Laser ruby đầu tiên: Maiman và tia sáng đỏ năm 1960 ra đời thế nào

Chiếc laser đầu tiên trên thế giới dùng một thanh ruby tổng hợp nhỏ làm môi trường phát sáng. Theodore Maiman cho nó hoạt động ngày 16 tháng 5 năm 1960 tại Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Hughes ở Malibu, bang California, Mỹ: một đèn chớp xoắn ốc quấn quanh thanh ruby bơm năng lượng, và các ion crom trong ruby phát ra xung ánh sáng đỏ bước sóng khoảng 694 nanomet. Viên đá quý màu đỏ hoá ra lại là chìa khoá mở ra cả một ngành công nghệ.

Từ ý tưởng của Einstein đến cuộc đua năm 1960

Nền móng lý thuyết có từ năm 1917, khi Albert Einstein mô tả hiện tượng phát xạ kích thích: một nguyên tử đang ở trạng thái kích thích, nếu gặp một photon phù hợp, sẽ phát ra một photon thứ hai giống hệt về bước sóng, pha và hướng. Nếu có thật nhiều nguyên tử ở trạng thái kích thích, ánh sáng có thể được khuếch đại theo kiểu dây chuyền.

Gần bốn thập kỷ sau, năm 1954, Charles Townes và cộng sự tạo ra maser, thiết bị khuếch đại vi sóng bằng phát xạ kích thích. Năm 1958, Arthur Schawlow và Townes công bố bài báo đề xuất "maser quang học", tức làm điều tương tự với ánh sáng. Từ đó nhiều phòng thí nghiệm ở Mỹ lao vào cuộc đua chế tạo. Chữ LASER, viết tắt của "khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ kích thích", gắn với nhà vật lý Gordon Gould, người dùng nó trong ghi chép của mình cuối thập niên 1950.

Đa số các nhóm nghiên cứu khi đó đặt cược vào chất khí hoặc các tinh thể khác. Ruby bị nhiều người coi là ứng viên kém, một phần vì một phép đo trước đó cho thấy hiệu suất phát quang của ruby thấp. Maiman đo lại và thấy kết quả khả quan hơn nhiều, nên quyết định theo đuổi ruby.

Chiếc laser đầu tiên trông ra sao

Thiết bị của Maiman nhỏ đến bất ngờ, có thể cầm gọn trong lòng bàn tay. Ba bộ phận chính:

• Thanh ruby tổng hợp cỡ đầu ngón tay, loại ruby hồng nhạt chứa lượng crom rất nhỏ. Hai đầu thanh được mài phẳng song song và tráng bạc để thành hai gương; một đầu có lỗ nhỏ cho ánh sáng thoát ra.
• Đèn chớp xenon dạng xoắn ốc, loại vốn dùng trong nhiếp ảnh, quấn quanh thanh ruby.
• Ống trụ kim loại phản xạ bao ngoài, dồn ánh sáng đèn chớp vào thanh ruby.

Khi đèn chớp loé lên, thanh ruby phát ra một xung đỏ sẫm, mạnh và hẹp hơn hẳn ánh huỳnh quang thông thường. Laser ruby là laser xung, không phát liên tục. Phải đến cuối năm 1960, nhóm của Ali Javan tại Phòng thí nghiệm Bell mới cho ra laser khí heli – neon hoạt động liên tục.

Maiman gửi bài báo cáo kết quả cho tạp chí Physical Review Letters nhưng bị từ chối. Một bản thông báo ngắn sau đó được đăng trên tạp chí Nature vào tháng 8 năm 1960. Đây là một chi tiết hay được nhắc trong lịch sử khoa học, như ví dụ cho việc một phát minh lớn có thể bị đánh giá thấp lúc ban đầu.

