Công nghệ laser có vẻ như là thứ gì đó bước ra từ phim khoa học viễn tưởng, có khả năng cắt xuyên kim loại hoặc thậm chí được gắn trên tàu vũ trụ.

Tuy nhiên, trong thực tế, laser là xương sống của nhiều ngành công nghiệp—cho dù đó là trong phẫu thuật, viễn thông, quét mã vạch, hay đơn giản chỉ là để giải trí cho những chú mèo của chúng ta.

Tuy nhiên, laser ra đời như thế nào và tại sao chúng lại độc đáo đến vậy? Hãy cùng nhau ngược dòng thời gian để tìm hiểu về lịch sử và khoa học đằng sau công nghệ mạnh mẽ này.

Nền tảng của khoa học Laser

Trong khi khái niệm "chùm tia năng lượng" đã là chủ đề quen thuộc trong khoa học viễn tưởng suốt nhiều thập kỷ, nền tảng thực sự của laser bắt đầu từ đầu thế kỷ 20. Năm 1900, nhà vật lý người Đức Max Planck đã giới thiệu lý thuyết lượng tử, cho rằng bức xạ được phát ra theo từng gói riêng biệt gọi là "lượng tử". Điều này đã đặt nền móng cho những khám phá trong tương lai.

Trong thập kỷ tiếp theo, mô hình nguyên tử của Niels Bohr đã giải thích cách các electron trong nguyên tử có thể nhảy giữa các mức năng lượng, giải phóng ánh sáng trong quá trình này. Tuy nhiên, ý tưởng rằng một nguyên tử có thể được kích thích để phát ra photon – được gọi là phát xạ kích thích – đã được Albert Einstein đề xuất vào năm 1917, mặc dù đây là một lý thuyết vẫn chưa được kiểm chứng rộng rãi trong nhiều năm.

Sự xuất hiện của Maser

Mặc dù có bước đột phá của Einstein, nhưng phải đến giữa thế kỷ 20, các nhà khoa học mới bắt đầu tìm ra các ứng dụng thực tiễn cho những ý tưởng này. Năm 1940, các nhà khoa học Anh đã phát minh ra magnetron khoang, giúp tạo ra các hệ thống radar chính xác trong suốt cuộc chiến tranh thế giới. Những phát triển này đã thúc đẩy các nghiên cứu sâu hơn và đến năm 1953, Charles Townes và Arthur Leonard Schawlow đã thành công trong việc tạo ra maser (Khuếch đại vi sóng bằng phát xạ kích thích).

Đây là lần trình diễn thực tế đầu tiên về phát xạ kích thích bằng vi sóng. Maser đóng vai trò là tiền thân của laser và giới thiệu khái niệm "đảo ngược mật độ nguyên tử" - ý tưởng cho rằng cần một số lượng nguyên tử đủ lớn ở trạng thái kích thích để cho phép phát ra nhiều photon hơn.

Đồng thời, các nhà nghiên cứu từ Đông Âu, Aleksandr Prokhorov và Nikolay Basov, cũng đã độc lập chứng minh khái niệm về maser. Công trình đột phá của họ đã mang về cho họ giải Nobel Vật lý năm 1964 cùng với Townes.

Bước nhảy vọt đến Laser

Townes và Schawlow sớm nhận ra rằng các nguyên tắc đằng sau maser có thể được điều chỉnh để hoạt động với ánh sáng, cụ thể là ánh sáng nhìn thấy được. Tầm nhìn của họ về một "máy phát maser quang học" đã dẫn đến sự ra đời của tia laser. Mặc dù công trình của Townes và Schawlow vào năm 1958 đã đạt được những bước tiến đáng kể, nhưng chính Gordon Gould sau này mới là người đặt ra thuật ngữ laser (Khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ kích thích) và đăng ký bằng sáng chế đầu tiên cho nó.

Mặc dù có một số tranh chấp bằng sáng chế ban đầu, nhưng những đóng góp của Gould cuối cùng đã được công nhận, và ông đã giành được quyền sở hữu tia laser vào năm 1988, sau một cuộc chiến pháp lý kéo dài.

