ỨNG DỤNG CỦA LASER - MỘT THÀNH TỰU
KHOA HỌC NỒI BẬT CỦA THẾ KỶ XX
Chắc bạn đã có lần đến dự một buổi hoà nhạc giao hưởng. Nếu như trong ban nhạc các nhạc công mỗi người cầm một thứ đàn rồi đánh lên lung tung thì sẽ gây nên một tiếng ổn ào rất lớn, nhưng tiếng ồn ấy không đi xa. Nhưng nếu mọi người chơi dưới sự điều khiển của một nhạc trưởng thì sẽ có một âm thanh rất du dương và vang đi rất xa.
Ánh sáng cũng vậy. Từ năm 1917, nhà vật lý thiên tài Albert Einstein đã đề ra nguyên lý bức xạ cưỡng bức. Ví dụ ta nung nóng một thanh sắt. Lúc đầu, thanh sắt nóng mà không sáng. Đấy là bức xạ hồng ngoại. Nung nhiệt độ thật cao thì thanh sắt nóng đỏ lên, cao nữa thì sang màu vàng, màu xanh, rồi màu tím, ánh sáng mà hàng ngày ta thấy tức là ánh sáng khả kiến là sự trộn lẫn của bảy màu, từ đỏ sang tím (đỏ, vàng, da cam, lục, xanh, chàm, tím). Theo nguyên lý về bức xạ ánh sáng, sở dĩ phát ra màu là do trong nguyên lử các êlectrôn từ mức năng lượng thấp E1 nhảy sang mức năng lượng cao hơn E2 và khi nhảy trở về thì phát ra bức xạ có tần số V tính bằng công thức Einstein:
E2 – E1 = hV
Trong đó: h là hằng số Planck.
Hiệu số năng lượng càng lớn thì tần số càng lớn, tức là bước sóng càng nhỏ, ánh sáng từ bước sóng lớn (màu đỏ) chuyển dần sang bước sóng nhỏ (màu tím). Ánh sáng bình thường là trộn lẫn của bảy màu, do đó sức xuyên thấu không lớn. Bây giờ nếu ta dùng một biện pháp gì đấy để cưỡng bức cho trong tất cả hàng tỷ nguyên tử êlectrôn đều nhảy lên cùng một mức năng lượng và khi cùng nhảy về mức cơ bản thì sẽ phát ra một thứ ánh sáng đơn sắc (cùng năng lượng, cùng bước sóng), hết sức tập trung, công suất rất lớn. Đấy là nguyên lý của máy laser. Từ Laser là ghép các chữ cái đầu của các từ tiếng Anh: Light amplification by stimulated emission of radiution, có nghĩa là khuếch đại ánh sáng bằng bức xạ cưỡng bức.
Chiếc máy laser đầu tiên ra đời vào năm 1960, do công của một Kỹ sư người Mỹ là Theodore Maiman. Bộ phận chủ yếu là một thanh rubi (hồng ngọc) dài 30 centimét, đường kính 1,5 centimét. Hồng ngọc này không phải là hồng ngọc thật mà là hồng ngọc nhân tạo, một loại Ôxít nhôm Al2O3 trộn vào 0,05% chất Nêôđym, xung quanh có một ống thuỷ tinh đựng khí Xênông, hai đầu nối với các tụ điện. Khi hiệu số điện thế của các tụ điện tăng lên đến mức nào đấy thì đèn khí Xênông (giống như đèn Nêông) sẽ sáng lên, kích thích các nguyên tử Nêôđym, lập tức thanh hồng ngọc phóng ra một tia sáng màu đỏ có độ sáng gấp hàng trăm lần độ sáng trên bề mặt Mặt trời, công suất hàng tỷ oát, đấy là tia laser.
Thật là một phát minh kỳ lạ. Bốn năm sau, năm 1964, giải thưởng Nobel về vật lý được trao cho những người đã nghĩ ra nguyên lý laser: hai nhà vật lý Nga Baxôv và Prôkhôrôv và nhà vật lý Mỹ Townes (Taoxơ). Sau khi đã trao giải rồi mới thấy nhà vật lý Pháp là Alfred Kastler (Anprêđ Katxle) cũng đã phát minh ra nguyên lý của laser đồng thời với ba người trên, vì vậy hai năm sau, năm 1966, giải thưởng Nobel về vật lý được trao cho Katsler.
Trong 30 năm qua, laser đã phát triển rất nhanh chóng. Hiện nay có ba loại máy laser chủ yếu là:
1. Laser khí: Máy này thông dụng hơn cả, dùng môi trường khuếch đại là chất khí. Sự kích thích dựa vào sự phóng điện trong chất khí; Loại laser He - Ne, Ar phát bức xạ khả kiến, hiệu suất thấp (10-4), thường dùng để đo đạc một cách chính xác vì những đo đạc này không cần công suất lớn nhưng cần độ tập trung cao. Người ta đã từng dùng tia laser để đo khoảng cách từ Trái đất lên Mặt trăng hơn 300.000 kilômét bởi độ chính xác đến hàng mét.
2. Laser khí CO2: Trong phạm vi bức xạ hồng ngoại có năng suất rất cao (30%) nên dùng được vào nhiều việc, chủ yếu để gia công vật liệu (kim loại, vải, giấy...).
3. Laser dùng môi trường khuếch đại là chất rắn: Thường được dùng trong công nghiệp để cắt vật liệu và dùng trong y tế để mổ xẻ, đặc biệt là làm phẫu thuật bên trong cơ thể nhờ phối hợp với những sợi quang học (laser YAG). Laser này còn được dùng trong lĩnh vực quân sự và Vũ trụ (máy ngắm xác định khoảng cách trong xe tăng, bom laser, máy đo trong không gian...).
Những laser công suất lớn bằng thuỷ tinh pha trộn lượng nhỏ Nêôđym có công suất cỡ 1014W trong 0,1 ns (nanô giây), được dùng để tạo ra sự kết hợp giữa Đơtêri và Triti trong phản ứng nhiệt hạch.
Những laser kích thước nhỏ (0,1 milimét) dùng galiacxênua (AsGa) thường gọi là điốt laser được dùng trong kỹ thuật đĩa compăc (compat disc - CD) và truyền tin qua sợi cáp quang.
Ngoài hai loại laser chính là laser khí và laser rắn, còn có các loại laser dùng môi trường khuếch đại là chất nước màu, phát ra tia laser có bước sóng thay đổi, mở ra nhiều triển vọng ứng dụng lớn.
Tuy thời gian phát minh ra chưa lâu, nhưng laser đã được phát triển nhanh chóng và có ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành, từ ngành y tế (mổ võng mạc của mắt, mổ cơ quan nội tạng...), ngành công nghiệp (cắt kim loại, gia công vật liệu...) đến các ứng dụng trong sinh hoạt như đã compắc, chế bản laser, in ấn laser, đã hình laser... Laser xứng đáng được gọi là công cụ kỳ diệu của kỹ thuật hiện đại. Ở nước ta, các viện nghiên cứu đã chế tạo được một số loại máy laser, tia laser đã được sử dụng ngày càng có hiệu quả trong ngành y tế, đồng thời nhân dân ta cũng ngày càng quen với những phương tiện văn hoá và sinh hoạt ứng dụng tia laser.
