Công nghệ mới cho các chùm laser cực nhanh, cường độ cao
Cảm hứng đến từ một bài báo khoa học đại chúng mô tả radar và các sóng vô tuyến bước sóng dài. Tuy nhiên, việc chuyển ý tưởng này cho các sóng ánh sáng nhìn thấy bước sóng ngắn hơn thật không dễ dàng, cả trên lí thuyết lẫn thực nghiệm. Bước đột phá ấy được mô tả trong một bài báo công bố vào tháng Mười Hai năm 1985 và đó là công bố khoa học đầu tiên của Donna Strickland. Lúc ấy, bà vừa chuyển từ Canada sang Đại học Rochester ở Mĩ, nơi bà cảm thấy hứng thú với vật lí học laser bởi yêu thích các chùm tia xanh đỏ thắp sáng phòng thí nghiệm giống như cây Giáng sinh và một phần do bởi tầm nhìn xa rộng của người cố vấn, Gérald Mourou. Một trong số những cái nhìn này nay đã được hiện thực hoá – ý tưởng khuếch đại các xung laser nhanh thành những xung mạnh chưa có tiền lệ.
Ánh sáng laser được tạo ra qua một phản ứng dây chuyền trong đó các hạt ánh sáng, hay photon, tạo ra nhiều photon hơn nữa. Các tia laser có thể phát ra dưới dạng xung. Kể từ khi phát minh ra laser, gần 60 năm trước, các nhà nghiên cứu đã nỗ lực tạo ra những xung laser ngày càng mạnh. Tuy nhiên, vào giữa thập niên 1980, con đường cố gắng ấy đã đến hồi kết. Đối với các xung nhanh, ta không thể tiếp tục tăng cường độ ánh sáng thêm nữa mà không làm hỏng vật liệu khuếch đại.
Hình 3. Kĩ thuật CPA đã cách mạng hoá công nghệ laser. Nó cho phép phát ra những xung ánh sáng cực nhanh, cường độ rất mạnh bằng cách sử dụng một phương pháp phức tạp để tránh nguy cơ làm hỏng vật liệu khuếch đại. Thay vì khuếch đại trực tiếp xung ánh sáng, trước tiên nó kéo giãn xung laser, làm giảm công suất đỉnh của nó. Sau đó xung được khuếch đại và rồi nén lại cho nhiều ánh sáng hơn vào một chỗ - thành ra xung ánh sáng trở nên cực kì mạnh.
Kĩ thuật mới của Strickland và Mourou, gọi là khuếch đại xung cực nhanh, CPA, vừa đơn giản vừa đẹp. Lấy một xung laser nhanh, giãn nó ra về thời gian, khuếch đại nó lên rồi nén nó lại. Khi một xung bị kéo giãn về thời gian, công suất đỉnh của nó hạ đi nhiều thành ra nó có thể được khuếch đại thật nhiều mà không làm hỏng bộ khuếch đại. Sau đó xung được nén về thời gian, nghĩa là có nhiều ánh sáng hơn được gói ghém với nhau vào một vùng không gian bé tí – và cường độ của xung khi ấy tăng lên rất nhiều.
Mất vài năm Strickland và Mourou mới kết hợp mọi thứ một cách thành công. Như thường lệ, khó khăn bắt nguồn từ những chi tiết thực nghiệm lẫn về mặt ý niệm. Chẳng hạn, xung từng được kéo giãn bằng một sợi quang lúc đầu đòi hỏi phải dài 2,5 km. Nhưng chẳng có ánh sáng ló ra – sợi cáp bị hỏng đâu đó ở giữa chừng. Sau vô số thất bại, họ thấy cần sợi quang dài 1,4 km là đủ. Một khó khăn lớn là đồng bộ hoá các tầng thiết bị khác nhau, làm cho bộ giãn xung ăn khớp với bộ nén xung. Vấn đề này cũng đã được giải quyết và, vào năm 1985, Strickland và Mourou đã có thể chứng minh lần đầu tiên rằng kĩ thuật tinh vi của họ cũng hoạt động được trên thực tế.
Kĩ thuật CPA mà Strickland và Mourou phát minh đã làm cách mạng hoá ngành vật lí học laser. Nó trở thành chuẩn cho mọi laser cường độ cao sau này và là cánh cổng mở sang những lĩnh vực và ứng dụng hoàn toàn mới trong vật lí học, hoá học và y học. Các xung laser nhanh nhất và cường độ mạnh nhất nay đã được tạo ra trong các phòng thí nghiệm.
Xem Phần 2
Camera dùng phim nhanh nhất thế giới
Các xung cực nhanh và cực mạnh này được sử dụng như thế nào? Một lĩnh vực ứng dụng có từ sớm là rọi sáng nhanh cái xảy ra giữa các phân tử và nguyên tử trong thế giới vi mô vốn biến đổi liên tục. Các thứ xảy ra nhanh, nhanh đến mức suốt một thời gian dài người ta chỉ có thể mô tả cái xảy ra trước và sau đó mà thôi. Nhưng với các xung nhanh cỡ femto-giây, một phần triệu tỉ của một giây, ta có thể chứng kiến những sự kiện trước đây có vẻ như xảy ra tức thời.
Cường độ cực mạnh của laser còn biến nó thành một công cụ biến đổi tính chất của vật chất: có thể biến chất cách điện thành chất dẫn điện, và các chùm laser cực sắc có thể cắt hoặc khoan lỗ cực kì chính xác trong các chất liệu đa dạng – thậm chí ở trong vật chất sống.
