Một nhóm nhà vật lí ở Mĩ vừa tạo ra một chùm laser hồng ngoại tại một điểm giữa không khí, bằng cách tập trung một laser tử ngoại lên trên một thể tích nhỏ gồm các phân tử oxygen. Phần lớn ánh sáng laser hồng ngoại xuất hiện truyền ngược về hướng laser tử ngoại, lấy mẫu không khí ở giữa khi nó phản hồi. Như vậy, “laser giật lùi” này có tiềm năng cung cấp các phép đo độc chất và các phân tử khác trong môi trường sẽ khó hoặc không thể nghiên cứu với các hệ laser thông thường.
Có một số phương pháp khác nhau trong đó laser được sử dụng để đo hàm lượng của các chất khí đặc biệt nào đó trong không khí, có thể là những độc chất có trong khí quyển hay vết tích các chất khí giải phóng bởi những chất nổ rắn. Những kĩ thuật này có sự tán xạ Raman, trong đó ánh sáng phản hồi với một chút chuyển dịch về bước sóng là hệ quả của sự kích thích laser nguyên tử hoặc phân tử. Tuy nhiên, ánh sáng tán xạ cực kì yếu và do đó mang lại một tín hiệu rất thấp. Trong chế độ “khuếch đại Raman kích thích”, tín hiệu được tăng cường bởi sự kích thích các phân tử khí sao cho chúng phát ra cùng tần số với laser. Kĩ thuật này yêu cầu một máy dò đặt ở mặt sau của mẫu chất khí, khiến cho việc sử dụng nó trong các môi trường đóng kín hoặc ở xa rất khó khăn.
Một phương pháp khắc phục hạn chế này là thiết lập một laser ở giữa không khí, chùm tia của nó lấy mẫu các phân tử dọc theo đường đi của nó khi nó phản hồi trở về nguồn phát. Năm 2004, một nhóm đứng đầu là See Leang Chin thuộc trường Đại học Laval ở Canada đã sử dụng một laser hồng ngoại để làm ion hóa các nguyên tử nitrogen, các ion và electron tái kết hợp sau đó phát ra ánh sáng kết hợp. Tuy nhiên, phương pháp này đòi hỏi một laser rất mạnh, và nhóm của Chin chỉ thu được một hiệu quả khuếch đại rất nhỏ, nghĩa là các nhà nghiên cứu phải ion hóa một vệt dài chất khí mới thu được hoạt động phát laser cần thiết.
Một xung ánh sáng laser tử ngoại cường độ mạnh ở bước sóng 226 nm làm phân li một phân tử oxygen (bên trái) thành các nguyên tử thành phần của nó. Hai photon tử ngoại sau đó bị hấp thụ bởi một nguyên tử oxygen, dẫn tới sự phát xạ một photon hồng ngoại ở bước sóng 845 nm. (Ảnh: Science)
Nghịch đảo nồng độ
Trong công trình mới nhất, Richard Miles và các đồng nghiệp tại trường Đại học Princeton sử dụng một cơ chế khác để thiết lập sự phát laser giữa khó khăn. Bằng cách tập trung một chùm laser bước sóng 226 nm lên trên một thể tích nhỏ không khí nằm ở khoảng cách từ 30 cm đến 1 m, họ đã có thể phá vỡ các phân tử oxygen thành các nguyên tử thành phần của chúng và sau đó làm kích thích những nguyên tử này. Việc làm cho những nguyên tử này phát laser khi đó dựa trên hai tính chất quan trọng của sự tập trung của chùm tia. Có cường độ rất cao, chùm hội tụ này gây ra một sự nghịch đảo nồng độ ở các nguyên tử oxygen, đảm bảo có nhiều nguyên tử bị kích thích hơn số nguyên tử không bị kích thích.
Ngoài đặc điểm này ra, thì hình dạng của chùm hội tụ - dài chừng 1 mm và rộng chỉ một vài phần trăm của 1 mm – có nghĩa là bất kì nguyên tử nào trải qua sự phát xạ tự phát đều có xu hướng kích thích sự phát xạ của các nguyên tử kích thích khác hoặc theo hướng xuôi, hoặc theo hướng ngược, chứ không kích thích các nguyên tử hợp với chùm tia một góc tùy ý nào khác. Điều này dẫn tới độ khuếch đại cao ở hướng xuôi lẫn hướng ngược.
Để xác nhận rằng họ đã thật sự tạo ra sự phát laser giật lùi, các nhà nghiên cứu đặt một máy dò CCD ở phía sau điểm hội tụ 1 m và sau đó đặt một ống nhân quang nhạy hơn hợp một góc tùy ý với chùm tia. Họ nhận thấy độ sáng phía sau điểm hội tụ cao hơn chừng vài triệu lần so với độ sáng ở những hướng khác,
Được truyền cảm hứng bởi những ngọn lửa nóng
Theo một đồng nghiệp của Miles, Arthur Dogariu, cảm hứng về laser giật lùi của họ đã đến cách đây vài năm trước khi họ đang sử dụng chính laser 226 nm đó để nghiên cứu sự hình thành oxygen nguyên tử bên trong những ngọn lửa nóng. Họ đang sử dụng laser đó để kích thích và ion hóa các nguyên tử do nhiệt của ngọn lửa giải phóng, để đo sự phát xạ đặc trưng của những ngọn lửa khác nhau. Nhưng cái họ để ý thấy là ngay cả khi họ tắt lửa đi thì họ vẫn thu được một tín hiệu – nói cách khác, laser đó vừa phá vỡ vừa kích thích oxygen.
Hiện nay, các nhà nghiên cứu đang lên kế hoạch tối ưu hóa cơ cấu của họ để xem có thể tăng độ khuếch đại của laser giật lùi của nó lên cao thêm bao nhiêu nữa. Khi đó, họ sẽ thử và tìm những phân tử khác nhau, sử dụng một số cơ cấu dò tìm khác nhau, bao gồm cả sự khuếch đại Raman kích thích. Họ cho biết laser giật lùi của họ sẽ làm cho việc quét qua không khí tìm dấu hiệu của methane trong trường hợp một ống chất khí bị rò rỉ, chẳng hạn, trở nên dễ dàng hơn. Hoặc là, họ cho biết nó có thể dùng để tăng cường sự dò tìm các chất nổ bằng cách khảo sát không khí xung quanh các gói hành lí khả nghi, tăng cự li và giảm hàm lượng mà một phân tích như vậy có thể thực hiện so với phương pháp tán xạ Raman chuẩn.
Các phép đo thực tế
Chin mô tả công trình trên là “rất hấp dẫn”, nhưng cho biết ông không bị thuyết phục là sự phát laser giật lùi như vậy thật sự có thể dùng để dò tìm các chất độc và những chất khí khác. Ông vẫn giữ quan điểm rằng các nhà nghiên cứu trên chưa giải thích thỏa đáng nguyên lí trên hoạt động như thế nào với các phân tử khác ngoài oxygen ra, và ông còn cảnh báo rằng các kết quả quy mô nhỏ trong phòng thí nghiệm không nhất thiết có thể triển khai cho những cự li lớn hơn nhiều trong những phép đo thực tế.
Miles Padgett ở trường Đại học Glasgow chia sẻ quan điểm của Chin. Ông nói nghiên cứu trên là “khá hấp dẫn”, nhưng “đối với tôi, sự kích thích chính là bản thân hiệu ứng chứ không phải sự ứng dụng khả dĩ ở giai đoạn này”.
Công trình được công bố trên tạp chí Science 331 442.
Nguồn: physicsworld.com
