Chương 1-Tổng quan về Laser 1. Góc nhìn lịch sử Ngày nay, người ta có thé sửa đổi, thăm dò, hay phá hủy vật chất bằng cách sử dụng các bức xạ tập trung cao phát ra từ các nguồn năng lượng gọi là Laser [12]. Hau như tat cả ánh sáng mà chúng ta nhìn thay hàng ngày, từ ánh sáng Mặt Trời, các vì sao, các bóng đèn nóng sáng và đèn huỳnh quang, cho đến các bộ ti vi, đều xảy ra tự phát khi các nguyên tử và phân tử tự giải phóng năng lượng thừa của chúng. Ánh sáng tự nhiên và ánh sáng nhân tạo thông thường được phát ra bởi sự thay đổi năng lượng ở các mức nguyên tử và phân tử xảy ra mà không cần có sự can thiệp từ bên ngoài.
Tuy nhiên, loại ánh sáng thứ hai tồn tại và xảy ra khi nguyên tử hay phân tử vẫn giữ năng lượng dư thừa của nó cho đến khi bị cưỡng bức phải phát ra năng lượng dưới dạng ánh sáng. Laser được chế tạo để tạo ra và khuếch đại dạng ánh sáng cưỡng bức này thành các chùm cường độ mạnh và tập trung. Laser là từ viết tắt của Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation (Khuếch đại ánh sáng bằng sự phát bức xạ cưỡng bức). Tính chất đặc biệt của ánh sáng Laser khiến cho kĩ thuật Laser trở thành một công cụ thiết yếu trong hầu như mọi mặt đời sống hàng ngày, như viên thông, giải trí, sản xuât và y khoa.
Albert Einstein đã tình cờ đặt bước đầu tiên trong sự phát triển Laser với việc nhận thấy có khả năng có hai loại phát xạ. Trong một bài báo công bố năm 1917, ông là người đầu tiên đề xuất sự tồn tại của phát xạ cưỡng bức. Trong nhiều năm, các nhà Vật Lý cho rằng sự phát xạ tự phát của ánh sáng là hình thức khả dĩ và trội nhất, và bất cứ sự phát xạ cưỡng bức nào cũng đều phải yếu hơn nhiều lần. Mãi đến sau chiến tranh thế giới thứ hai, người ta mới bắt đầu tìm kiếm những điều kiện cần thiết cho sự phát xạ cưỡng bức chiếm ưu thế, và làm cho một nguyên tử hay phân tử kích thích nguyên tử hay phân tử khác, tạo ra hiệu ứng khuếch đại ánh sáng phát xạ.
Luận Văn Tốt Nghiệp Năm 1958 có thé coi là năm đánh dau sự phát minh ra Laser, với sự ra mắt của bài báo khoa học có tiêu đề “Các maser quang học và hồng ngoại” của Arthur L.Schawlow — khi đó là một nhà nghiên cứu của phòng thí nghiệm Bell, và Charles H. Townes — khi đó là một cố van của phòng thí nghiệm Bell, được đăng trên tạp chí Physical Review của Hội Vật lý Mỹ. Tại ĐH Columbia, Townes nghiên cứu về khả năng sử dụng bức xạ cảm ứng để nghiên cứu phổ học phân tử. Chính công trình này đã dẫn đến sự phát minh ra maser và sau đó là Laser.
Townes biết rằng, khi bước sóng của bức xạ vô tuyến giảm dần thì tương tác giữa nó với nguyên tử càng mạnh, làm cho nó trở thành một công cụ trắc phổ hữu hiệu hơn. Tuy nhiên, trình độ kỹ thuật lúc bay giờ chưa cho phép chế tạo một thiết bị đủ nhỏ dé phát ra bước sóng như mong muốn. Townes nảy ra ý tưởng vượt qua hạn chế kỹ thuật này bằng cách sử dụng ngay chính các phân tử để phát ra tần số như mong muốn. Năm 1951, Townes đề nghị một sinh viên mới tốt nghiệp là James P.