Ví dụ, ta có thể dùng laser để có sự lưu trữ dữ liệu hiệu quả hơn, vì việc lưu trữ không chỉ dựa trên bề mặt vật liệu, mà còn phụ thuộc vào những lỗ khoan bé tí vào bên trong môi trường lưu trữ. Công nghệ này còn được sử dụng để chế tạo stent phẫu thuật, những ống kim loại kích cỡ micro mét để nông và gia cố mạch máu, đường tiết niệu và những đường dẫn khác bên trong cơ thể.
Có vô số lĩnh vực ứng dụng, cho đến nay vẫn chưa được khám phá hết. Mỗi bước tiến về phía trước cho phép các nhà nghiên cứu có những cái nhìn sâu sắc hơn về những thế giới mới, làm thay đổi cả nghiên cứu cơ bản lẫn ứng dụng thực tiễn.
Hình 4. Các xung nhanh phát ra từ laser femto giây (phải) ít gây hại cho vật liệu hơn hàng triệu lần so với các xung kéo dài phát ra từ laser nano giây (trái). Các xung laser cực nhanh và cường độ mạnh được sử dụng trong phẫu thuật mắt, lưu trữ dữ liệu và sản xuất stent y tế dùng trong phẫu thuật mạch máu.
Một trong những lĩnh vực nghiên cứu mới đã phát sinh trong những năm gần đây là vật lí học atto giây. Các xung laser nhanh hơn 100 atto giây (một atto giây là một phần tỉ tỉ của một giây) làm sáng tỏ thế giới kịch tính của các electron. Electron là những chú ngựa thồ của hoá học; chúng là nguyên nhân gây ra các tính chất quang và điện của toàn thể vật chất và các liên kết hoá học. Ngày nay, không những người ta có thể quan sát chúng, mà còn điều khiển chúng nữa.
Hình 5. Các xung laser càng nhanh, thì các chuyển động có thể quan sát được càng nhanh. Các xung laser nhanh đến mức gần như không tưởng là các xung nhanh cỡ vài femto giây, và còn có thể nhanh hơn một nghìn lần nữa, cỡ atto giây. Điều này cho phép những chuỗi sự kiện, mà có thời người ta chỉ có thể dự đoán, được quay phim lại; chuyển động của các electron xung quanh hạt nhân nguyên tử nay có thể được quan sát bằng một camera atto giây.
Hướng tới ánh sáng cường độ mạnh hơn
Nhiều ứng dụng cho những kĩ thuật laser mới này đang chờ ở phía trước – điện tử nhanh hơn, pin Mặt Trời hiệu quả hơn, chất xúc tác tốt hơn, máy gia tốc mạnh hơn, những nguồn năng lượng mới, hoặc bào chế dược phẩm. Đúng là có một cuộc đua bền sức trong vật lí học laser.
Donna Strickland hiện vẫn tiếp tục sự nghiệp nghiên cứu của bà ở Canada, còn Gérald Mourou đã trở về Pháp và tham gia một sáng kiến của châu Âu về công nghệ laser, bên cạnh những dự án khác. Sáng kiến này đã khởi xướng và chỉ đạo phát triển sơ bộ Hạ tầng Ánh sáng Cực độ (Extreme Light Infrastructure – ELI). Ba địa điểm – ở Cộng Hoà Czech, Hungary và Romania – sẽ xây dựng xong trong vòng vài năm tới. Công suất đỉnh theo kế hoạch là 10 peta watt, tương đương với một tia loé cực nhanh từ một trăm nghìn tỉ bóng đèn.
Mỗi địa điểm này sẽ chuyên dành cho một lĩnh vực – nghiên cứu atto giây ở Hungary, vật lí hạt nhân ở Romania và các chùm hạt năng lượng cao ở Cộng hoà Czech. Những cơ sở mới và mạnh hơn nữa đang được lên kế hoạch ở Trung Quốc, Nhật Bản, Mĩ và Nga.
Người ta suy đoán về bước phát triển kế tiếp: tăng công suất thêm 10 bậc, lên 100 peta watt. Tầm nhìn cho tương lai của công nghệ laser chưa dừng lại ở đó. Tại sao không phải là công suất một zetta watt (một triệu peta watt, 1021 watt), hay những xung nhanh đến zepto giây, tương đương với một lát thời gian nhỏ không tưởng, 10-21 giây)? Những chân trời mới đang mở rộng, từ các nghiên cứu vật lí lượng tử trong chân không cho đến sản xuất các chùm proton cường độ mạnh dùng cho xạ trị các tế bào ung thư trong cơ thể. Tuy nhiên, dẫu ở hiện tại thì những phát minh đáng tôn vinh này đã cho phép chúng ta sục sạo thế giới vi mô theo đúng tinh thần của Alfred Nobel – vì lợi ích lớn nhất cho nhân loại.
Hình 6. Sự phát triển của xung laser cường độ cao nhất. Kĩ thuật CPA giật giải năm nay là nền tảng cho sự phát triển như vũ bão của các xung laser ngày càng mạnh.
Bài báo gốc của các tác giả đoạt giải:
Ashkin, A. (1997) Optical trapping and manipulation of neutral particles using lasers, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, Vol. 94, pp. 4853–4860
Strickland, D. và Mourou, G. (1985) Compression of Amplified Chirped Optical Pulses, Optics Communications, Vol. 56, Nr 3
Trần Nghiêm dịch từ NobelPrize.org
