Công nghệ laser là gì? Các nghiên cứu khoa học liên quan

Công nghệ laser là kỹ thuật tạo ra chùm ánh sáng khuếch đại có tính định hướng, đơn sắc và đồng pha cao dựa trên hiện tượng phát xạ kích thích lượng tử. Ánh sáng laser có khả năng tập trung năng lượng lớn vào một điểm, ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp, y học, viễn thông và nghiên cứu khoa học.

Định nghĩa công nghệ laser

Công nghệ laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) là kỹ thuật tạo ra chùm ánh sáng khuếch đại thông qua hiện tượng phát xạ kích thích. Laser khác biệt so với các nguồn sáng thông thường ở tính định hướng cao, đơn sắc (một bước sóng duy nhất), độ chói lớn và độ tương quan pha cao, cho phép tập trung năng lượng vào một điểm cực nhỏ.

Ánh sáng laser có thể được điều chỉnh rất linh hoạt về bước sóng, công suất, tần số và độ rộng xung, nhờ đó phù hợp với nhiều mục đích sử dụng khác nhau như y học, viễn thông, quốc phòng và công nghiệp chính xác. Sự phát triển của laser đã đóng vai trò then chốt trong nhiều đột phá khoa học và công nghệ thế kỷ 20–21.

Đặc tính cơ bản của ánh sáng laser:

  • Đơn sắc: chỉ phát ra một bước sóng hoặc tần số xác định
  • Định hướng cao: chùm sáng gần như song song, không phân kỳ
  • Khả năng hội tụ: có thể tập trung vào điểm rất nhỏ, tạo mật độ năng lượng lớn
  • Coherence: các sóng ánh sáng phát ra cùng pha

Lịch sử hình thành và phát triển

Năm 1917, Albert Einstein đưa ra khái niệm về phát xạ kích thích (stimulated emission), đặt nền tảng lý thuyết cho sự phát triển laser. Tuy nhiên, mãi đến thập niên 1950s, khi công nghệ vi sóng phát triển, các nhà khoa học mới có thể ứng dụng ý tưởng này để chế tạo thiết bị khuếch đại sóng điện từ – maser (microwave amplification by stimulated emission of radiation).

Vào năm 1960, Theodore H. Maiman đã chế tạo thành công chiếc laser đầu tiên sử dụng tinh thể ruby tổng hợp, đánh dấu sự ra đời của công nghệ laser. Trong các thập kỷ tiếp theo, hàng loạt loại laser mới được phát triển: laser khí (He-Ne, CO₂), laser chất lỏng (nhuộm), laser diode bán dẫn và laser sợi quang.

Mốc thời gian tiêu biểu:

Năm Sự kiện
1917 Einstein công bố khái niệm phát xạ kích thích
1953 Phát minh maser đầu tiên bởi Charles Townes
1960 Laser ruby đầu tiên được chế tạo bởi Maiman
1990–nay Phát triển laser diode, laser sợi, laser femtosecond

Nguyên lý hoạt động của laser

Laser hoạt động dựa trên hiện tượng phát xạ kích thích: khi một nguyên tử hoặc phân tử hấp thụ năng lượng và chuyển lên trạng thái kích thích, nó có thể phát ra photon khi quay về trạng thái cơ bản. Nếu một photon có năng lượng đúng bằng hiệu năng lượng giữa hai mức trạng thái đến trước và kích thích nguyên tử phát ra photon thứ hai giống hệt (cùng năng lượng, pha và hướng), đó gọi là phát xạ kích thích.

Để tạo ra chùm sáng laser, cần ba điều kiện chính:

  • Hệ vật chất hai mức hoặc ba mức năng lượng: tạo ra quần thể đảo (population inversion)
  • Nguồn bơm: cung cấp năng lượng để đưa nguyên tử lên trạng thái kích thích
  • Khoang cộng hưởng quang học: gồm hai gương đối diện nhau giúp photon di chuyển qua lại, khuếch đại nhờ phát xạ kích thích

Công thức liên hệ năng lượng photon: E=hν=hcλ E = h\nu = \frac{hc}{\lambda} trong đó EE là năng lượng photon, hh là hằng số Planck, ν\nu là tần số, và λ\lambda là bước sóng ánh sáng.

