Đề tài Giải mã những bí mật về ánh sáng

thích trở lại trạng thái ban đầu và electron trở lại mức năng lượng thấp hơn, kết quả là một ánh sáng được phát ra, hiện tượng này gọi là sự “ huỳnh quang”. Nhà vật lí Antoine Becquerel (1788- 1878), người đã được giải Nobel Vật lí cùng với Pierre và Marie Curie năm 1903 vì đã phát hiện ra hiện tượng phóng xạ, ông cũng là một trong những người đầu tiên chế tạo đèn huỳnh quang vào năm 1867. Nhưng đèn huỳnh quang này chỉ được thương mại hoá vào năm 1933, nhân triễn lãm một trăm năm thành phố Chicago, Hoa kỳ. Trong đèn huỳnh quang, một nguyên tử khí phát ra ánh sáng có màu đặc trưng, màu này phụ thuộc vào cấu trúc và các mức năng lượng của nó.Chẳng hạn, neon là tạo ra màu đỏ, argon màu lam và lục, crypton màu cam và lục, xenon màu lam, và hơi nitơ màu vàng. Nhưng ánh sáng màu trắng biến đi đâu mất , trong festival các màu sắc này? Mà đó chính là thứ ánh sáng gần với ánh sáng Mặt Trời mà hầu hết các bóng đèn neon tạo ra và chúng ta rất muốn có để thắp sáng nội thất ngôi nhà của chúng ta.Trừ phi có các sở thích rất đặc biệt, còn thì hẳn không ai trong chúng ta muốn ánh sáng màu lam- lục trong phòng khách, cũng không muốn màu đỏ trong phòng ngủ.Nhưng làm thế nào tạo ra ánh sáng trắng? Thực ra, khí trong các bóng đèn huỳnh quang mà chúng ta sử dụng trong các gia đình là hơi thuỷ ngân (hay natri). Khi một điện áp nhất định được đặt vào, hơi thuỷ ngân bị kích thích tạo ra ánh sáng màu lam-luc.Ánh sáng này bị một lớp phốt pho tráng bên trong ống đèn chặn lại. Các photon bì chặn lại như vậy kích thích các nguyên tử phốt pho và làm cho các electron của chúng chuyển lên các mức năng lượng cao hơn. Khi các nguyên tử phốt pho trở lại trạng thái bình thường, các electron này trở về các mức năng lượng thấp hơn và phát ra photon. Cấu trúc của các nguyên tử phốt pho và các mức năng lượng của chúng sao cho các photon được phát ra có năng lượng đặc trưng của ánh sáng trắng. GVHD: Lê Văn Hoàng GIẢI MÃ NHỮNG BÍ MẬT VỀ ÁNH SÁNG 91 Đèn huỳnh quang hiệu quả hơn đèn dây tóc, vì chúng chuyển hoá một phần lớn hơn công suất điện thành ánh sáng: sở dĩ chúng tạo ra một tối đa ánh sáng với một tối thiểu nhiệt lượng là bởi vì, để phát ra ánh sáng này, chúng không còn phụ thuộc vào sự nung nóng dây tóc kim loại, như trong trường hợp của bóng đèn dây tóc.Ngoài ra, chúng có thể có bất cứ hình dạng nào cũng được, điều này làm cho nhiệm vụ của các nhà chế tạo biển hiện quảng cáo dễ dàng hơn.Nhưng ánh sáng của nó có một tính chất đặc biệt : nó là “ phẳng”.Ánh sáng của một ngọn nến hay một đèn dây tóc thường làm nổi bật đường viền của các đồ vật và tạo ra các bóng, trong khi bóng đèn huỳnh quang tạo ra rất ít bóng.Nếu như các bóng đèn huỳnh quang dài rất thích hợp để tạo ra một môi trường dịu dàng và yên tĩnh : một bữa tối trong ánh nến lãng mạn hơn nhiều một bữa tối trong ánh đèn neon! III.2.5 Ánh sáng nhân tạo đã tách chúng ta ra khỏi tự nhiên Phát minh ra chiếu sáng bằng điện của Edison đã làm thay đổi thế giới. Bóng đèn diện an toàn hơn so với các ngọn lửa nhảy múa trong không khí tự do.Nói như thế không có nghĩa là các nguy cơ điện giật với các đường dây dẫn điện là không tồn tại. Mặt khác,khi các nhà máy phát điện và các mạng phân phối được xây dựng, điện có thể được dùng cho rất nhiều thiết bị chứ không phải chỉ riêng cho việc thắp sáng nhân tạo.Cuộc sống hiện đại sẽ sụp đổ nếu không có dòng điện nữa.Sự thắp sáng bằng điện đã làm thay đổi căn bản bộ mặt của các thành phố và lối sống đô thị. Nó đã làm cho các đường phố trở nên an toàn hơn.Hoạt động của con người không bị ngắt quãng khi đêm xuống. Ánh sáng nhân tạo đã biến đêm thành ngày. Ánh sáng điện, hơn thế nữa, còn tạo ra một số thành phố một dáng vẻ thẩm mỹ nhất định. Chỉ cần ngắm các toà nhà bên dòng sông Seine, hay ngắm tháp Eiffel rực sáng vào ban đêm có thể thấy Paris thật xứng đáng với cái tên “ Kinh đô Ánh sáng” của nó. GVHD: Lê Văn Hoàng GIẢI MÃ NHỮNG BÍ MẬT VỀ ÁNH SÁNG 92 Dù ánh sáng điện có những ưu điểm không thể phủ nhận, nhưng nó cũng có nhược điểm là đã tách chúng ta ra môi trường xung quanh, điều này có thể là một mất mát lớn.Bởi vì sự chiếu sáng nhân tạo không còn tuân theo nhịp Mặt Trời và Mặt Trăng, nên chúng ta mất đi sự tiếp xúc mật thiết mà tổ tiên chúng ta từng có với trời đất và thiên nhiên. Ánh sáng đèn neon và ánh sáng đèn dây tóc đã tước đoạt của những người thành thị cảnh vòm trời đầy sao tuyệt đẹp. Con người liệu có đủ thông thái để kìm hãm ham muốn xây dựng và thắp sáng không biết chán của mình không, để con cháu của chúng ta còn có thể ngắm bầu trời trong toàn bộ vẻ đẹp lộng lẫy của nó? III.2.6 LAZE Laze là tên viết tắt của cụm từ Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation trong tiếng Anh, và có nghĩa là "khuếch đại ánh sáng bằng sự phát xạ cảm ứng". Có thể nói : Laze là một nguồn sáng phát ra một chùm sáng cường độ lớn dựa trên việc ứng dụng hiện tượng phát xạ cảm ứng. III.2.6.1 Cấu tạo Cấu tạo cơ bản và cơ chế hoạt động của laser. 1) Buồng cộng hưởng (vùng bị kích thích) 2) Nguồn nuôi (năng lượng bơm vào vùng bị kích thích) GVHD: Lê Văn Hoàng GIẢI MÃ NHỮNG BÍ MẬT VỀ ÁNH SÁNG 93 3) Gương phản xạ toàn phần 4) Gương bán mạ 5) Tia laser  Nguyên lý cấu tạo chung của một máy laser gồm có: buồng cộng hưởng chứa hoạt chất laser, nguồn nuôi và hệ thống dẫn quang. Trong đó buồng cộng hưởng với hoạt chất laser là bộ phận chủ yếu.  Buồng cộng hưởng chứa hoạt chất laser, đó là một chất đặc biệt có khả năng khuyếch đại ánh sáng bằng phát xạ cưỡng bức để tạo ra laser. Khi một photon tới va chạm vào hoạt chất này thì kéo theo đó là một photon khác bật ra bay theo cùng hướng với photon tới.Mặt khác buồng công hưởng có hai mặt chắn ở hai đầu, một mặt phản xạ toàn phần các photon khi bay tới, mặt kia cho một phần photon qua một phần phản xạ lại làm cho các hạt photon va chạm liên tục vào hoạt chất laser nhiều lần tạo mật độ photon lớn. Vì thế cường độ chùm laser được khuếc đại lên nhiều lần. Tính chất của laser phụ thuộc vào hoạt chất đó, do đó người ta căn cứ vào hoạt chất để phân loại laser. Nguồn bơm là phần cung cấp năng lượng cho hệ thống laser. Ví dụ bao gồm cực phóng điện, đèn nháy, đèn hồ quang, ánh sáng từ laser khác. Việc lựa chọn loại nguồn bơm nào để sử dụng dựa chủ yếu vào môi trường kích thích là loại gì, và điều này là yếu tố chủ chốt quyết định làm sao mà năng lượng truyền vào trong môi trường. Laser He-Ne dùng cực phóng điện trong hỗn hợp khí Hêli Neon. Laser Nd:YAG dùng ánh sáng hội tụ từ đèn nháy Xenon. Laser từ đôi nguyên tử có Heli dùng phản ứng hóa học để nạp năng lượng.  