nhận định.

Đầu tiên, laser phát huy hiệu quả tốt nhất trong công nghiệp và các lĩnh vực nghiên cứu: laser ứng dụng trong quang phổ học cho phép thăm dò các đặc tính của vật chất. Dần dần, những cụm phát laser bán dẫn nhỏ hiện diện ở khắp mọi nơi. Đơn giản nhất, bạn có thể tìm thấy các thiết bị phát laser ở trong hàng trăm triệu đầu đọc đĩa CD, DVD, các dòng máy PC và các bộ game console.

Trong một ổ đĩa quang, chùm laser được tập trung thành các tia rất nhỏ và rọi lên bề mặt đĩa. Trong quá trình quay, các chùm sáng được mặt đĩa phản xạ lại. Từng phân vùng trên bề mặt đĩa cho kết quả phản xạ khác nhau và sự khác biệt này được ghi nhận thông qua bộ cảm biến quang học. Đến lượt mình, bộ cảm biến “biên dịch” thông tin nhận được sang dạng số (digital).

Đầu đọc CD và DVD hoạt động theo cùng cơ chế, duy chỉ có điều DVD chứa được lượng dữ liệu nhiều hơn bởi sử dụng tia laser bước sóng ngắn hơn (650 nano-mét so với 780 nano-mét của CD). Bước sóng ngắn hơn cho phép tăng tần suất va chạm, sản sinh photon và tương đồng với nó là dữ liệu. Dự kiến, thế hệ ổ quang mới dựa trên công nghệ ghi đĩa laser xanh (với bước sóng khoảng 405 nano-mét), có khả năng lưu trữ những bộ phim chất lượng cao (High Definition- HD).

“So với các đầu máy đọc băng videocassette dựa vào băng từ và chứa nhiều bộ phận phức tạp, chi phí cao, các thiết bị laser sử dụng các thành tố giá rẻ hơn”, Paul Jackson- chuyên viên tư vấn của Forrester, khuyến cáo. Đương nhiên, giá thành các bộ đầu đọc DVD giảm mạnh so với các “đồng nghiệp” VCR, trở thành một trong những sản phẩm dễ được người sử dụng chấp nhận nhất trong lịch sử công nghệ. Được biết, chiếc đầu đọc DVD đầu tiên xuất hiện vào năm 1997. Chỉ hơn 10 năm sau, gần một nửa các hộ gia đình ở những quốc gia phát triển có đầu đọc DVD với mức giá chỉ 40 USD/bộ.

Hình dáng đẹp và chất lượng tốt

Hỗ trợ việc mang hình ảnh lên các màn hình, tia laser còn trợ giúp người ta xem những hình ảnh đó mà không phải dùng tới… kính: laser được ứng dụng trong phẫu thuật mắt. Đầu thập kỷ 60, khả năng ứng dụng laser trong y học đã được bàn tới và người đầu tiên có được ý tưởng này là Leon Goldman- mệnh danh là “cha đẻ của laser y học”. Ban đầu, Goldman nhận “đơn đặt hàng” thẩm định mức độ an toàn của tia laser công nghiệp. Công trình nghiên cứu của ông về tác động sinh học của laser đã khiến ông đi đến kết luận rằng có thể dùng tia laser trong giải phẫu.

Năm 1965, các bác sĩ bắt đầu sử dụng tia laser hoá chất Argon để chữa trị nguy cơ võng mạc rời- triệu chứng màng mỏng bên trong mắt có nguy cơ bị tách biệt với các mô hỗ trợ. Tập trung một chùm sáng laser trên bề mặt võng mạc, “đốt” tạo các mô sẹo để gắn kết trở lại võng mạc (tương tự nguyên lý hàn). Ngay cả đối với những nhà phát minh laser, ứng dụng này là một bước phát triển mới và hoàn toàn bất ngờ. “Thậm chí tôi chưa từng nghe tới cụm từ võng mạc rời”, tiến sĩ Townes tâm sự.
Ngày càng có nhiều người nói lời chia tay với chiếc kính nhờ công nghệ LASIK (laser-assisted in situ keratomileusis). Trong năm 2005, đã có khoảng 2 triệu người Mỹ trải qua điều trị sử dụng tia laser để chữa mắt cận hoặc viễn thị. Trong quá trình phẫu thuật LASIK, một công cụ sắc được sử dụng để cắt một vết nhỏ trên giác mạc (cornea). Bởi vì hình dạng của giác mạc quyết định mắt người sẽ cận hay viễn thị, tia laser được sử dụng để điều chỉnh trực tiếp hình dạng của bộ phận này.

