Laser

15

nó ở khoảng cách lớn hơn kích thước của dụng cụ hội tụ. Laser là một chuyện khác. Sau khi điện tử học lượng tử ra đời và laser được chế tạo *) đã xuất hiện khả năng tập trung các dòng ánh sáng mạnh dưới dạng những bó tia.

Từ laser là cách viết tắt của cụm tiếng Anh Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, được dịch là: khuếch đại ánh sáng bằng sự phát xạ cảm ứng. Hãy thử tìm hiểu cụm từ này có nghĩa gì. Ta biết rằng ánh sáng là bức xạ điện từ, truyền đi dưới dạng sóng và mang năng lượng. Sóng ánh sáng là sóng điện từ biến thiên nhanh, truyền trong chân không với vận tốc $3 \cdot 10^{10} \text{ cm/sec}$. Những đặc trưng cơ bản của quá trình sóng là: bước sóng — khoảng cách giữa hai đỉnh của sóng truyền đi, và tần số — đại lượng cho biết trong một giây, tại một điểm cố định nào đó trong không gian, đỉnh sóng xuất hiện bao nhiêu lần. Bước sóng ánh sáng $\lambda$ và tần số của nó $v$ được liên hệ với vận tốc ánh sáng $c$ bằng hệ thức đơn giản $\lambda v = c$.

Ánh sáng nhìn thấy được tương ứng với các sóng có độ dài từ $0,4 \text{ mk}$ đến $0,8 \text{ mk}$ ($1 \text{ mk} = 10^{-4} \text{ cm}$) và tần số từ $0,75 \cdot 10^{15} \text{ sec}$ đến $0,375 \cdot 10^{15} \text{ sec}$ (tần số $1 \text{ sec}$ — một dao động trong một giây).

Trong sóng ánh sáng, điện trường và từ trường biến đổi tuần hoàn theo không gian và thời gian, cũng như trong sóng vô tuyến. Tuy nhiên, sóng ánh sáng thông thường, khác với sóng vô tuyến, không phải là đơn sắc. Một sóng được gọi là đơn sắc khi những biến đổi tuần hoàn của điện trường và từ trường của các sóng bức xạ phát ra từ những nguồn khác nhau nói chung có thể trùng khớp. Nếu khi tần số trùng khớp chính xác, đỉnh của một sóng luôn trùng với đỉnh của sóng kia, thì biên độ của sóng tổng hợp tăng gấp đôi. Trong trường hợp này người ta nói rằng các sóng cộng lại đồng pha. Quan hệ pha giữa các ánh sáng đặc trưng cho sự sắp xếp tương đối của các đỉnh sóng—

16

của một sóng đối với các đỉnh của sóng kia. Nếu sự sắp xếp tương hỗ này luôn không đổi, thì các sóng được gọi là kết hợp. Từ “kết hợp” theo nghĩa đen là sự gắn kết, liên kết. Khái niệm kết hợp đóng vai trò lớn và được sử dụng rộng rãi trong vật lý.

Sóng ánh sáng tổng quát không phải là đơn sắc. Vấn đề là ánh sáng mà ta nhìn thấy — ánh sáng Mặt Trời, ánh sáng của đèn huỳnh quang hoặc đèn sợi đốt — được phát ra bởi rất nhiều nguồn phát riêng biệt, độc lập (nguyên tử), mỗi nguồn phát ánh sáng không hề liên hệ gì với việc các nguồn lân cận của nó có phát hay không phát ánh sáng. Do sự phát xạ hỗn loạn như vậy, các sóng ánh sáng cấu thành bức xạ mà ta quan sát không kết hợp với nhau, còn sóng ánh sáng tổng hợp thì không đơn sắc. Chính tính không đơn sắc và không kết hợp giải thích sự không thể tập trung năng lượng ánh sáng thành một bó tia (do đó không thể chế tạo “hyperboloid của kỹ sư Garin”).

Chúng ta biết rằng ánh sáng được phát ra bởi các nguyên tử. Chính các nguyên tử là những nguồn phát riêng biệt độc lập mà ta vừa nói tới. Ở cấp độ nguyên tử, quan niệm về bức xạ ánh sáng như một sóng ánh sáng liên tục là không đúng. Nguyên tử chỉ có thể hấp thụ hoặc phát ra ánh sáng dưới dạng những phần năng lượng ánh sáng xác định — các lượng tử ánh sáng. Năng lượng của các lượng tử là $\varepsilon = hv$, trong đó $h = 6,6 \cdot 10^{-34} \text{ jun}/\text{giây}$ — hằng số Planck, còn $v$ — tần số ánh sáng.

