Laser tạo ra ánh sáng bằng cách cho photon kích thích các nguyên tử đang ở trạng thái năng lượng cao phát ra những photon giống hệt chính nó, cùng tần số, cùng pha, cùng hướng. Muốn quá trình này thắng sự hấp thụ, môi trường phải được “bơm” năng lượng để có nhiều nguyên tử ở trạng thái kích thích hơn trạng thái thấp, gọi là đảo mật độ. Hai tấm gương đặt hai đầu bắt ánh sáng đi lại nhiều lần qua môi trường, mỗi lần được khuếch đại thêm, và một gương cho lọt ra một phần nhỏ thành chùm tia.
Chữ LASER là viết tắt tiếng Anh của “khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ kích thích”. Điều phân biệt ánh sáng laser với đèn thường không phải độ sáng mà là tính kết hợp: các sóng ánh sáng cùng pha với nhau, nên có thể hội tụ thành điểm cực nhỏ, đi xa mà ít loe, và có phổ rất hẹp. Bài này đi từ ý tưởng của Einstein đến laser bán dẫn trong đầu đọc mã vạch, kèm phép tính vì sao không tia laser nào hoàn toàn không loe.
Ba cách ánh sáng tương tác với nguyên tử
Năm 1917, khi suy lại định luật bức xạ của Planck từ các quá trình vi mô, Albert Einstein chỉ ra rằng ánh sáng và nguyên tử phải tương tác theo ba cách. Hấp thụ: photon có năng lượng đúng bằng chênh lệch giữa hai mức năng lượng bị nguyên tử ở mức thấp hấp thụ, đẩy nó lên mức cao. Phát xạ tự phát: nguyên tử ở mức cao tự rơi xuống mức thấp sau một thời gian ngẫu nhiên, phát ra photon theo hướng và pha ngẫu nhiên. Đèn sợi đốt, đèn huỳnh quang và LED đều phát sáng chủ yếu theo cách này.
Cách thứ ba là phát hiện then chốt: phát xạ kích thích. Khi một photon có năng lượng đúng bằng chênh lệch mức đi ngang qua một nguyên tử đang ở mức cao, nó có thể kích thích nguyên tử rơi xuống và phát ra một photon thứ hai giống hệt photon ban đầu về tần số, pha, phương truyền và phân cực. Một photon vào, hai photon ra. Lặp lại, hai thành bốn, bốn thành tám: đó là khuếch đại.
Einstein cũng chứng minh xác suất phát xạ kích thích và hấp thụ bằng nhau cho mỗi nguyên tử. Vì vậy photon đi qua một môi trường bình thường, nơi hầu hết nguyên tử ở mức thấp theo phân bố Boltzmann, sẽ bị hấp thụ nhiều hơn được khuếch đại. Muốn khuếch đại, phải lật ngược phân bố đó. Gần bốn thập kỷ trôi qua từ ý tưởng của Einstein đến thiết bị đầu tiên, phần lớn vì việc tạo và duy trì đảo mật độ khó hơn nhiều so với hiểu nó về nguyên lý.
Đảo mật độ: vì sao cần ba hoặc bốn mức năng lượng
Với chỉ hai mức năng lượng, bơm mạnh đến đâu cũng chỉ đưa được tối đa một nửa số nguyên tử lên mức cao, vì cùng ánh sáng bơm vừa kích thích lên vừa kích thích xuống với xác suất như nhau. Không có đảo mật độ, không có laser. Lời giải là dùng thêm mức.
Trong hệ ba mức, nguyên tử được bơm từ mức cơ bản lên một mức cao, rồi nhanh chóng rơi không phát xạ xuống một mức trung gian có thời gian sống dài (mức giả bền). Nguyên tử tích tụ ở mức giả bền, và laser phát giữa mức này với mức cơ bản. Nhược điểm là phải bơm hơn một nửa số nguyên tử ra khỏi mức cơ bản mới có đảo mật độ, đòi hỏi nguồn bơm rất mạnh. Laser ruby, laser đầu tiên, là hệ ba mức: Theodore Maiman tại Hughes Research Laboratories cho nó hoạt động năm 1960, dùng đèn chớp xoắn quanh một thanh ruby, phát ánh sáng đỏ ở bước sóng 694 nm theo từng xung.
