Laser-Quang lượng tử

Tài liệu vật lý về "Laser-Quang lượng tử".

MỞ ĐẦU

1 Lí do chọn đề tài

Thế kỉ XXI là thế kỉ của những công nghệ cao, công nghệ kĩ thuật

số, chúng ta không những quan tâm tới khả năng đáp ứng nhu cầucông việc của các máy mà còn đánh giá cao sự gọn nhẹ của chúng.Muốn vậy phải có những công nghệ rất tiên tiến mới đáp ứng được.Các nhà khoa học đã công bố hai phát kiến quan trọng có tầm ảnhhưởng rất lớn đến nền công nghệ ngày nay:

Thứ nhất, sự ra đời của Transitor đã kích thích sự phát triển của

vi điện tử, công nghệ “vi mô”

Thứ hai, quan trọng hơn là sự phát minh ra laser, mở ra một conđường mới cho các nhà phát minh, sáng chế Laser có tầm ảnh hưởngsâu rộng đến tất cả các lĩnh vực của đời sống

Laser, có thể rất gần gũi với tất cả mọi người Hầu hết chúng tađều nghe nhắc đến cụm từ này một vài lần Ngày nay laser hiện diện

ở nhiều nơi, nhưng những thông tin đại chúng về nó thì vẫn còn rấthạn chế Laser phát triển mạnh vào những năm 80 của thế kỉ XX, thờiđiểm này nước ta vừa vực dậy sau cuộc chiến tranh nên điều kiện tiếpcận với thành quả khoa học hiện đại này vẫn còn rất hạn chế, mặtkhác giá thành của nó cũng không hề nhỏ Nhưng laser phát triển rấtnhanh, nó đã xâm nhập rất nhiều vào cuộc sống, vậy nên chăng hãytìm hiều kĩ hơn về nó: laser là gì? laser xuất hiện như thế nào? nhữngchặng đường phát triển của nó? những tính chất gì của nó đã đượcứng dụng vào trong đời sống? Chắc hẳn đó là những câu hỏi đã có

từ rất lâu, và mỗi người trong chúng ta, những người đang từng ngàychứng kiến sự bùng nổ của công nghệ, kĩ thuật, phải ít nhất tự hỏimình như vậy Với mong muốn trả lời những câu hỏi đó, tôi đã chọn

đề tài: “Laser và triển vọng” để tìm hiều và nghiên cứu trong tiểuluận này

2 Nội dung nghiên cứu

Đề tài nghiên cứu đến những kiến thức cơ bản của laser ở cácphương diện: Lịch sử ra đời của laser, Nguyên tắc cấu tạo, Các tínhchất và Phân loại laser; tìm hiểu những ứng dụng cơ bản và quantrọng của laser trong Y học, Công nghiệp và Khoa học, đặc biệt mở

ra những triển vọng phát triển của laser trong tương lai

3 Phương pháp nghiên cứu

• Tổng hợp và phân tích tài liệu

• So sánh và khái quát hóa

4 Giới hạn đề tài

Đề tài chỉ tập trung nghiên cứu những vấn đề cơ bản của laser

và những ứng dụng cơ bản và quan trọng của laser, không đi sâu vàokiến thức chuyên ngành

NỘI DUNG

1 Lịch sử ra đời và sự phát triển của laser

Laser là từ viết tắt của cụm từ: Light Amplification by StimulatedEmisson of Radiation, nghĩa là khuyếch đại ánh sáng bằng bức xạ cưỡngbức Người ta nhớ lại rằng vào năm 1916, sau khi được bầu vào Viện Hànlâm Khoa học Đức, Enstein bằng tư duy trừu tượng cao, đã nêu thuyết:

“Nếu chiếu những nguyên tử bằng một làn sóng điện từ, sẽ có thể xảy ramột bức xạ “được kích hoạt” và trở thành một chùm tia hoàn toàn đơn sắc,

ở đó tất cả những photon (quang tử) phát ra sẽ có cùng một bước sóng” Đó

là một ý tưởng khoa học Nhưng chưa được ai chứng minh nên nó nhanhchóng lãng quên trong nhiều năm