Năng lượng của các lượng tử ánh sáng nhìn thấy nằm trong khoảng từ $2,5 \cdot 10^{-19} \text{ jun}$ đến $5 \cdot 10^{-19} \text{ jun}$. Mặc dù năng lượng này rất nhỏ, bản chất lượng tử của ánh sáng biểu hiện rõ trong sự tương tác của ánh sáng với vật chất. Đồng thời ánh sáng không mất đi bản chất sóng của mình, bản chất thể hiện trong mọi hiện tượng mà các quan hệ pha là quan trọng (sự chồng chất sóng, sự hình thành các chùm sáng v.v.). Như vậy, ánh sáng có các tính chất sóng và hạt, tức là các tính chất vốn có của hạt.

Vậy, các nguồn phát vi mô của ánh sáng là các nguyên tử, trong điều kiện thông thường cho một dòng lượng tử của bức xạ không kết hợp. Rõ ràng, bức xạ được phát ra bởi các nguyên tử có một năng lượng dư nào đó, gọi là các nguyên tử kích thích. Nhưng nguyên tử kích thích không bền, nó có thể tự phát ra lượng tử bức xạ mà không cần bất cứ nguyên nhân bên ngoài nào. Các sự phát xạ tự phát xảy ra ngẫu nhiên. Bức xạ tự phát như vậy có tính không đều, hỗn loạn. Nó không kết hợp. Nhưng khả năng phát năng lượng ánh sáng không chỉ giới hạn ở các quá trình tự phát. Cần nhớ rằng năng lượng bên trong của các nguyên tử chỉ có thể nhận một số giá trị xác định. Người ta nói rằng nguyên tử chỉ có thể ở mức năng lượng này hoặc mức năng lượng kia. Sự chuyển của nguyên tử từ mức này sang mức khác kèm theo sự thay đổi năng lượng bên trong của nó. Khi chuyển từ mức năng lượng thấp lên mức cao, nguyên tử hấp thụ năng lượng, khi chuyển từ mức cao xuống mức thấp, nguyên tử nhường năng lượng. Do đó, các chuyển mức này kèm theo hoặc sự hấp thụ, hoặc sự phát xạ. Tần số của bức xạ phát ra khi chuyển từ mức năng lượng $E_1$ sang mức $E_2$ được xác định bởi công thức

$$v = \frac{E_2 - E_1}{h}.$$

Ngoài các chuyển tự phát của nguyên tử từ mức năng lượng cao xuống mức thấp, còn có hiện tượng đáng chú ý là bức xạ cảm ứng, do A. Einstein nêu ra. Quá trình bức xạ cảm ứng khác với quá trình tự phát trước hết ở chỗ nó không xảy ra tự nó, mà dưới tác dụng của bức xạ bên ngoài

17

đối với nguyên tử. Khi đó các lượng tử thứ cấp không phân biệt được với các lượng tử sơ cấp. Chúng lặp lại chính xác tần số và hướng truyền của các lượng tử sơ cấp. Bức xạ cảm ứng được gọi là cảm ứng vì các lần phát của nó được cảm ứng (gây ra) bởi bức xạ bên ngoài đối với nguyên tử. Vì vậy, khác với bức xạ tự phát của nhiều nguyên tử, bức xạ cảm ứng là kết hợp.

Như vậy, trong quang học có một hiện tượng thích hợp để thu được bức xạ kết hợp. Đó là phát xạ kích thích. Nhưng đối với một nguyên tử, xác suất phát xạ kích thích khi chuyển từ các mức năng lượng trên xuống các mức dưới bằng xác suất hấp thụ khi chuyển từ các mức dưới lên các mức trên. Để phát xạ kích thích chiếm ưu thế so với hấp thụ, cần có nhiều nguyên tử ở các mức trên hơn ở các mức dưới. Còn trong điều kiện cân bằng nhiệt thì sự việc lại đúng là ngược lại: ở các mức năng lượng dưới có nhiều nguyên tử hơn ở các mức trên (hình 1). Khi bức xạ tương tác với một hệ nguyên tử như vậy, sẽ xảy ra điều sau. Một phần bức xạ bị hấp thụ, và một phần nguyên tử sẽ chuyển lên mức năng lượng trên (hình 2). Nếu hệ nguyên tử được chuẩn bị trước sao cho ở mức năng lượng trên có nhiều nguyên tử hơn ở mức dưới, thì khi bức xạ tương tác