Trong hệ bốn mức, mức dưới của chuyển dời laser không phải mức cơ bản mà là một mức trung gian khác, vốn gần như trống và tự xả nhanh về mức cơ bản. Chỉ cần vài nguyên tử ở mức trên là đã có đảo mật độ với mức dưới gần như rỗng. Laser neodymium trong tinh thể YAG (bước sóng 1.064 nm) và laser helium–neon (632,8 nm, ánh đỏ quen thuộc trong phòng thí nghiệm) là các hệ bốn mức, có ngưỡng hoạt động thấp và chạy liên tục được.
Cách bơm thay đổi theo môi trường: đèn chớp hoặc laser diode cho tinh thể rắn, phóng điện cho khí, dòng điện trực tiếp cho bán dẫn, phản ứng hoá học cho laser hoá học.
Buồng cộng hưởng: từ khuếch đại thành dao động
Một môi trường đảo mật độ chỉ là bộ khuếch đại. Để thành nguồn sáng, cần hồi tiếp, giống như micro đặt trước loa tạo tiếng hú. Hai gương đặt đối diện hai đầu môi trường làm photon phát theo trục đi lại hàng trăm, hàng nghìn lần, mỗi lần được khuếch đại. Photon phát xiên nhanh chóng rời khỏi môi trường và không được khuếch đại tiếp, nên chỉ ánh sáng dọc trục sống sót. Đó là gốc của tính định hướng.
Laser chỉ bắt đầu dao động khi độ khuếch đại trong một vòng đi–về vượt tổng tổn thất, gồm phần ánh sáng lọt ra qua gương ra (thường phản xạ 95–99%), hấp thụ và tán xạ. Điều kiện này gọi là ngưỡng laser. Dưới ngưỡng, thiết bị chỉ phát sáng yếu như đèn tự phát; vượt ngưỡng, công suất ra tăng vọt theo dòng bơm.
Buồng cộng hưởng cũng chọn tần số. Chỉ những sóng mà số nửa bước sóng vừa khít chiều dài buồng mới tự tăng cường sau mỗi vòng, gọi là các mode dọc. Trong dải tần mà môi trường khuếch đại được, có thể có một hoặc nhiều mode đồng thời; laser đơn mode có phổ cực hẹp, dùng cho đo lường chính xác. Hình dạng gương cũng quyết định phân bố cường độ ngang của chùm tia, mà đẹp nhất là mode Gauss cơ bản.
Ý tưởng dùng hai gương song song cho vùng quang học được Arthur Schawlow và Charles Townes trình bày trong bài báo năm 1958, sau khi Townes và cộng sự đã chế tạo maser (khuếch đại vi sóng) năm 1954. Gordon Gould độc lập phát triển ý tưởng tương tự và đặt tên “laser”, dẫn tới cuộc tranh chấp bằng sáng chế kéo dài nhiều thập kỷ. Giải Nobel Vật lý năm 1964 trao cho Townes cùng Nikolay Basov và Aleksandr Prokhorov.
Các loại laser phổ biến và ứng dụng
Môi trường khuếch đại quyết định bước sóng, công suất và ứng dụng. Bảng dưới gom các họ laser chính.
| Loại | Môi trường và cách bơm | Bước sóng tiêu biểu | Ứng dụng |
|---|---|---|---|
| Laser bán dẫn (diode) | Tiếp giáp p–n phân cực thuận, bơm bằng dòng điện | Từ tím đến hồng ngoại, phổ biến 405, 650, 808, 1.310, 1.550 nm | Đầu đọc đĩa, bút chiếu, mã vạch, truyền dẫn cáp quang, bơm cho laser khác, cảm biến LiDAR |
| Laser khí helium–neon | Hỗn hợp khí, phóng điện | 632,8 nm | Giảng dạy, căn chỉnh, đo lường giao thoa |
| Laser CO2 | Khí CO2 cùng N2 và He, phóng điện | 10,6 µm | Cắt, khắc vật liệu phi kim, gỗ, mica, vải; một số ứng dụng y tế |
| Laser rắn Nd:YAG | Tinh thể pha ion neodymium, bơm bằng đèn hoặc diode | 1.064 nm, nhân tần lên 532 nm xanh lục | Gia công, đánh dấu, y tế, nghiên cứu |
| Laser sợi quang | Sợi quang pha ion đất hiếm (ytterbium, erbium), bơm bằng diode | Quanh 1.030–1.080 nm hoặc 1.550 nm | Cắt, hàn kim loại công nghiệp; khuếch đại tín hiệu cáp quang |
| Laser excimer | Hỗn hợp khí hiếm và halogen, phóng điện xung | Tử ngoại, ví dụ 193 nm (ArF) | Quang khắc chip thế hệ trước EUV, phẫu thuật khúc xạ giác mạc |
Laser bán dẫn chiếm phần áp đảo về số lượng. Trong đó tiếp giáp p–n được phân cực thuận để electron và lỗ trống tái hợp với mật độ cao, tạo đảo mật độ ngay trong vùng hoạt động; hai mặt cắt của tinh thể bán dẫn đóng vai gương. Mạng internet toàn cầu chạy trên các laser bán dẫn ở vùng 1.550 nm, nơi sợi quang thạch anh có tổn hao thấp nhất.