Các loại laser chính

Công nghệ laser được chia thành nhiều loại khác nhau dựa trên môi trường hoạt động, mỗi loại có ưu điểm riêng phù hợp với ứng dụng cụ thể:

  • Laser rắn (solid-state): như Nd:YAG, ruby – dùng trong gia công, đo khoảng cách, trị liệu
  • Laser khí: như CO₂ (infrared), He-Ne (visible) – cắt vật liệu, thiết bị đo lường, trình chiếu
  • Laser nhuộm: sử dụng dung dịch huỳnh quang – linh hoạt bước sóng, dùng trong nghiên cứu quang phổ
  • Laser diode: bán dẫn – nhỏ gọn, dùng trong điện tử, truyền thông, laser pointer
  • Laser sợi quang: sử dụng lõi sợi thủy tinh pha tạp – hiệu suất cao, dùng trong công nghiệp nặng và truyền dẫn quang

Bảng so sánh đặc điểm:

Loại Laser Môi trường hoạt động Bước sóng phổ biến (nm) Ứng dụng chính
Nd:YAG Rắn 1064 Phẫu thuật, khắc vi mạch
CO₂ Khí 10600 Cắt kim loại, vật liệu polymer
He-Ne Khí 632.8 Đo lường, căn chỉnh
Diode Bán dẫn 650–1550 Viễn thông, y học, laser pointer

Thông số kỹ thuật quan trọng của laser

Để đánh giá và lựa chọn hệ thống laser phù hợp với từng ứng dụng, cần phân tích các thông số kỹ thuật cơ bản. Những thông số này ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả tương tác giữa chùm laser và vật liệu, cũng như độ chính xác trong các ứng dụng đo đạc hay y học.

Một số thông số quan trọng:

  • Bước sóng (λ): xác định mức độ hấp thụ của vật liệu, đơn vị thường dùng là nanomet (nm)
  • Công suất phát (P): là năng lượng phát ra trên một đơn vị thời gian, đơn vị W hoặc kW
  • Độ rộng xung (pulse duration): quan trọng trong laser xung, có thể xuống đến femtosecond (10⁻¹⁵ s)
  • Tần số lặp (repetition rate): số lần phát xung mỗi giây, tính bằng Hz hoặc MHz
  • Chất lượng chùm tia (beam quality, M²): phản ánh mức độ hội tụ của chùm laser

Ví dụ bảng thông số:

Thông số Laser Nd:YAG Laser CO₂ Laser Diode
Bước sóng (nm) 1064 10600 650–1550
Công suất W đến MW W đến kW mW đến W
Độ rộng xung ns–ps liên tục hoặc ms liên tục

Ứng dụng trong công nghiệp

Trong lĩnh vực sản xuất và chế tạo, laser được xem là công cụ gia công vật liệu có độ chính xác cực cao. Nhờ tính định hướng và khả năng tập trung năng lượng lớn, laser có thể thực hiện các thao tác như cắt, hàn, khoan, khắc, tẩy bề mặt mà không cần tiếp xúc trực tiếp với vật liệu.

Ứng dụng nổi bật:

  • Laser CO₂: cắt vật liệu phi kim (gỗ, nhựa, vải, giấy, gốm)
  • Laser sợi quang: cắt kim loại mỏng, hàn chi tiết chính xác
  • Laser Nd:YAG xung: khoan vi lỗ, đánh dấu mã QR
  • Laser siêu ngắn: gia công mà không gây biến dạng nhiệt (cold ablation)

Hệ thống cắt laser hiện đại: TRUMPF Laser Cutting Machines

Ứng dụng trong y học và sinh học

Laser đã trở thành công cụ thiết yếu trong y học hiện đại nhờ tính chọn lọc cao, ít xâm lấn và khả năng điều chỉnh thông số theo từng mô đích. Trong phẫu thuật, laser giúp cắt bỏ mô với độ chính xác vi mô mà không gây chảy máu nhờ khả năng đông mạch tại chỗ.

Một số ứng dụng phổ biến:

  • Laser CO₂: phẫu thuật da, tẩy u nhú, loại bỏ sẹo
  • Laser excimer: điều trị tật khúc xạ mắt (LASIK)
  • Laser diode: trị liệu đau, giảm viêm, chăm sóc nha khoa
  • Laser kết hợp chất nhạy sáng: liệu pháp quang động học (PDT) điều trị ung thư

Tham khảo nghiên cứu y khoa tại NCBI – Laser Applications in Medicine

Ứng dụng trong truyền thông và quân sự

Trong viễn thông, laser đóng vai trò chủ đạo trong truyền dẫn tín hiệu quang học qua sợi quang, đảm bảo tốc độ cao, băng thông rộng và suy hao thấp. Các laser bán dẫn được tích hợp trong hệ thống truyền tải internet tốc độ gigabit trên toàn cầu.