Gordon cùng hợp tác với ông, và thuê H. Zeiger làm phụ tá. Cũng trong năm ấy, Schawlow chia tay Townes, rời DH Columbia dé nhan công việc nghiên cứu tại phòng thí nghiệm Bell. Townes quyết định thí nghiệm với NH¿, là chất hap thụ và tương tác rất mạnh với bức xạ.
Tuy nhiên, ý tưởng về maser của Townes không được nhiều nhà khoa học khác lúc bấy giờ ủng hộ. Một sé người gọi điện đến phòng thí nghiệm nơi nhóm của Townes đã làm việc trong 2 năm dé chế tạo thiết bi maser dé khuyén Townes nên dừng ngay công việc vô nghĩa và hao tốn tiền của nha nước (khi đó nhóm của Townes đã sử dụng hết 30.000 USD trong tổng số tiền được cấp). Townes nói: “Họ không ủng hộ chúng tôi, nhưng chúng tôi đã lặng lẽ làm việc và cuối cùng cũng đã thành công”. Năm 1953, Townes, Gordon va Zeiger công bố một thiết bi ma Townes goi la MASER (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation), nghĩa là Luận Văn Tốt Nghiệp sự khuếch đại sóng vô tuyến do bức xạ cưỡng bức và đăng ký bản quyền sáng chế tại ĐH Columbia.
Thành tựu bước đầu này vẫn không xua tan được sự hoải nghỉ của các nhà khoa học đương thời. Nhiều người chế nhạo nhóm của Townes và gọi thiết bị MASER là “Means of Acquiring Sponsor for Expensive Research”, tam dịch là “cách thức dé nhận được sự tải trợ cho một nghiên cứu tốn kém”. Sau khi chế tao maser, Townes lại nhận thay rằng vùng sóng ánh sáng hong ngoại và khả kiến có thé giúp cho việc nghiên cứu phô học hiệu quả hơn là vùng sóng vô tuyến do maser phát ra. Do đó, ông tiếp tục nghiên cứu khả năng mở rộng nguyên lý của maser cho vùng sóng hồng ngoại và kha kiến nhim chế tạo một thiết bị gidng như maser, nhưng phát ra các bước sóng ở vùng hông ngoại va khả kiến.
Năm 1956 khi còn đang ở DH Columbia, Townes chuyên sang làm Cô vấn cho phòng thí nghiệm Bell. Ông vừa lam công việc của một cô van vừa suy nghĩ về việc kích thích sự phát xạ anh sáng. Tại phòng thí nghiệm Bell, ông gặp lại Schawlow. Thật tinh cờ là cả hai ông đều đang suy nghĩ vẻ khả năng mở rộng nguyên lý của maser từ vùng sóng vô tuyến ra vùng các bước sóng ngắn hơn, như vùng hồng ngoại và khả kiến.
Hai nhà khoa học đã từng hợp tác với nhau trong quá khứ và năm 1955 đã cùng viết cuốn sách “Pho học vô tuyến”, nay lại gặp nhau tại phòng thí nghiệm Bell. Họ tiếp tục hợp tác với nhau và chính sự hợp tác này đã dẫn đên sự ra đời của Laser vài năm sau đó. Schawlow đưa ra ý tưởng đặt ở mỗi đầu của buồng cộng hưởng một tam gương dé phản xạ ánh sáng qua lại nhằm làm tăng sự bức xạ cưỡng bức. Ông nghĩ rằng có thé tạo ra ánh sáng khuếch đại chỉ có duy nhất một tần số bang cách điều chinh hướng của các gương phản xạ này.
Schawlow thảo luận với Townes về khả năng này và cả hai ông đều rất hứng thú với nó. họ bắt đầu thử nghiệm ý tưởng của mình. Sau 8 tháng làm việc, sự hợp tác của hai ông đã đạt được kết quả. Nam 1958, hai ông viết bai báo “Cac maser quang học va hồng ngoại" trình bay về công trình Luận Văn Tốt Nghiệp của ho đăng trên tạp chi Physical Review số tháng 12-1958, khẳng định rằng nguyên lý của maser có thé được mở rộng cho những vùng khác của quang phd, và gọi thiết bị đó là Laser, đù cho họ vẫn chưa chế tạo được một Laser thực sự.
