- Laser, có thể rất gần gũi với tất cả mọi người. - “Nếu chiếu những nguyên tử bằng một làn sóng điện từ, sẽ có thể xảy ra một 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. - Cũng vào thời gian này, ở một phương trời khác, hai nhà khoa học Xô Viết là Nikolay Gennadiyevich Basov và Aleksandr Mikhailovich Prokhorov cũng phát minh ra máy khuyếch đại vi sóng và gần như cùng một dạng nguyên lý: tạo ra hệ thống phóng tia liên tục bằng cách dùng nhiều hơn 2 mức năng lượng, hệ thống đó có thể phóng ra tia liên tục mà không cho các hạt xuống mức năng lượng bình thường, vì thế vẫn giữ tần suất.. - Sự lượng tử hóa trong nguyên tử làm cho các nguyên tử có các mức năng lượng gián đoạn. - Sự chuyển từ mức năng lượng này sang mức năng lượng khác phải xảy ra cùng sự phát xạ ánh sáng.. - Theo tiên đề Bohr, nếu nguyên tử hay phân tử nằm ở trạng thái năng 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 cần kích thích từ bên ngoài. - Một kết quả có thể xảy ra cùng với sự chuyển mức năng lượng là giải phóng năng lượng dư thừa (ứng với hiệu hai mức năng lượng) dưới dạng một photon. - Nguyên tử hay phân tử kích thích có một thời gian phát xạ đặc trưng, đó là thời gian mà chúng vẫn giữ được trạng thái năng lượng kích thích cao hơn trước khi chúng chuyển xuống các mức thấp hơn và phát ra photon. - photon có năng lượng bằng hiệu hai mức năng lượng mà sự chuyển trạng thái có thể xảy ra tự phát, thì nguyên tử có thể bị cưỡng bức bởi photon đến và chuyển xuống mức năng lượng thấp hơn mức trên một khoảng năng lượng đúng bằng năng lượng photon đến, đồng thời phát ra một photon cùng bước sóng với photon đến. - Một photon riêng lẻ tương tác với một nguyên tử kích thích thì có thể tạo ra hai photon phát xạ. - 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 số nguyên tử hay phân tử ở mỗi mức năng lượng không thuận lợi cho việc phát xạ cưỡng bức. - Do các nguyên tử có xu hướng tự chuyển xuống các mức năng lượng thấp hơn nên số nguyên tử hay phân tử ở mỗi mức sẽ giảm khi năng lượng tăng. - Dưới những điều kiện bình thường, với năng lượng ứng 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 vào khoảng 10 17 , hầu như tất cả các nguyên tử hay phân tử ở vào trạng thái cơ bản đối với sự chuyển mức năng lượng của ánh sáng khả kiến. - Ánh sáng phát 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 thụ chứ không gây ra phát xạ được. - Cơ chế làm cho sự phát xạ cưỡng bức có thể lấn át là phải có số nguyên tử ở trạng thái kích thích nhiều hơn số nguyên tử ở trạng thái năng lượng thấp hơn, sao cho các photon có khả năng gây kích thích phát xạ nhiều hơn là bị hấp thụ. - 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 lượng cao, hoặc làm giảm mật độ cư trú ở trạng thái năng lượng thấp. - Để tạo ra sự nghịch đảo mật độ cư trú thì phải kích thích có chọn lọc các nguyên tử hay phân tử lên một mức năng lượng đặc biệt. - Ánh sáng và các electron có thể cung cấp năng lượng cần thiết để kích thích các phân tử hay nguyên tử lên các mức năng lượng cao được chọn. - phân tử tồn tại ở một trạng thái kích thích quyết định nó bị phát xạ cưỡng bức 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 nano giây, 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 cao phải có thời gian sống lâu hơn (trạng thái bền). - Với thời gian sống trong trạng thái này (khoảng micro đến mili giây) các nguyên tử bị kích thích có thể tạo ra một lượng đáng kể phát xạ cưỡng bức.. - Hình 3: Biểu diễn năng lượng Laser bơm 3 mức và 4 mức. - sau đó cung cấp năng lượng (bơm quang học) để tạo ra trạng