Mãi đến năm 1951, Giáo sư Charles Townes thuộc trường đại họcColumbia của thành phố New York (Mỹ) mới chú ý đến sự khuyếch đạicủa sóng cực ngắn (vi sóng) Ông thực hiện một thí nghiệm mang tên Maser(maze) là khuyếch đại vi sóng bằng bức xạ cảm ứng (chữ Maser cũng là

từ viết tắt của cụm từ Microwave Amplification by Stimulated Emisson ofradiation) Ông đã thành công, tuy phải chi phí khá tốn kém để nghiên cứutrong phòng thí nghiệm Cũng vào thời gian này, ở một phương trời khác,hai nhà khoa học Xô Viết là Nikolay Gennadiyevich Basov và AleksandrMikhailovich Prokhorov cũng phát minh ra máy khuyếch đại vi sóng vàgần như cùng một dạng nguyên lý: tạo ra hệ thống phóng tia liên tục bằngcách dùng nhiều hơn 2 mức năng lượng, hệ thống đó có thể phóng ra tialiên tục mà không cho các hạt xuống mức năng lượng bình thường, vì thếvẫn giữ tần suất

Cả ba nhà khoa học nói trên đều được giải Nobel vật lý năm 1964

về nền tảng cho lĩnh vực điện tử lượng tử, dẫn đến việc tạo ra máy daođộng và phóng đại dựa trên thuyết laser-maser “Đạt tới việc khuyếch đạicác sóng cực ngắn rồi mà sao không dấn thêm vào các sóng phát sáng?”,

đó là câu nói thốt lên từ C Townes Bởi sau thành công này ông được cấptrên giao cho trọng trách mới Thực ra nhà khoa học Anthus Schawlow

(em rể của Townes) đã tốn nhiều công suy nghĩ để biến Maser thành laser,nhưng mới trong phạm vi lý thuyết, và tháng 8/1958 ông công bố phần

lý thuyết đó trên tạp chí “Physical Review” rồi cũng dừng lại, để choTheodora Maiman phát triển thêm lên (Theodora Maiman là nhà khoahọc của phòng thí nghiệm Hughes tại Malibu, bang California) Dựa vào

lý thuyết và nền tảng thực nghiệm của Townes và Schawlow đã công bố,Townes và Schawlow dành thêm hai năm để đi sâu nghiên cứu, mở rộngthêm và trở thành người đầu tiên tìm ra laser

Hình 1: Máy tạo Maser đầu tiên trong lịch sử

Ngày 12/05/1960 là một ngày đáng nhớ, T Maiman đã chính thứctạo ra laser từ thể rắn hồng ngọc Tia sáng do ông tìm ra là luồng ánh sángrất tập trung và có độ hội tụ lớn, hoàn toàn thẳng, rõ nét, thuần khiết,màu đỏ lộng lẫy và bề dài bước sóng đo được là 0,694 micromet Như vậy

là giả thiết mà Einstein nêu ra 54 năm trước đó đã được chứng minh

Nhiều năm tiếp theo, các nhà khoa học khắp nơi đã nối dài con đườngphát triển của laser ra thành nhiều loại, và bằng nhiều cách: đưa vào thanhhoạt chất thể khí (ví dụ như cacbonic CO2 hoặc He, Ne, Ar ) ta có tialaser từ thể khí, đưa vào đó arseniure (từ gallium) thì có tia laser từ bándẫn, đưa vào đó các chất dung dịch nhuộm màu hữu cơ thì cho ta laserlỏng, sử dụng oxy-iot vạn năng ta có laser hóa học, rồi laser rắn vv Điều

kì diệu này là tùy theo hoạt chất mà tạo ra nhiều màu sắc khác nhau làmcho tia laser trở nên lung linh huyền ảo

2 Nguyên lý cấu tạo laser

Nguyên lý cấu tạo chung của một máy laser gồm có: buồng cộng hưởngchứa hoạt chất laser, nguồn nuôi và hệ thống dẫn quang Trong đó buồngcộng hưởng với hoạt chất laser là bộ phận chủ yếu

Buồng cộng hưởng chứa hoạt chất laser, đó là một chất đặc biệt cókhả năng khuyếch đại ánh sáng bằng phát xạ cưỡng bức để tạo ra laser.Khi 1 photon tới va chạm vào hoạt chất này thì kéo theo đó là 1 photonkhác bật ra bay theo cùng hướng với photon tới Mặt khác buồng cộnghưởng có 2 mặt chắn ở hai đầu, một mặt phản xạ toàn phần các photonkhi bay tới, mặt kia cho một phần photon qua một phần phản xạ lại làmcho các hạt photon va chạm liên tục vào hoạt chất laser nhiều lần tạo mật