Môi trường kích thích là yếu tố chính quyết định bước sóng, và các tính chất khác của tia laser. Có hàng trăm môi trường kích thích có thể làm được. Môi trường kích thích bị kích thích bằng nguồn bơm tạo ra sự kích thích đồng đều giữa các electron, cần thiết cho sự phát xạ kích thích các hạt photon, dẫn đến hiện tượng khuyếch đại ánh sáng.. GVHD: Lê Văn Hoàng GIẢI MÃ NHỮNG BÍ MẬT VỀ ÁNH SÁNG 94 Các máy khuyếch tán ánh sáng, có 2 gương song song đặt xung quang gương. Ánh sáng từ trong môi trường, tạo ra từ sự kích thích, phản xạ bởi gương trở lại trong môi trường, vì thế các photon này tích tụ càng nhiều đến khi hàng trăm lần trước khi thoát ra ngoài. Trong các laser phức tạp, có từ 4 trở lên gương được tạo nên. Thiết kế và sắp xếp của gương là quyết định bước sóng và các ảnh hưởng khác đến hệ thống laser. III.2.6.2 Nguyên tắc hoạt động: Nguyên tắc hoạt động quan trọng nhất của lazer là sự phát xạ cảm ứng. Năm 1917, khi nghiên cứu lí thuyết phát xạ, Anh-xtanh đã chứng minh rằng: ngoài hiện tượng phát xạ tự phát, còn có hiện tượng phát xạ mà ông gọi là phát xạ cảm ứng. Hiện tượng đó như sau: Nếu một nguyên tử đang ở trong trạng thái kích thích, sẵn sàng phát ra một phôtôn có năng lượng ε = hf, bắt gặp một phôtôn có năng lượng ε’ đúng bằng hf, bay lướt qua nó, thì lập tức nguyên tử này cũng phát ra phôtôn ε. Phôtôn ε có cùng năng lượng và bay cùng phương với phôtôn ε’. Ngoài ra, sóng điện từ ứng với phôtôn ε hoàn toàn cùng pha và dao động trong một mặt phẳng song song với mặt phẳng dao động của sóng điện từ ứng với phôtôn ε’. Như vậy, nếu có một phôtôn ban đầu bay qua một loạt nguyên tử đang ở trong trạng thái kích thích thì số phôtôn sẽ tăng lên theo cấp sô nhân. Các phôtôn này có cùng năng lượng (ứng với sóng điện từ có cùng bước sóng; do đó tính đơn sắc của chùm sáng rất cao) ; chúng bay theo cùng Hiện tượng phát xạ cảm ứng GVHD: Lê Văn Hoàng GIẢI MÃ NHỮNG BÍ MẬT VỀ ÁNH SÁNG 95 một phương (tính định hướng của chùm sáng rất cao); tất cả các sóng điện từ trong chùm sáng do các nguyên tử phát ra đều cùng pha (tính kết hợp của chùm sáng rất cao). Ngoài ra, vì số phôtôn bay theo cùng một hướng rất lớn nên cường độ của chùm sáng rất lớn. III.2.6.3 Phân loại a. Laser chất rắn Có khoảng 200 chất rắn có khả năng dùng làm môi trường hoạt chất laser. Một số loại laser chất rắn thông dụng:  YAG-Neodym: hoạt chất là Yttrium Aluminium Garnet (YAG) cộng thêm 2-5% Neodym, có bước sóng 1060nm thuộc phổ hồng ngoại gần. Có thể phát liên tục tới 100W hoặc phát xung với tần số 1000-10000Hz.  Hồng ngọc (Rubi): hoạt chất là tinh thể Alluminium có gắn những ion chrom, có bước sóng 694,3nm thuộc vùng đỏ của ánh sáng trắng.  Bán dẫn: loại thông dụng nhất là diot Gallium Arsen có bước sóng 890nm thuộc phổ hồng ngoại gần. b. Laser chất khí  He-Ne: hoạt chất là khí Heli và Neon, có bước sóng 632,8nm thuộc phổ ánh sáng đỏ trong vùng nhìn thấy, công suất nhỏ từ một đến vài chục mW.  Argon: hoạt chất là khí argon, bước sóng 488 và 514,5nm.  CO2: bước sóng 10.600nm thuộc phổ hồng ngoại xa, công suất phát xạ có thể tới megawatt (MW). Trong y học ứng dụng làm dao mổ. c. Laser chất lỏng Môi trường hoạt chất là chất lỏng, thông dụng nhất là laser màu. GVHD: Lê Văn Hoàng GIẢI MÃ NHỮNG BÍ MẬT VỀ ÁNH SÁNG 96 Danh sách các loại laser khí , bước sóng và ứng dụng: Môi trường kích thích và loại Bước sóng Nguồn kích thích Ứng dụng và ghi chú Laser khí He-Ne 632.8 nm (543.5 nm, 593.9 nm, 611.8 nm, 1.1523 µm, 1.52 µm, 3.3913 µm) Cực phóng điện Giao thoa kế, holograph, quang phổ học, đọc mã vạch, cân chỉnh, miêu tả quang học. Laser khí ion Argon 488.0 nm, 514.5 nm, (351 nm, 465.8 nm, 472.7 nm, 528.7 nm) Cực phóng điện Chữa trị võng mạc bằng ánh sáng (cho người bệnh tiểu đường), in thạch bản, là nguồn kích thích các laser khác. Laser khí Ion Kryton 416 nm, 530.9 nm, 568.2 nm, 647.1 nm, 676.4 nm, 752.5 nm, 799.3 nm Cực phóng điện Nghiên cứu khoa học, trình diễn ánh sáng. Laser khí ion Xenon Nhiều vạch từ cực tím đến hồng ngoại. Cực phóng điện Nghiên cứu khoa học. Laser khí Nitơ 337.1 nm Cực phóng điện Là nguồn kích thích cho laser màu, đo độ ô nhiễm, nghiên cứu khoa học, Laser nitơ có khả năng hoạt động ở cường độ yếu. GVHD: Lê Văn Hoàng GIẢI MÃ NHỮNG BÍ MẬT VỀ ÁNH SÁNG 97 Laser H-F 2.7 đến 2.9 µm (H- F) 3.6 đến 4.2 µm (D-F) Phản ứng cháy ethylene và NF3 Dùng cho nghiên cứu vũ khí laser, dùng sóng phát ra liên tục và có tính công phá lớn. Laser (cuộn) hóa học Ôxy-Iốt 1.315 µm Phản ứng hóa học trong giữa Ô-xy và I-ốt, Vũ khí laser, nghiên cứu vật liệu và khoa học. Laser thán khí thể khí 10.6 µm, (9.4 µm) Phóng điện ngang (công suất cao) hay dọc (công suất thấp) Gia công vật liệu (cắt, hàn), phẫu thuật. Laser khí CO 2.6 đến 4 µm, 4.8 đến 8.3 µm Cực phóng điện Gia công vật liệu (chạm khắc, hàn), phổ học quang-âm. Excimer laser 193 nm (ArF), 248 nm (KrF), 308 nm (XeCl), 353 nm (XeF) Excimer tái hợp nhờ phóng điện Quang thạch bản cực tím cho chế tạo link kiện bán dẫn, phẫu thuật laser. Tính chất  Độ định hướng cao: tia laser phát ra hầu như là chùm song song do đó khả năng chiếu xa hàng nghìn km mà không bị phân tán.  Tính đơn sắc rất cao: chùm sáng chỉ có một màu (hay một bước sóng) duy nhất. Do vậy chùm laser không bị tán xạ khi đi qua mặt phân cách của hai môi trường có chiết suất khác nhau. Đây là tính chất đặc biệt nhất mà không nguồn sáng nào có. GVHD: Lê Văn Hoàng GIẢI MÃ NHỮNG BÍ MẬT VỀ ÁNH SÁNG 98  Tính kết hợp: trong trường hợp nguồn sáng laser, các photon phát ra đều đồng pha nên ánh sáng laser là một chùm ánh sáng kết hợp.Chính vì vậy, chùm tia laser có thể gây ra những tác dụng rất mạnh ( tổng hợp các dao động cùng pha ).  