I.Lịch sử

Laser được phỏng theo maser, một thiết bị có cơ chế tương tự nhưng tạo ra tia vi sóng hơn là các bức xạ ánh sáng. Maser đầu tiên được tạo ra bởi Charles H. Townes và sinh viên tốt nghiệp J.P. Gordon và H.J. Zeiger vào năm 1953. Maser đầu tiên đó không tạo ra tia sóng một cách liên tục. Nikolay Gennadiyevich Basov và Aleksandr Mikhailovich Prokhorov của Liên bang Xô viết đã làm việc độc lập trên lĩnh vực lượng tử dao động và 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. Năm 1964, Charles Townes, Nikolai Basov và Aleksandr Prokhorov cùng nhận giải thưởng Nobel vật lý về nền tảng cho lĩnh vực điện tử lượng tử, dẫn đến việc tạo ra máy dao động và phóng đại dựa trên thuyết maser-laser.

Laser hồng ngọc, một laser chất rắn, được tạo ra lần đầu tiên vào năm 1960, bởi nhà vật lý Theodore Maiman tại phòng thí nghiệm Hughes Laboratory ở Malibu, California. Hồng ngọc là ôxít nhôm pha lẫn crôm. Crôm hấp thụ tia sáng màu xanh lá cây và xanh lục, để lại duy nhất tia sáng màu hồng phát ra.

Robert N. Hall phát triển laser bán dẫn đầu tiên, hay laser diod, năm 1962. Thiết bị của Hall xây dựng trên hệ thống vật liệu gali-aseni và tạo ra tia có bước sóng 850 nanômét, gần vùng quang phổ tia hồng ngoại. Laser bán dẫn đầu tiên với tia phát ra có thể thấy được được trưng bày đầu tiên cùng năm đó. Năm 1970, Zhores Ivanovich Alferov của Liên Xô và Hayashi và Panish của Phòng thí nghiệm Bell đã độc lập phát triển laser diode hoạt động liên tục ở nhiệt độ trong phòng, sử dụng cấu trúc đa kết nối.

II. Khái niệm về lazer

Laser là tên của những chữ cái đầu của thuật ngữ bằng tiếng Anh “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation ’’ (Sự khuếch đại ánh sáng bằng bức xạ kích hoạt).

Laser là nguồn ánh sáng nhân tạo thu được nhờ sự khuếch đại ánh sáng bằng bức xạ phát ra khi kích hoạt cao độ các phần tử của một môi trường vật chất tương ứng. Laser là ánh sáng có nhiều tính chất đặc biệt hơn hẳn ánh sáng tự nhiên hay nhân tạo khác và có những công dụng rất hữu ích có thể áp dụng trong rất nhiều lĩnh vực khoa học kỹ thuật và đời sống, tạo nên cả một cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật sau khi nó ra đời.

Sự ra đời cùa Laser bắt nguồn từ Thuyết Lượng tử do nhà bác học A. Einstein phát minh ra năm 1916. Đến năm 1954, các nhà bác học Anh, Mỹ đã đồng thời sáng chế ra máy phát tia laser ứng dụng vào thực tế. Các thử nghiệm laser trên người bắt đầu từ những năm 1960. Từ năm1964, đã bắt đầu ứng dụng laser trong các trị liệu về Da (chuyên khoa da liễu).

1. Nguyên lý phát sinh LASER:

Theo những khái niệm cơ bản của vật lý lượng tử, khi ta chiếu một chùm ánh sáng vào một môi trường vật chất (thuật ngữ vật lý học gọi là hệ vật lý tượng tử) thì chùm ánh sáng sẽ yếu dần đi do bị hấp thu bởi môi trường vật chất. Bản chất quá trình bị hấp thu ấy là các hạt ánh sáng (photon) đã truyền năng lượng kích hoạt các phân tử vật chất “nhảy” từ trạng thái ổn định A lên một trạng thái B với mức năng lượng cao hơn. Vì B là một trạng thái không ổn định, nên sau một thời gian nhất định, các phân tử đang ở mức B lại “nhảy” về mức A và trong lúc “nhảy về” đó nó cũng phát ra một photon mang năng lượng bằng năng lượng nó đã hấp thu, theo kiểu “vay gì trả nấy”. Đó là hiện tượng bức xạ. Tuy nhiên các hạt photon bức xạ này không nhiều, vì nó tỉ lệ với số phân tử có ở mức B, mà số phân tử ở trang thái B bao giờ cũng ít hơn số phân tử ở trạng thái ổn định A. Các photon bức xạ này phát ra theo mọi hướng một cách tự do nên còn gọi nó là bức xạ tự do.

Khi ta làm cho các photon tương tác bởi các phân tử ở mức cao B, bắt nó trở về A sớm hơn và phát sinh ra photon, các photon có đồng mức năng lượng và đúng bằng mức năng lượng các photon của nguồn chiếu đã truyền cho nó thì đó là bức xạ kích hoạt.

Khi tạo ra bức xạ kích hoạt ở mức độ cao cho các photon bức xạ phát ra liên tục ở mức cao nhất, rồi được chọn lọc và khuyếch đại để chúng phát về cùng một hướng với những tính chất giống nhau ta sẽ thu được chùm sáng laser. Như vậy nguyên lý của máy phát laser chính là làm sao cho nguồn sáng chiếu vào môi trường hoạt chất laser không bị yếu đi để có thể kích hoạt liên tục các phần tử vật chất cho số phân tử ở mức B luôn nhiều hơn ở mức A, như vậy số photon bức xạ sẽ được phát sinh nhiều đến mức tối đa. Khi đó, bằng các thiết bị đặc biệt, nguồn sáng bức xạ này sẽ được chọn lọc và khuyếnh đại để phát ra một chùm ánh sáng đơn sắc, gồm những tia sáng có cùng hướng, có bước sóng gần tương đương và có độ tập trung cao. Đó chính là laser.