06:11 20 Tháng Bảy 2018
Tia laser

Tia laser: thiết bị với khả năng vô hạn được tạo ra như thế nào

© Sputnik / Yuri Sagittarius
Khoa học
URL rút ngắn
0 0 0

Hầu như trong tất cả các lĩnh vực của cuộc sống của con người đều được sử dụng laser.

Laser được sử dụng bởi cả quân đội và các bác sĩ, lẫn các nhà xây dựng và các học sinh. Các laser hoạt động trong các máy tính các nhân, trên vệ tinh. Tại phòng thí nghiệm người ta nhờ các laser nhận được dòng năng lượng, với công xuất tương đương với vụ nổ hạt nhân, và làm mát nhiệt độ đến nhiệt độ cực kỳ thấp. Việc phát minh laser rất quan trọng, điều này được chính minh bằng việc các nhà khoa học đoạt được giải thưởng Nobel cho các nghiên cứu về laser của mình. Một trong những người cha khoa học của laser, nhà vật lý học Liên Xô ông Nikolay Gennadievich Basov sẽ đạt 95 tuổi vào ngày 14 tháng 12 này.

Việc nghiên cứu các quá trình trong một nguyên tử đã khiến cho việc phát minh laser. Các điện tử trong nguyên tử có thể chiếm các mức năng lương khác nhau — mức càng cao hơn thì điện tử càng xa hạt nhân. Cụ thể hơn có khả năng phát hiện ra điện tử ở nơi nào đó và điện tử "chiếm" vị trí, mà có khả năng cao nhất.

Khi các điện tử di chuyển lên ở mức cao hơn hoặc xuống ở mức thấp hơn thì quang tử — một photon mà tương ứng với phần năng lượng nhỏ nhất của sóng điện từ — bị hấp thụ hoặc được bức xạ. Và nếu sự bức xạ là cưỡng bức tức là được tạo ra bởi những hoạt động bên ngoài, thì một số tham số của sự dao động của photon sẽ đồng nhất nhau. Do đó sẽ đạt được sự chật chội của phạm vi dải bước sóng, đặc tính của ánh sáng laser.

Để một nguyên tử bức xạ các photon, thì các điện tử phải di chuyển xuống ở mức thấp hơn. Và để đạt được điều này thì trước hết cần phải đuổi họ lên ở mức cao bởi sự ảnh hưởng từ bên ngoài. Các nhà khoa học gọi quá trình này là sự bơm nạp. Còn một nguyên tử mà trong đó có các điện tử được chiếm các mức cao thì được gọi là kích thích.

Các nguyên tử kích thích sẽ bức xạ ánh sáng liên tục, nếu đảm bảo thông tin phản hồi. Bức xạ cưỡng bức được xuất hiện một lần thì phải khiến cho các điện tử nhảy lên ở mức cao hơn sau khi các điện tử đó sẽ bức xạ các photon xong. Để đạt điều này môi trường bức xạ ví dụ là một tinh thể, sẽ được để ở một cái cộng hưởng quang học, là một hệ thống bao gồm hai cái gương. Cái cộng hưởng đảm bảo sự sản xuất các sóng ánh sáng nhiều lần, do đó công xuất bức xạ cao sẽ được đạt tức là số lượng các photon sẽ tăng lên.

Từ maser đến laser

Vào năm 1916 ông Albert Einstein lần đầu tiên giới thiệu khái nhiệm về sự bức xạ và sự hấp thụ cưỡng bức (cảm ứng) các photon. Sau thời gian hai mươi năm nhà vật lý học của Liên Xô ông Valentin Fabricant chỉ rõ khả năng sử dụng sự bức xạ cưỡng bức để khuyếch đại sự bức xạ điện từ trong khi nó đi qua chất. Vào tháng năm năm 1952 tại Hội nghị quang phổ học vô tuyến toàn Liên Xô ông Nikolay Basov và người hướng dẫn khoa học của ông ấy là ông Mikhail Prokhorov đã báo cáo rằng có khả năng sử dụng sự bức xạ cưỡng bức để khuyếch đại và dao động các sóng milimet. Gần như trong thời gian đó, nhà vật lý học của Mỹ ông Charles Townes cũng nêu lên giả thuyết như vậy tại Trường đại học Columbia.

"Vào tháng 7 năm 1954 tại tạp chí Physics Review Letters đã được đăng một bài nghiên cứu của các ông Charles Towen, ông J.Gordon và ông G.Zeiger, bài báo đó được nhận bởi biên tập của tạp chí vào ngày 05 tháng 05 năm 1954. Bài báo cho biết rằng "đã được tạo ra và đang vận hành một thiết bị thử nghiệm mà có thể được sử dụng như một phổ kế sóng cực ngắn với độ phân giải cao, bộ khuyếch đại sóng cực ngắn hoặc là máy phát điện rất ổn định". Đây là báo cáo đầu tiên về việc thực hiện máy phát điện phân tử — maser", — ông Evgeniy Protsenko, giáo sư của tổ bộ môn vật lý học laser của Trường đại học nghiên cứu hạt nhân quốc gia MEPhI cho biết.