Có khả năng phát xung cực ngắn: cỡ mili giây (ms), nano giây, pico giây, cho phép tập trung năng lượng tia laser cực lớn trong thời gian cực ngắn. III.2.6.4 Ứng dụng của laser Laze được ứng dụng rộng rãi trong rất nhiều lĩnh vực : - Trong y học, lợi dụng khả năng có thể tập trung năng lượng của chùm tia laze vào một vùng rất nhỏ, người ta đã dùng tia laze như một dao mổ trong các phẫu thuật tinh vi như mắt, mạch máu..Ngoài ra, người ta cũng sử dụng tác dụng nhiệt của tia laze để chữa một số bệnh như bệnh ngoài da.. - Trong thông tin liên lạc, do có tính định hướng và tần số rất cao nên tia laze có ưu thế đặc biệt trong liên lạc vô tuyến ( vô tuyến định vị, liên lạc vệ tinh, điều khiển các con tàu vũ trụ,…). Do có tính kết hợp và cường độ cao nên các tia laze được sử dụng rất tốt trong việc truyền tin bằng cáp quang. - Trong công nghiệp, vì tia laze có cường độ lớn và tính định hướng cao nên nó được dùng trong các công việc như cắt, khoan, tôi,.. chính xác trên nhiều chất liệu như kim loại, compôzit,…Người ta có thể khoan được những lổ có đường kính rất nhỏ và rất sâu mà không thể thực hiện được bằng các phương pháp cơ học. - Trong trắc địa, laze được dùng trong các công việc như đo khoảng cách, ngắm đường thẳng,... Phương pháp gia công bằng laze. GVHD: Lê Văn Hoàng GIẢI MÃ NHỮNG BÍ MẬT VỀ ÁNH SÁNG 99 - Laze còn được dùng trong các đầu đọc đĩa CD, trong các bút chỉ bảng, bản đồ, trong các thí nghiệm quang học ở trường phổ thông,..Các laze này thuộc loại laze bán dẫn. - Laser dùng trong quân sự : Từ khi laze ra đời, một thế hệ vũ khí mới xuất hiện, chúng rất nguy hiểm cho loài người. Chẳng hạn như súng laze, dùng laze để đo các mục tiêu quân sự, dùng laze để điều khiển các tên lửa và kích cho nó nổ khi đã đến mục tiêu v.v.. III.3 Vận chuyển thông tin bằng cáp quang Cáp quang là một loại cáp viễn thông làm bằng thủy tinh hoặc nhựa, sử dụng ánh sáng để truyền tín hiệu. Cấu tạo: Cáp quang là bó sợi quang. Mỗi sợi quang là một dây trong suốt có tính dẫn sáng nhờ phản xạ toàn phần. Sợi quang gồm hai thành phần chính : - Phần lõi trong suốt bằng thủy tinh siêu sạch có chiết suất lớn (n1). - Phần vỏ bọc cũng trong suốt, bằng thủy tinh có chiết suất n2 nhỏ hơn phần lõi. Phản xạ toàn phần xảy ra ở mặt phân cách giữa lõi và vỏ làm cho ánh sáng truyền đi được theo sợi quang. Ngoài cùng là một số lớp vỏ bọc bằng nhựa dẻo để tạo cho cáp độ bền và độ dai cơ học. Đường truyền của tia sáng trong sợi quang GVHD: Lê Văn Hoàng GIẢI MÃ NHỮNG BÍ MẬT VỀ ÁNH SÁNG 100 III.3.1 Phân loại Phân loại Cáp quang: Gồm hai loại chính: Multimode (đa mode)  Multimode stepped index (chiết xuất bước): Lõi lớn (100 micron), các tia tạo xung ánh sáng có thể đi theo nhiều đường khác nhau trong lõi: thẳng, zig-zag… tại điểm đến sẽ nhận các chùm tia riêng lẻ, vì vậy xung dễ bị méo dạng.  Multimode graded index (chiết xuất liên tục): Lõi có chỉ số khúc xạ giảm dần từ trong ra ngoài cladding (Vật chất quang bên ngoài bao bọc lõi mà phản xạ ánh sáng trở lại vào lõi). Các tia gần trục truyền chậm hơn các tia gần cladding. Các tia theo đường cong thay vì zig-zag. Các chùm tia tại điểm hội tụ, vì vậy xung ít bị méo dạng. Single mode (đơn mode) Lõi nhỏ (8 mocron hay nhỏ hơn), hệ số thay đổi khúc xạ thay đổi từ lõi ra cladding ít hơn multimode. Các tia truyền theo phương song song trục. Xung nhận được hội tụ tốt, ít méo dạng. Ứng dụng: -Trong y học, người ta dùng bó sợi quang để quan sát các bộ phận ở bên trong cơ thể. Loại cáp quang này gồm các sợi quang rất nhỏ. Một cáp quang thường dùng có thể gồm hàng trăm sợi quang. Đó là phương pháp nội soi. Một bó sợi quang. GVHD: Lê Văn Hoàng GIẢI MÃ NHỮNG BÍ MẬT VỀ ÁNH SÁNG 101 - Trong công nghệ thông tin, cáp quang được dùng để truyền tải các dữ liệu. Một hệ truyền thông dùng cáp quang gồm ba bộ phận chính: một máy phát biến đổi các tín hiệu điện thành tín hiệu quang, một cáp quang có nhiệm vụ truyền các tín hiệu này đi và một máy thu nhận các tín hiệu ra ở đầu thứ hai của cáp quang và biến chúng trở lại thành các tín hiệu điện. - Cáp quang có nhiều ưu điểm hơn so với cáp kim loại. Trong đó, có hai ưu điểm rất đáng để ý. Cáp quang truyền được một số lượng dữ liệu lớn gấp nhiều lần (có thể hàng nghìn lần ) so với cáp kim loại cùng đường kính. Ngoài ra, cáp quang rất ít bị nhiễu bởi điện từ ngoài, vì các sợi quang được làm bằng chất điện môi. Ngoài ra, cáp quang còn có đặc điểm nhỏ và nhẹ, dễ vận chuyển, dễ uốn. Không có rủi ro cháy( vì không có dòng điện). III.4 Thế kỷ 21 - Thế kỷ của phôtôn Giấc mơ chinh phục tự nhiên từ ngàn xưa đến nay của con người đã đóng góp rất nhiều đến sự tồn tại phát triển của nhân loại. Một trong những giấc mơ đó là làm chủ được ánh sáng. Cách đây nhiều thiên niên kỷ, người cổ đại đã biết cách tạo ra lửa và sử dụng nó để phục vụ cho cuộc sống. Kể từ đó, rất nhiều những thành tựu lớn, những công cụ, thiết bị được chế tạo dựa trên sự hiểu biết về ánh sáng đã ra đời nhằm cải thiện cuộc sống. Trong giai đọan cuối của thế kỷ 20, có một lĩnh vực nghiên cứu mới được hình thành, đó là “quang tử học” (photonics). Quang tử học được xây dựng dựa trên các tính chất và quy luật điều khiển phôtôn. Lĩnh vực này có liên quan đến rất nhiều ngành khác đã có từ lâu như quang học, khoa học vật liệu, kỹ thuật điện tử, công nghệ nano, vật lý và hóa học. Trước đây, sự kết hợp giữa ánh sáng và điện tử đã tạo ra những điều kỳ diệu không ai có thể mơ tới cho đến khi Pierre Aigrain (một nhà khoa học người Pháp) đặt ra thuật ngữ “photonics” vào năm 1967. GVHD: Lê Văn Hoàng GIẢI MÃ NHỮNG BÍ MẬT VỀ ÁNH SÁNG 102 -Photonics là một ngành khoa học về ánh sáng. -Photonics vây quanh các vấn đề: tạo ra ánh sáng, thu nhận, điều khiển, khuếch đại và sử dụng ánh sáng như một công cụ phục vụ cho lợi ích lòai người. Cho đến đầu thế kỷ 21, các nhà khoa học và kỹ sư đang chuẩn bị làm chủ ánh sáng trên một phương diện mới, mang lại sự đột phá trong việc phát triển và tăng cường cạnh tranh về kinh tế. Lịch sử đã cho chúng ta thấy rằng một nguyên lý kỹ thuật có tính đột phá có thể kích thích cuộc cách mạng công nghiệp trong những thập kỷ sau khi nó được