Các nha khoa học khác theo chân ông chế tạo maser thành công, và một lượng đáng kẻ các nỗ lực tập trung vào cỗ gang tao ra bức xạ cưỡng bức ở các bước sóng ngắn hơn. Nhiều khái niệm cơ sở cho sự ra đời của Laser được phát trién cũng khoảng thời gian đó, cuối thập niên 1950, bởi Townes và Arthur Schawlow (thuộc Phong thí nghiệm Bell) và bởi Gordon Gould ở trường đại học Columbia. Gould đi thăng tới việc đăng kí bằng sáng chế chứ không công bó ý tưởng của mình, và mặc dù ông được công nhận là người đặt ra từ “laser”, nhưng cũng phải mat gan 30 năm sau ông mới nhận được một vài bằng sáng chế. Hai năm sau (1960), Schawlow vàTownes nhận được bằng sáng chế cho phát minh ra Laser.
Việc công bố công trình của Schawlow và Townes kích thích một nỗ lực to lớn nhằm chế tạo một hệ Laser hoạt động được. Thang 5/1960, Theodore Maiman, làm việc tại Phòng nghiên cứu Hughes, chế tạo được một dụng cụ bằng thỏi ruby tông hop, được công nhận là Laser dau tiên. Laser ruby của Maiman phát ra các xung ánh sáng đỏ kết hợp cường độ mạnh có bước sóng 694 nm, trong một chùm hẹp có mức độ tập trung cao, khá tiêu biểu cho những đặc tính biểu hiện bởi nhiều Laser hiện nay. Laser đầu tiên dùng một thỏi ruby nhỏ có hai đầu mạ bạc đề phản xạ ánh sáng, bao quanh bởi một đèn flash xoăn ốc, và đủ nhỏ đề cằm trong tay.
Vẫn có sự bất đồng vé người xứng đáng được công nhận cho khái niệm Laser. Hai người Xô Viết, Nikolai Basov và Aleksander Prokhorov, cùng chia giải Nobel vật lí năm 1964 với Townes cho nghiên cứu tiên phong của họ về các nguyên lí nền tảng cho maser va laser. Schawlow thì chia giải Nobel vật lí năm 1981 cho nghiên cứu của ông vẻ Laser. Năm 1970, Zhores Ivanovich Alferov của Liên Xô và Hayashi và Panish của Phòng thí nghiệm Bell đã độc lập phát triển Laser diode hoạt động liên tục ở nhiệt độ trong phòng, sử dụng cấu trúc đa kết nối.
Luận Văn Tốt Nghiệp Mặc dù Laser phát ra ánh sáng khả kiến là pho biến nhất, nhưng các nguyên lí cơ bản có thé áp dụng được cho nhiều vùng phô điện từ. Sự phát xạ cưỡng bức đầu tiên thu được trong vùng vi ba của phô điện từ, nhưng hiện nay Laser có mặt trên thị trường còn phát ra ánh sáng cực tím và hồng ngoại, và tiến bộ đang được thực hiện theo hướng tạo ra Laser trong vùng phô tia X. Các Laser thực tế được sử dụng hiện nay có công suất phat từ đưới 1 miliwatt cho đến nhiều kilowatt, và một số tạo ra cả nghìn ti watt trong những xung cực ngắn. Hình 1 cho thấy một số loại Laser điên hình, có kích thước đủ cỡ va ứng dụng rộng rãi.
Các phòng thí nghiệm thuộc quân đội và phòng thí nghiệm khác đã chế tạo được những thiết bị Laser chiếm ca một tỏa nha, trong khi những Laser phô biến nhất sử dụng dung cụ bán dan kích thước bằng một hạt cát. Luận Văn Tốt Nghiệp 1. Nguyên tắc hoạt động Laser là một thiết bị dang dé tạo ra một chùm ánh sáng cực mạnh [3]. Nó kích thích các nguyên tử đề chúng phát ra ánh sáng theo một cách thức rất đặc biệt.
Một Laser gồm có 3 bộ phận chính: - Một môi trường hoạt tinh - là một khối chất khí, lỏng hoặc một thỏi chat rắn (gọi chung là hoạt chất). Nó là chất liệu dé tạo ra ánh sang Laser.