Công nghệ Laser – 50 năm hình thành và phát triển

Ngày mùng 6 tháng 8 năm 1960, tạp chí khoa học hàng đầu thế giới Nature đã đăng một bài viết vỏn vẹn có 240 từ và 2 hình ảnh của nhà vật lý Theodor Maiman – chuyên viên của phòng thí nghiệm Hughes, California, Mỹ với tiêu đề ” Stimulated Optical Radiation in Ruby“. Ít ai có thể ngờ rằng, chỉ một trang rưỡi giấy đó đã làm thay đổi bộ mặt khoa học và công nghệ của thế giới trong suốt 50 năm qua. Bài báo không nhắc đến từ LASER nhưng nó là khởi nguồn của một cuộc cách mạng trong khoa học và công nghệ, song song với những phát minh vĩ đại – bóng bán dẫn, mạch tích hợp và mạng internet.

H1. Hình ảnh nguyên lý họat động của laser đầu tiên trong bài báo 240 từ trên Nature [2] đã trở thành kinh điển của Theodor Maiman.

Xuất hiện trên trang 493-493 của tạp chí Nature 187 năm 1960, bài báo ghi lại ý tưởng và kết quả của Maiman khi ông sử dụng một chất phát quang và kĩ thuật bơm quang học để tạo ra quá trình phát xạ kích thích với bước sóng tạo ra là 6,943 A. Thanh kích họat là một sợi ruby chiều dài 1.0 cm được tráng trên hai mặt song song bởi một lớp bạc. Khi thanh ruby được kích xạ với năng lượng ở bước sóng 5,500A, các ion chromium trong ruby sẽ được đẩy lên lớp năng lượng cao hơn. Rồi từ từ phân rã bởi quá trình bức xạ tức thời, hình thành đỉnh kép với bước sóng 6,943A và 6,929A tại nhiệt độ phòng. Dưới điều kiện kích thích cực lớn, mật độ electron ở trạng thái bền ( metastable) lớn hơn mật độ electron ở trạng thái cơ bản ( ground state) ,dẫn đến quá trình đảo nghịch mật độ electron, cộng với quá trình phát xạ kích thích, khuếch đại ánh sáng được diễn ra. LASER chính là tên viết tắt của Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation hay quá trình KHẾCH ĐẠI ÁNH SÁNG BẰNG PHÁT XẠ KÍCH THÍCH.

H2. Hình ảnh tia maser trong bài báo [3] của A.Javan

Một năm sau bài báo nguyên bản của Maiman, các chuyên viên của phòng thí nghiệm Bell Labs, bang New Jersey, Mỹ đã công bố kết quả về hệ gas laser ( laser khí ) đầu tiên. Đăng trên tạp chí vật lý đầu ngành Phys.Rev.Lett.6, 106-110 (1961),với tiêu đề ”  Population Inversion and Continuous Optical Maser Oscillation in a Gas Discharge Containing a He-Ne Mixture” nhóm nghiên cứu dẫn đầu bởi tiến sĩ Ali Javan đã thành công trong việc tạo ra một sóng MASER liên tục với 5 bước sóng khác nhau trong vùng cận hồng ngoại. MASER có cơ chế tương tự như LASER, chỉ khác bước sóng được tạo ra ở vùng Microwave, hay vùng Sóng vi ba. Tia sóng được tạo ra có đường kính 1.1 cm và công suất 15 mW ở bước sóng 11,530 A.

Điều đáng chú ý, tại thời điểm đó chưa có những thiết bị quang-điện tử kết hợp  tinh tế để có thể xác nhận kết quả của nhóm. Họ đã không thể đo độ rộng linewidth sử dụng những thiết bị quang học thông thường bởi vì linewidth nhỏ hơn hàng trăm lần so với độ phân giải của những máy quang phổ hay phổ kế tốt nhất khi đó. Thay vào đó, nhóm nghiên cứu đã gợi ý một số phương pháp sử dụng thiết bị điện tử, đồng thời dựa trên phân tích phổ Fourier thông qua hệ thống khếch đại quang học ( photomultiplier).

Thanh kiếm laser trong bộ phim Chiến tranh giữa các vì sao

Chỉ vài năm sau, cái tên LASER đã trở nên phổ biến không chỉ trong giới hàn lâm mà cả trên các phương tiện truyền hình. Thanh kiếm LASER trong bộ phim kinh điển Star Wars với khả năng làm cháy lỏng mọi vật hay chém đôi quân thù chỉ là một trong vài ” đặc tính” của loại thiệt bị này. Trên thực tế, bộ phim khoa học viễn tưởng đó có thể mãi mãi chỉ là viễn tưởng nếu không có những phát triển quan trọng và đột quá của công nghệ LASER. Tiêu biểu phải kể đến những bước tiến như sự ra đời của semiconductor laser ( laser bán dẫn ) năm 1963, fiber laser ( laser ống quang học) năm 1986, và đặc biệt là quantum cascade laser ( laser sử dụng phương pháp bậc thang lượng tử ) năm 1994 cũng như blue laser diode ( laser điốt xanh ) năm 1996.