khám phá ra. Transistor đã từng ngay lập tức đóng vai trò quan trọng trong việc khuếch đại tín hiệu điện khi nó được khám phá ra vào năm 1948 và không ai có thể tưởng tượng những sự thay đổi cách mạng do linh kiện này mang lại. Công nghệ transistor đã “lót đường” cho ngành công nghiệp vi điện tử và máy tính – hai ngành có ảnh hưởng lớn đến nền kinh tế toàn cầu. Vài năm sau, chính xác vào năm 1958, Laser đã được phát minh và tại thời điểm đó không ai có thể ngờ tới laser đã tạo ra cuộc cách mạng trong truyền thông, khoa học sự sống, sản xuất và giải trí như ngày nay… Thế kỷ 20 thường được gọi là thế kỷ của điện tử bởi những thành tựu kỷ thuật có được là nhờ khả năng làm chủ electron mang lại. Tương tự như vậy, thế kỷ 21 sẽ được biết đến như là thế kỷ của photon! Sự kỳ diệu của photons: III.4.1 Những đặc tính của phôtôn: Ánh sáng được tạo bởi nhiều Phôtôn. Cũng giống như electron, phôtôn là một hạt cơ bản của vũ trụ. Phôtôn có những tính chất nổi bật và phi thường: - Không vật thể gì có thể chuyển động nhanh hơn vận tốc ánh sáng, hay vận tốc của phôtôn. GVHD: Lê Văn Hoàng GIẢI MÃ NHỮNG BÍ MẬT VỀ ÁNH SÁNG 103 - Không giống như electrons, phôtôn không có trọng lượng và không tạo ra ma sát. - Những tia sáng được hội tụ tạo ra bởi tia lasers có độ tập trung năng lượng cao nhất từng được biết đến cho đến thời điểm này. - Một xung phôtôn có thể ngắn chỉ khoảng một phần triệu hay một phần tỉ giây – đây là cấp thời gian xảy ra những phản ứng nguyên tử và phân tử. - Những tia sáng thích hợp không chỉ giúp chúng ta nhìn thấy mà còn cho phép chúng ta giữ và điều khiển các nguyên tử. III.4.2 Những khả năng không giới hạn: Chúng ta dễ dàng nhận thấy nhiều thành tựu kỹ thuật ngày nay đều có sự đóng góp đáng kể của quang tử học. Không những thế, quang tử học có một tiềm năng phi thường thể hiện qua các ví dụ thực tế từ trước đến nay: Công nghệ quang tử cho phép xử lý, lưu trữ, truyền dẫn một khối lượng lớn thông tin. Để đáp ứng được sự bùng phát thông tin thời đại ngày nay, những hệ thống truyền dẫn quang học tương lai sẽ có băng thông rộng gấp 1000 lần ngày nay và tất cả mọi người đều có thể tiếp cận với thông tin qua môi trường băng thông rộng một cách dễ dàng. - Trong lĩnh vực sản xuất, laser là một công cụ được dùng cho rất nhiều mục đích, từ việc góp phần tạo ra những bồn chứa khổng lồ đi xuyên đại dương cho đến những cấu trúc nhỏ chỉ ở cấp độ nano. - Những hệ thống chiếu sáng mới có thể tiết kiệm năng lượng rất nhiều. Với hệ thống chiếu sáng bằng diode phát quang, chúng ta sẽ tiết kiệm được ít nhất 2 tỉ thùng dầu mỗi năm. - Những thiết bị quang học nói chung và laser nói riêng dùng trong chẩn đoán, điều trị và phẫu thuật đã làm nên một cuộc cách mạng thật sự trong lĩnh vực chăm sóc sức khoẻ. GVHD: Lê Văn Hoàng GIẢI MÃ NHỮNG BÍ MẬT VỀ ÁNH SÁNG 104 - Trong lĩnh vực công nghệ sinh học, dược phẩm và gen, những công cụ ứng dụng quang tử học vừa có khả năng điều khiển nguyên tử vừa có thể điều khiển những tế bào sống mà không làm hại đến chúng. Tuy nhiên những ví dụ nên trên chỉ là bước khởi đầu. Trong thế kỷ 21 này: - Quang tử học sẽ mở ra những giải pháp mới trong khi những công nghệ truyền thống đã đạt đến tới hạn về vận tốc, công suất và độ chính xác. - Các ngành khoa học sự sống, y tế, công nghệ thông tin, truyền thông, năng lượng và sản xuất sẽ phải phụ thuộc nhiều vào công nghệ quang tử. III.4.2.1 Thời đại photons Quang tử học là một trong số những công nghệ then chốt của thế kỷ 21. Nó ảnh hưởng đến tất cả mọi phương diện của cuộc sống và đóng vai trò cốt yếu đối với cuộc cạnh tranh trong công nghiệp tại châu Âu. Kỹ nghệ quang tử chi phối 5 thị trường lớn sau: - Công nghệ thông tin, truyền thông & màn hình. - Chiếu sáng và hiển thị. - Sản xuất và đo lường. - Khoa học sự sống và chăm sóc sức khoẻ. - Công nghệ bảo mật và an toàn. Rất nhiều phát minh dựa trên cuộc cánh mạng phôtôn như: sợi quang học, thiết bị khuếch đại quang, thiết bị phát tín hiệu truyền thông, thiết bị thu nhận tín hiệu, thiết bị hiển thị, hệ thống đo lường, lasers… III.4.2.2 Công nghệ thông tin, truyền thông và màn hình: Vào thời cổ đại, người ta truyền thông tin đi xa bằng cách sử dụng tín hiệu khói. Phương pháp truyền thông này đã tồn tại trong vài thế kỷ và sau đó con người đã cải tiến thành hệ thống mạng truyền thông phức tạp hơn với những trạm lặp xemapho (hệ thống truyền tín hiệu bằng cách đặt tay hoặc 2 lá cờ theo một vị trí xác định để biểu thị GVHD: Lê Văn Hoàng GIẢI MÃ NHỮNG BÍ MẬT VỀ ÁNH SÁNG 105 các con chữ và vần của chữ cái).Trong thời đại ngày nay, con người đã chuyển sang việc truyền dữ liệu bằng những hệ thống điện tử, giúp kết nối mọi người trên toàn thế giới. Kỹ thuật điện tử đã từng tạo nên cuộc cách mạng trong đời sống chúng ta. Tuy nhiên cách đây 20 năm, kỹ thuật này đã đạt đến ngưỡng giới hạn trong khi chúng ta vẫn mong muốn truyền dữ liệu nhiều hơn và nhanh hơn nữa. Công nghệ truyền thông tin bằng quang học xuất hiện như một vị cứu tinh mở ra cánh cửa cho hầu hết những hệ thống truyền thông số, vốn đã đạt đến ngưỡng giới hạn với công nghệ điện tử. Quang tử đã chi phối công nghệ thông tin và truyền thông về mọi mặt. Ngày nay, người ta có thể sản xuất được những con chip máy tính siêu nhỏ với kích cỡ nano bằng phương pháp optical lithography. Tốc độ truyền dữ liệu trên internet tỉ lệ với sự phát triển của công nghệ lasers, sợi quang và kỹ thuật mã hoá quang.Cách đây gần 5 năm, kỹ thuật kết nối sợi quang đã đạt được trình độ rất cao giúp cho những hệ thống sợi quang có thể chịu đựng được trong những môi trường khắc nghiệt như trong xe hơi, dưới lòng biển và có thể dễ dàng sử dụng trong bất kỳ máy móc nào. Từ những thành tựu này, hầu hết những nhà sản xuất đang cải tiến hệ thống đường truyền dữ liệu bằng sợi quang trong xe hơi của họ. Kỷ nguyên tương tác thông minh giữa các bộ phận trong xe hơi đã bắt đầu! Cùng với sự phát triển không ngừng của lĩnh vực truyền thông, việc lưu trữ thông tin cũng là một vấn đền cần được quan tâm. Thay vì lưu trữ trên những cuộn băng từ, người ta đã chuyển sang lưu trữ bằng CD, DVD. Những đầu CD với laser diode hồng ngoại