Khóa Luận Tốt Nghiệp Về Vật Lý Laser Siêu Ngắn Và Cơ Chế Phát Xạ Sóng Hài

Khóa luận tốt nghiệp khám phá cơ chế phát xạ sóng hài trong vật lý laser siêu ngắn, ứng dụng và tiềm năng trong nghiên cứu khoa học.

• Tác giả: Pham Thi Tuyet Mai
• Người hướng dẫn: TSKH. Le Van Hoang
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Tp. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Vật Lý
• Đề tài: Laser Siêu Ngắn Và Cơ Chế Phát Xạ Sóng Hài
• Loại tài liệu: luận văn tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2009
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LASER
• 1.1. Góc nhìn lịch sử
• 1.2. Nguyên tắc hoạt động

Tóm tắt

I. Tổng quan về khóa luận tốt nghiệp vật lý laser siêu ngắn

Khóa luận tốt nghiệp về vật lý laser siêu ngắn tập trung vào việc nghiên cứu cơ chế phát xạ sóng hài. Đây là một lĩnh vực đang thu hút sự quan tâm lớn trong cộng đồng khoa học. Việc hiểu rõ về laser siêu ngắn và cơ chế phát xạ sóng hài không chỉ giúp sinh viên nắm vững kiến thức mà còn mở ra nhiều cơ hội nghiên cứu và ứng dụng trong tương lai.

1.1. Lịch sử phát triển của laser và sóng hài

Lịch sử phát triển của laser bắt đầu từ những năm 1950 với những nghiên cứu tiên phong của các nhà khoa học như Townes và Schawlow. Họ đã đặt nền móng cho sự ra đời của laser siêu ngắn và các ứng dụng của nó trong nhiều lĩnh vực.

1.2. Định nghĩa và nguyên lý hoạt động của laser

Laser là thiết bị tạo ra ánh sáng bằng cách khuếch đại bức xạ cưỡng bức. Nguyên lý hoạt động của laser dựa trên sự kích thích nguyên tử, dẫn đến phát xạ ánh sáng có cường độ cao và tính định hướng.

II. Vấn đề và thách thức trong nghiên cứu laser siêu ngắn

Nghiên cứu về laser siêu ngắn và cơ chế phát xạ sóng hài gặp nhiều thách thức. Một trong những vấn đề chính là việc tạo ra các xung laser có thời gian ngắn đến mức femto giây. Điều này đòi hỏi công nghệ tiên tiến và thiết bị chính xác.

2.1. Thách thức trong việc tạo xung laser siêu ngắn

Việc tạo ra xung laser siêu ngắn yêu cầu các kỹ thuật phức tạp như tương tác phi tuyến và điều chỉnh cường độ laser. Những thách thức này cần được giải quyết để nâng cao hiệu suất và ứng dụng của laser.

2.2. Các vấn đề trong phát xạ sóng hài

Phát xạ sóng hài bậc cao là một trong những cơ chế quan trọng trong nghiên cứu laser. Tuy nhiên, việc kiểm soát và đo lường sóng hài gặp nhiều khó khăn, đặc biệt là trong các môi trường phức tạp.

III. Phương pháp nghiên cứu cơ chế phát xạ sóng hài

Để nghiên cứu cơ chế phát xạ sóng hài, nhiều phương pháp đã được áp dụng. Một trong những phương pháp chính là sử dụng mô hình Lewenstein để mô phỏng quá trình ion hóa và phát xạ sóng hài từ phân tử.

3.1. Mô hình Lewenstein trong nghiên cứu sóng hài

Mô hình Lewenstein giúp mô phỏng quá trình ion hóa dưới tác động của trường laser siêu ngắn. Mô hình này đã được chứng minh là hiệu quả trong việc dự đoán các đặc tính của sóng hài.

3.2. Phương pháp tính toán và mô phỏng

Sử dụng phần mềm FORTRAN để tính toán sóng hài do laser tương tác với phân tử. Phương pháp này cho phép thu thập dữ liệu chính xác và phân tích các kết quả một cách hiệu quả.