Vì sao ruby phát được tia laser

Bí mật nằm ở ion crom (Cr³⁺) thay chỗ một số ion nhôm trong mạng corundum. Đó cũng chính là nguyên tố làm ruby có màu đỏ. Quá trình diễn ra theo các bước:

1. Hấp thụ: ion crom hấp thụ mạnh ánh sáng lục và lam từ đèn chớp, nhảy lên các mức năng lượng cao.
2. Rơi xuống mức "chờ": rất nhanh, ion rơi xuống một mức năng lượng trung gian có thời gian sống tương đối dài, cỡ vài phần nghìn giây. Ở thang nguyên tử, đó là khoảng thời gian rất lâu, đủ để tích luỹ thật nhiều ion ở mức này.
3. Đảo mật độ: khi số ion ở mức chờ vượt số ion ở mức nền, một photon đỏ đi qua sẽ kích thích các ion khác phát photon giống hệt.
4. Khuếch đại giữa hai gương: ánh sáng dội qua lại giữa hai đầu tráng bạc, mỗi lượt lại được nhân lên, rồi thoát ra thành chùm laser.

Ruby là hệ "ba mức": mức nền cũng là mức cuối của quá trình phát. Vì vậy phải bơm hơn một nửa số ion crom lên trên mới đạt đảo mật độ, đòi hỏi nguồn bơm rất mạnh. Đó là lý do laser ruby phải dùng đèn chớp cường độ cao và chỉ phát được từng xung. Các laser về sau dùng hệ bốn mức hiệu quả hơn nhiều.

Mối liên hệ thú vị với đá quý: chính cơ chế phát quang đỏ của crom làm ruby ít sắt trông như "rực sáng" dưới nắng cũng là cơ chế cho tia laser ruby. Trong viên đá, ánh đỏ phát tán ra mọi hướng; trong laser, nó được sắp xếp thành một chùm đồng pha.

Ruby trong laser là ruby gì

Ruby trong laser là ruby tổng hợp, không phải đá tự nhiên. Đá tự nhiên có quá nhiều bao thể, vết nứt, crom phân bố không đều, sẽ làm tán xạ và cản trở chùm sáng. Laser cần tinh thể đồng nhất, trong suốt, hàm lượng crom được kiểm soát chính xác.

Ruby tổng hợp đã được sản xuất từ đầu thế kỷ 20 bằng phương pháp nóng chảy trong ngọn lửa của Auguste Verneuil, chủ yếu cho đồng hồ và trang sức. Cho laser, người ta dần chuyển sang phương pháp kéo tinh thể từ khối nóng chảy (Czochralski), cho tinh thể chất lượng quang học cao hơn. Về hoá học, ruby tổng hợp và ruby tự nhiên là cùng một chất.

Những gì laser ruby đã làm được

Về sau, laser ruby nhường chỗ cho laser khí, laser bán dẫn, laser tinh thể pha neodymi và nhiều loại khác. Nhưng corundum vẫn ở lại trong ngành laser theo một cách khác: sapphire pha titan trở thành môi trường cho các laser xung siêu ngắn dùng trong nghiên cứu.

Góc nhìn hôm nay: an toàn và nơi tìm hiểu thêm

Laser là ánh sáng tập trung, mắt người không chịu được. Tia laser công suất cao, kể cả tia phản xạ, có thể gây tổn thương võng mạc vĩnh viễn trong tích tắc. Không nhìn vào chùm tia, không chiếu laser vào người, động vật hay phương tiện giao thông, và dùng kính bảo hộ đúng bước sóng khi làm việc với laser trong phòng thí nghiệm hay xưởng.

Muốn tìm hiểu tiếp, bài báo gốc của Maiman trên Nature năm 1960 chỉ dài vài đoạn, đáng đọc để thấy một phát minh lớn được mô tả gọn gàng thế nào. Hồi ký của Maiman, cuốn The Laser Odyssey, kể lại quá trình từ góc nhìn của chính ông. Hiệp hội Quang học Optica (trước là OSA) và Viện Vật lý Mỹ (AIP) có các trang lịch sử laser với ảnh thiết bị gốc.