thái nghịch đảo mật độ cư trú.. - 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 hai chùm sóng riêng biệt có hiệu quang trình cỡ khoảng cách nói trên.. - Tính hội tụ: mật độ năng thông đối với chùm laser cỡ 10 16 W/cm 2 là hoàn toàn có thể.. - Laser được ứng dụng trong chuẩn đoán và điều trị có bước sóng nằm trong khoảng từ 193 nm đến 10.6µm, thuộc vùng tử ngoại, khả kiến và hồng 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 và được giải phóng trong thời gian thích hợp thì có thể làm nhiệt độ vùng tổ chức tăng lên 60-100 0 C. - 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 300 0 C thì các matrix rắn của tổ chức sinh học nhận đủ năng lượng để bay hơi. - Bức xạ laser vùng tử ngoại chỉ bị các phần tử hữu cơ hấp thụ, khi năng lượng hấp thụ đủ lớn, mạch hữu cơ bị đứt gãy, xảy ra các “vi nổ”, từ đó nước bị đẩy ra khỏi tổ chức, cuối cùng tổ chức sinh học như bị “bóc từng lớp”.. - 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.... - Như vậy laser 1W có thể hội tụ để có một cường độ 10 −8 W/cm 2 . - Chính năng lượng hội tụ cao như vậy nên dùng laser công suất lớn để khoan, cắt, khắc hình ảnh lên kim loại với tốc độ cũng như độ chính xác rất cao.. - Chùm tia laser có công suất vài Oát cũng có thể dễ dàng vượt. - Bằng cách đo thời gian đi và về của chùm tia laser các nhà thiên văn có thể dựng bản đồ Mặt trăng. - Bằng cách này các nhà thiên văn có thể xác định quĩ đạo của Mặt trăng với độ chính xác đến vài cm, đối với khoảng cách Trái đất - Mặt trăng thì độ chính xác đến một phần mười tỉ. - Bằng cách thực hiện các phép đo này từ các lục địa khác nhau các nhà thiên văn có thể đo tốc độ trôi dạt của các mảng lục địa, vận tốc này là vài cm mỗi năm.. - Laser được dùng để làm nóng vật chất lên nhiệt độ rất cao để tạo ra năng lượng hạt nhân thông qua sự tổng hợp các proton, như trong tâm của các ngôi sao. - Sự tổng hợp hạt nhân bằng laser chỉ có thể dùng các xung laser, nên sẽ không thực tế nếu muốn dùng nó để tạo ra năng lượng với số lượng lớn, 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 nhiệt hạch có khả năng tạo ra đủ năng lượng cho mục đích thương mại. - Ảnh toàn kí trông rất thật, có thể xoay chúng và phát hiện cả những phần của vật chất không thể thấy nếu nhìn đối diện như trong trường hợp nhìn vật thật.. - Rada laser có độ chính xác cao hơn rada thông thường, có thể hướng dẫn hai tàu vũ trụ ghép nối chính xác trên không gian. - Máy bay chiến đấu bay ở tầm siêu thấp, nếu trang bị rada laser có thể né chính xác tất cả các chướng ngại vật, kể cả đường dây điện ! Tuy nhiên những thiết bị laser đều chịu ảnh hưởng của thời tiết, trời mù hoặc mưa thì khoảng cách đo bị giảm đi nhiều.. - phương, dùng trong tác chiến gần, khoảng cách chỉ vài km, trời mưa mù khoảng cách còn ngắn hơn, có thể xách tay, lắp trên xe tăng, máy bay trực thăng. - Vũ khí laser năng lượng cao dùng chùm tia laser cực mạnh chiếu đến một điểm trên mục tiêu, dừng lại một thời gian ngắn để vật liệu chảy ra hoặc khí hóa. - Chùm tia laser mạnh có thể phá hủy đường điện, gây cháy thùng nguyên liệu trong máy bay, gây nổ đạn đạo. - Vũ khí laser lắp đặt trên vệ tinh có thể bắn hạ tên lửa đạn đạo và vệ tinh đối phương.. - Theo dự tính, để phá hủy tên lửa đạn đạo cách xa 1000 km cần năng lượng laser 20000KW và kính phản xạ đường kính 10m với thời gian chiếu xạ 1 giây. - Đầu những năm 90, Mĩ có thể chế tạo ra tia laser năng lượng 5000KW. - Khi hai sóng ánh sáng kết hợp với nhau, chúng có thể cùng pha hoặc ngược pha làm cường độ được tăng cường hoặc giảm bớt. - Đầu quét tia được