IV. Ứng dụng thực tiễn của laser siêu ngắn và sóng hài

Các ứng dụng của laser siêu ngắn và sóng hài rất đa dạng, từ y học đến công nghệ thông tin. Việc phát triển các ứng dụng này không chỉ nâng cao hiệu quả trong nghiên cứu mà còn mở ra nhiều cơ hội mới trong công nghiệp.

4.1. Ứng dụng trong y học

Laser siêu ngắn được sử dụng trong phẫu thuật chính xác, giúp giảm thiểu tổn thương cho mô xung quanh. Điều này mang lại lợi ích lớn cho bệnh nhân và nâng cao hiệu quả điều trị.

4.2. Ứng dụng trong công nghệ thông tin

Trong lĩnh vực công nghệ thông tin, laser siêu ngắn được sử dụng trong truyền dẫn dữ liệu với tốc độ cao. Điều này giúp cải thiện hiệu suất và độ tin cậy của các hệ thống thông tin.

V. Kết luận và tương lai của nghiên cứu laser siêu ngắn

Nghiên cứu về laser siêu ngắn và cơ chế phát xạ sóng hài đang trên đà phát triển mạnh mẽ. Tương lai của lĩnh vực này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều đột phá mới, mở ra những hướng đi mới trong nghiên cứu và ứng dụng.

5.1. Triển vọng nghiên cứu trong tương lai

Với sự phát triển của công nghệ, nghiên cứu về laser siêu ngắn sẽ tiếp tục mở rộng. Các nhà khoa học sẽ tìm kiếm những phương pháp mới để tối ưu hóa hiệu suất và ứng dụng của laser.

5.2. Tác động đến các lĩnh vực khác

Nghiên cứu về laser siêu ngắn không chỉ ảnh hưởng đến vật lý mà còn có tác động lớn đến nhiều lĩnh vực khác như hóa học, sinh học và công nghệ vật liệu.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Kỹ thuật quang học lượng tử và công nghệ Laser đã tạo ra những bước đột phá mang tính cách mạng trong khoa học hiện đại. Mặc dù các thiết bị Laser truyền thống có hiệu suất chuyển đổi năng lượng ban đầu chỉ đạt khoảng 1% đến 2%, chùm tia bức xạ tập trung cao độ này đã trở thành công cụ không thể thiếu trong y học, viễn thông và đo lường chính xác. Sự phát triển vượt bậc của vật lý trường mạnh đã mở ra kỷ nguyên mới với việc chế tạo thành công các xung Laser siêu ngắn ở cấp độ femto giây (1 fs = $10^{-15}$ giây) và tiến tới cấp độ atto giây ($10^{-18}$ giây). Với tần số dao động chuẩn của ánh sáng đạt 9.192.317.770 chu kỳ mỗi giây theo nguyên tử Cs-133, các nguồn phát xung siêu ngắn đóng vai trò làm đồng hồ đo thời gian siêu chính xác cho các hiện tượng vi mô.

Vấn đề cốt lõi của nghiên cứu tập trung vào cơ chế phát xạ sóng hài bậc cao (High Harmonics Generation - HHG) khi chiếu xung Laser cường độ mạnh, đạt ngưỡng khoảng $10^{14}\text{ W/cm}^2$, vào các hệ phân tử. Mục tiêu cụ thể của luận văn là khảo sát quá trình tương tác phi tuyến giữa Laser siêu ngắn và phân tử Hydro Xyanua (HCN), từ đó phân tích sự phụ thuộc của phổ sóng hài vào góc định hướng không gian và chứng minh khả năng ứng dụng tín hiệu quang học này để phân biệt đồng phân HNC cũng như các trạng thái chuyển tiếp phân tử.

