Quá trình hình thành tia laser

Tia laser: Phép thuật lượng tử giúp con người dệt ánh sáng
Tại sa mạc Mojave ở California, một nhóm nhà thiên văn học đang bắn các tia laser có đường kính 10 mét vào bầu trời đêm. Tia sáng màu xanh lá này không nhằm cạnh tranh với các vì sao, mà để giúp các kính viễn vọng chụp được hình ảnh rõ nét hơn về vũ trụ so với hình ảnh từ Hubble bằng cách đo nhiễu loạn khí quyển. Bản chất của tia sáng này chính là một trong những phát minh vĩ đại nhất của thế kỷ 20 - tia laser. Sự ra đời của nó không phải ngẫu nhiên mà là kết quả của sự hợp tác tối thượng xuyên suốt dòng chảy trí tuệ giữa các nhà vật lý, kỹ sư và nhà khoa học vật liệu.
Màn Một: Lý thuyết "Ma" Bị Quên Lãng
Năm 1917, Einstein đã演绎 ra một bộ phương trình tại văn phòng của ông ở Đại học Berlin, dự đoán sự tồn tại của "phát xạ kích thích". Hiện tượng này, lúc đó được biết đến như là "ma lý thuyết", mô tả cách mà photon, giống như các quân domino, kích hoạt nguyên tử phóng thích "bản sao" hoàn hảo tái tạo chính chúng. Tuy nhiên, phát hiện này đã chìm vào im lặng gần 30 năm - vì không ai có thể tìm ra cách để khiến đội quân nguyên tử cùng "chuyển sang phe khác".
Không phải đến một đêm xuân năm 1951, Charles Tows của Đại học Columbia mới có sự nhận ra đột ngột khi ngồi trên băng ghế công viên: việc bắn phá các phân tử amoniac bằng sóng điện từ ở tần số cụ thể có thể làm cho số lượng hạt ở trạng thái năng lượng cao vượt quá số lượng hạt ở trạng thái năng lượng thấp, tạo thành một "cái cân năng lượng". Hiện tượng này, được gọi là "đảo ngược số lượng hạt", cuối cùng đã được thực hiện trong dải vi ba, dẫn đến sự ra đời của laser vi sóng đầu tiên (Maser). Nhưng cộng đồng khoa học nhanh chóng nhận ra rằng việc rút ngắn bước sóng một triệu lần xuống phạm vi ánh sáng khả kiến sẽ kích hoạt một cuộc cách mạng công nghệ.
Chương Hai: Cái LồngPhoton Trong Đá Ruby
Năm 1960, phòng thí nghiệm của Theodore Maiman đầy những tinh thể ruby đã bị các nhà khoa học khác tuyên án "chết". Vào thời điểm đó, lý thuyết chính thống cho rằng hiệu suất chuyển đổi mức năng lượng của ruby quá thấp, nhưng Maiman phát hiện ra rằng các ion crôm sẽ trải qua một sự chuyển tiếp độc đáo gọi là "chuyển tiếp ba mức" dưới sự kích thích của ánh sáng mạnh. Ông đã bọc cột đá quý màu đỏ bằng một bóng đèn xenon dạng xoắn ốc, giống như đang giam giữ một cầu vồng bằng sét. Cuối cùng, ông mạ bạc hai đầu tinh thể để tạo thành một "tường vang photon".
Trong thiết bị này, chỉ bằng kích thước của một cây bút chì, các photon di chuyển đi và lại với tốc độ 300 triệu lần mỗi giây. Mỗi lần chúng đi qua mảng ion crôm, bức xạ kích thích mới được tạo ra và cường độ ánh sáng tăng lên theo cấp số nhân. Khi dòng photon thoát ra phá vỡ lớp phim bạc bán thấm, con người lần đầu tiên chứng kiến tia laser màu đỏ đậm có tính nhất quán không-thời gian - tính đơn sắc của nó sạch hơn 100.000 lần so với ánh sáng mặt trời, và góc phân kỳ của nó chỉ bằng một phần nghìn so với đèn chiếu sáng.
Chương 3: Vũ điệu của Ánh sáng ở quy mô nano
Công nghệ laser trong thế kỷ 21 đã vượt qua những giới hạn của vật liệu vĩ mô. Tại phòng thí nghiệm bán dẫn, các kỹ sư đã phát triển các cấu trúc giếng lượng tử trên các substrat arsenide gallium chỉ bằng một phần mười nghìn sợi tóc người thông qua công nghệ tinh chế phân tử. Khi dòng điện đi qua các lớp liên kết nano này, các photon được giải phóng bởi sự tái tổ hợp của electron và lỗ hổng trong giếng tiềm năng được bắt giữ chính xác bởi phản xạ Bragg, tạo thành một laser mini với hiệu suất hơn 90%.

Điều còn kinh ngạc hơn là sự đột phá trong "laser tô pô": các photon di chuyển theo đường xoắn ốc trên bề mặt vật liệu, giống như những con kiến phát sáng chạy trên dải Mobius, hoàn toàn miễn nhiễm với sự mất mát do tán xạ của laser truyền thống. Cấu trúc này thậm chí cho phép laser truyền không mất mát trong waveguide uốn cong thành nút thắt, mang lại một cuộc cách mạng cho chip quang học.
Mùa bốn: Tia Ma Thuật Đổi Mới Thực Tế

Bên cạnh kính viễn vọng vô tuyến "Mắt Trời Trung Quốc" ở Quý Châu, một máy dò photon đơn bằng dây siêu dẫn nano đang sử dụng tia laser để giải mã bức xạ nền vi sóng vũ trụ từ 13,7 tỷ năm ánh sáng cách đây. Khi mỗi photon đến, nó kích hoạt sự chuyển pha lượng tử trong vật liệu siêu dẫn, được bắt giữ bởi interferometer laser với sự thay đổi tín hiệu chỉ một triệu phần của một nanogây.

Trong lĩnh vực y tế, các tia laser femtosecond đã biến thành "dao ánh sáng không bóng", khắc những thấu kính có kích thước micron trên giác mạc với tốc độ nhanh hàng nghìn lần so với tốc độ của các dây thần kinh, điều chỉnh thị lực mà không làm ảnh hưởng đến các mô xung quanh. Năm 2023, "liệu pháp quang âm laser" đã xuất hiện: các thanh nano vàng hấp thụ tia laser hồng ngoại gần để tạo ra cộng hưởng plasma cục bộ, phá vỡ chính xác các tế bào ung thư mà không làm tổn thương các tế bào khỏe mạnh.

Từ dự đoán của Einstein đến tia ruby của Maiman, từ những kỳ quan trong phòng thí nghiệm đến các thiết bị cầm tay, lịch sử tiến hóa của tia laser về bản chất là lịch sử về việc con người điều khiển trạng thái lượng tử của ánh sáng.