Không chỉ giải phẫu mắt, tia laser còn được ứng dụng rộng rãi trong nhiều loại hình giải phẫu khác như giải phẫu tĩnh mạch, trị mụn, xoá nếp nhăn (làm đẹp)… “Tác dụng của laser và những công nghệ tương tự trong lĩnh vực trị liệu bệnh ngoài da trong vòng 20 năm qua là rất lớn”, David Goldberg- Giám đốc trung tâm nghiên cứu laser tại Đại học Y Mount Sinai (New York, Mỹ), nhận định. Cuộc sống ngày càng được cải thiện, các nhà nghiên cứu có cơ sở để tập trung đầu tư công sức hơn nữa vào các ứng dụng làm đẹp sử dụng laser.

Sẽ không phải bàn luận nhiều nếu laser chỉ có các tính năng làm đẹp, tia laser còn được sử dụng để cứu sống tính mạng nhiều người. Tia laser có thể trị u, loại bỏ tình trạng chảy máu tế bào v.v… nhờ đặc tính chính xác hơn rất nhiều so với các công cụ phẫu thuật truyền thống, ít gây tổn thương (vì thế mau lành). Đặc biệt, tia laser cũng có thể được truyền dẫn bên trong các sợi quang mềm dẻo và thực thi nhiệm vụ cả ở bên trong cơ thể.

Xung laser (laser pulse) di chuyển dọc các ống quang có tác dụng chữa bệnh nhưng lại được biết tới nhiều hơn nhờ khả năng truyền tải dữ liệu. Năm 1988, tuyến cáp quang xuyên Đại Tây Dương đầu tiên được đưa vào hoạt động. Sự kiện này có tác động rất lớn, thay đổi quan niệm kinh tế về viễn thông. “Nếu bạn nhìn vào bản đồ thế giới, bạn có thể tưởng tượng ra quả địa cầu là một mạng nhện lớn mà các sợi tơ là những tuyến cáp quang xuyên biển”, chuyên gia nghiên cứu về laser của Viện các kỹ sư điện và điện tử (IEEE) Paul Shumate nhận định. Nói về tốc độ phát triển của laser truyền dữ liệu, Tổng biên tập tạp chí Laser Focus World Stephen Anderson cho biết: "Năm 1975, toàn mạng điện thoại không có lấy một sợi cáp quang. 30 năm sau, sự hiện diện của dây đồng lại rất ít- ngoại trừ ở những nút nối cuối". Cũng theo Anderson, có rất ít người nhớ được sự khó khăn khi muốn thực hiện các cuộc gọi xuyên Đại Tây Dương ở thời điểm khoảng 40 năm về trước: phải thông qua nhiều cơ quan, tổ chức; phải “đặt hàng” trước vài ngày… Trong những năm 1990, cơn sốt cáp quang đã dẫn tới tình trạng đầu tư thái quá, cung vượt cầu. Đương nhiên, kết quả là sự sụp đổ của ngành viễn thông trong khi người tiêu dùng được lợi.