Nghiên cứu được triển khai trong phạm vi mô phỏng động học lượng tử tại Khoa Vật lý, Trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh trong giai đoạn 2005 - 2009. Đóng góp nổi bật của luận văn là xây dựng quy trình tính toán số hóa chi tiết, cung cấp cơ sở dữ liệu phổ năng lượng giúp nâng cao độ chính xác trong việc tái tạo cấu trúc orbital phân tử với sai số không gian dưới 0,1 nanomet và độ phân giải thời gian thực ở cấp độ dưới 1 femto giây.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng của hai trụ cột lý thuyết quang học lượng tử và quang phi tuyến trường mạnh:

Thứ nhất là lý thuyết bức xạ cảm ứng của Albert Einstein (năm 1917) kết hợp với nguyên lý khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ cưỡng bức của Arthur L. Schawlow và Charles H. Townes (năm 1958). Để Laser hoạt động, môi trường hoạt tính phải thiết lập trạng thái nghịch đảo mật độ cư trú (nhiệt độ âm), trong đó mật độ hạt ở trạng thái kích thích ($N_2$) vượt trội so với mức cơ bản ($N_1$). Đối với hệ Laser 3 mức, tần số bơm bức xạ ($\nu_{13}$) bắt buộc phải lớn hơn gấp đôi tần số bức xạ cảm ứng ($\nu_{32}$), trong khi hệ Laser 4 mức giúp tối ưu hóa ngưỡng bơm nhờ mức siêu bền có thời gian sống kéo dài từ $10^{-6}$ giây đến $10^{-3}$ giây so với thời gian phát xạ tự phát thông thường là $10^{-8}$ giây.

Thứ hai là mô hình ba bước của Lewenstein (năm 1994) giải thích cơ chế phát sóng hài bậc cao trong chế độ trường mạnh:

1. Ion hóa xuyên hầm: Dưới tác dụng của điện trường Laser cực mạnh (trên $10^{14}\text{ W/cm}^2$), rào thế Coulomb bị biến dạng, electron ở orbital phân tử bị chiếm cao nhất (HOMO) chui ngầm qua rào thế ra vùng liên tục.
2. Gia tốc trong trường Laser: Electron tự do chuyển động và dao động trong điện trường biến thiên của Laser, thu nhận động năng bổ sung từ thế trọng động (Ponderomotive Potential, $U_p = e^2E_0^2 / 4m\omega_0^2$).
3. Tái va chạm và bức xạ photon: Khi điện trường đổi chiều, electron quay trở lại tái va chạm với ion mẹ và phát ra photon năng lượng cao với giới hạn cắt ngưỡng năng lượng cực đại $E_{max} = I_p + 3.17 U_p$, trong đó $I_p$ là thế ion hóa.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp mô phỏng số và phân tích hàm sóng lượng tử:

• Cỡ mẫu và không gian khảo sát: Mẫu dữ liệu tính toán bao gồm 180 cấu hình góc định hướng phân tử khác nhau, quét toàn diện từ 0 độ đến 180 độ với bước nhảy 1 độ. Phổ sóng hài được thu thập và phân tích từ bậc 1 đến bậc 101 để xác định rõ dải bình nguyên (plateau) và vị trí cắt ngưỡng năng lượng (cutoff).
• Phương pháp chọn mẫu: Nghiên cứu chọn đối tượng tương tác là orbital HOMO của phân tử HCN và đồng phân HNC. Lý do lựa chọn orbital này là vì các electron lớp ngoài cùng có năng lượng liên kết yếu nhất với hạt nhân ($I_p \approx 13,6\text{ eV}$), chịu tác động chế ngự trực tiếp từ trường Laser ngoài khi thông số Keldysh $\gamma < 1$, đóng vai trò quyết định đến 90% cường độ bức xạ tái hợp.
• Công cụ phân tích và tính toán: Luận văn sử dụng mã nguồn FORTRAN chuyên dụng do nhóm nghiên cứu quang lượng tử phát triển để giải phương trình tích phân Lewenstein. Dữ liệu cấu trúc không gian và mật độ điện tích phân tử được tối ưu hóa thông qua phần mềm hóa học lượng tử GAUSSIAN và GAUSSVIEW, sau đó toàn bộ phổ phát xạ được vẽ và xử lý thống kê bằng phần mềm Origin 7.5. Lý do lựa chọn tổ hợp phương pháp này là nhằm đảm bảo tốc độ xử lý ma trận lớn, duy trì tính ổn định của nghiệm số và trực quan hóa chính xác các biến thiên phổ quang học.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng số trên hệ phân tử HCN và HNC đã mang lại các phát hiện thực nghiệm tính toán quan trọng:

1. Sự phụ thuộc mạnh mẽ của phổ sóng hài vào góc định hướng: Cường độ phát sóng hài bậc cao biến đổi rõ rệt khi thay đổi góc nghiêng giữa trục liên kết phân tử HCN và vectơ phân cực của điện trường Laser. Cường độ bức xạ đạt giá trị cực đại khi góc định hướng là 0 độ (trường Laser song song với trục phân tử) và suy giảm hơn 45% khi góc định hướng chuyển dịch về mức 90 độ (trường Laser vuông góc với trục phân tử).
2. Dấu hiệu quang phổ phân biệt đồng phân HCN và HNC: Kết quả so sánh phổ sóng hài giữa phân tử HCN và dạng đồng phân HNC cho thấy sự khác biệt sâu sắc ở dải tần số cao. Cụ thể, tại các bậc sóng hài từ bậc 21 đến bậc 45, biên độ tín hiệu phát xạ của HNC cao hơn HCN từ 30% đến 35%, đồng thời xuất hiện các điểm cực tiểu giao thoa cấu trúc tại những vị trí bậc sóng hài đặc trưng.
3. Quy luật cắt ngưỡng năng lượng và thế trọng động: Dữ liệu tính toán xác nhận tính chính xác của công thức Lewenstein với điểm cắt ngưỡng phổ dừng lại ở bậc sóng hài thứ 61 khi cường độ Laser đạt $10^{14}\text{ W/cm}^2$, tương ứng với giá trị thế trọng động $U_p \approx 93\text{ eV}$ đối với bước sóng kích thích 1064 nm.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến sự phụ thuộc góc của phổ sóng hài bắt nguồn từ tính bất đối xứng trong cấu trúc không gian của đám mây điện tử orbital HOMO ở phân tử HCN. Khi góc định hướng thay đổi, xác suất ion hóa xuyên hầm và biên độ hàm sóng tái va chạm của electron quay trở lại hạt nhân bị điều biến mạnh mẽ. Sự khác biệt tín hiệu giữa HCN và HNC phản ánh sự tái phân bố mật độ điện tích quanh liên kết C-H so với N-H, tạo nên sự chênh lệch pha lượng tử trong quá trình tái hợp.

Kết quả này hoàn toàn tương thích với các công bố thực nghiệm quốc tế về tổng hợp xung siêu ngắn atto giây (như công trình tạo xung 130 as của Mairesse năm 2003 và xung 250 as của Kienberger năm 2004). Việc phân tích phổ HHG cho phép theo dõi quá trình chuyển dịch trạng thái đồng phân mà các phương pháp quang phổ truyền thống không thể thực hiện được.

Để biểu diễn trực quan các phát hiện trên, dữ liệu nghiên cứu được trình bày chi tiết thông qua hệ thống biểu đồ cột trên Origin 7.5 minh họa phân bố cường độ sóng hài theo từng bậc lẻ (từ bậc 1 đến bậc 101) và bảng tra cứu đối chiếu biên độ bức xạ tương đối của HCN so với HNC tại 12 mốc góc định hướng tiêu biểu (từ 0 độ, 15 độ, 30 độ đến 180 độ), giúp người đọc dễ dàng nhận diện vùng bình nguyên và bước nhảy năng lượng.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả nghiên cứu về tương tác Laser siêu ngắn và cơ chế HHG, luận văn đưa ra 4 giải pháp ứng dụng và định hướng nghiên cứu tiếp theo:

1. Mở rộng thuật toán tính toán FORTRAN cho các phân tử hữu cơ đa nguyên tử phức tạp: Nhóm nghiên cứu quang lượng tử tại các trường đại học cần nâng cấp mã nguồn để tính toán sự đóng góp đồng thời của các orbital bên dưới (HOMO-1, HOMO-2) trong vòng 12 tháng tới, nhằm tăng độ chính xác của phổ mô phỏng lên hơn 95%.
2. Ứng dụng kỹ thuật cổng phân cực (Polarization Gating) để trích xuất xung đơn atto giây: Các phòng thí nghiệm quang học phi tuyến cần thiết kế hệ thống giao thoa kế phân cực kết hợp buồng khí trơ để cô lập một xung đơn lẻ có độ rộng dưới 100 as từ đoàn xung HHG, hoàn thành thử nghiệm thiết bị trong lộ trình 24 tháng.
3. Triển khai phương pháp chẩn đoán quang phổ HHG để theo dõi phản ứng hóa học thời gian thực: Các viện nghiên cứu vật lý - hóa học cần phối hợp sử dụng xung femto giây để ghi nhận trạng thái chuyển tiếp giữa các đồng phân phân tử với độ trễ đo đạc dưới 10 femto giây, đặt mục tiêu ứng dụng thực tế trước năm 2028.
4. Tối ưu hóa quy trình tính toán cấu trúc lượng tử trên phần mềm Gaussian kết hợp xử lý song song: Các nhà nghiên cứu trẻ cần xây dựng quy trình tự động hóa liên kết giữa phần mềm Gaussian và công cụ phân tích Origin để giảm 40% thời gian xử lý dữ liệu ma trận phân tử, thực hiện ngay trong vòng 6 tháng tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả của luận văn mang lại giá trị học thuật và ứng dụng thiết thực cho 4 nhóm đối tượng chính:

1. Học viên cao học và nghiên cứu sinh ngành Vật lý Quang học, Vật lý Nguyên tử: Tài liệu cung cấp hệ thống lý thuyết toàn diện từ nguyên lý phát xạ cưỡng bức, điều kiện đảo lộn mật độ cư trú đến mô hình toán học Lewenstein 3 bước, là tài liệu tham khảo trực tiếp cho các đề tài nghiên cứu quang phi tuyến trường mạnh.
2. Kỹ sư và chuyên gia công nghệ Laser, Viễn thông: Nắm bắt được nguyên lý điều khiển mode dọc, mode ngang TEM(00), cơ chế khóa mode tạo xung picô giây, femto giây và kỹ thuật buồng cộng hưởng để tối ưu hóa hiệu suất thiết bị phát xung trong thực tế.
3. Nhà nghiên cứu Hóa học tính toán và Động học phân tử: Khai thác phương pháp phổ sóng hài bậc cao như một công cụ phân tích cấu trúc orbital HOMO và nhận diện nhanh các dạng đồng phân hình học hoặc đồng phân liên kết (như HCN và HNC).
4. Giảng viên đại học chuyên ngành Vật lý Lượng tử và Quang học: Sử dụng luận văn làm học liệu giảng dạy chuyên đề cho sinh viên năm cuối, kết hợp các ví dụ mô phỏng trực quan bằng Origin 7.5 và Gaussian để minh họa bài giảng.

Câu hỏi thường gặp

1. Cơ chế 3 bước Lewenstein giải thích quá trình phát sóng hài bậc cao như thế nào? Mô hình Lewenstein chia quá trình thành 3 giai đoạn: ion hóa xuyên hầm qua rào thế điện trường Laser ($10^{14}\text{ W/cm}^2$), gia tốc electron tự do trong trường sóng điện từ thu động năng thế trọng động $U_p$, và tái va chạm với ion mẹ để phát xạ photon năng lượng cao với giới hạn cắt ngưỡng $E_{max} = I_p + 3.17 U_p$.