có giá khá rẻ đã thay thế việc lưu trữ dữ liệu bằng sổ sách. Trong kỹ nghệ phim ảnh, DVD với laser diode ánh sáng đỏ đã thay thế các đầu máy video casette. Và hiện nay, những đĩa blue-ray mới với công nghệ laser diode xanh có khả năng lữu trữ gấp nhiều lần. Laser diode ngày càng có bước sóng ngắn hơn. Trong thời gian sắp tới, từ đĩa quang “non-spining” và đĩa quang “near-field” đến kỹ thuật ghi giữ liệu bằng giao thoa lasers (holography) sẽ được ứng dụng rộng rãi. Khi đó, đĩa quang với dung lượng lên đến hàng terabytes sẽ không còn xa vời! GVHD: Lê Văn Hoàng GIẢI MÃ NHỮNG BÍ MẬT VỀ ÁNH SÁNG 106 Trong lĩnh vực màn hình hiển thị, LCD đã dần thay thế đèn hình CRT. Không những thế, những công nghệ mới dựa trên diode phát quang chế tạo từ các chất vô cơ hoặc hữu cơ đã dần thành hình. III.4.2.3 Chiếu sáng và hiển thị Con người đã biết sử dụng lửa để chiếu sáng và làm ấm từ thời cổ đại. Sự phát minh ra bóng đèn dây đốt vào thế kỷ 19 đã giúp cung cấp giải pháp chiếu sáng mới cho môi trường làm việc, sinh hoạt và giải trí của con người… Tuy nhiên, những bóng đèn này có hiệu suất không cao nên rất tốn năng lượng do toả nhiệt rất lớn. Giữa thế kỷ 20, bóng đèn huỳnh quang được phát minh đã giúp tiết kiệm điện năng. Tuy nhiên, công nghệ chiếu sáng bằng bán dẫn (SSL – solid-state lighting) như diode phát xạ ánh sáng mới thật sự tạo nên một cuộc cách mạng trong nền công nghiệp chiếu sáng và có tiềm năng rất lớn để thay thế các nguồn sáng truyền thống; giống như cách những vi mạch điện tử đã thay thế ống điện tử cách đây 50 năm. Công nghệ chiếu sáng bằng bán dẫn với hiệu suất tiêu thụ điện hiệu quả đã có thể tạo cho nguồn sáng có hình dáng và màu sắc đa dạng. Những nguồn sáng có độ sáng và màu sắc thích hợp sẽ giúp cho môi trường làm việc trở nên an toàn, thoải mái và tính thẩm mỹ cao. Những nguồn sáng dùng vật liệu bán dẫn có thể tiết kiệm được nguồn năng lượng rất lớn. Theo ước tính nếu hầu hết các nguồn sáng tại châu Âu đều dùng vật liệu bán dẫn thì cho đến năm 2015, chúng ta sẽ tiết kiệm được 40000 MW điện năng hay tương đương với 2 triệu thùng dầu và 50 triệu tấn CO2 thải vào môi trường mỗi năm. Cũng theo ước tính cho đến năm 2025, SSL có thể giảm đi lượng tiêu thụ điện trên toàn cầu đến 50%. Đây có thể coi là một thành tựu của loài người trong việc tiết kiệm tài nguyên đang ngày càng cạn kiệt! Công nghệ bán dẫn không chỉ dùng để chiếu sáng mà còn dùng để hiển thị. Trong cuộc sống hiện đại, nhu cầu về xử lý và tiếp nhận thông tin là rất lớn. Hệ thống hiển thị là lời giải cho nhu cầu này. Não con người dành rất nhiều hoạt động trong viêc nhìn và biên GVHD: Lê Văn Hoàng GIẢI MÃ NHỮNG BÍ MẬT VỀ ÁNH SÁNG 107 dịch hình ảnh thấy được. Những màn hình hiển thị bằng SSL sẽ giúp cải thiện độ phân giải, màu sắc, độ tương phản và ngày càng nhỏ gọn. Theo thống kê, thị trường về các thiết bị hiển thị đã tăng 17% từ năm 2004 đến 2007. Màn hình tinh thể lỏng, mỏng (LCD) đã có ở khắp mọi nơi trong cuộc sống hằng ngày: từ những đồng hồ điện tử, điện thoại di động, TV cho đến những máy tính xách tay, PC…Ngoài ra, những đèn LEDs cũng được sử dụng rất phổ biến. Bằng cách dùng nhiều đèn LED đặt sát nhau tạo thành một mảng lớn ta có thể tạo nên một màn hình khổng lồ để dùng ở những nơi công cộng như nhà ga, sân bay, cửa hàng, sân vận động…Những laser diode màu giúp chúng ta chế tạo ra những máy chiếu hình (projetors) cho hình ảnh sống động, thay thế những máy chiếu slide đen trắng với những tấm phim chiếu trong suốt. Một công nghệ mới hiện này là màn hình sử dụng diodes phát quang bằng chất hữu cơ (OLED) tạo ra ánh sáng có bất kỳ màu sắc nào nhưng hiệu suất tiêu thụ thì không đáng kể. Giá cả của những màn hình này chắc chắn sẽ ngày càng được hạ xuống để trở chúng nên phổ biến hơn với mọi người. Ngày nay, thị trường OLED đã lên đến 260 triệu USD và với tốc độ phát triển 40% như hiện nay, thị trường này sẽ tăng lên đến 2.5 tỉ vào năm 2010. III.4.2.4 Sản xuất và đo lường: Những năm gần đây, từ việc chỉ là một “giải pháp lý thuyết cho vấn đề”, laser đã trở thành một công cụ được dùng rất nhiều trong thực tế vì các đặc tính linh hoạt, tiết kiệm trong sản xuất của nó. Đặc biệt trong nền công nghiệp in ấn – từ những máy in laser chuyên nghiệp trong những cơ sở sản xuất, in ấn ,văn phòng cho đến những máy in nhỏ gọn dùng trong gia đình. Có thể khẳng định rồi đây laser sẽ thay thế dần các phương pháp gia công vật liệu kinh điển. Một mặt vì các hệ laser có giá trị kinh tế cao hơn (tỉ lệ đầu ra – vào cao hơn) và GVHD: Lê Văn Hoàng GIẢI MÃ NHỮNG BÍ MẬT VỀ ÁNH SÁNG 108 đáng tin cậy hơn; mặt khác vì đã có rất nhiều bước phát triển mới đầy triển vọng. Hiện đã có những laser với bước sóng ngắn hơn và cho phép gia công với độ chính xác cao hơn - Lasers là sự lựa chọn số một cho kỹ thuật hàn, ghép nối tự động. Trong ngành công nghiệp thêu dệt, nó được sử dụng để cắt sợi… Không chỉ thay thế cây kéo để cắt, laser là công cụ duy nhất dùng để khoan lỗ trong những vòi bơm xăng trong những động cơ tự động. - Muốn phát triển thị trường laser trong sản xuất, ta phải nắm rõ sự tương tác giữa lasers và vật chất. Nhờ đó có thể ứng dụng những kiến thức này để tối ưu đặc tính của tia lasers nhằm điều khiển quá trình tương tác giữa laser và vật chất. Ví dụ: khi dùng laser để cắt, ta sẽ phát xung laser với tần số thấp nhưng mỗi xung phát lại có cường độ lớn; như vậy vết cắt sẽ dễ dàng bị tách ra mà nhiệt độ xung quanh không tăng lên đáng kể; vết cắt do đó sẽ đẹp và những mép xung quanh không bị hư hỏng. Ngược lại, khi dùng laser để hàn, chúng ta cần nung nóng vật liệu đó lên. Laser lúc này hoạt động ở mode phát liên tục và năng lượng laser sẽ làm chảy vật liệu và giúp hàn dính mối nối. Những ứng dụng chính của lasers trong lĩnh vực sản xuất: -In ấn. - Khoan. - Hàn, vi hàn. - Cắt - Khắc, đánh dấu bằng laser excimer. - Điêu khắc. Một ứng dụng khác của lasers là đo lường. Kích thích – đo – phân tích, laser đã mở ra những triển vọng hoàn toàn mới trong ngành quang phổ. Hiện nay chúng ta có thể kết luận về chính các cấu trúc nội tại của các các hạt cơ bản, về ứng xử của các ion nặng nhờ ánh sáng laser. Ngoài