độ photon lớn Vì thế cường độ chùm laser được khuyếch đại lên nhiều lần.Tính chất của laser phụ thuộc vào hoạt chất đó, do đó người ta căn cứ vàohoạt chất để phân loại laser

2.1 Cơ sở lý thuyết

Chúng ta cần thêm một vài khái niệm nữa để hiểu rõ nguyên lý cấu tạolaser Sự lượng tử hóa trong nguyên tử làm cho các nguyên tử có các mứcnăng lượng gián đoạn Sự chuyển từ mức năng lượng này sang mức nănglượng khác phải xảy ra cùng sự phát xạ ánh sáng

Theo tiên đề Bohr, nếu nguyên tử hay phân tử nằm ở trạng tháinăng lượng cao hơn năng lượng ở trạng thái thấp nhất (trạng thái cơ bản)thì nó có thể tự chuyển về các mức năng lượng thấp hơn mà không cầnkích thích từ bên ngoài Một kết quả có thể xảy ra cùng với sự chuyển mứcnăng lượng là giải phóng năng lượng dư thừa (ứng với hiệu hai mức nănglượng) dưới dạng một photon Nguyên tử hay phân tử kích thích có mộtthời gian phát xạ đặc trưng, đó là thời gian mà chúng vẫn giữ được trạngthái năng lượng kích thích cao hơn trước khi chúng chuyển xuống các mứcthấp hơn và phát ra photon Từ thời gian phát xạ của nguyên tử Einstein

đã nghĩ ra một loại phát xạ mới: phát xạ cưỡng bức

Ở trạng thái kích thích, nếu một nguyên tử được chiếu vào một

photon có năng lượng bằng hiệu hai mức năng lượng mà sự chuyển trạngthái có thể xảy ra tự phát, thì nguyên tử có thể bị cưỡng bức bởi photonđến và chuyển xuống mức năng lượng thấp hơn mức trên một khoảng nănglượng đúng bằng năng lượng photon đến, đồng thời phát ra một photoncùng bước sóng với photon đến Một photon riêng lẻ tương tác với mộtnguyên tử kích thích thì có thể tạo ra hai photon phát xạ Nếu các photonđược xem là sóng thì sự bức xạ cưỡng bức sẽ dao động với tần số củaánh sáng tới, cùng pha (thỏa mãn tính chất kết hợp) nên làm khuyếch đạicường độ của chùm sáng ban đầu.

Hình 2: Cơ chế phát ra laser

Vấn đề quan trọng nhất trong việc thu được phát xạ laser cưỡng bức

là dưới những điều kiện cân bằng nhiệt động lực học bình thường thì sốnguyên tử hay phân tử ở mỗi mức năng lượng không thuận lợi cho việcphát xạ cưỡng bức Do các nguyên tử có xu hướng tự chuyển xuống cácmức năng lượng thấp hơn nên số nguyên tử hay phân tử ở mỗi mức sẽ giảmkhi năng lượng tăng Dưới những điều kiện bình thường, với năng lượngứng với một quang electron điển hình là 1eV thì tỉ số giữa các nguyên tử

ở trạng thái kích thích mức cao với trạng thái cơ bản mức thấp là vàokhoảng 1017, hầu như tất cả các nguyên tử hay phân tử ở vào trạng thái cơbản đối với sự chuyển mức năng lượng của ánh sáng khả kiến Một lý dokhiến bức xạ cưỡng bức khó thu được trở nên hiển nhiên khi xem xét các

sự kiện có khả năng xảy ra quanh sự phân hủy của một electron từ một

trạng thái kích thích với sự phát xạ ánh sáng sau đó và tự phát Ánh sángphát xạ có thể kích thích sự phát xạ từ các nguyên tử bị kích thích khác,nhưng một số có thể gặp phải nguyên tử ở trạng thái cơ bản và bị hấp thụchứ không gây ra phát xạ được Do số nguyên tử ở trạng thái kích thích

