Dự án laser là một nỗ lực nghiên cứu và phát triển để áp dụng công nghệ laser vào các ứng dụng cụ thể. Hãy cùng tìm hiểu các dự án đột phá trong lĩnh vực laser.
Mục lục
Khái niệm laser
Laser là viết tắt của Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, nghĩa là khuếch đại ánh sáng bằng bức xạ kích thích. Laser là một nguồn sáng nhân tạo khác biệt so với các nguồn sáng thông thường như đèn sợi đốt hay đèn LED. Nó tạo ra một chùm sáng đơn sắc, hội tụ, có cường độ cao và hướng tính tốt.
Nguyên tắc hoạt động của laser
Hoạt động của laser dựa trên hiện tượng phát xạ kích thích. Khi một photon (hạt ánh sáng) va chạm với một nguyên tử ở trạng thái kích thích, nó sẽ kích thích nguyên tử đó phát ra một photon mới có cùng bước sóng, cùng pha và cùng hướng với photon ban đầu. Hai photon này sau đó có thể va chạm với các nguyên tử khác, tạo ra một phản ứng dây chuyền dẫn đến sự khuếch đại ánh sáng.
Để tạo ra tia laser, cần có ba yếu tố chính:
- Môi trường vật chất hoạt động: Môi trường vật chất hoạt động là nơi xảy ra hiện tượng phát xạ kích thích. Nó có thể là các loại vật liệu khác nhau như khí, chất lỏng, rắn hoặc bán dẫn.
- Hệ thống bơm năng lượng: Hệ thống bơm năng lượng cung cấp năng lượng cần thiết để kích thích các nguyên tử trong môi trường vật chất hoạt động lên trạng thái kích thích.
- Gương phản xạ: Gương phản xạ được sử dụng để tạo ra một khoang cộng hưởng, giúp khuếch đại ánh sáng và tạo ra tia laser.
Dự án laser tiêu biểu – ELI
ELI là viết tắt của Extreme Light Infrastructure, một dự án laser khoa học quốc tế đầy tham vọng nhằm xây dựng hệ thống laser mạnh nhất thế giới, với công suất 10 PetaWatt (PW), gấp 10 triệu lần công suất của các hệ thống laser hiện nay.
- Hệ thống laser ELI sẽ sử dụng một loại tia laser đặc biệt gọi là tia laser femtosecond, có thời lượng xung cực ngắn, chỉ bằng một phần nghìn tỷ giây.
- Để tạo ra tia laser femtosecond, ELI sẽ sử dụng một hệ thống gồm nhiều gương và máy khuếch đại, giúp tăng cường năng lượng của tia laser lên mức petawatt.
- Hệ thống laser ELI sẽ tiêu thụ một lượng điện khổng lồ, tương đương với nhu cầu sử dụng điện của một thị trấn nhỏ.
- Dự án ELI có sự tham gia của nhiều nhà khoa học hàng đầu thế giới trong lĩnh vực vật lý laser.
Ứng dụng:
- Nghiên cứu các hiện tượng vật lý cực đoan.
- Mô phỏng các vụ nổ hạt nhân
- Tạo ra các loại vật liệu mới
- Phát triển các phương pháp điều trị y tế mới
Tiến độ triển khai:
Dự án laser ELI được chia thành hai giai đoạn chính:
- Giai đoạn ELI Beamlines: Giai đoạn này tập trung vào việc xây dựng hệ thống laser với công suất 10 PW, dự kiến hoàn thành vào năm 2025.
- Giai đoạn ELI Extreme: Giai đoạn này sẽ nâng cao công suất hệ thống laser lên 100 PW, dự kiến hoàn thành vào năm 2030.
Hiện tại, dự án ELI đang được triển khai tại Cộng hòa Séc với sự hợp tác của hơn 20 quốc gia. Hệ thống laser ELI Beamlines đầu tiên đã được lắp đặt và đang trong quá trình thử nghiệm.
Dự án laser LIGO
Dự án laser LIGO với mục tiêu phát hiện sóng hấp dẫn – gợn sóng trong không gian thời gian do các sự kiện vũ trụ lớn như va chạm sao neutron hoặc hố đen tạo ra.
- LIGO sử dụng hai máy dò khổng lồ hình chữ L đặt cách nhau 3.000 km tại Washington và Louisiana (Mỹ).
- Các máy dò sử dụng tia laser để đo lường sự thay đổi cực kỳ nhỏ trong chiều dài của các cánh tay của chúng.
- Khi sóng hấp dẫn đi qua, nó sẽ làm co giãn không gian thời gian, dẫn đến sự thay đổi nhỏ trong chiều dài của các cánh tay máy dò.
- LIGO có thể phát hiện những thay đổi nhỏ này, từ đó xác nhận sự hiện diện của sóng hấp dẫn.
Ứng dụng:
- Kiểm tra thuyết tương đối rộng của Einstein
- Nghiên cứu sự hình thành và tiến hóa của vũ trụ
- Tìm kiếm các dạng vật chất mới
Thành tựu:
- LIGO đã thành công trong việc phát hiện sóng hấp dẫn vào năm 2015, dẫn đến giải thưởng Nobel Vật lý năm 2017.
- LIGO đã phát hiện thêm hàng chục vụ va chạm sao neutron và hố đen, cung cấp dữ liệu quý giá cho các nhà khoa học.