ra, ta còn có thể đo mây, thăm dò các quá trình hình thành và lan toả của mây, khảo sát các quá trình đốt cháy bên trong động cơ Otto hay động cơ GVHD: Lê Văn Hoàng GIẢI MÃ NHỮNG BÍ MẬT VỀ ÁNH SÁNG 109 Diesel để tìm cách giảm mức tiêu hao nhiên liệu. Ánh sáng laser có thể cho biết liệu phun thuốc bảo vệ thực vật với nồng độ nào là vừa đủ hay có thể giúp cho máy tính xác định vị trí chính xác của một vật thể đang chuyển động, radar… Khoa học sự sống và chăm sóc sức khoẻ: Công nghệ quang học có thể coi là một công cụ đắc lực mới cho ngành khoa học sự sống và chăm sóc sức khoẻ. - Trước đây, những hiểu biết của chúng ta về sự sống chỉ dựa trên các kỹ thuật cho phép quan sát những hình ảnh riêng lẻ của cùng một quá trình biến đổi xảy ra trong tế bào sống. Chính vì lý do này, chúng ta vẫn chưa thể biết cặn kẽ vì sao những tế bào lại bị đột biến, chẳng hạn như việc xuất hiện và phát triển của tế bào ung thư. Kiến thức về khoa học sự sống và sức khoẻ của chúng ta do đó mà bị giới hạn. Theo ước tính, 2/3 dược phẩm ngày nay không chữa trị hiệu quả. Không những vậy, có những căn bệnh nan y mà y học hiện đại chưa thể làm gì ngoài việc làm chậm quá trình phát triển bệnh. Tuy nhiên, công nghệ quang học lại có những khả năng đặc biệt cho phép chúng ta quan sát được những đoạn phim trực tiếp về quá trình trao đổi chất xảy ra bên trong tế bào sống. Công nghệ mới không những giúp quan sát được cấu trúc bên trong mà còn thấy được chức năng sinh học phân tử trong suốt chu trình sống của tế bào. Các chất quang sinh (bio-photonic) còn được gọi là chất đánh dấu quang tử (photonic markers) giúp chúng ta quan sát sự trao đổi chất bên trong tế bào khi chúng bám vào các phân tử protein trong cơ thể. Dựa vào đó, chúng ta tiến hành xây dựng nền tảng điều trị mới để công tác chữa trị hiệu quả hơn và khả năng chẩn đoán những căn bệnh nan y chính xác hơn. - Những dấu hiệu của tế bào ung thư có thể được nhận ra bởi các phương pháp quang học như phép chụp ảnh giao thoa (holography) hay phổ ký (spectroscopy)…Việc trị liệu bằng quang học đã dần thay thế phương pháp trị liệu bằng hóa chất. Các chất nhạy sáng được bơm vào cơ thể và chúng sẽ tụ lại tại những khối u. Bình thường các chất này không độc nhưng khi ta chiếu ánh sáng thích hợp vào, nó sẽ trở nên độc và phá GVHD: Lê Văn Hoàng GIẢI MÃ NHỮNG BÍ MẬT VỀ ÁNH SÁNG 110 hủy khối u này. Ngòai ra ta có thể dùng ánh sáng hồng ngòai để chẩn đóan bệnh viêm khớp ở giai đọan sớm. Tia sáng hồng ngọai bị tán xạ trong những khớp là dấu hiệu có nhiều khả năng khớp đã bị viêm. Nhớ đó chúng ta không cần chụp X-ray vốn gây hại hoặc tốn nhiều chi phí để chụp ảnh cộng hưởng từ. - Ngày nay, số lượng dược phẩm của các công ty lớn có thể lên đến 1 triệu lọai. Những chấy này phải được kiểm tra nghiêm ngặt trong phòng thí nghiệm. Trong những năm gần đây, bằng việc sử dụng hệ thống đọc quang học kết hợp với công nghệ chip sinh học (biochip), chi phí cho việc kiểm tra đã giảm xuống từ 7.5 triệu Euro chỉ còn 0.25 triệu Euro. Hệ thống phân tích bằng quang học này có thể kiểm tra tự động 200.000 hóa chất một ngày với 10 phép đo cho mỗi chất. - Kính hiển vi đã từng giúp Alexander Fleming khám phá ra penicillin để sau đó thuốc kháng sinh đã cứu mạng sống của rất nhiều người. Công nghệ thu nhận hình ảnh luôn luôn giữ vai trò quyết định trong lĩnh vực khoa học sức khoẻ và sự sống. - Điểm nổi bật và độc nhất của kỹ thuật quang học là giúp cho việc tương tác, điều khiển các tế bế bào sống mà không làm tổn thương hay tổn thương không đáng kể cho bệnh nhân. Nội soi là mộ trong những minh chứng. Nhờ kỹ thuật nội soi, các bác sĩ có thể thao tác dễ dàng hơn, an toàn hơn, hiệu quả hơn khi phẫu thuật cho bệnh nhân cũng như rút ngắn lại khoảng thời gian mà bệnh nhân phải nằm viện. Chẳng hạn như kỹ thuật chụp hình ảnh mới hiện nay mang tên “pill cam” (pill camera) sẽ thay thế cho kỹ thuật soi đường ruột truyền thống (colonoscopy). Camera có hình dạng một viên thuốc được đưa vào cơ thể bệnh nhân thông qua đường tiêu hóa. Sau đó nó sẽ ghi lại những hình ảnh và truyền hình ảnh đó về bộ thu nhận. Như vậy sau khi chụp xong, bệnh nhân không cần phải ở lại bệnh viện. - Có thể nói trong lĩnh vực điều trị và chăm sóc sức khỏe, vai trò của laser ngày càng trở nên quan trọng bởi những khả năng kỳ diệu của nó. + Ứng dụng laser trong chẩn đóan: chủ yếu được dùng để phát hiện sâu răng bằng kính GVHD: Lê Văn Hoàng GIẢI MÃ NHỮNG BÍ MẬT VỀ ÁNH SÁNG 111 hiển vi quét laser đồng tiêu để xem ảnh mặt cắt lớp. Việc ứng dụng laser trong chẩn đóan tại Việt Nam vẫn còn ở những bước khởi đầu. + Ứng dụng laser trong điều trị bao gồm: Ứng dụng laser công suất cao để tạo ra hiệu ứng bốc bay hơi (dùng trong phẫu thuật) và hiệu ứng quang đông; gọi chung là laser ngọai khoa. Laser công suất cao dùng trong phẫu thuật đã mở ra những khả năng mới trong việc điều trị các tật cận thị, loạn thị, tăng nhãn áp, thoái hoá điểm macula – thường gặp khi về già do mắt bị suy thoái và có thể dẫn đến mù loà… Trong lĩnh vực tai – mũi – họng, laser giúp bóc các lớp da và niêm mạc đi khỏi bề mặt (như những khối u lành trong thanh quản), làm teo những phù nề và các mô chứa nhiều nước (bứu thịt ở mủi), bóc những lát xương mỏng hay phá hủy các sỏi (dùng trong tai mủi họng) Ứng dụng laser công suất thấp để tạo ra hiệu ứng kích thích sinh học. Dưới tác dụng của ánh sáng laser, mô sinh học sẽ thay đổi cấu trúc. Tiến trình phản ứng phụ thuộc vào bản chất của mô được chiếu xạ cũng như bước sóng, mật độ năng lượng và thời gian chiếu xạ của ánh sáng laser được dùng. Ví dụ: trị liệu bằng laser có bước sóng 780, 940, 850 nm nhằm tạo ra hiệu ứng kích thích sinh học; với mật độ chùm tia tác động lên mô sống nằm trong khỏang 10-4 – 100 W/cm2 và thời gian chiếu từ 10s hàng chục phút. Đáp ứng do nó mang lại bao gồm việc chống viêm, giảm đau, đáp ứng tổn thương tế bào, đáp ứng tái sinh tế bào, đáp ứng trên hệ miễn dịch, hệ tĩnh mạch và hệ nội tiết. Hiện nay, laser công suất thấp được dùng để điều trị rất nhiều bệnh như viêm xoang, đau cột sống thóai hóa, phì đại tuyến tiền liệt lành tính, cắt cơn nghiện ma túy, di chứng