Từ tia sáng tự nhiên đến tia laser

Kỹ thuật mổ mắt Lasik bằng tia laser. Ảnh: Wikipedia

 Nghiên cứu về ánh sáng là một trong những đề tài cổ xưa nhất của loài người. Thời Hi Lạp cổ đại, Aristotle hình dung ánh sáng trắng là cơ bản và màu sắc hình thành do sự pha trộn của màu sáng và màu tối.

Đến thế kỷ 17, nhà vật lý người Hà Lan Christiaan Huygens cho rằng ánh sáng có bản chất sóng. Phát biểu này được xác nhận bởi chứng minh thực nghiệm công bố năm 1807 của nhà vật lý người Anh Thomas Young. Bản chất sóng của ánh sáng biểu hiện ở ba đặc trưng: bước sóng, góc pha và cường độ. Nếu xem mỗi sóng ánh sáng là một “chiến sĩ”, tia sáng có thể xem như một “đội quân” hợp thành.

Cuộc chinh phục ánh sáng

Nói chung, tự nhiên đã cung cấp ánh sáng đủ cho sự phát triển sinh học, và do đó không có lý do gì làm cho nó mạnh mẽ thêm, nhưng con người, nhất là các nhà khoa học, không bao giờ nghĩ vậy. Trong hành trình phát minh kỹ thuật sử dụng ánh sáng, có thể kể đến Archimedes.

Được kể lại như một truyền thuyết, ông đã dùng gương cầu lồi hội tụ đủ ánh sáng để đốt cháy chiến thuyền của người La Mã. Với gương cầu lồi, đội quân sóng ánh sáng đã bớt ô hợp bằng cách “đứng gần” (hội tụ) nhau hơn để tạo ra sức mạnh tập trung.

Sau những phát minh tập trung ánh sáng như thấu kính và gương cầu lồi, con người đã phải chờ đợi khá lâu, tới khi Johann Wilhelm Ritter (nhà vật lý người Đức) tạo ra tia tử ngoại (ultraviolet) có bước sóng ngắn hơn các ánh sáng nhìn thấy được bằng mắt thường vào năm 1801. Phát minh tia tử ngoại giúp chúng ta hiểu hơn về bản chất sóng của ánh sáng, khi có thể xác định năng lượng của một tia sáng phụ thuộc vào bước sóng của nó.

Trong thế kỷ 19, xu hướng nghiên cứu bằng vật lý thực nghiệm đã có đại diện xuất sắc là công trình của Wilhelm Röntgen (nhà vật lý Đức) khi tìm ra tia X kỳ lạ. Trong khi cuộc tranh luận nổ ra giữa các nhà khoa học về bản chất tia X, tia phóng xạ gamma lại thêm vào những bí ẩn mới. 

Cho tới nay, bí ẩn đã được giải đáp với cơ học lượng tử (quantum physics). Hóa ra, ánh sáng ngoài tính chất sóng, còn có tính chất hạt, như tuyên bố của Einstein: “Ánh sáng là những hạt photon”.

Ngạc nhiên thay, bản chất hạt cũng giải thích luôn tính chất sóng của ánh sáng. Tuy nhiên, có một thay đổi: bản chất hạt của ánh sáng đã bác bỏ quan điểm ánh sáng là sóng trong cơ học cổ điển. Theo quan điểm mới của cơ học lượng tử, cường độ ánh sáng đặc trưng cho mật độ các hạt photon.

Động năng của photon lại phụ thuộc vào vận tốc chuyển động, tức tần số ánh sáng. Có thể ví von, một “dòng sông” photon chảy lững lờ sẽ rất hiền hòa, nhưng một “tia nước” photon với vận tốc cao có thể khoan thủng một tấm thép.

Cuộc đua để tạo thêm sức mạnh cho ánh sáng bằng cách giảm bước sóng và tăng cường độ gặp phải thách thức khi những tia có bước sóng ngắn không thể “tập trung” bằng thấu kính quang học, vì năng lượng các photon cao nên sẽ “xuyên thủng” thấu kính thay vì bị khúc xạ. “Đạo quân” chùm tia bức xạ có sức mạnh của từng cá thể nhưng không có sức mạnh tập thể vì bị chia rẽ.