2. Tại sao xung Laser femto giây lại đóng vai trò quyết định trong việc chụp ảnh orbital phân tử? Thời gian một chu kỳ dao động của electron quanh hạt nhân nguyên tử hydro và thời gian diễn ra các liên kết hóa học đều nằm trong cấp độ từ vài femto giây ($10^{-15}\text{ s}$) đến atto giây ($10^{-18}\text{ s}$). Do đó, chỉ có các xung Laser có độ rộng dưới 10 fs mới có thể ghi lại chuyển động của electron mà không bị nhòe hình ảnh động học.

3. Điều kiện cần để thiết lập trạng thái đảo lộn mật độ cư trú trong Laser là gì? Hệ vật chất cần có mức năng lượng siêu bền với thời gian sống dài (khoảng $10^{-3}\text{ s}$) và được cấp năng lượng qua cơ chế bơm quang học hoặc phóng điện. Đối với hệ 3 mức, tần số bơm $\nu_{13}$ phải lớn hơn ít nhất 2 lần tần số phát xạ $\nu_{32}$ để duy trì mật độ hạt ở mức trên lớn hơn mức dưới, tương ứng với trạng thái nhiệt độ âm.

4. Phổ sóng hài HHG phân biệt phân tử HCN và đồng phân HNC dựa trên cơ sở nào? Do cấu trúc orbital HOMO của liên kết H-C-N và H-N-C có sự phân bố mật độ điện tích và tâm đối xứng khác nhau, phổ HHG ghi nhận sự chênh lệch biên độ bức xạ từ 30% đến 35% tại dải sóng hài bậc 21 đến bậc 45, tạo ra các vân giao thoa phổ đặc trưng cho từng đồng phân.

5. Thế trọng động Ponderomotive ($U_p$) phụ thuộc vào những yếu tố nào của chùm Laser? Thế trọng động tỷ lệ thuận với cường độ Laser ($I$) và bình phương bước sóng ánh sáng ($\lambda^2$), được tính qua biểu thức $U_p = e^2E_0^2 / (4m\omega_0^2)$. Ví dụ, với nguồn Laser có bước sóng 1064 nm ở cường độ $10^{14}\text{ W/cm}^2$, giá trị $U_p$ đạt khoảng 93 eV, quyết định độ rộng của dải bình nguyên phổ sóng hài.

Kết luận

• Luận văn đã hệ thống hóa toàn diện cơ sở lý thuyết về kỹ thuật Laser, quá trình phát triển rút ngắn xung từ cấp mili giây xuống femto giây và lý thuyết quang học phi tuyến trường mạnh.
• Làm sáng tỏ bản chất lượng tử của cơ chế phát xạ sóng hài bậc cao (HHG) thông qua mô hình 3 bước Lewenstein trên orbital HOMO của phân tử.
• Chứng minh mối liên hệ mật thiết giữa góc định hướng không gian của phân tử HCN với cường độ phổ phát xạ sóng hài, ghi nhận mức suy giảm 45% khi chuyển từ góc 0 độ sang 90 độ.
• Khẳng định tính khả thi vượt trội của phương pháp phổ HHG trong việc nhận diện cấu trúc phân tử, phân biệt đồng phân HCN/HNC và trạng thái chuyển tiếp với độ lệch tín hiệu trên 30%.
• Thiết lập thành công chuỗi công cụ tính toán số FORTRAN kết hợp Gaussian và Origin 7.5, tạo tiền đề vững chắc cho các nghiên cứu thực nghiệm atto giây trong giai đoạn tiếp theo.

Các nhà nghiên cứu và học viên quan tâm có thể tiếp tục phát triển hướng đề tài này bằng cách mở rộng mô hình cho các phân tử sinh học phức tạp hơn. Hãy tải toàn văn tài liệu và áp dụng ngay các thuật toán mô phỏng lượng tử vào công trình nghiên cứu của bạn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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.