Hình 1
Hình 2

18

với một hệ nguyên tử như vậy, do hiệu ứng phát xạ kích thích sẽ xảy ra sự khuếch đại bức xạ ban đầu, như được biểu diễn sơ đồ ở hình 3. Do các tính chất của phát xạ kích thích, bức xạ thứ cấp khuếch đại bức xạ sơ cấp, là bản sao chính xác của nó. Cùng với nhau, chúng tạo thành một sóng duy nhất, biên độ của nó tăng lên tỉ lệ với số lần phát xạ kích thích (hình 4). Các hệ nguyên tử mà đối với ít nhất hai mức năng lượng có tình huống sao cho mức năng lượng trên được chiếm nhiều hơn mức dưới, được gọi là các hệ có đảo mật độ. Từ đảo có nghĩa là lật ngược, thay đổi trật tự bình thường của sự vật thành trật tự ngược lại.

Vì vậy, cơ sở của điện tử lượng tử với tư cách là một khoa học nói chung là sự khuếch đại phát xạ kích thích, và điều chủ yếu trong laser là sử dụng phát xạ kích thích trong các hệ có đảo mật độ để khuếch đại kết hợp và phát sinh các sóng ánh sáng.

Ở đây cần nhấn mạnh sự khác nhau giữa khuếch đại và phát sinh. Bộ khuếch đại quang dùng để tăng cường độ điện trường của sóng ánh sáng đi vào đầu vào của nó. Ở đầu ra của bộ khuếch đại phải thu được bức xạ mạnh hơn, nhưng là bản sao chính xác của bức xạ đầu vào. Theo nghĩa này, bộ khuếch đại quang hoàn toàn giống với tiền thân của nó — bộ khuếch đại vô tuyến. Còn bộ phát quang phải là nguồn bức xạ quang, nảy sinh trực tiếp trong bộ phát và đi ra từ đó vào không gian bên ngoài.

Để bộ phát quang hoạt động, cần có liên hệ ngược. Nó được thực hiện như sau. Một hệ nguyên tử có đảo mật độ được đặt giữa hai gương song song nghiêm ngặt với nhau.

Hình 4

19

Tại một điểm nào đó giữa các gương tự phát sinh ra bức xạ. Nó lan truyền về phía gương và mạnh lên trong quá trình lan truyền. Đến gương, các sóng ánh sáng phản xạ và quay trở lại. Nếu các đỉnh của sóng phản xạ trùng với các đỉnh của sóng tới, thì các sóng tăng cường lẫn nhau. Muốn vậy, khoảng cách giữa các gương phải là bội của một số nguyên nửa bước sóng. Thông thường, giữa các gương có hàng trăm nghìn nửa bước sóng. Năng lượng phát ra tích lũy trong không gian giữa các gương và tác động lên hệ nguyên tử, gây ra bức xạ cảm ứng. Nếu công suất của bức xạ cảm ứng vượt quá công suất của các tổn hao không tránh khỏi do nung nóng gương, tán xạ, cũng như do bức xạ có ích ra không gian bên ngoài, thì xuất hiện một sóng ánh sáng không tắt dần. Do các tính chất của bức xạ cảm ứng, sóng này có độ đơn sắc rất cao. Mọi nguyên tử hoạt động đồng bộ. Chính liên hệ ngược, được thực hiện bởi bức xạ tích lũy giữa các gương, buộc chúng hoạt động như vậy.

Đối với việc ứng dụng laser, điều rất quan trọng là trong bức xạ cảm ứng, các lượng tử thứ cấp không chỉ lặp lại tần số mà còn cả hướng truyền của các lượng tử sơ cấp. Kết quả là bức xạ laser không chỉ có độ đơn sắc cao mà còn có tính định hướng lý tưởng. Như vậy, sự hình thành chùm ánh sáng diễn ra tự động.

Trước khi chuyển sang mô tả chính các laser, hãy kết thúc trình bày những cơ sở của điện tử học lượng tử bằng nhóm tương tự sau đây. Hãy hình dung các khán đài của một sân vận động lớn, đầy hàng nghìn cổ động viên cuồng nhiệt. Trước khi trận đấu bắt đầu, các cổ động viên nói gì đó, hò hét gì đó, nhưng mỗi người độc lập với những người khác. Một tiếng ồn mạnh không đều được tạo ra. Trận đấu bắt đầu, mọi người im bặt. Yên tĩnh. Rồi bỗng nhiên, bắt đầu từ đâu đó, tiếng hô thống nhất «vào, vào» tăng dần và đạt tới sức mạnh chói tai. Mọi người hô đồng thanh, hô đồng bộ, nhờ đó đạt được hiệu ứng tương tự laser.