Tia Laser hoạt động đầu tiên

Năm 1960, Theodore Maiman, một kỹ sư tại phòng thí nghiệm nghiên cứu Hughes, đã chế tạo tia laser hoạt động đầu tiên. Sử dụng hồng ngọc tổng hợp làm môi trường, thiết bị của Maiman tạo ra ánh sáng đỏ ở bước sóng 695 nanomet. Mặc dù phát hiện của Maiman mang tính đột phá, nhưng ban đầu nó đã gặp phải sự hoài nghi, với bài báo của ông bị một tạp chí khoa học từ chối. Tuy nhiên, cộng đồng khoa học đã sớm đón nhận tiềm năng của tia laser.

Thiết kế của Maiman có những hạn chế: nó chỉ có thể tạo ra ánh sáng trong các xung ngắn. Nhưng nó đã khơi mào một làn sóng đổi mới. Bước đột phá tiếp theo đến vào năm 1962, khi các nhà khoa học tại Bell Labs phát triển laser khí đầu tiên sử dụng heli và neon.

Sự đổi mới này cho phép laser phát ra chùm tia liên tục, mở ra cánh cửa cho vô số ứng dụng thực tiễn. Ngay sau đó, các loại laser khác, bao gồm laser bán dẫn và laser carbon dioxide, đã được phát triển, mỗi loại đều có những ưu điểm riêng.

Tính đa dụng của Laser

Ngày nay, laser có tác động sâu sắc đến cuộc sống hàng ngày. Chúng được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau cho mọi thứ, từ phẫu thuật y tế đến sản xuất. Laser heli-neon được sử dụng trong các ứng dụng chụp ảnh ba chiều và xây dựng thời kỳ đầu, trong khi laser carbon dioxide đã cách mạng hóa việc cắt và hàn công nghiệp. Trong lĩnh vực y tế, laser được sử dụng cho các ca phẫu thuật không xâm lấn, chẳng hạn như điều trị mắt và các thủ thuật về da.

Laser cũng đã tạo dấu ấn trong công nghệ tiêu dùng. Máy in laser, được giới thiệu vào những năm 1970, đã cách mạng hóa ngành công nghiệp in ấn. Sau này, LaserDisc và các công nghệ lưu trữ quang học khác (như CD và DVD) dựa vào tia laser để đọc và ghi dữ liệu. Nhìn về tương lai, tia laser tiếp tục định hình mọi thứ, từ viễn thông đến giải trí.

Tương lai của Laser

Với tác động sâu sắc mà laser đã tạo ra đối với công nghệ, không có gì ngạc nhiên khi nhiều nhà khoa học và kỹ sư tiếp tục tìm kiếm những cách thức mới để cải tiến và ứng dụng laser. Trên thực tế, chúng ta đang tiến gần hơn bao giờ hết đến giấc mơ về một thanh kiếm ánh sáng hoạt động được – công cụ khoa học viễn tưởng tối thượng. Mặc dù vẫn còn một chặng đường dài trước khi laser có thể được sử dụng theo cách đó, nhưng những đổi mới đến từ nghiên cứu laser thực sự đáng kinh ngạc.

Nhìn lại, thật đáng kinh ngạc khi nghĩ rằng điều từng được coi là bất khả thi về mặt lý thuyết đã trở thành một trong những công nghệ linh hoạt và thiết yếu nhất của thời đại chúng ta. Từ laser ruby ​​đầu tiên đến các laser bán dẫn siêu nhỏ gọn mà chúng ta sử dụng trong cuộc sống hàng ngày, hành trình của laser là minh chứng cho sự khéo léo và kiên trì của con người.

Vì vậy, lần tới khi bạn sử dụng bút laser hoặc được điều trị bằng laser, hãy dành một chút thời gian để trân trọng khoa học và lịch sử đáng kinh ngạc đằng sau phát minh tuyệt vời này.