Nguồn bức xạ điện từ đầu tiên, hoạt động bởi các di chuyển của phân tử a-mô-ni-ac, bức xạ bước sóng ánh sáng với chiều dài 1,25 cm. Thiết bị này được gọi là "maser", câu được viết tắt là "sự khuyếch đại các sóng cực ngắn bởi sự bức xạ cưỡng bức" (microwave amplification by stimulated emission of radiation). Tổ tiên của laser được tạo ra đồng thời và độc lập do hai nhóm khoa học — tại Viện vật lý học mang tên P.N. Lebedev thuộc Viện Hàn lâm khoa học Liên Xô dưới sự hướng dẫn của các ông Nikolay Basov và ông Mikhail Prokhorov và tại Trường đại học Columbia của Mỹ dưới hướng dẫn của ông Charles Towens.

"Cả hai nhóm thật là đồng thời đề xuất và tạo ra maser a-mô-ni-ac và chính giải thưởng Nobel chứng tỏ về điều này. Điều nổi bật là với sự khác biệt đáng kể trong các điều kiện bắt đầu — cuộc sống hòa bình tại Mỹ và những năm chiến tranh và sau chiến tranh tại Liên Xô — hai nhóm khoa học vẫn được "cân bằng" và đồng thời đã được có một khám phá, được đoạt theo tầm quan trọng của sự khám phá đó" — ông Joseph Zubarev tiến sĩ khoa học vật lý và toán học, giáo sư của tổ bộ môn vật lý học laser thuộc Trường đại học nghiên cứu hạt nhân quốc gia MEPhI, người đã làm việc với ông Nikolay Basov, chia sẻ hồi ức.

Thật ra, laser (câu được viết tắt là light amplification by stimulated emission of radiation, bằng tiếng Nga có nghĩ là "sự khuyếch đại của ánh sáng bởi sự bức xạ cưỡng bức") được xuất hiện chỉ sau sáu năm sau khi người ta tạo ra maser. Thời gian này đã được dành cho việc tìm kiếm vật liệu và các công nghệ mà cho phép đạt được phạm vi bước sóng bức xạ laser — từ 0,1 đến 1000 micromet.

"Vào ngày 16 tháng 05 năm 1960 tại Phòng thí nghiệm của Hughes (Culver City, California, Mỹ) nhà vật lý học ông Theodore Maiman thực hiện các điều kiện cho việc bức xạ cưỡng bức được xuất hiện. Nhà khoa học sử dụng cái đèn phóng điện qua khí xung, xung quanh tinh thể ruby chiều dài 1,5 cm và đường kính khoảng 1 cm. Quang phổ bức xạ của rubi hơi bị thu hẹp, điều này chứng tỏ về sự bức xạ ánh sáng cưỡng bức. Đó là ngày sự ra đời của laser", — ông Andrey Kuznetsov, quyền Viện trưởng của Viện các công nghệ laser và platma thuộc Trường đại học nghiên cứu hạt nhân quốc gia MEPhI giải thích.

Ông Nikolay Basov, tốt nghiệp Trường đại học nghiên cứu hạt nhân quốc gia MEPhI, trước đây gọi là Học viện cơ khí Mát-xcơ-va, đã tổ chức và dẫn đầu tổ bộ môn điện tử học lượng tử vào năm 1978. Kể từ năm 2016 công việc, mà được bắt đầu bởi người nhận giải thưởng Nobel, được tiếp tục tại Viện các công nghệ laser và platma thuộc Trường đại học nghiên cứu hạt nhân quốc gia MEPhI, mà được bao gồm mấy tổ bộ môn.

Cách đây không lâu nhóm các nhà lý luận của Viện các công nghệ laser và platma dự đoán rằng bởi các xung lượng laser siêu mạnh có thể tạo ra từ trường tại platma với cường độ đến hàng chục triệu Gauss hoặc cao hơn, tức là với cường độ cao hơn có thể đạt được bằng các phương pháp khác. Còn vào tháng 09 năm 2017 nhóm nhà khoa học quốc tế tại Viện nghiên cứu ion nặng ở Đức (GSI), trong đó co cả các sinh viên của Trường đại học nghiên cứu hạt nhân quốc gia MEPhI, đã xác nhận sự dự đoán đó.

Tin bài liên quan:

Nga thí nghiệm phương pháp mới để kiểm tra độ tin cậy sự khai thác lò phản ứng hạt nhân
Các nhà vật lý làm sáng tỏ bí ẩn của "fullerene ổn định"
Tại Liên bang Nga được tạo ra hệ thống mã hóa thông tin tốc độ cao
Từ khóa:
laser, MEPhI
Tiêu chuẩn cộng đồngThảo luận
Bình luận trên FacebookBình luận trên Sputnik