lắp cạnh vị trí đèn pha và đèn hậu để có thể phát hiện những đối tượng tỏa nhiệt (người, động vật sống. - Cấu tạo của hệ thống có thể mô tả như một camera hồng ngoại, những đối tượng nhiệt do ống kính đặc biệt này thu được sẽ hiện lên màn hình đặt trong salon xe, hình ảnh giống như phim âm bản đen trắng.. - Các chuyên gia cố gắng gia tăng độ nhạy của cảm biến để có thể cung cấp hình ảnh từ khoảng cách xa và rõ nét hơn. - Kết quả cải tiến mới nhất cho thấy thiết bị có thể mô tả lại con đường trước mặt lái xe xa hơn cả tầm đèn pha. - Trong không khí, tia laser có thể va chạm với bụi hay vật cản trên đường và bị tán xạ, tạo ra các tia lóe sáng. - Kĩ xảo này có thể ứng dụng cho tia laser có thể nhìn thấy, như trong mục đích chụp ảnh, bằng cách tăng số lượng các hạt trong không khí, như dùng bình xịt thơm.. - Tia laser với cường độ cao có thể nhìn thấy trong không khí nhờ vào tán xạ Rayleigh hay tán xạ Raman. - Với các tia có cường độ cao hơn, tập trung tại một điểm nhỏ, không khí có thể bị nung đến trạng thái plasma, do đó laser có thể được nhìn thấy nhờ bức xạ từ plasma này. - Tuy nhiên sự tăng áp suất đột ngột khi không khí bị nóng nhanh có thể tạo ra tiếng nổ lớn, và tạo ra sự phản hồi của tia laser làm hư thiết bị (tùy vào thiết kế của laser).. - Ngoài ra, một vài cảnh phim miêu tả hệ thống an toàn sử dụng laser đỏ có thể được vô hiệu hóa bằng các nhân vật bằng cách sử dụng các gương, khi người này nhìn thấy tia laser bằng cách rải các bụi trắng trong không khí. - nhưng thực tế đa số hệ thống an toàn sử dụng laser hồng ngoại hơn là laser có thể nhìn thấy bằng cách như trên.. - Việc thương mại hóa công nghệ mới này chưa thể thực hiện trước khi thập kỉ này kết thúc, nhưng triển vọng về công nghệ trong ngành công nghiệp chip chắc chắn sẽ làm rung động cả giới truyền thông và công nghiệp máy tính, con chip này có thể chuyển dữ liệu gấp 100 lần tốc độ so với chip hiện nay ở các thiết bị truyền thông.. - Như vậy laser có công suất 1W có thể hội tụ để có một cường độ 10 8 W/cm 2 . - Năm 1963, ngay sau khi phát minh ra laser hồng ngọc, bà Elsa Garmire (hiện đang là giám đốc trung tâm nghiên cứu laser thuộc Đại học tổng hợp Nam California) đã chứng minh được rằng 1 xung laser hồng ngọc, có công suất ở đỉnh 10 8 W , được hội tụ ở cường độ cao nhất là 10 16 W/cm 2 có thể khoan những lỗ trên các lưỡi dao cạo râu và ion hóa không khí. - Độ sáng rất cao của chùm laser này có thể gây nguy hiểm. - Nhưng laser lại là công cụ rất tốt cho các nhà vật lý, các nhà khoa học tạo ra một môi trường có năng lượng rất cao trong khoảng thời gian ngắn. - Việc này có thể giúp các nhà khoa học, nhà vật lý trong việc tìm đến những chân trời kiến thức mới của khoa học nói chung và vật lý học nói riêng. - Với tính năng có thể dự đoán chức năng của đầu đạn hạt nhân, tia laser của NIF có thể được sử dụng trong lĩnh vực vật lý thiên thể, cho phép các nhà khoa học đưa ra những điều kiện giống với lõi hành tinh và hệ Mặt trời mới.. - Bằng việc xác nhận tia laser của NIF, Bộ Năng lượng Mĩ đã mở đường cho một loạt các thí nghiệm để tạo ra các sức nóng và áp suất như ở lõi Mặt trời.. - Hình 20: Hội tụ cường độ laser để tạo ra năng lượng lớn. - Theo các nhà khoa học, tia laser của NIF có thể tạo ra năng lượng. - trong một loạt các thí nghiệm vào năm 2010 theo đúng mục tiêu đề ra là tạo đủ độ nóng và áp suất để đốt cháy các nguyên tử hydro trong mục tiêu hình trụ nhỏ nhằm sản sinh ra nhiều năng lượng hơn. - Ngoài ra, các nhà khoa học còn hy vọng có thể tạo ra được một loại năng lượng sạch và an toàn