Kỉ niệm 50 năm laser: Từ súng bắn tia đến đĩa Blu-ray

Sidney Perkowitz (Physics World, tháng 5/2010)

Những phản ứng đầu tiên của công chúng trước các laser thay đổi từ “Tia chết chóc!” cho đến “Ý tưởng hay, nhưng nó có lợi gì?”. Trong bài, Sidney Perkowitz nhận xét làm thế nào laser đã quyện chặt lấy đời sống hàng ngày của chúng ta, từ những ứng dụng thường nhật cho đến văn hóa công chúng.

alt

James Bond bị bắt giữ bởi Goldfinger và laser đỏ khoa học viễn tưởng của ông có thể cắt xuyên qua vàng. (Ảnh: Danjaq/EON/UA/The Kobal Collection)

Có một cảnh đặc biệt trong câu chuyện viễn tưởng năm 1989 của H G Wells, Chiến tranh giữa các thế giới, mà nếu tôi nhớ đến nó, thì có lẽ nó đã giúp tôi tránh được một thời khác tồi tệ trong phòng thí nghiệm laser của mình hồi năm 1980. Trong câu chuyện ấy – xuất bản từ lâu trước khi laser xuất hiện vào năm 1960 – những người sao Hỏa tiến hành phá hủy trái đất với một loại tia mà nhân vật chính gọi đó là “lưỡi gươm nhiệt vô hình, không thể tránh được”, chiếu ra như thể “một ngón tay cực nóng kéo giật... giữa tôi và những người sao Hỏa”. Trừ tên gọi ra, tất cả những gì Wells đang mô tả là một loại laser hồng ngoại phát ra một chùm tia thẳng vô hình – cùng loại laser mà thập niên sau đó trong phòng lab của tôi, đã đốt cháy một cái áo sơ mi tôi thích và bắt đầu tấn công lên cánh tay của tôi.

Tiên đoán táo bạo của Wells về một thứ vũ khí hủy diệt dạng tia đã truyền cảm hứng sang những người khác trong lĩnh vực khoa học viễn tưởng. Từ những năm 1920 đến 1930, Buck Rogers và Flash Gordon đã sử dụng súng bắn tia dễ gây chú ý nghệ thuật trong những chuyến phiêu lưu vũ trụ của họ như thể hiện trong truyện tranh và trong phim ảnh. Năm 1951, con rô bôt quyền năng Gort đã chiếu ra một tia hạ răm rắp những loại vũ khí đe dọa khác trong bộ phim Ngày Trái đất Vẫn Tồn tại. Những màn trình diễn như vậy đã đưa những dụng cụ kiểu laser vào trong trí não của công chúng ngay trước khi chúng được phát minh ra. Nhưng vào lúc Đế chế xấu xa trong bộ phim Chiến tranh giữa các vì sao Phần IV: Niềm hi vọng mới (1977) sử dụng laser Ngôi sao Chết của nó để phá hủy toàn bộ một hành tinh, thì các laser đã là cái của thực tế, chứ không chỉ trong truyện viễn tưởng nữa. Các laser đang làm thay đổi cách chúng ta sinh sống, thỉnh thoảng theo những kiểu kịch tính đến mức người ta có thể hỏi đâu là sự thật và đâu và viễn tưởng chứ?

Giống như truyện khoa học viễn tưởng, cơ sở vật lí thực của các laser có lịch sử dài ngày của riêng nó. Một điểm xuất phát căn bản là năm 1917, khi Eistein, sau những thành công xuất chúng của ông với thuyết tương đối và thuyết lượng tử ánh sáng, đã nêu ý tưởng sự phát xạ cảm ứng, trong đó một photon cảm ứng một nguyên tử kích thích phát ra một photon giống hệt. Gần bốn thập kỉ sau đó, trong những năm 1950, nhà vật lí người Mĩ Charles Townes đã sử dụng hiện tượng này để tạo ra những vi sóng cường độ mạnh từ một môi trường phân tử giữ trong một cái hộp. Ông đã tóm tắt quá trình cơ bản trên – sự khuếch đại vi sóng bằng sự phát bức xạ cảm ứng – trong tên gọi “maser”.

Sau khi Townes và người đồng nghiệp của ông, Arthur Schawlow, đề xuất một khuôn khổ tương tự cho ánh sáng khả kiến, thì Theodore Maiman, thuộc Phòng Nghiên cứu Hughes ở California, đã làm cho nó hoạt động. Năm 1960, ông đã khuếch đại ánh sáng đỏ bên trong một thỏi ruby rắn để tạo ra laser đầu tiên. Tên gọi laser được đặt ra bởi Gordon Gould, một nghiên cứu sinh tại trường đại học Columbia, ông đã dùng từ “maser” và thay thế “vi sóng” với “ánh sáng”, và sau này nhận bằng phát minh cho những đóng góp của riêng ông cho ngành khoa học laser.