bại não ở trẻ em, các bệnh phụ khoa…Ngoài ra, laser còn dùng để châm cứu thay thế việc châm cứu bằng kim gây đau và dễ mắc phải cảc bệnh truyền nhiễm. GVHD: Lê Văn Hoàng GIẢI MÃ NHỮNG BÍ MẬT VỀ ÁNH SÁNG 112 III.4.2.5 Công nghệ bảo mật và an toàn… -Bao thư đã được dùng từ hàng thế kỷ nay nhưng tính bảo mật của nó vẫn không cao; người lạ có thể bí mật mở ra, đọc rồi dán lại. Cùng với sự phát triển của thời đại internet, đã có những nổ lực để nâng cao tính bảo mật bằng cách mã hoá những thông điệp truyền trên mạng; tuy nhiên, những kỹ thuật mã hoá này vẫn có thể bị bẻ gãy với các máy tính siêu mạnh kết hợp với các phần mềm hỗ trợ. Có một kỹ thuật mã hoá mới hứa hẹn có khả năng bảo mật tuyệt đối an toàn: mã hoá lượng tử. Kỹ thuật này dựa trên sự bắt cặp của các photons – một đặc điểm cơ học lượng tử của ánh sáng có những tính năng kỳ diệu. Kỹ thuật này đã được kiểm tra thực nghiệm với kết quả bảo đảm 100% tuyệt đối an tòan. Các phòng thí nghiệm tại Châu Âu đang đi đầu trong việc nghiên cứu kỹ thuật này. Với kỹ thuật mã hoá lượng tử, nếu ai đó có ý định đọc trộm, thông tin sẽ tự động huỷ và người nhận lúc đó cũng sẽ được thông báo. Cơ chế “tự huỷ” này dựa trên các quy luật vật lý tự nhiên do đó không thể có công cụ nào có thể bẻ gãy được. Những lợi ích do kỹ thuật này mang lại trong lĩnh vực bảo mật là rất lớn. Quang tử cũng đóng góp phần rất lớn vào vấn đề đảm bảo an toàn. Ngoài việc dùng làm tín hiệu đèn giao thông, biển báo, đèn chiếu sáng. Những thành tựu mới của quang tử cho phép chế tạo ra những thiết bị ứng dụng công nghệ cao. Chẳng hạn như màn hình ngang đầu (heads-up display), vốn trước đây được dùng trong những máy bay chiến đấu, nay đã được gắn vào các xe hơi giúp tài xế luôn luôn quan sát được xe cộ trên đường. Thiết bị nhìn trong bóng tối trước đây chỉ dùng trong quân sự nay đã được tích hợp vào xe hơi để tài xế lái xe an toàn trong bóng đêm. Một số xe hơi hiện đại còn có những sensors quang giúp nhận biết tai nạn sắp xảy ra và hệ thống sẽ tự động bật túi hơi ở vô-lăng hoặc kích hoạt hệ thống thắng gấp trước khi tài xế kịp phản ứng. Đo khoảng cách, phát hiện làn đường tự động, phát ra âm báo động khi tài xế ngủ gật là một số kỹ thuật cao đang được phát triển trong thời gian gần đây. GVHD: Lê Văn Hoàng GIẢI MÃ NHỮNG BÍ MẬT VỀ ÁNH SÁNG 113 Ngày nay, công nghệ nhận dạng cũng dựa trên những nguyên lý về ánh sáng. Những ví dụ nổi bật trong lĩnh vực này có thể kể ra như thiết bị nhận dạng mã vạch ở các siêu thị cửa hàng; nhận dạng dựa vào dấu vân tay hay mống mắt trong các ngân hàng, tòa nhà lớn... Ngoài ra, một ứng dụng khác của ánh sáng trong lĩnh vực an tòan là dùng tia cực tím (UV) để tiệt trùng thực phẩm, dược phẩm và các vật dụng y tế. Đây là phương pháp được dùng rộng rãi để bảo đảm an tòan thực phẩm. III.4.2.6 Thế kỷ 21 – thế kỷ của photon: Ánh sáng là một trong những điều kiện tiên quyết cho sự tồn tại và phát triển sự sống trên trái đất. Những tia sáng kỳ diệu và những ứng dụng mà nó mang lại đã tạo cảm hứng cho trí tưởng tượng của các nhà khoa học. Cũng như thế kỷ 20 là thế kỷ của điện tử, rất nhiều nhà khoa học tin rằng, thế kỷ thứ 21 là thế kỷ của photon. Ngành quang tử (photonics) đang ngày càng phát triển rất nhanh trên toàn thế giới. Trong đó, công nghệ laser mang tính chủ đạo. Sau những ứng dụng thành công ban đầu của lasers, chúng ta đang chứng kiến những bước đột phát lớn trong những năm tới. Từ khi lasers được phát minh cách đây 49 năm (1958), laser đã trở thành một công cụ không thể thiếu được trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu khoa học cũng như ứng dụng kỹ thuật. Dù doanh thu công khai của ngành này trên tòan thế giới chỉ mới vào khỏang 2-3 tỉ USD nhưng laser lại đóng vai trò then chốt, mang tính quyết định cho nhiều công nghệ quan trọng và những ngành tăng trưởng nhanh, đầy triển vọng như công nghệ thông tin, vi cơ khí và kỹ thuật đo. Thực tế, laser không chỉ là mối quan tâm riêng của các nhà khoa học và kỹ thuật mà con thu hút trí tưởng tượng của nhiều người, từ các nhà chính trị đến các nhà văn, nhà thơ, đạo diễn điện ảnh… Sức cuốn hút mạnh mẽ đó của laser có lẽ phải giải thích bởi vì nó là ánh sáng, mà ánh sáng lại quá ư quen thuộc và hữu ích trong cuộc sống thường nhật của chúng ta. Ngòai các thuộc tính bình thường đó, laser còn có các tính chất hòan GVHD: Lê Văn Hoàng GIẢI MÃ NHỮNG BÍ MẬT VỀ ÁNH SÁNG 114 tòan khác thường, đồng thời với những đặc tính lý thú lại có cả những đặc tính bất ngờ: đó là tính kết hợp, tính định hướng và độ sáng rất cao, cường độ và tầm xa gần như vô hạn… Xét về phương diện khoa học và kinh tế, laser hoàn toàn có thể so sánh với các phát minh có tính cách mạng khác như máy hơi nước hay transistor. Mặt khác, so sánh gần 50 năm tồn tại của nó với thời gian tồn tại của một vài chu trình công nghiệp trước đây vẫn chưa thể nói lên được điều gì. Liệu laser còn có tương lai nữa hay không, hay công nghệ này đã đạt tới đỉnh điểm của mình, thậm chí vượt đi quá xa rồi? Ở đây chúng ta càng thấy rõ được điều đã làm cho laser khác với các phát minh có tính cách mạng khác. Động cơ cho thành công của laser không phải chỉ là một bước phát triển mới về mặt công nghệ, mà trước hết, đó là một ý tưởng về cơ bản hoàn toàn mới mà ta có thể tóm gọn là: con người đã “thuần hoá” được photon. Lần đầu tiên trong lịch sử loài người đã tiếp cận được những ứng dụng hết sức rộng rãi. Ở thời điểm ấy thì laser chẳng hạn sẽ khác về cơi bản nếu so với transistor: trước đó đã có bóng đèn điện tử, và trước đó thì lại còn có động cơ điện và dynamo, tất cả chúng đều đã tìm được cái cách làm cho điện tử phục vụ con người trên một bình diện rất rộng. Nhưng với photon thì – không kể những nhiệm vụ chiếu sáng hết sức thông thường đó – chỉ riêng một mình laser là đã đi đến được thành tựu ở một tầm cỡ khó mà tưởng tượng ra nổi. Trong bối cảnh này chúng ta hoàn toàn có thể khẳng định rằng: Nếu như thế kỷ trước đã là thế kỷ của điện tử thì thế kỷ này phải là thế kỷ của photon. Như vậy có thể nói, tương lai của laser nằm trong tay những ai đi tìm ra những phạm vi ứng dụng mới cho môi trường ánh sáng, bằng