từ việc đốt cháy các nguyên tử thay thế cho biện pháp tách nguyên tử.. - Dự án đó trị giá 3.5 tỉ USD của Trung tâm năng lượng Quốc gia Mĩ ở San Francisco (NIF), nhằm tạo ra nguồn năng lượng vô tận, có lợi cho môi trường. - Năng lượng từ các tia laser này gộp lại- trong vòng một phần tỉ giây- lớn gấp đôi tổng năng lượng thế giới tiêu thụ trong cùng thời gian. - Mặc dù ý tưởng về một nguồn năng lượng bất tận như Mặt trời đã có từ lâu, nhưng đến nay các nhà khoa học vẫn chưa thành công trong việc tạo ra các phản ứng nhiệt hạch trong nhân của một quả cầu khí. - Lần này, với 3.5 tỉ USD và sự tham gia của gần 300 nhà khoa học, NIF hy vọng có thể tạo ra Mặt trời nhân tạo vào năm 2020.. - Alexander Kaplan và Peter Shkolnilov, hai tác giả của dự án, cho biết chớp sáng được chế tạo nhờ việc dùng tia laser cực mạnh kích thích các điện tử, đẩy chúng lên các mức năng lượng cao hơn. - Do vậy người ta cũng có thể sử dụng nó để nghiên cứu tính chất của những thiên thể lạ trong vũ trụ, ví dụ như sao neutron. - Để thấy được sự tinh tế của các bức xạ cấp độ atto giây, ta có thể tưởng tượng, nếu ta tạo ra một xung ánh sáng bình thường trong 1.28 giây, thì xung ánh sáng đó sẽ vươn tới Mặt trăng. - Nay, với kĩ thuật cao hơn, các xung bức xạ ở cấp độ atto giây sẽ giúp nhân loại “chụp ảnh” chuyển động của các electron bên trong nguyên tử, hay sự bứt tách electron từ nguyên tử dưới tác dụng của một photon năng lượng cao.. - Hiện tượng này có thể so sánh với những gì đang xảy ra trong nhân của những sao nơtron. - Với kết quả này, các nhà khoa học hy vọng sắp tới có thể tạo ra điều kiện giống hệt như ở các sao nơtron, nhằm kiểm nghiểm lý thuyết của ngành vật lý thiên văn về dạng của thiên thể này. - 7.5 Giấc mơ đi ngược thời gian có thể thành hiện thực. - Khi bắt thời gian quay, ta có thể trở về quá khứ. - “năng lượng âm” rất lớn. - Vùng trũng thời gian. - “gợn sóng” trong không gian gây ra bởi những chuyển động trên có thể làm thời gian bị uốn cong. - Cũng theo những tính toán lý thuyết thì “bằng cách nào đó”, thời gian có thể bị làm trũng tới mức nó không còn chạy thẳng nữa mà sẽ chạy theo vòng tròn.. - Theo đó ánh sáng thực ra không có khối lượng, nhưng nó có thể bị bẻ. - Theo đó, về mặt lý thuyết, loài người có thể tìm ngược về quá khứ của mình, ít nhất cũng về đến thời điểm mà vòng tròn được khép kín.. - Một vấn đề cơ bản nhưng rất khó giải quyết, đó là: khi bắt thời gian chạy vào một vòng tròn, ta cần một năng lượng lớn khủng khiếp. - Việc tạo ra nguồn năng lượng này nằm ngoài khả năng của chúng ta hiện nay. - Mallet đề nghị giải pháp “hãm thời gian” để giãm đòi hỏi năng lượng. - Theo định luật, nếu ánh sáng càng chậm dần thì mức độ nhiễu loạn trong không-thời gian càng lớn, và nhiễu loạn này sinh ra năng lượng hỗ trợ cho việc bẻ cong thời gian.. - nó chuyển động chậm đến mức có thể. - Tuy nhiên, việc “hãm” tốc độ ánh sáng trên chỉ có thể thực hiện ở một môi trường có nhiệt độ gần sát với độ không tuyệt đối (−273 0 C. - Chính vì thế, nếu thử nghiệm chế tạo máy thời gian của Mallet thì chúng ta vẫn phải đối đầu với một vấn đề hết sức nan giải: Làm thế nào để cơ thể con người có thể thích ứng được với nhiệt độ “băng hà” ấy để “du hành”. - trong thời gian? (Hiện nay, Mallet mới chỉ tiến hành những thực nghiệm nhỏ ở bước thứ nhất là đo những tác động của vòng quay laser vào một nguyên tử đơn).. - Mong rằng đây có thể là một tài liệu tham khảo hữu ích cho các bạn sinh viên khóa sau đam mê tìm hiểu về laser, rất mong các bạn đóng góp ý kiến và tiếp tục hoàn thiện hơn về đề tài này.