ít hơn nhiều số nguyên tử ở trạng thái cơ bản nên photon phát xạ có khảnăng hấp thụ nhiều hơn, bù lại số photon cưỡng bức cũng không đáng kể

so với phát xạ tự phát (ở trạng thái cân bằng nhiệt động lực học)

Cơ chế làm cho sự phát xạ cưỡng bức có thể lấn át là phải có sốnguyên tử ở trạng thái kích thích nhiều hơn số nguyên tử ở trạng tháinăng lượng thấp hơn, sao cho các photon có khả năng gây kích thích phát

xạ nhiều hơn là bị hấp thụ Do điều kiện này là nghịch đảo trạng thái cânbằng nên được gọi là sự nghịch đảo mật độ cư trú Miễn là số nguyên tử ởtrạng thái cao nhiều hơn ở các mức thấp hơn, thì phát xạ cưỡng bức sẽ lấn

át và thu được dòng thác photon Photon phát xạ ban đầu sẽ kích thích

sự phát xạ của nhiều photon khác, các photon này sau đó lại kích thích

sự phát xạ ra nhiều photon khác nữa, cứ thế tiếp diễn làm cho dòng thácphoton tăng lên Kết quả là ánh sáng phát xạ được khuyếch đại

Sự nghịch đảo mật độ cư trú có thể tạo ra qua hai cơ chế cơ bản:hoặc tạo ra sự dư thừa các nguyên tử hay phân tử ở trạng thái năng lượngcao, hoặc làm giảm mật độ cư trú ở trạng thái năng lượng thấp Nhưngđối với laser hoạt động liên tục phải chú ý vừa làm tăng mật độ cư trú ởmức cao, vừa hạ thấp mật độ cư trú ở mức thấp Nếu quá nhiều nguyên tửhay phân tử tích tụ ở mức thấp thì sự nghịch đảo mật độ cư trú sẽ khôngcòn và laser ngừng hoạt động

Để tạo ra sự nghịch đảo mật độ cư trú thì phải kích thích có chọnlọc các nguyên tử hay phân tử lên một mức năng lượng đặc biệt Ánh sáng

và dòng điện là các cơ chế kích thích được chọn cho phần lớn laser Ánhsáng và các electron có thể cung cấp năng lượng cần thiết để kích thíchcác phân tử hay nguyên tử lên các mức năng lượng cao được chọn Sau đó

sẽ chuyển xuống mức laser trên

Như đã nói ở phần trước, khoảng thời gian mà một nguyên tử hay

phân tử tồn tại ở một trạng thái kích thích quyết định nó bị phát xạ cưỡngbức và tham gia vào dòng thác photon hay mất đi năng lượng qua phát

xạ tự phát Các trạng thái kích thích thường có thời gian sống cỡ nanogiây, trước khi chúng giải phóng năng lượng một thời gian không đủ lâu

để chúng bị kích thích bởi các photon khác Do vậy, mức năng lượng caophải có thời gian sống lâu hơn (trạng thái bền) Với thời gian sống trongtrạng thái này (khoảng micro đến mili giây) các nguyên tử bị kích thích cóthể tạo ra một lượng đáng kể phát xạ cưỡng bức

Hình 3: Biểu diễn năng lượng Laser bơm 3 mức và 4 mức

Ngoài việc tạo ra sự nghịch đảo mật độ cư trú, cũng cần các yếu tốkhác để khuyếch đại và tập trung ánh sáng thành một chùm Công việcnày được thực hiện trong một hộp cộng hưởng, nó phát xạ một số ánhsáng trở lại môi trường laser, và qua nhiều lần tương tác sẽ hình thành haykhuyếch đại cường độ ánh sáng

2.2 Mô hình cấu tạo

Hình 4: Mô hình cấu tạo đơn giản của một máy phát laser

Một lượng lớn chúng thoát ra khỏi ống, một số chuyển động dọc theotrục ống Khi đến đầu ống chúng bị hai gương phản xạ lại, va chạm với cácelectron của các nguyên tử khác đang ở trạng thái kích thích và khởi phátthêm bức xạ cảm ứng Số photon vẫn tăng lên không ngừng, tất cả những

sự kiện này diễn ra với tốc độ kinh hoàng, trong vài phần triệu giây

Khi photon chuyển động dọc theo trục ống tăng lên đến một cường độnhất định, thì các photon này sẽ đi qua hai gương bán mạ, và ta thấy mộttia laser ló ra từ đó.

