Laser là một phát minh lớn khác của nhân loại kể từ thế kỷ 20, sau năng lượng hạt nhân, máy tính và chất bán dẫn. Nó được mệnh danh là “con dao nhanh nhất”, “thước đo chính xác nhất” và “ánh sáng rực rỡ nhất”. Vào ngày 16 tháng 5 năm 1960, nhà vật lý người Mỹ Theodore Maiman đã phát minh ra tia laser đầu tiên trên thế giới. Lần đầu tiên nhân loại được tiếp cận với nguồn sáng kỳ diệu như vậy với tính đơn sắc tuyệt vời, độ chuẩn trực cao và mật độ năng lượng cao. Kể từ khi phát minh ra tia laser đầu tiên vào năm 1960, tia laser đã được sử dụng rộng rãi trong truyền thông, y học, sản xuất công nghiệp, vũ khí quân sự và các lĩnh vực khác, trở thành một công nghệ có mục đích chung-chuyên ngành{9}}có tác động to lớn đến nghiên cứu trong nhiều lĩnh vực và thúc đẩy cải thiện hiệu quả sản xuất xã hội. Vậy chính xác thì tia laser là gì? Và nó được sản xuất như thế nào?
Laser là từ viết tắt của "Khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ kích thích", nghĩa là khuếch đại ánh sáng gây ra bởi sự phát xạ kích thích. Khi công nghệ này được giới thiệu đến Trung Quốc vào năm 1964, ông Qian Xuesen đã đặt tên cho nó. Trong cách sử dụng phổ biến, nó còn có một cái tên phiên âm khá ấn tượng, "leishe". Trước khi hiểu về laser, trước tiên chúng ta hãy xem ánh sáng là gì.
Ánh sáng được tạo ra bởi các photon. Năm 1905, Albert Einstein lần đầu tiên đưa ra khái niệm photon trong bài báo của ông về hiệu ứng quang điện. Photon là một trong những hạt cơ bản tạo nên vật chất. Photon cực kỳ nhỏ và không có khối lượng khi đứng yên. Theo các nguyên tắc của cơ học lượng tử, khi một electron rơi từ lớp vỏ bên ngoài có năng lượng- cao hơn xuống lớp vỏ bên trong có năng lượng- thấp hơn, thì hạt nhân nguyên tử tương ứng sẽ giải phóng một photon, do đó tạo ra ánh sáng. Số lượng lớp vỏ mà electron rơi qua càng nhiều thì năng lượng của photon càng lớn. Quá trình này có thể đảo ngược được; khi một photon tới, hạt nhân nguyên tử sẽ hấp thụ photon đó và electron, sau khi nhận được năng lượng, sẽ di chuyển từ lớp vỏ bên trong có năng lượng-thấp hơn sang lớp vỏ bên ngoài có{10}năng lượng cao hơn.
Đặc điểm của tia laser là tất cả các photon của nó chuyển động cùng bước sóng và cùng pha. Trong một hệ thống nguyên tử, về cơ bản các electron di chuyển theo từng lớp. Khi một nguyên tử bị ảnh hưởng bởi môi trường bên ngoài và các electron-năng lượng cao chuyển sang mức năng lượng thấp hơn, sẽ có hai hiện tượng: "phát xạ tự phát" và "phát xạ kích thích". Laser được tạo ra thông qua phát xạ kích thích. Nói một cách đơn giản, tia laser là “bức xạ ánh sáng” phát ra khi các nguyên tử của một chất bị “kích thích” bởi một “nguồn bơm” cụ thể.
Laser là một thiết bị tạo ra ánh sáng laser, chủ yếu bao gồm nguồn bơm, môi trường khuếch đại và khoang cộng hưởng. Nguồn bơm là nguồn kích thích của tia laser, cung cấp năng lượng cho các electron-năng lượng thấp để kích thích chúng lên mức năng lượng cao hơn. Các nguồn bơm phổ biến bao gồm kích thích quang học, kích thích phóng khí, kích thích hóa học và kích thích năng lượng hạt nhân. Khoang cộng hưởng là mạch giữa nguồn bơm và môi trường khuếch đại, thường bao gồm hai gương có hình dạng hình học cụ thể và đặc tính phản xạ quang học được kết hợp theo một cách cụ thể. Điều này cho phép ánh sáng bị kích thích di chuyển qua lại nhiều lần trong hộp, tạo thành các dao động liên tục, bền vững được khuếch đại và cũng hạn chế tần số và hướng của chùm ánh sáng. Môi trường khuếch đại dùng để chỉ môi trường làm việc khuếch đại ánh sáng.
Kể từ khi Einstein đề xuất phát xạ kích thích vào năm 1917, các nhà khoa học đã dành 43 năm khám phá không ngừng nghỉ trước khi cuối cùng tạo ra tia laser đầu tiên trên thế giới vào năm 1960. Nhà khoa học Maiman, từ Phòng thí nghiệm nghiên cứu Hughes ở California, đã sử dụng đèn chớp cường độ cao- để chiếu sáng một viên hồng ngọc, kích thích các nguyên tử crom trong viên hồng ngọc phát ra ánh sáng đỏ. Bằng cách khoan một lỗ trên bề mặt viên hồng ngọc, được phủ một tấm gương phản chiếu, ánh sáng đỏ có thể thoát qua lỗ này, tạo ra chùm ánh sáng đỏ hẹp và tập trung cao độ. Khi chùm tia này hướng vào một điểm, nó có thể đạt nhiệt độ cao hơn bề mặt mặt trời. Do đó, tia laser-laser hồng ngọc-đầu tiên trên thế giới đã ra đời với bước sóng 0,6943 micromet. Đây là chùm tia laser đầu tiên được loài người tạo ra.