Sau minh chứng của Maiman cho laser đầu tiên, đã có nhiều sự hứng thú và hăng hái trong lĩnh vực trên, và laser ruby sớm được tiếp nối bởi laser helium neon hay laser HeNe, phát minh tại Phòng thí nghiệm Bell vào năm 1960. Có khả năng hoạt động như những đơn vị nhỏ, công suất thấp, nó phát ra ánh sáng đều đặn, màu đỏ sáng, ở bước sóng 633 nm. Tuy nhiên, một loại laser còn dễ thao tác hơn nữa được khám phá ra hai năm sau đó khi một nhóm nghiên cứu tại công ti điện General Electric nhìn thấy hoạt động laser từ một diode điện chế tạo từ chất bán dẫn gallium arsenide. Diode laser đầu tiên đó đã làm sinh sôi nảy nở cả một họ hàng đa năng, đa dụng của những dụng cụ nhỏ bao quát một ngưỡng rộng bước sóng và công suất. Diode laser nhanh chóng trở thành loại laser thịnh hành nhất, và vẫn dùng nhiều cho đến ngày nay – theo một khảo sát thị trường mới đây, 733 triệu diode laser được bán ra vào năm 2004.

Cuộc sống tốt hơn nhờ laser

Khi những loại laser đa dạng có mặt trên thị trường, và những ứng dụng khác nhau dành cho chúng được phát triển, thì những dụng cụ này đã đi vào đời sống của chúng ta đến mức đặc biệt khác thường. Trong khi Maiman đã bị mất tinh thần rằng phát minh của ông lập tức bị gọi là “tia chết chóc” trong một tít báo gây giật gân, thì các laser đủ mạnh được sử dụng làm vũ khí sẽ không có mặt trong 20 năm sau đó. Thật vậy, những phiên bản thịnh hành nhất là những đơn vị nhỏ gọn thường sản sinh ra chỉ hàng miliwatt.

Một thập kỉ rưỡi sau khi phát minh ra chúng, laser HeNe, và sau đó là diode laser, trở thành cơ sở cho máy quét mã vạch – mẫu ghi điện toán hóa của vân trắng đen nhận dạng một sản phẩm theo mã sản phẩm toàn cầu (UPC) của nó. Ý tưởng tự động hóa những dữ liệu như thế dùng trong buôn bán và kiểm kê đã phát sinh từ những năm 1930, nhưng mãi cho đến năm 1974 thì máy quét laser dịch vụ đầu tiên của một khoản ghi với một kí hiệu UPC – một gói kẹo cao su Wrigley – mới xuất hiện tại quầy tính tiền siêu thị ở Ohio. Ngày nay được sử dụng rộng khắp trong hàng tá ngành công nghiệp, các mã vạch được quét hàng tỉ lần mỗi ngày và được khẳng định đã tiết kiệm hàng tỉ đô la mỗi năm cho các khách hàng, nhà bán lẻ, cũng như nhà sản xuất.

alt

Trái: quét mã vạch. (Ảnh: Photolibrary). Phải: truyền thông tin qua sợi quang. (Ảnh: TEK Image/Science Photo Library)

Các laser cũng sẽ thống trị phương thức chúng ta truyền thông. Ngày nay, chúng nối kết nhiều triệu máy tính trên khắp thế giới bẳng cách gửi những xung sáng bit nhị phân vào trong mạng lưới sợi quang thủy tinh tinh khiết ở tốc độ hàng terabyte mỗi giây. Các công ti điện thoại bắt đầu lắp đặt hạ tầng sợi quang vào cuối những năm 1970 và tuyến cáp quang xuyên đại dương đầu tiên bắt đầu hoạt động giữa Mĩ và châu Âu vào năm 1988, với hàng chục nghìn kilomet cáp quang dưới biển hiện hữu trên thế giới hiện nay. Mạng lưới toàn cầu này được kích hoạt bởi các diode laser, chúng phân phối ánh sáng vào trong những sợi quang có đường kính lõi vài micromet ở những bước sóng chỉ tắt đi trên những cự li xa. Trong vai trò này, laser đã trở thành không thể thiếu trong thế giới đa liên kết của chúng ta.

Khi các laser ngày một trở nên quan trọng, thì các phiên bản viễn tưởng của chúng vẫn tiếp tục chung sống hòa bình – và thậm chí cón củng cố thêm – với thực tại. Chỉ 4 năm sau khi laser được phát minh ra, bộ phim Goldfinger (1964) đã mô tả một cảnh đáng nhớ trong đó một người đàn ông bị trói quằn quại: Sean Connery thủ vai James Bond bị bó chặt vào một cái bàn bằng vàng rắn trên đó một chùm laser di chuyển, làm bay hơi vàng trong dường đi của nó và lừ lừ hướng đến đũng quần của Bond – như thể bình thường, Bond vẫn hiện ra bình an vô sự.

Laser đó chiếu ánh sáng màu đỏ để tăng thêm sự xúc cảm thị giác, nhưng khả năng cắt xuyên kim loại của nó báo hiệu trước cho chùm hồng ngoại vô hình của laser carbon-dioxide (CO₂) đầy sức mạnh sau này – loại đã từng thiêu rụi cái áo sơ mi của tôi. Được phát minh ra vào năm 1964, laser CO₂ phát ra hàng trăm watt hoạt động liên tục được đưa vào làm công cụ cắt công nghiệp vào những năm 1970. Ngày nay, những phiên bản kilowatt đã có để dùng, thí dụ như “hàn từ xa” trong ngành công nghiệp ô tô, trong đó một chùm laser được điều khiển bằng cơ chế quang học có thể nhanh chóng hoàn thành nhiều mối hàn kim loại cùng một lúc. Các laser công suất cao thích hợp cho những nhiệm vụ công nghiệp đa dạng khác, và thậm chí dùng cho việc mở đai ốc.

Xem tiếp phần 2...