cách luôn luôn đặt ra cho môi trường này những thuộc tính mới. Hiện vẫn còn đang có rất nhiều khả năng ứng dụng đang chờ triển khai từ các phòng thí nghiệm và nghiên cứu. Những ví dụ về phương hướng hiện đại nhất đã được nêu trên. Dẫu sao cũng phải thừa nhận rằng: hoàn toàn chưa thấy kết thúc cho tương lai của bước phát triển theo đường thẳng đứng của thể kỷ phát triển dựa vào photon. GVHD: Lê Văn Hoàng GIẢI MÃ NHỮNG BÍ MẬT VỀ ÁNH SÁNG 115 Kết luận: Trong thế kỷ 21, công nghệ quang tử đang và sẽ là một trong những công nghệ then chốt hàng đầu trên thị trường. Nó ảnh hưởng đến tất cả các mặt của đời sống và là yếu tố quan trọng trong việc phát triển kinh tế. Công nghệ quang tử đã giữ vai trò chủ đạo trong các lĩnh vực công nghệ thông tin, truyền thông, chiếu sáng & hiển thị, sản xuất & đo lường, khoa học sự sống & chăm sóc sức khoẻ, công nghệ bảo mật & an tòan. Công nghệ quang tử được xem như một đòn bẩy lớn giúp tạo ra những sản phẩm có giá trị cao trong sản xuất và hữu ích trong cuộc sống. Thế kỷ 21 - thế kỷ của photon đã đến! Một thế kỷ “tràn ngập ánh sáng” từ cấp độ vi mô đến vĩ mô. Một thế kỷ hứa hẹn sẽ chứng kiến nhiều thành tựu phi thường của nhân loại. III.5 PIN MẶT TRỜI Pin Mặt trời ( còn gọi là pin quang điện )là một nguồn điện chạy bằng năng lượng ánh sáng. Nó biến đổi trực tiếp quang năng thành điện năng. Hoạt động của pin dựa trên hiện tượng quang điện trong của một số chất bán dẫn như đồng ôxít, sêlen, silic.. III.5.1 Cấu tạo và hoạt động của pin quang điện Những tấm pin Mặt Trời Cấu tạo của pin Mặt Trời GVHD: Lê Văn Hoàng GIẢI MÃ NHỮNG BÍ MẬT VỀ ÁNH SÁNG 116 -Pin có một tấm bán dẫn loại n, bên trên có phủ một lớp mỏng bán dẫn loại p. Có thể tạo ra lớp này bằng cách cấy một tạp chất thích hợp vào lớp bề mặt của tấm bán dẫn loại n. Trên cùng là một lớp kim loại rất mỏng. Dưới cùng là một đế kim loại. Các kim loại này đóng vai trò là các điện cực trơ. -Giữa bán dẫn loại n và bán dẫn loại p hình thành lớp tiếp xúc p-n. Lớp này ngăn không cho electron khuếch tán từ n sang p và lổ trống khuếch tán từ p sang n.Vì vậy người ta gọi lớp tiếp xúc này là lớp chặn. -Khi chiếu ánh sáng có bước sóng ngắn hơn giới hạn quang điện vào lớp kim loại mỏng ở trên cùng thì ánh sáng sẽ đi xuyên qua lớp này vào lớp loại p, gây ra hiện tượng quang điện trong và giải phóng ra các cặp electron và lổ trống. Electron dễ dàng qua lớp chặn xuống bán dẫn loại n. Còn lổ trống bị giữ lại trong lớp p.Kết quả là điện cực kim loại mỏng ở trên sẽ nhiễm điện dương và trở thành điện cực dương của pin, còn đế kim loại ở dưới sẽ nhiễm điện âm và trở thành điện cực âm của pin. Nếu nối hai điện cực bằng một dây dẫn thông qua một ampe kế thì ta sẽ thấy có dòng quang điện chạy từ cực dương sang cực âm. Suất điện động của pin quang điện nằm trong khoảng tứ 0,5V đến 0,8V. III.5.2 Hiệu suất Ánh sáng mặt trời cung cấp cho chúng ta khoảng 1 kilowatt/m2 ( Chính xác là 1,34 KW/m2: Đây chính là hằng số mặt trời) , tuy nhiên các hiệu suất chuyển thành điện năng của các pin mặt trời chỉ vào khoảng 8% đến 12%. Tại sao lại ít vậy? Câu trả lời là ánh sáng mặt trời có phổ tần số khá rộng. Không phải tần số nào cũng có đủ năng lượng để kích thích điện tử từ vùng hóa trị lên vùng dẫn. Chỉ có những photon năng lượng cao hơn khe vùng bán dẫn mới làm được điều này. Đối với bán dẫn Si khe vùng vào khoảng 1,1eV. Các photon năng lượng thấp hơn sẽ không sử dụng được. Nếu photon có năng lượng cao hơn khe vùng thì phần năng lượng dư đó cũng không có GVHD: Lê Văn Hoàng GIẢI MÃ NHỮNG BÍ MẬT VỀ ÁNH SÁNG 117 đóng góp gì thêm. Vậy tại sao chúng ta không chọn các vật liệu có khe vùng hẹp để tận dụng nguồn photon tần số thấp. Vấn đề là khe vùng cũng xác định hiệu điện thế (hay điện trường) ở bề mặt tiếp xúc. Khe vùng càng bé thì hiệu điện thế này càng bé. Nên nhớ công suất của dòng điện bằng hiệu điện thế nhân với dòng. Người ta đã tính toán được khe vùng tối ưu là vào khoảng 1.4eV, khi đó công suất dòng điện thu được tối đa. Một nguyên nhân nữa cũng cản trở việc nâng cao hiệu suất của pin mặt trời, đó là cách chúng ta bố trí các tiếp xúc kim loại để lấy dòng điện. Ở mặt dưới của tấm pin hiển nhiên ta có thể cho tiếp xúc với 1 tấm kim loại nhưng ở mặt trên nó cần trong suốt để ánh sáng có thể đi qua. Nếu chỉ bố trí các tiếp xúc ở mép tấm pin thì các điện tử phải di chuyển quá xa trong tinh thể Si mới vào được mạch điện (chú ý là bán dẫn Si dẫn điện kém, tức điện trở của nó lớn). Vì vậy người ta thường dùng 1 lưới kim loại phủ lên bề mặt của pin mặt trời. Tuy nhiên kích thước lưới không thể giảm vô hạn nên cũng phần nào làm giảm hiệu suất chuyển năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện. III.5.3 Ứng dụng Pin quang điện được ứng dụng trong các máy đo ánh sáng, vệ tinh nhân tạo, máy tính bỏ túi...Ngày nay, người ta đã chế tạo thử thành công ô tô và cà máy bay chạy bằng pin quang điên Cùng với pin dự phòng, pin quang điện trở nên thông dụng cho các thiết bị điện năng thấp, như là phao điện hay thiết bị ở vùng xa Giá thành và chi phí lắp đặt cao tạo ra sự hạn chế sử dụng ở quy mô lớn.Nên năng lượng mặt trời đóng góp một phần rất nhỏ trong sản xuất năng năng lượng thế giới. GVHD: Lê Văn Hoàng GIẢI MÃ NHỮNG BÍ MẬT VỀ ÁNH SÁNG 118 Tài liệu tham khảo Lương Duyên Bình, Dư Trí Công, Nguyễn Hữu Hồ,Vật lí đại cương – Tập2, NxB Giáo dục, TP. HCM, tr. 336. Ts. Nguyễn Trần Trác, Diệp Ngọc Anh (2005), Quang học, ĐHQG, TPHCM, Chương VII, tr.377. Th.s Nguyễn Thị Thiếp (2004), Lịch sử vật lí, ĐHSP TPHCM, Chương V, VI, VII. David Halliday, Robert Resnick, JearlWalker, Cơ sở vật lí – TậpV, NXB Giáo dục,TP HCM, Chương 38. Trịnh Xuân Thuận (Phạm Văn Thiều – Ngô Vũ dịch) (2008), Những con đường của ánh sáng - Vật lí siêu hình học của ánh sáng và bóng tối, NXB trẻ,TP HCM, chương1,2,3 (tr.16-180), chương 5,6 (tr.80-120,130-140). http:/vn.answers.yahoo.com/question/index?qid=2008221020929 %20h%C3%ACnh%22&s=T%E1%BA%A5t%20c%E1%BA%A3 - 74k GVHD: Lê Văn Hoàng GIẢI MÃ NHỮNG BÍ MẬT VỀ ÁNH SÁNG 119 GVHD: Lê Văn Hoàng GIẢI MÃ NHỮNG BÍ MẬT VỀ ÁNH SÁNG 120 GVHD: Lê Văn Hoàng GIẢI MÃ NHỮNG BÍ MẬT VỀ ÁNH SÁNG 121