14/11/1967 - Theodore Maiman đăng ký bằng sáng chế cho tia laser đầu tiên trên thế giới

Laser hồng ngọc, một laser chất rắn, được tạo ra lần đầu tiên vào năm 1960, bởi nhà vật lý người Hoa Kỳ Theodore Maiman tại phòng thí nghiệm Hughes Laboratory ở Malibu, California. Đây được coi là tia laser đầu tiên trên thế giới và đươc Maiman đăng ký bằng sáng chế vào ngày 14/11/1967. Hồng ngọc tạo nên từ nhôm oxit pha lẫn crom. Khi crom hấp thụ tia sáng màu xanh lá cây và xanh lục, nó để lại duy nhất tia sáng màu hồng phát ra.

Hình thực tế của laser hồng ngọc.

Laser là tên viết tắt của cụm từ Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation trong tiếng Anh, và có nghĩa là "khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ kích thích". Ánh sáng tự nhiên và ánh sáng nhân tạo thông thường được phát ra bởi sự thay đổi năng lượng ở các mức nguyên tử và phân tử xảy ra mà không cần có sự can thiệp từ bên ngoài. Tuy nhiên, loại ánh sáng thứ hai tồn tại và xảy ra khi nguyên tử hay phân tử vẫn giữ năng lượng dư thừa của nó cho đến khi bị cưỡng bức phải phát ra năng lượng dưới dạng ánh sáng. Laser được chế tạo để tạo ra và khuếch đại dạng ánh sáng cưỡng bức này thành các chùm cường độ mạnh và tập trung. Tính chất đặc biệt của ánh sáng laser khiến cho kĩ thuật laser trở thành một công cụ thiết yếu trong hầu như mọi mặt đời sống hàng ngày, như viễn thông, giải trí, sản xuất và y khoa.

Albert Einstein đã tình cờ đặt bước đầu tiên trong sự phát triển laser với việc nhận thấy có khả năng có hai loại phát xạ. Trong một bài báo công bố năm 1917, ông là người đầu tiên đề xuất sự tồn tại của phát xạ cưỡng bức. Trong nhiều năm, các nhà vật lí cho rằng sự phát xạ tự phát của ánh sáng là hình thức khả dĩ và trội nhất, và bất cứ sự phát xạ cưỡng bức nào cũng đều phải yếu hơn nhiều lần. Mãi đến sau Thế chiến thứ hai, người ta mới bằt đầu tìm kiếm những điều kiện cần thiết cho sự phát xạ cưỡng bức chiếm ưu thế, và làm cho một nguyên tử hay phân tử kích thích nguyên tử hay phân tử khác, tạo ra hiệu ứng khuếch đại ánh sáng phát xạ.

Theodore Maiman - cha đẻ của tia laser đầu tiên trên thế giới.

Electron tồn tại ở các mức năng lượng riêng biệt trong một nguyên tử. Các mức năng lượng có thể hiểu là tương ứng với các quỹ đạo riêng biệt của electron xung quanh hạt nhân. Electron ở bên ngoài sẽ có mức năng lượng cao hơn những electron ở phía trong. Khi có sự tác động vật lý hay hóa học từ bên ngoài, các hạt electron này cũng có thể nhảy từ mức năng lượng thấp lên mức năng lượng cao hay ngược lại. Các quá trình này có thể sinh ra hay hấp thụ các tia sáng (photon) theo giả thuyết của Albert Einstein. Bước sóng (do đó màu sắc) của tia sáng phụ thuộc vào sự chênh lệch năng lượng giữa các mức.

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 là tên viết tắt của cụm từ Microwave Amplification by Stimulation Emission of Radiation và có nghĩa là "Khuếch đại sóng micro bằng phát xạ kích thích". Maser và laser có cơ chế hoạt động giống nhau, chỉ khác là maser hoạt động với tần số photon ở vùng vi sóng còn laser hoạt động trong phổ cực tím, ánh sáng hay hồng ngoại. Maser đầu tiên được tạo ra bởi Charles H.Townes với sự trợ giúp của hai sinh viên vừa tốt nghiệp là J.P.Gordon và H.J.Zeiger vào năm 1953. Maser đầu tiên đó không tạo ra tia sóng một cách liên tục.