Cuộc chinh phục tia laser

Einstein đã nêu giả thuyết về việc tạo ra chùm tia bức xạ hoàn toàn đơn sắc đồng bộ bằng cách kích thích một nguyên tử bằng một tia photon. Theo đó, electron có thể bị kích thích cưỡng bức, và khi trở về trạng thái ban đầu có thể phát ra một photon, photon này cùng pha và cùng năng lượng với photon làm nhiệm vụ kích thích. Giả thuyết tuyệt vời nhưng... chìm vào quên lãng vì chẳng ai làm được thực nghiệm kiểm chứng.

Làm sao để tạo ra sóng điện từ kích thích tới cấp độ nguyên tử, và nếu làm được thì làm sao kiểm tra kích thích và quá trình giải phóng kích thích một cách đồng bộ?

Ngày 16-5-1960, nhân loại ghi nhận thiết bị đầu tiên do nhà vật lý người Mỹ Theodore Maiman tạo ra, có khả năng tạo một chùm tia hồng ngoại đơn sắc, đồng hướng tập trung và có cùng bước sóng là 0,674 micromet. Đó chính là tia laser và giả thuyết Einstein đã được kiểm chứng.

Cơ cấu Maiman tạo tia laser được mô tả như sau: việc kích thích cùng lúc nhiều nguyên tử để tạo ra chùm tia đơn sắc đồng pha là không khả thi. Do đó, chỉ vài photon được phát ra để kích thích ban đầu.

Với hiệu ứng như Einstein mô tả, số lượng photon sẽ nhân lên gấp đôi. Với hai gương phản xạ đặt ở hai đầu thiết bị kích hoạt (gain medium), số lượng photon sẽ tiếp tục nhân lên. Với sự thay đổi trạng thái trong vài nano giây của một electron, các photon này được xem như đồng bộ. Trong hai gương phản xạ, có một gương phản xạ bán phần để các photon có thể thoát ra.

Tiếp theo Maiman đã có một đội quân các nhà khoa học, kỹ sư, nhà tư bản tiếp tục cải tiến để đưa ý tưởng ra khỏi phòng thí nghiệm. Ngày nay, laser có những ứng dụng rộng rãi ở các lĩnh vực y tế, quốc phòng, viễn thông, tự động hóa...

Trong lĩnh vực chế tạo, tia laser với năng lượng cao trong một diện tích nhỏ đã tạo điều kiện để chế tạo những chi tiết nhỏ với độ chính xác cao. Lĩnh vực y học hưởng lợi rất lớn từ kỹ thuật laser khi có những “dao mổ” laser với độ rộng vài micron áp dụng cho những lĩnh vực phẫu thuật mắt, não và thẩm mỹ. Thước đo bằng laser là dụng cụ quen thuộc với những công nhân xây dựng.

Tia laser đã mở ra kỷ nguyên mới trong sử dụng ánh sáng, và các nhà khoa học đã nỗ lực không ngừng để cải tiến kỹ thuật laser. Trên thực tế, nhiều thiết bị laser không thể vận hành liên tục. Kích thích laser không được thực hiện một cách liên tục mà ngắt quãng (pulsed operation).

Cũng lưu ý rằng với kỹ thuật xung, vì vận tốc photon cao nên tia sáng phát ra sẽ không còn đơn sắc! Về mặt lý thuyết, việc tạo ra những tia laser công suất cao có thể thực hiện bằng cách giảm bước sóng của photon hoặc/và tăng số lượng photon trên một đơn vị diện tích (tăng cường độ).

Việc này tưởng đơn giản nhưng vấp phải giới hạn: việc sử dụng tia X hoặc tia phóng xạ để tạo kích thích là không khả thi, vì các tia này sẽ xuyên qua gương phản xạ. Do đó, phương pháp xung cực ngắn (ultra short pulse) được sử dụng để tạo ra các photon bước sóng ngắn.

Nhưng vẫn còn một khó khăn: chùm photon xung cực ngắn làm buồng kích thích quá nóng, đến mức bị phá hủy! Cuộc chinh phục những chùm tia laser công suất cao, vì thế vẫn chưa xong. Năm 1985, tại Đại học Rochester (Mỹ), Gérard Mourou và nghiên cứu sinh của ông Donna Strickland công bố phương pháp khuếch đại những photon có bước sóng ngắn.