Vì sao tia laser vẫn loe: giới hạn nhiễu xạ và một phép tính đến Mặt Trăng
Người ta hay nói tia laser “song song tuyệt đối”, nhưng không chùm sáng nào có đường kính hữu hạn lại không loe. Nhiễu xạ buộc một chùm có bán kính thắt w0 phải có góc mở tối thiểu, với chùm Gauss lý tưởng xấp xỉ θ ≈ λ / (π × w0). Chùm càng hẹp hoặc bước sóng càng dài thì càng loe nhanh. Laser chỉ đặc biệt ở chỗ đạt gần giới hạn này, trong khi đèn pin loe hơn hàng trăm, hàng nghìn lần vì nguồn sáng không kết hợp.
Ví dụ giả định: một bút laser xanh lục λ = 532 nm, bán kính chùm 1 mm. Góc loe θ ≈ 532 × 10⁻⁹ / (3,14 × 10⁻³) ≈ 1,7 × 10⁻⁴ rad. Ở khoảng cách tới Mặt Trăng, khoảng 384.000 km, bán kính vết sáng xấp xỉ 384 × 10⁶ m × 1,7 × 10⁻⁴ ≈ 65 km, còn chưa tính nhiễu loạn khí quyển làm chùm loe thêm. Năng lượng trải ra trên diện tích hàng nghìn kilômét vuông, không thể thấy được từ Trái Đất.
Muốn vết nhỏ hơn, phải mở rộng chùm trước khi bắn. Các thí nghiệm đo khoảng cách Trái Đất–Mặt Trăng bằng laser, bắt đầu sau khi Apollo 11 đặt bộ phản xạ góc lên Mặt Trăng năm 1969, phát xung qua kính thiên văn cỡ mét, nên vết trên Mặt Trăng chỉ cỡ vài kilômét. Dù vậy, chỉ một phần cực nhỏ photon phát đi quay về được kính thu.
Cùng nguyên lý giải thích chiều ngược lại: hội tụ một chùm laser rộng qua thấu kính cho vết nhỏ cỡ bước sóng. Đó là cách đầu đọc đĩa quang đọc các rãnh cỡ micromet, và cách laser công nghiệp tập trung mật độ công suất đủ để làm nóng chảy thép.
An toàn laser: các cấp và vì sao mắt là bộ phận dễ tổn thương nhất
Mắt hội tụ ánh sáng song song vào một điểm rất nhỏ trên võng mạc, làm mật độ công suất tăng lên hàng chục nghìn lần so với ở giác mạc. Một chùm laser vài mili oát đi vào đồng tử có thể tạo trên võng mạc mật độ năng lượng vượt xa nhìn thẳng vào Mặt Trời. Các tiêu chuẩn quốc tế chia laser thành các cấp theo mức nguy hiểm.
- Cấp 1: an toàn trong điều kiện sử dụng bình thường, thường vì laser được bọc kín bên trong thiết bị như máy in laser, đầu đọc đĩa.
- Cấp 2: laser nhìn thấy công suất thấp, đến khoảng 1 mW. Phản xạ nhắm mắt, quay đầu tự nhiên (khoảng một phần tư giây) thường đủ bảo vệ, nhưng không nên cố nhìn vào.
- Cấp 3R: đến khoảng 5 mW với laser nhìn thấy. Rủi ro thấp nhưng có thể gây tổn thương khi nhìn trực tiếp, nhất là qua ống nhòm.
- Cấp 3B: đến 500 mW. Nhìn trực tiếp chùm tia hoặc phản xạ gương gây tổn thương mắt; cần kính bảo hộ đúng bước sóng.