Cũng vào thời gian đó, hai nha khoa học Nikolay Gennadiyevich Basov và Aleksandr Mikhailovich Prokhorov của Liên Xô 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 của Maiman phát ra các xung ánh sáng đỏ kết hợp cường độ mạnh có bước sóng 694 nanomet, trong một chùm hẹp có mức độ tập trung cao, khá tiêu biểu cho những đặc tính biểu hiện bởi nhiều laser hiện nay. Laser đầu tiên dùng một thỏi ruby nhỏ có hai đầu mạ bạc để phản xạ ánh sáng, bao quanh bởi một đèn flash xoắn ốc, và đủ nhỏ để cầm trong tay. Điều thú vị là nhà nhiếp ảnh được Phòng thí nghiệm Hughes ủy quyền để quảng cáo phát minh mới cho rằng laser thực tế quá nhỏ và chụp Maiman trong tư thế với laser lớn hơn mãi đến sau này vẫn không hoạt động được. Bức ảnh chụp Maiman cùng với laser “hoành tráng hơn” đó vẫn được lưu truyền và sử dụng trong nhiều ấn phẩm.

Mô tả laser hồng ngọc.

Sự hiện diện của laser trong các tác phẩm khoa học viễn tưởng, hay phim hành động, cũng như lời bình phẩm nói chung dẫn đến các suy nghĩ sai lầm. Ví dụ, trái với những gì xuất hiện trên phim như Star Wars, tia laser không bao giờ nhìn thấy trong chân không, do chân không không có tán xạ ánh sáng. 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; tương tự như ánh nắng mặt trời tỏa sáng trong môi trường bụi. Kĩ xảo này 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 là 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. Đối với các tia có cường độ cao hơn, tập trung tại một điểm nhỏ, không khí có thể bị nung lên đến trạng thái plasma, do đó laser có thể được 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). Trong phim khoa học viễn tưởng, các hiệu ứng đặc biệt thường miêu tả các vũ khí laser truyền đi vài mét trong một giây, trái với thực tế là tia laser di chuyển với vận tốc ánh sáng, nhanh đến mức không thể thấy sự di chuyển của tia laser. Một vài cảnh phim miêu tả hệ thống an toàn sử dụng laser đỏ, có thể được vô hiệu hóa bởi các nhân vật bằng việc là sử dụng gương, khi người này nhìn thấy tia laser bằng cách rải các bụi trắng vào không khí. Thực tế thì hệ thống an toàn có thể dùng tia laser hồng ngoại hơn là tia laser thấy được.

Trong vài thập kỉ kể từ thập niên 1960, laser đã không còn là một ý tưởng khoa học viễn tưởng, một vật hiếm trong phòng nghiên cứu, một thứ đắt tiền nữa. Nó đã trở thành một công cụ quý giá trong những ứng dụng khoa học nhất định, nó trở thành một vật thiết yếu trong công việc hàng ngày, và thông dụng đến mức có thể mua ở những cửa hàng tạp hóa, có người dùng nó đo kích thước phòng ở để dán giấy lên tường. Bất kì danh sách nào điểm lại những thành tựu công nghệ chủ yếu của thế kỉ 20 cũng có tên laser nằm ở phần trên đầu. Sự thâm nhập của laser vào mọi mặt đời sống hiện nay có thể được đánh giá đúng nhất bằng phạm vi ứng dụng của công nghệ laser. Ở một phía ngoạn mục của phạm vi này là những ứng dụng trong quân sự, kể cả việc sử dụng laser làm vũ khí chống lại sự tấn công bằng tên lửa. Ở một phạm vi khác là những hoạt động thường nhật như nghe nhạc trên đĩa CD, và in ấn hoặc in sao các văn bản giấy. Các thanh laser được bán hàng trăm đô la mỗi thanh được xem là những món phụ tùng không đắt tiền, cả người thợ mộc cũng sử dụng laser, và những dụng cụ đo đạc đơn giản cũng có gắn laser.

Tham khảo History, Laserfest, Photonic