Lấy ý tưởng từ phát minh khuếch đại sóng rađa, Mourou và Strickland nêu ra ý tưởng “kéo giãn” chùm tia photon bằng một cặp gương phản xạ răng cưa mật độ dày (grating). Thiết bị này làm các photon di chuyển một quãng đường dài hơn và do đó tạo ra phổ tần số rộng hơn ban đầu, đồng thời làm giảm mật độ photon nhằm tránh việc buồng kích thích bị phá hủy khi khuếch đại các photon.

Chùm tia photon có mật độ thấp tiếp tục được vào buồng kích thích. Sau đó, chùm tia này được “nén” lại để có phổ tần số hẹp nhằm tạo chùm tia đơn sắc và có mật độ cao bằng một cặp gương phản xạ thứ hai.

Chùm tia laser có công suất lớn nhất được tạo ra cho đến nay được ghi nhận lên tới 500 terawatt tại Trung tâm National Ignition Facility ở Livermore, California (Mỹ). Phương pháp này được đặt tên là “chirped pusle amplification” (CPA). 33 năm sau, công trình của Mourou và Strickland được trao tặng Nobel vật lý danh giá.

Ứng dụng và tương lai của kỹ thuật CPA

Theo tôn chỉ của giải thưởng Nobel, một phát minh được vinh danh khi dẫn tới các ứng dụng có đóng góp lớn lao cho cuộc sống của nhân loại. Kỹ thuật CPA không ngoại lệ khi tạo ra những kỹ thuật kỳ diệu mà nếu không có nó thì chỉ có thể xuất hiện trong phim khoa học giả tưởng mà thôi.

Nhờ CPA, động năng của photon được khuếch đại tạo thành tia laser có thể đốt cháy những khối u nằm sâu trong cơ thể. Nếu không có “dao mổ” laser, chúng ta không cách nào tiêu diệt được tế bào ung thư mà không làm tổn thương những tế bào lành lặn bên cạnh.

Phương pháp này đặc biệt có ý nghĩa khi tế bào ung thư ở não và tuyến tiền liệt. Phẫu thuật ung thư bằng laser hạn chế sự đau đớn, nhanh, không làm chảy máu và giảm bớt lo sợ cho bệnh nhân. Kỹ thuật mổ mắt Lasik ứng dụng tia laser khuếch đại bằng phương pháp CPA đã đem lại tầm nhìn tốt hơn cho hàng chục triệu người trên thế giới. Tia laser “mài” thấu kính “con ngươi” để chỉnh đúng điểm vàng của mắt mà không phá hủy các tế bào bên cạnh.

Kỹ thuật laser mới còn tạo bước đột phá cho công nghệ chế tạo. Với tia laser, những lỗ khoan micromet không là vấn đề. Bạn sẽ không thể khoan lên mặt kính thủy tinh vì tác động lực ly tâm từ mũi khoan sẽ làm vỡ kính. Nhưng tia laser thì làm được khi gia công những vật liệu giòn và mỏng như kính che màn hình của smartphone.

Chặng đường phía trước của những ứng dụng bằng laser là rất hứa hẹn. Sẽ còn nhiều cột mốc cho các nhà khoa học và kỹ sư chinh phục.

Với một chút ý kiến riêng khi xem xét sự ưu việt của dao mổ laser, tôi tin rằng sẽ rất xứng đáng cho một giải Nobel nữa nếu ai đó có thể chế tạo một dao mổ laser với giá thành phải chăng, sao cho những bệnh nhân nghèo bị ung thư có thể sử dụng dịch vụ phẫu thuật này vốn rất đắt tiền.

Hiện nay, công nghệ này đòi hỏi những máy móc rườm rà, nguyên liệu đắt tiền và quy trình phức tạp. Tôi tin rằng không chỉ với dao mổ laser, sự cải tiến sẽ không bao giờ dừng lại để mang lại hi vọng cho tất cả mọi người về một cuộc sống tốt đẹp hơn.■