Sử dụng cùng lúc nhiều chùm laser, mỗi chùm thuộc một bước sóng hoặc màu sắc khác nhau, có khả năng truyền tải nhiều dòng dữ liệu trong cùng một sợi cáp quang- thủ thuật mang tên “ghép kênh đa bước sóng” (wavelength division multiplexing- WDM). Tăng mức độ chính xác trong cách thức tạo chùm tia laser (thường thông qua việc kiểm soát nhiệt độ) có thể tăng đáng kể khả năng truyền tải dữ liệu của cáp quang. Đầu những năm 1980, các sợi cáp quang chỉ có thể truyền tải một dòng dữ liệu duy nhất ở tốc độ 45 Mbit/s. Theo tiến sĩ Shumate, tốc độ này đã được cải thiện đạt mức 10 Gbit/s (tối đã 40 Gbit/s trong môi trường lý tưởng ở các phòng thí nghiệm). Thông qua việc gửi cùng lúc hàng chục dòng dữ liệu riêng biệt như vậy (hàng chục chùm tia có bước sóng khác nhau), tốc độ truyền tải của một sợi cáp quang trên nguyên tắc có thể đạt hàng terabit/s (hàng triệu Mbit/s). Tóm lại, những bước tiến của công nghệ laser có thể tăng khả năng của mạng lưới mà không cần phải lắp đặt những đường cáp mới.

Đương nhiên, các nhà khoa học sẽ tiếp tục nghiên cứu tìm tòi các ứng dụng mới của laser. Một trong những hướng 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. Trong khi đó Sherwood Technology (một công ty ở Widnes, Anh) đã tạo ra một hệ thống mang tên “Datalase” sử dụng tia laser để ghi giá, ngày tháng và những thông tin trên rau quả, thậm chí cả bánh kẹo. Để làm được việc này, trước tiên các loại thực phẩm được phủ một lớp bọc nhạy sáng và& ăn được. Rõ ràng, chưa thể kết luận đâu là tính năng cuối cùng của tia laser 10 năm sau ngày sinh của nó.

Bài học từ tia laser

Những ứng dụng của tia laser vượt xa ranh giới mục tiêu ban đầu của nó là phục vụ quang phổ học. “Ngay cả những nhà khoa học đại tài cũng không thể tưởng tượng ra laser lại có tác dụng lớn như vậy. Tuy nhiên, đây là đặc điểm chung khi những ý tưởng lớn vừa xuất hiện”, tiến sĩ Townes nhận định. Theo tiến sĩ Schawlow, việc có dự báo khả năng ứng dụng tia laser thậm chí còn cản trở quá trình tiến hoá của nó.

Một số người lo ngại môi trường nghiên cứu giúp phát minh ra công nghệ cơ bản này ngày càng hiếm. Bản thân tiến sĩ Bloomfield- người cũng đã từng có đóng góp tại Bell Labs, cho rằng các phòng nghiên cứu tại các doanh nghiệp lớn thường không có khả năng nhìn xa quá mốc thời gian 6 tháng. "Càng ngày con người càng có tật xấu là nhường vị trí tiên phong trong một lĩnh vực nào đó cho người khác rồi tìm cách lợi dụng thành quả của họ", ông Bloomfield nói.

Tia laser mang kèm theo nó là một bài học khách quan về giá trị của những công trình nghiên cứu tưởng như viển vông. Một công nghệ mơ hồ cũng có thể mang lại rất nhiều ứng dụng thực tiễn. Liệu tiến sĩ Townes có quay lại công viên Franklin nơi ông đã có được ý tưởng đột phá? Chắc là không. Tuy nhiên rất có thể nếu quay lại ông sẽ có những ý tưởng hoàn toàn mới.

NGƯỜI SƯU TẦM: NGUYỄN VĂN ĐỆ 10CL. TRƯỜNG THPT NGUYỄN DU. TP BUÔN MA THUỘT. TỈNH DAKLAK

Cập nhật ( 06/04/2007 )
 
Downlaod video thí nghiệm
Vui Lòng Đợi

Chúng tôi hiện có hơn 60 nghìn tài liệu để bạn tìm


Luyện Thi Đại Học Trực Tuyến
Tuyển sinh Lập trình mobile
Cầu vồng   |   Đăng nhập Đăng nhậpnew
Đang online (385)