Trong laser đầu tiên đã sử dụng ruby — đơn tinh thể oxit nhôm (Al₂O₃). Trong tinh thể ruby, một phần các nguyên tử nhôm được thay bằng các nguyên tử crôm. Với nồng độ khoảng 0,05%, tạp chất crôm tạo cho ruby màu đỏ hồng đặc trưng.

Sự đảo lộn mật độ trong ruby đạt được bằng cách sử dụng ba mức năng lượng và bức xạ bơm phụ trợ. Trong phương pháp ba mức, để tăng số nguyên tử ở mức năng lượng trên hoặc (điều tương đương) để giảm số nguyên tử ở mức dưới, người ta dùng bức xạ phụ trợ mạnh, liên kết một trong các mức làm việc với mức phụ trợ thứ ba và bơm các nguyên tử từ dưới lên trên.

Hiện nay, các năng lượng và công suất xung kỷ lục được tạo ra bởi laser ruby và laser thủy tinh pha tạp neodym. Vì vậy, chúng được quan tâm nhiều nhất.

Thành phần chính của laze rubi là tinh thể rubi tổng hợp có độ đồng nhất cao. Tinh thể thường có dạng hình trụ đường kính 0,4÷2 cm và chiều dài 3÷20 cm. Nguồn kích thích là đèn chớp. Sự bơm xảy ra như sau. Các nguyên tử crôm, trước chớp ở mức dưới không kích thích, nhờ hấp thụ ánh sáng xanh lục hoặc xanh lam có trong bức xạ của đèn chớp, chuyển sang trạng thái kích thích (hình 5). Thời gian sống của các nguyên tử ở mức kích thích trên nhỏ (nhỏ hơn 10⁻⁷ giây). Chúng nhanh chóng chuyển xuống mức kích thích dưới, truyền năng lượng dư cho mạng tinh thể, tức là làm nóng tinh thể. Ở mức kích thích mới, thời gian sống là 10⁻³ giây. Vì thế mức này được gọi là siêu bền.

20

Từ đó các nguyên tử chuyển về trạng thái cơ bản không kích thích, phát ra một lượng tử ánh sáng ở vùng đỏ của phổ.

Với sự bơm đủ mạnh, có thể chuyển lên mức siêu bền một số hạt đủ lớn để tạo ra sự đảo mật độ mạnh.

Làm đèn bơm người ta dùng các đèn phóng điện khí công suất lớn. Lúc đầu chúng được chế tạo dưới dạng xoắn ốc bao quanh tinh thể. Hiện nay, theo quy tắc, dùng các đèn dạng thanh mạnh hơn, đặt song song với tinh thể. Các đèn làm việc ở chế độ xung. Độ dài xung chớp vào khoảng một phần nghìn giây (1 msec). Chớp được tạo ra từ các dãy tụ điện có điện dung đến 10 000 μF, nạp đến vài nghìn vôn. Khi phóng điện qua đèn, các tụ điện giải phóng trong một xung năng lượng hàng chục, thậm chí hàng trăm nghìn jun. Công suất bơm trong xung có thể vượt quá mười triệu oát.

Chỉ một phần năng lượng bức xạ của đèn chớp, thuộc phần xanh lục và xanh lam của phổ, được dùng để kích thích các ion crôm. Phần còn lại chuyển thành nhiệt.

Việc dùng chế độ xung do hai nguyên nhân. Thứ nhất, khó có nguồn sáng bơm công suất lớn làm việc liên tục. Thứ hai, tinh thể nóng mạnh khi bị kích thích lâu và mất tính đồng nhất quang học.

Tự nhiên là khi bơm xung, sự phát cũng có tính xung. Khi đó, sự đảo mật độ tạo được trong tinh thể có thể được thực hiện theo hai cách. Xét cả hai khả năng.

Giả sử các gương phản xạ được chỉnh cộng hưởng và cố định chắc chắn. Khi đó, ngay khi ở mức siêu bền tích lũy đủ số hạt, sự phát bắt đầu và sẽ tiếp tục chừng nào sự bơm còn hiệu quả. Thông thường, cái gọi là phát tự do này bắt đầu sau 100÷300 msec kể từ lúc chớp bơm và kéo dài 1 msec.