• Độ định hướng cao: tia laser phát ra hầu như là chùm song song do

đó có khả năng chiếu xa hàng nghìn km mà không bị tán xạ Chùmsáng laser không còn tính song song chỉ do các hiệu ứng nhiễu xạ,được quyết định bởi bước sóng của ánh sáng và khẩu độ lối ra

• Tính đơn sắc rất cao: chùm sáng phát ra chỉ có một màu (hay mộtbước sóng) duy nhất Đây là tính chất đặc biệt nhất mà không cóchùm sáng nào có được

• Tính kết hợp: đoàn sóng laser có thể dài tới hàng trăm km, điều này

có nghĩa là các vân giao thoa vẫn có thể tạo thành khi chồng chất haichùm sóng riêng biệt có hiệu quang trình cỡ khoảng cách nói trên

• Tính hội tụ: mật độ năng thông đối với chùm laser cỡ 1016W/cm2

là hoàn toàn có thể

Theo môi trường khuyếch đại

Hình 5: Một số loại laser

Môi trường Công suất Độ dài Bước sóng Công dụng

khuyếch đại đỉnh xung

GaAs 5mW Liên tục 840nm Đĩa laser

AlGaAs 50mW Biến điệu 760nm In laser

GaInAsP 20mW Biến điệu 1.3µm Truyền tin sợi quangChất rắn

Hồng ngọc 100MW 10ns 694nm ảnh toàn cảnh

Nd:YAG 50W Liên tục 1.06µm gia công bán dẫnNd:YAG(QS) 50MW 20ns 1.06µm áp dụng trong y họcNd:YAG(ML) 2KW 60ps 1.06µm nghiên cứu xung ngắnNd:thủy tinh 100TW 11ps 1.06µm nấu chảy bằng laserChất lỏng

Chất màu 100mW Liên tục thay đổi Quang phổ

Rh6G 10KW 10fs 600nm Nghiên cứu khoa họcHóa học Hf 50MW 50ns 3µm Làm vũ khí

5 Một số ứng dụng của laser

5.1 Trong y học

Nghiên cứu quan trọng của laser trong y học cũng khá sớm từ những năm1962-1963 của thế kỉ trước Lúc đầu laser được dùng để điều trị bệnh bongvõng mạc, từ đó laser đã được sử dụng rộng rãi trong y khoa, ứng dụngcủa laser trong chuẩn đoán và điều trị bệnh từ đó mở ra nhiều triển vọngtrong chữa bệnh và làm đẹp cho con người

Laser được ứng dụng trong chuẩn đoán và điều trị có bước sóng nằmtrong khoảng từ 193 nm đến 10.6µm, thuộc vùng tử ngoại, khả kiến vàhồng ngoại gần, có thể làm việc ở chế độ xung hay chế độ liên tục

Hiệu ứng quang đông (nhiệt): bức xạ laser có năng lượng vừa đủ vàđược giải phóng trong thời gian thích hợp thì có thể làm nhiệt độ vùng tổchức tăng lên 60-1000C Khi đó tổ chức sinh học bị đông kết và dẫn đếnhoại tử Hiệu ứng được ứng dụng nhiều trong lĩnh vực nhãn khoa như:quang đông võng mạc, quang đông điều trị tân hạch hắc mạc, quang đôngphù điểm vàng

Hiệu ứng bay hơi tổ chức (nhiệt): tương tự như hiệu ứng quang đông,nhiệt độ vùng tổ chức tăng lên và khi đạt đến 3000C thì các matrix rắncủa tổ chức sinh học nhận đủ năng lượng để bay hơi Hiệu ứng này đượcứng dụng trong phẫu thuật, chùm tia được dùng như chiếc dao mổ tạo ranhững vết cắt nhỏ, không đau, ít chảy máu, vô trùng Tiêu biểu là laser

CO2, laser YAG được biết đến với tên gọi là “dao mổ nhiệt”

Hiệu ứng bóc lớp (quang cơ-phi nhiệt): chúng ta dùng các xung cựcngắn (ns- nanosecond), công suất đỉnh cực cao, bước sóng vùng tử ngoạigần để chiếu vào tổ chức sinh học Bức xạ laser vùng tử ngoại chỉ bị cácphần tử hữu cơ hấp thụ, khi năng lượng hấp thụ đủ lớn, mạch hữu cơ bịđứt gãy, xảy ra các “vi nổ”, từ đó nước bị đẩy ra khỏi tổ chức, cuối cùng

khúc xạ của mắt.

