Tia laser đầu tiên tạo ra từ nước và ánh sáng

Các nhà khoa học đã phát triển thành công một loại laser đặc biệt, lần đầu tiên xuất hiện trên thế giới - "Laser Nước". Loại tia laser được tạo ra bởi sự giao thoa giữa ánh sáng và sóng nước.

Công nghệ laser mới này cho phép các nhà nghiên cứu có thể kiểm soát và vận hành rất dễ dàng thậm chí trong các công nghệ siêu nhỏ như "Lab on a chip". Công nghệ này cho phép nghiên cứu và thực nghiệm trên các tế bào siêu nhỏ đồng thời kiểm tra tính khả dụng của các loại thuốc cần thử nghiệm để cho ra được kết quả mang tính thực tiễn cao.

Vậy laser nước là gì?

Vậy như thế nào mà nhóm nghiên cứu có thể tạo ra laser từ sóng nước? Đầu tiên nhóm phải xác định được những khó khăn sẽ gặp phải.

Theo nhóm nghiên cứu đến từ Viện khoa học công nghệ Technion – Israel ở Haifa thì rào cản lớn nhất đó chính là tần số dao động của sóng nước trên bề mặt thấp hơn rất nhiều so với sóng ánh sáng cho nên việc tạo ra tia laser là không khả thi.

Để khắc phục nhược điểm này của sóng nước thì nhóm đã tạo ra một thiết bị có sử dụng một sợi quang học để cung cấp ánh sáng cho một giọt nhỏ Octane và Nước. Sự giao động của giọt nước sẽ diễn ra từ từ cho đến khi đạt được nguồn năng lượng vừa đủ, nguồn sáng này sẽ tương tác với sóng bề mặt được tạo bởi giao động của giọt nước.

Sự giao động của giọt nước sẽ diễn ra từ từ cho đến khi đạt được nguồn năng lượng vừa đủ.

Mô phỏng Laser nước

"Sự tương tác giữa ánh sáng từ sợi quang và những rung động rất nhỏ của giọt nước giống như một tiếng vang, nơi mà sự tương tác của sóng và bề mặt sóng đi qua có thể giúp chúng lặp đi lặp lại nhiều lần" – nhóm nghiên cứu cho biết. Để tăng cường hiệu quả của việc tương tác giữa ánh sáng với sóng tạo bở giọt nước, nhóm đã nghiên cứu lựa chọn và sử dụng vật liệu có độ trong suốt cùng độ nhớt cao.

Phần thú vị nhất của nghiên cứu này chính là việc tăng cường sợi quang học để tạo hình cho giọt nước.

Với kỹ thuật mới này tia laser có khả năng kiểm soát và hiệu năng sử dụng lớn gấp 1000 lần so với công nghệ tạo laser hiện tại và sẽ rất hữu ích cho nghiên cứu tế bào trong phòng thí nghiệm nếu công nghệ mới này được hoàn thiện trong tương lai.

Nhóm đã đăng tải nghiên cứu trên tạp chí Nature Photonics.

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.

Mô hình dao động giọt nước mà nhóm đã xây dựng nên.

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.

Cấu tạo máy phát laser, bao gồm các bộ phận chính:

• Hoạt chất laser: Là môi trường chứa các hoạt chất có khả năng phát ra bức xạ laser khi được kích hoạt bằng một nguồn năng lượng.
• Nguồn nuôi: Là nguồn năng lượng để duy trì hoạt động của môi trường hoạt chất laser, giữ cho hoạt chất luôn luôn ở trạng thái có số phần tử ởø mức B nhiều hơn ở mức A.
• Buồng cộng hưởng: Bao gồm 1 gương phản xạ toàn phần và 1 gương bán mờ (độ phản xạ từ 70% đến 99%)

Buồng cộng hưởng cho phép nguồn sáng kích thích chất nhiều lần và chùm tia sáng bức xạ sẽ được khuyếch đại và chọn lọc qua gương phản xạ toàn phần và gương mờ cho đến khi ổn định để phát ra chùm sáng laser.

Phân loại laser:

Tùy theo loại hoạt chất laser ta sẽ thu được các tia laser với tên gọi khác nhau:

• Laser rắn có môi trường hoạt chất ở thể rắn. Có hàng trăm loại như Laser Ruby, Laser YAG, Laser bán dẫn, Laser thủy tinh, vv.......
• Laser lỏng có môi trường hoạt chất ở thể lỏng. Có 50 loại khác nhau. Các hoạt chất thể lỏng có màu sẽ cho ta laser màu, là những laser rất thông dụng hiện nay.
• Laser khí có môi trường hoạt chất ở thể khí . Cũng có hơn trăm loại khí được dùng làm hoạt chất laser như laser CO2 , laser heli-Neon, laser Argon, vv....

Người ta còn phân loại theo tính chất như: laser nóng như laser CO2, Argon) và laser lạnh (như Laser He-Ne, Laser hồng ngoại).