Ở chế độ phát tự do, các tinh thể lớn với sự bơm mạnh cho năng lượng trong xung đến 1000 jun. Điều đó tương ứng với công suất xung đến hàng triệu oát.

Chế độ khác đạt được bằng cách đưa các gương của bộ cộng hưởng vào hoạt động đúng lúc sự đảo mật độ đạt giá trị cực đại. Khi đó, tất cả các hạt tích lũy ở mức siêu bền phát gần như ngay lập tức, và máy phát cho một xung bức xạ khổng lồ có độ dài rất ngắn 10⁻⁸÷10⁻⁹ giây với năng lượng tương đối nhỏ (khoảng ba jun). Nhưng vì năng lượng này được bức xạ trong thời gian rất ngắn,

21

nên công suất cực đại của xung đạt các giá trị 300 triệu — 3 tỉ oát.

Ở đây nảy sinh vấn đề về hiệu suất của laser. Từ các ước lượng đã nêu thấy rằng chỉ một phần nhỏ năng lượng bơm được biến thành bức xạ laser. Ở chế độ phát tự do, hiệu suất của laser hồng ngọc nhỏ hơn 1%, còn ở chế độ xung khổng lồ thì lại càng nhỏ hơn.

Vậy lợi ích mà laser đem lại là gì?

Vấn đề là ở chỗ, tuy thua về lượng năng lượng bức xạ, chúng ta lại được lợi không thể so sánh về chất lượng của nó. Chất lượng mới này — tính đơn sắc và tính định hướng — được quyết định bởi tính chất của hiệu ứng bức xạ cảm ứng.

Bước sóng bức xạ của laser hồng ngọc bằng 6943 Å = 6,943·10⁻⁵ cm. Và trong lân cận bước sóng này, trong một khoảng rất hẹp có độ rộng cỡ 0,1 Å, tập trung toàn bộ công suất của laser. Còn độ rộng phổ bức xạ của nguồn sáng nhiệt trong vùng nhìn thấy vào khoảng 3000 Å, tức lớn hơn 30 000 lần.

Một trong những nguồn sáng nhiệt mạnh nhất — Mặt Trời của chúng ta — từ một xentimét vuông bề mặt phát ra trong vùng ánh sáng nhìn thấy công suất 8·10³ вт/cm². Trong đó, khoảng bước sóng 0,1 Å nhận 0,2 вт/cm². Còn các laser hồng ngọc cho trong khoảng này 10⁶ ÷ 10⁹ вт/cm²!

Cường độ điện trường tương ứng là 3·10⁴÷10⁶ вт/cm². Mặt Trời trong cùng khoảng bước sóng đó tạo ra trường 12 вт/cm².

Chất lượng mới của bức xạ laser có thể được minh họa như sau. Về nguyên tắc, bức xạ của Mặt Trời không thể nung nóng một vật nào đến nhiệt độ cao hơn 6000°С. Bức xạ ánh sáng của các đèn phóng điện khí sáng hơn Mặt Trời không thể nung nóng vật đến nhiệt độ cao hơn 10 000°С. Nhưng khi chính bức xạ của các đèn phóng điện khí ấy, dù với tổn thất năng lượng lớn, được biến đổi thành bức xạ laser đơn sắc có mật độ năng lượng phổ lớn hơn ban đầu hàng tỷ lần, thì nó có thể nung nóng vật đến vài triệu độ.

Laser trên tinh thể cũng có thể làm việc ở chế độ liên tục. Nhưng dĩ nhiên các laser xung cho công suất lớn hơn.

Các laser khí có vị trí hơi riêng biệt. Hiện nay, các laser khí được tạo ra bởi phóng điện tử làm việc trong một dải tần rất rộng — từ bức xạ tử ngoại đến hồng ngoại xa. Phần tử cấu tạo chính của laser khí là ống phóng điện khí, tức là ống trong đó duy trì sự phóng điện tử trong khí. Khí được làm loãng đến áp suất nhỏ hơn áp suất khí quyển 100÷1000 lần. Vật liệu làm ống là thủy tinh hoặc thạch anh. Chiều dài các ống, tùy theo mục đích, nằm trong khoảng từ 5 cm đến 50 m. Các ống phóng điện khí của laser khí phần lớn giống các ống của biển quảng cáo neon phát sáng. Gương của laser được đặt hoặc ngay trên các đầu ống phóng điện khí, hoặc ở bên ngoài, nhưng trong mọi trường hợp đều vuông góc nghiêm ngặt với trục ống.

Hiện nay loại phổ biến nhất là laser neon-heli liên tục trên