Hình 6: Thiết bị laser-excimer

Bằng cách quét qua lượng máu dự trữ trong ngân hàng máu, laser

có thể diệt rất nhiều loại virus nguy hiểm như virus gây bệnh AIDS, sởi,herpes

Ngoài ra, một ứng dụng đặc biệt của laser mà người ta cũng đangchú ý đến đó là Cai nghiện ma túy bằng tia laser theo phương pháp châmcứu Thiết bị này do Đại học Bách khoa TP.Hồ Chí Minh chế tạo, đã đượcthử nghiệm trên 20 người nghiện ma túy Sau 5 ngày con nghiện đã đượccắt cơn, ăn uống trở lại bình thường, không còn sợ nước Bệnh nhân hồiphục hoàn toàn sau 10-20 ngày điều trị bổ sung

Kết quả kiểm tra sau điều trị cho thấy, lượng morphine trong cơ thểcon nghiện giảm rõ rệt Phương pháp này hạn chế được nhược điểm củachâm cứu theo y học cổ truyền, đó là việc gây đau đớn cho bệnh nhân khidùng kim châm

Hình 7: Thiết bị châm cứu bằng laser

Hiện nay phòng thí nghiệm công nghệ laser của Đại học Bách khoa

TP.Hồ Chí Minh đã chế tạo và chuyển giao loại máy trên cho một số trungtâm cai nghiện như Trung tâm y tế Lộc Ninh (Bình Phước), Bệnh viện Yhọc cổ truyền Trà Vinh Phòng thí nghiệm sẽ tiếp tục nghiên cứu kết hợpmáy cai nghiện với hệ thống máy tính để chuẩn đoán được tình trạng củabệnh nhân, từ đó có hướng điều trị phù hợp.

5.2 Trong công nghiệp

Sự kết hợp các pha cho phép hội tụ ánh sáng laser thành một điểm nhỏ

có đường kính khoảng bằng bước sóng (10−4cm) Như vậy laser 1W có thểhội tụ để có một cường độ 10−8W/cm2 Chính năng lượng hội tụ cao nhưvậy nên dùng laser công suất lớn để khoan, cắt, khắc hình ảnh lên kim loạivới tốc độ cũng như độ chính xác rất cao

Hình 8: Dùng laser để hàn vật liệu với độ chính xác rất cao

Hình 9: Laser cường độ mạnh dùng để cắt vật liệu rất nhanh và chính xác

5.3 Trong khoa học

• Đo khoảng cách bằng laser

Ánh sáng laser có tính định hướng nên chùm tia vẫn giữ được độ mảnhcủa nó trong suốt quá trình lan truyền trên những khoảng cách rấtlớn Chùm tia laser có công suất vài Oát cũng có thể dễ dàng vượt

qua khoảng cách Trái đất - Mặt trăng (384 000 km) rồi bị phản xạ ở

bề mặt Mặt trăng quay trở lại Trái đất Một chùm tia laser ban đầu

có kích thước bằng cái bút chì thì khi lên Mặt trăng nó có kích thướcbằng một vòng tròn đường kính vài km Sự loe rộng này của chùmlaser chỉ bằng 0.001% khoảng cách Trái đất và Mặt trăng

Hình 10: Ứng dụng của laser trong phép đo khoảng cách

Bằng cách đo thời gian đi và về của chùm tia laser các nhà thiênvăn có thể dựng bản đồ Mặt trăng Trong thập niên 70, các nhà duhành trong phi đoàn Apollo đã để lại trên Mặt trăng các gương phản

xạ đặc biệt có khả năng phản xạ chùm tia laser Ánh sáng phản xạđược các kính thiên văn trên mặt đất quan sát Bằng cách này cácnhà thiên văn có thể xác định quĩ đạo của Mặt trăng với độ chính xácđến vài cm, đối với khoảng cách Trái đất - Mặt trăng thì độ chính xácđến một phần mười tỉ Bằng cách thực hiện các phép đo này từ cáclục địa khác nhau các nhà thiên văn có thể đo tốc độ trôi dạt của cácmảng lục địa, vận tốc này là vài cm mỗi năm