Dự án laser ITER
Dự án laser ITER hướng đến việc xây dựng lò phản ứng nhiệt hạch nhân tạo đầu tiên trên thế giới sử dụng laser để làm nóng plasma lên hàng trăm triệu độ C, tạo ra phản ứng tổng hợp hạt nhân.
- Laser được sử dụng để làm nóng plasma (khí bị ion hóa) lên hàng trăm triệu độ C, tạo điều kiện cho phản ứng tổng hợp hạt nhân xảy ra.
- Trong phản ứng tổng hợp hạt nhân, hai hạt nhân nhẹ (như hydro) kết hợp với nhau để tạo thành một hạt nhân nặng hơn (như heli) và giải phóng năng lượng khổng lồ.
- Năng lượng này có thể được sử dụng để đun sôi nước, tạo ra hơi nước và quay tuabin để sản xuất điện.
Ứng dụng:
- Cung cấp nguồn năng lượng sạch, an toàn và dồi dào cho con người trong tương lai.
- Giảm thiểu tác động môi trường do các nhà máy điện truyền thống gây ra.
- Thúc đẩy phát triển khoa học công nghệ và mở ra tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực.
Tiến độ triển khai
- Dự án laser ITER đang được triển khai tại Saint-Paul-lès-Durance, Pháp với sự hợp tác của 35 quốc gia.
- Việc xây dựng lò phản ứng ITER dự kiến sẽ hoàn thành vào năm 2025.
- Giai đoạn thử nghiệm plasma đầu tiên sẽ diễn ra vào năm 2027.
- Mục tiêu là đạt được phản ứng tổng hợp hạt nhân tự duy trì vào những năm 2030.
Dự án laser NIF
Thực hiện phản ứng tổng hợp hạt nhân bằng laser, tạo ra năng lượng từ phản ứng tổng hợp hạt nhân là mục tiêu của dự án laser NIF.
- Sử dụng 192 tia laser mạnh mẽ hội tụ vào một viên nang chứa nhiên liệu deuterium-tritium (DT) để làm nóng plasma lên hàng trăm triệu độ C.
- Trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cực cao, các hạt nhân DT kết hợp với nhau, giải phóng năng lượng khổng lồ dưới dạng tia X và tia alpha.
- Năng lượng này có thể được chuyển đổi thành điện năng hoặc sử dụng cho các mục đích khác.
Ứng dụng:
- Cung cấp nguồn năng lượng sạch, an toàn và dồi dào cho con người trong tương lai.
- Giảm thiểu tác động môi trường do các nhà máy điện truyền thống gây ra.
- Mở ra tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như y học, công nghiệp và quốc phòng.
Thành tựu:
- Dự án laser NIF đã đạt được một số thành công quan trọng trong việc thực hiện phản ứng tổng hợp hạt nhân, bao gồm:
- Năm 2014, NIF đã đạt được mức năng lượng tổng hợp hạt nhân cao nhất từ trước đến nay, gấp 1,37 lần năng lượng laser được sử dụng.
- Năm 2018, NIF đã đạt được mức độ cân bằng năng lượng (breakeven) đầu tiên, nghĩa là phản ứng tổng hợp hạt nhân tạo ra nhiều năng lượng hơn năng lượng laser được sử dụng.
- Tuy nhiên, NIF vẫn còn nhiều thách thức cần giải quyết để trở nên khả thi về mặt thương mại.
Dự án laser EUV
Dự án laser EUV đặt mụt tiêu phát triển laser tia cực tím cực đoan (EUV) để sử dụng trong sản xuất chip bán dẫn thế hệ tiếp theo.
- Laser EUV sử dụng plasma của thiếc để tạo ra tia cực tím với bước sóng ngắn (13,5 nm).
- Ánh sáng EUV được sử dụng để khắc các chi tiết nhỏ trên wafer silicon, tạo ra các bóng bán dẫn và mạch điện tử.
- So với các phương pháp quang khắc truyền thống sử dụng tia UV, EUV cho phép khắc các chi tiết nhỏ hơn với độ chính xác cao hơn, giúp sản xuất chip bán dẫn với mật độ bóng bán dẫn cao hơn.
Ứng dụng:
- Sản xuất chip bán dẫn nhỏ hơn, nhanh hơn và tiết kiệm năng lượng hơn.
- Giúp đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về điện tử tiêu dùng, điện toán đám mây và trí tuệ nhân tạo.
- Mở ra tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khác như y học, quang học và khoa học vật liệu.
Thành tựu:
- Dự án EUV đã đạt được nhiều thành công quan trọng trong việc phát triển công nghệ laser EUV và quy trình sản xuất chip.
- Năm 2018, Samsung đã bắt đầu sản xuất chip bán dẫn thương mại đầu tiên sử dụng công nghệ EUV.
- Dự kiến công nghệ EUV sẽ được sử dụng rộng rãi trong sản xuất chip bán dẫn thế hệ tiếp theo (5nm và 3nm).
Tintuccongnghe360 có thể khẳng định, sự bứt phá của 5 dự án laser tiêu biểu vừa kể trên là bước tiến công nghệ mới, kỳ vọng tạo ra hàng loạt giá trị hiện đại cho đời sống trong thời gian đến.