Năm 1963, một nhóm nghiên cứu dẫn đầu bởi tiến sĩ Herbert Kroemer thuộc phòng nghiên cứu trung tâm CRL thuộc Varian Associates, Mỹ đã miêu tả một hệ thống laser mới mang tên heterjunction injection lasers. Trước đó, laser mới chỉ được tạo ra dựa trên các bán dẫn thuộc chất liệu direct-gap, nay nhóm của ông đề xuất phương pháp laser dựa trên các chất bán dẫn indirect-gap đồng thời cải tiến và nâng cao hiệu suất với những laser direct-gap trước đó, bằng cách tạo ra một cặp heterojunction injectors  pha tạp nặng ( heavily doped) với năng lượng vùng trống cao hơn so với radiating bán dẫn. Nhóm công bố kết quả, có tới trên 27 cặp có khả năng tạo ra lệch lattice ( lưới), trong đó Ge-GaAs và GaP-AIP là những bán dẫn tổ hợp indirect-gap có thể tạo ra các laser vùng khả kiến.

H3. Fibre Laser [5] được phát triển bởi các nhà khoa học đến từ Anh quốc.

Đầu thập niên 90, khi người ta nghĩ rằng sẽ không còn những phát triển cơ bản nào trong công nghệ laser, khi có quá nhiều ứng dụng và thành công của công nghệ này dữa trên những phương pháp như laser bán dẫn hay laser fiber. Trụ cột của công nghệ thông tin và internet chính là hệ thống cáp quang hàng nghìn km lối các châu lục lại với nhau, và hàng trăm thiết bị quang học, điện tử sử dụng thiết bị laser làm phương thức truyền tài và giao tiếp thông tin. Nhưng phát kiến của một nhóm nghiên cứu đến từ Bell Labs đã làm thay đổi tất cả, từ tư duy cho đến hình thức. Năm 1994, đăng trên tạp chí nổi tiếng Science 264, 553-556, với tiêu đề Quantum cascade laser (QC laser), nhóm nghiên cứu của tiến sĩ Jerome Faist et al đã đề xuất hệ thống laser dựa trên phương pháp bậc thang lượng tử, khác biệt so với các laser diode được chế tạo trong nhiều thập niên trước đó. Ý tưởng chế tạo các QC laser đã có từ những năm 1970 tuy nhiên phải đợi đến các thí nghiệm và phát kiến của Jerome Faist, các ý tưởng đó mới thành hiện thực. Các cấu trúc bán dẫn lượng tử được nuôi bằng phương pháp molecular beam epitaxy và được thiết kế với kỹ thuật xây dựng vùng trống năng lượng ( band structure engineering).  Quá trình nghịch đảo mật độ electron ( population inversion) giữa các vùng dẫn riêng rẽ được thực hiện bằng việc điều khiển quá trình chui hầm lượng tử ( quantum tunnelling). Kết quả, một phổ hẹp- phát xạ mạnh trên ngưỡng năng lượng ( threshold) là bằng chứng rõ ràng của quá trình laser, tại bước sóng 4.2 micrometer, với đỉnh xung vượt quá 8 mW. Bước sóng của QC laser tạo bởi cơ chế quantum confinement ( hãm lượng tử), nằm trong vùng giữa của bước sóng hồng ngoại ( mid-infrared) tới bước sóng vi ba .

H4.Các nhà khoa học Nhật cũng có đóng góp quan trọng [7] trong quá trình phát triển và ứng dụng công nghệ laser.

Thành tựu gần đây nhất phải kể đến đó là sự ra đời của blue laser diode dựa trên phương pháp phát xạ kích thích bằng kích dòng ( current injection), khác với phương pháp bơm quang học ( optical pump) trước đó. Đăng trên tạp chí Jpn J. Appl. Phys.35,74-76(1996), nhóm nghiên cứu dẫn đầu bởi tiến sĩ Shuji Nakamura thuộc phòng công nghiệp hóa học Nichia, Nhật bản đã giới thiệu laser diode bán dẫn InGaN xanh sử dụng phương pháp kích điện ( electrically pump). Diode laser tạo ra dòng với công suất 215mW , bước sóng 417 nm, và FWHM là 1.6 nm dưới điều kiện kích dòng và nhiệt độ phòng.  Đây cũng là bước sóng phát xạ ngắn nhất từng được tạo ra bởi một laser diode bán dẫn ở thời điểm đó.

Đến thời điểm này, đã có trên 10 giải Nobel liên quan đến laser và các ứng dụng của nó trong nghiên cứu khoa học, cũng như công nghệ. Vai trò của công nghệ laser vẫn tiếp tục được khẳng định khi những sáng kiến mới liên quan đến nó được đưa ra và ứng dụng. Attosecond và một lọat bước tiến trong công nghệ đo lường với độ chính xác ở thang đo tương đương cũng sẽ được mở ra. Hãy cùng chờ xem !

Tham khảo

[1]. Milestones in laser developments: Nature Photonics 4, 281 (2010)

[2]. Nature 187, 493–494 (1960)

[3]. Phys. Rev. Lett. 6, 106–110 (1961)

[4]. Proc. IEEE 51, 1782–1783 (1963)

[5]. Electron. Lett. 22, 159–160 (1986)

[6]. Science 264, 553–556 (1994)

[7]. Jpn J. Appl. Phys. 35, 74–76 (1996)

(*) Nếu bạn muốn download những bài báo trên, bạn có thể gửi yêu cầu đến địa chỉ gmail: vatlyvn@goolemail.com