• Dùng laser tạo phản ứng nhiệt hạch

Laser được dùng để làm nóng vật chất lên nhiệt độ rất cao để tạo ranăng lượng hạt nhân thông qua sự tổng hợp các proton, như trongtâm của các ngôi sao Các nhà vật lí thường sử dụng đơtêri và triti,

là các đồng vị của hydro, dễ dàng tổng hợp hơn hydro

Các xung laser bắn vào các viên tròn đường kính khoảng 2mm chứavài miligam đơtêri và triti Khoảng một chục chùm tia laser có cường

độ mạnh tập trung chiếu đồng thời vào viên này từ tất cả các hướng,làm cho nó co lại và nổ, đẩy áp suất và nhiệt độ của hỗn hợp đơtêri

và triti tăng lên rất cao (trên 100 triệu độ) để khởi phát sự tổng hợpproton Chỉ trong khoảng thời gian vài phần tỉ giây, công suất được hệlaser giải phóng cao hơn tổng công suất của tất cả các nhà máy điệncủa nước Mĩ Ở nhiệt độ cao như thế hỗn hợp đơtêri-triti va chạm

dữ dội và làm mất các electron và tạo thành một dạng vật chất mới,

đó là plasma Vật chất lúc này sẽ phình ra, tỏa nhiệt rất nhanh vàsau chưa đầy một phần tỉ giây các phản ứng sẽ lập tức dừng lại Sựtổng hợp hạt nhân bằng laser chỉ có thể dùng các xung laser, nên sẽkhông thực tế nếu muốn dùng nó để tạo ra năng lượng với số lượnglớn, nhưng cũng đã giúp các nhà vật lý tạo ra được vật chất ở nhiệt

độ rất cao và tìm cách giam hãm chúng bằng các từ trường rất mạnh,

để một ngày nào đó sẽ chế tạo ra các lò phản ứng tổng hợp nhiệthạch có khả năng tạo ra đủ năng lượng cho mục đích thương mại Lòphản ứng nghiên cứu mang tên ITER (International ThermonuclearExperimental Reactor) do Châu Âu, Nhật Bản, Mĩ và Nga hợp tácđang được xây dựng ở Cadarache (Pháp), các nhà vật lý sẽ cố gắngthực hiện được sự giam hãm vật chất cực nóng trong từ trường mạnh

Hình 11: Dùng chùm laser tao phản ứng nhiệt hạch

• Chụp ảnh toàn kí ba chiều bằng laser

Một trong những ứng dụng quan trọng nhất của laser là chụp ảnh toàn

kí (holographie, tiếng Hy lạp holos có nghĩa là “toàn bộ” và graphos

có nghĩa là “viết”), một ngành khoa học cho phép tạo ra các ảnh nổi

ba chiều, mà không cần phải sử dụng các thấu kính Ý tưởng này đượchình thành vào năm 1947 do nhà vật lý Dennis Gabor (1900-1979), vànhờ đó ông được giải Nobel vật lí 1971 Nhưng ý tưởng đó chỉ đượcthực hiện khi có sự lên ngôi của laser

Hình 12: Sơ đồ hệ thống tạo ảnh toàn kí

Người ta dùng một chùm tia laser chia hai phần: phần thứ nhấtgọi là “chùm vật”, được hướng đến các vật cần chụp ảnh, và được vậtnày phản chiếu đến phim, phần thứ hai gọi là “chùm tựa” (hay chùmqui chiếu), được gương phản xạ và đi thẳng đến phim mà không hềgặp vật Hai chùm laser tương tác với nhau để tạo ra “môtíp giaothoa”, và môtíp này được phim giữ lại Phim sẽ chứa toàn bộ thôngtin về các pha của sóng ánh sáng, đóng vai trò như “âm bản” của ảnhchụp thông thường

Hình 13: Hình ảnh chú chó được xây dựng từ ảnh toàn kí

Muốn đọc được các môtíp giao thoa và tái dựng lại hình ảnh nổi