- Cấp 4: trên 500 mW. Nguy hiểm cho mắt cả qua phản xạ khuếch tán, có thể gây bỏng da và cháy vật liệu. Laser cắt khắc công nghiệp thuộc cấp này.
- Hai cảnh báo thực tế: bút laser trôi nổi trên thị trường thường mạnh hơn nhiều so với nhãn ghi; laser xanh lục giá rẻ có thể rò bức xạ hồng ngoại 1.064 nm không nhìn thấy vì thiếu kính lọc. Chiếu laser vào buồng lái máy bay là hành vi nguy hiểm, có thể làm phi công loá mắt ở giai đoạn cất hạ cánh.
Kính bảo hộ laser chỉ bảo vệ ở dải bước sóng ghi trên kính với mật độ quang học đủ lớn; kính râm thông thường không có tác dụng. Với laser y tế hay thẩm mỹ, quy định về thiết bị và người vận hành do cơ quan quản lý chuyên ngành ban hành.
Câu hỏi thường gặp
LED và laser bán dẫn khác nhau thế nào khi cả hai đều là tiếp giáp p–n?
Cả hai đều phát sáng nhờ electron và lỗ trống tái hợp. LED hoạt động bằng phát xạ tự phát, ánh sáng loe rộng, phổ rộng vài chục nanomet và không kết hợp. Laser diode có buồng cộng hưởng và được bơm vượt ngưỡng để phát xạ kích thích chiếm ưu thế, cho chùm hẹp, phổ hẹp và kết hợp. Dưới ngưỡng, laser diode hoạt động gần giống một LED yếu.
Độ dài kết hợp của laser là gì và vì sao quan trọng?
Độ dài kết hợp là quãng đường mà ánh sáng còn giữ được quan hệ pha xác định, tỷ lệ nghịch với độ rộng phổ. Laser đơn mode ổn định có độ dài kết hợp từ mét tới hàng kilômét, trong khi LED chỉ cỡ micromet. Đại lượng này quyết định khả năng tạo vân giao thoa, nền tảng của giao thoa kế đo chiều dài, chụp ảnh ba chiều và cảm biến sóng hấp dẫn.
Laser xung siêu ngắn khác laser liên tục ra sao?
Laser xung siêu ngắn dồn năng lượng vào những xung chỉ vài pico giây hoặc femto giây bằng kỹ thuật khoá mode. Công suất đỉnh trong xung cực lớn dù công suất trung bình nhỏ, cho phép gia công vật liệu gần như không truyền nhiệt sang vùng xung quanh. Kỹ thuật khuếch đại xung chirp của Gérard Mourou và Donna Strickland, giải Nobel Vật lý 2018, mở đường cho xung cường độ cao.
Vì sao laser xanh lục trông sáng hơn laser đỏ cùng công suất?
Mắt người nhạy nhất với ánh sáng quanh 555 nm trong điều kiện sáng. Ở 532 nm, độ nhạy gần cực đại, trong khi ở 650 nm độ nhạy thấp hơn nhiều lần. Vì vậy cùng một mili oát, chùm xanh lục trông sáng hơn rõ rệt. Đây là cảm nhận thị giác, không phải năng lượng lớn hơn, nhưng cũng có nghĩa laser xanh lục gây loá mạnh hơn.
LiDAR trên ô tô dùng laser như thế nào?
LiDAR phát xung laser hồng ngoại, đo thời gian phản xạ trở về để tính khoảng cách, giống radar nhưng với bước sóng ngắn hơn nhiều nên cho độ phân giải không gian cao. Quét chùm tia theo nhiều hướng tạo đám mây điểm ba chiều của môi trường xung quanh. Bước sóng và công suất được chọn để thiết bị đạt cấp an toàn cho mắt người đi đường.
Laser có thể làm lạnh vật chất không?
Có, nghe ngược đời nhưng đã được chứng minh. Khi nguyên tử chuyển động về phía chùm laser có tần số hơi thấp hơn tần số hấp thụ, hiệu ứng Doppler khiến nó hấp thụ photon nhiều hơn và bị đẩy lùi, mất động năng. Kỹ thuật này làm nguyên tử lạnh tới micro kelvin, nền tảng của đồng hồ nguyên tử thế hệ mới, và được trao giải Nobel Vật lý năm 1997.