Trong lĩnh vực quốc phòng, laser được dùng để dẫn đường, đo khoảng cách (LIDAR), và phát triển vũ khí năng lượng định hướng. Hệ thống LIDAR sử dụng xung laser phản xạ để đo chính xác vị trí vật thể, được ứng dụng rộng rãi trong xe tự hành và bản đồ 3D.

Xem thêm về công nghệ LIDAR: Velodyne Lidar

Hướng phát triển và công nghệ laser tiên tiến

Công nghệ laser đang tiếp tục phát triển theo hướng miniaturization (thu nhỏ), tăng hiệu suất và mở rộng bước sóng hoạt động. Laser xung siêu ngắn như femtosecond laser (101510^{-15} s) cho phép gia công chính xác ở cấp độ nano và khảo sát động học phản ứng hóa học.

Xu hướng công nghệ laser hiện đại:

  • Laser siêu ngắn: trong gia công lạnh và phẫu thuật thần kinh
  • Laser tần số kép: ứng dụng trong quang phổ và chẩn đoán nhanh
  • Laser công suất siêu cao (petawatt): dùng trong vật lý plasma và mô phỏng phản ứng nhiệt hạch
  • Free Electron Laser (FEL): sử dụng chùm electron để tạo laser trong vùng tia X

Một số trung tâm nghiên cứu tiên tiến như ELI (Extreme Light Infrastructure) tại châu Âu đang phát triển hệ thống laser mạnh nhất thế giới, vượt mốc 10 PW (petawatt).

Tài liệu tham khảo

  1. Svelto, O. (2010). Principles of Lasers. Springer.
  2. Siegman, A.E. (1986). Lasers. University Science Books.
  3. https://www.nobelprize.org/prizes/themes/the-laser-a-light-fantastic/
  4. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7740015/
  5. https://www.trumpf.com/en_INT/products/machines-systems/laser-cutting-machines/
  6. https://www.velodynelidar.com/

Các bài báo, nghiên cứu, công bố khoa học về chủ đề công nghệ laser:

Về một phương pháp điều khiển biên dạng trong công nghệ laser
Tạp chí Nghiên cứu Khoa học và Công nghệ quân sự - Tập 101 - Trang 23-31 - 2025
Bài báo trình bày nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển tạo biên dạng hai chiều ứng dụng trong công nghệ laser. Mô hình đề xuất cho phép thể tạo ra biên dạng hai chiều bất kỳ có thể dụng cho kỹ thuật hàn, cắt laser. Trong bài báo, mô hình hệ thống tạo ra biên dạng hai chiều sử dụng hai gương điện kế đặt trên hai trục vuông góc được đề xuất. Các phương trình động học thuận và nghịch thiết lập mối...... hiện toàn bộ
#Laser technology; Laser scanner; Laser profile; Galvanometer mirror.
ẢNH HƯỞNG CỦA CÔNG SUẤT NGUỒN LASER ĐẾN ĐỘ ĐỒNG ĐỀU CHIỀU DẦY CHI TIẾT THÀNH MỎNG CHẾ TẠO BỞI CÔNG NGHỆ TẠO HÌNH BẰNG TIA LASER
Vietnam Journal of Science and Technology - Tập 53 Số 4 - 2015
Trong công nghệ tạo hình bằng tia laser, các tham số công nghệ ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm. Bài báo nghiên cứu sự ảnh hưởng của công suất nguồn laser đến độ đồng đều chiều dầy chi tiết thành mỏng. Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn mô phỏng trường nhiệt độ chi tiết thành mỏng, kết quả cho thấy nếu cố định công suất laser trong suốt quá trình tạo hình thì nhiệt độ vùng nóng chảy sẽ...... hiện toàn bộ
Tính chất ma sát của bề mặt micro-textured laser được bôi trơn: Nghiên cứu thực nghiệm từ ma sát bề mặt đến ma sát thủy động học Dịch bởi AI
Tribology Letters - Tập 49 - Trang 117-125 - 2012
Chúng tôi trình bày các phép đo hệ số ma sát của các cấu trúc micro với bề mặt được bôi trơn và được tạo ra bằng laser (LST) với hai hình dạng khác nhau. Hình dạng đầu tiên là một lưới vuông của các lỗ micro; hình dạng thứ hai được cấu thành từ một loạt các rãnh micro. Chúng tôi phân tích tốc độ trượt trải dài hơn hai bậc độ lớn để bao phủ toàn bộ khoảng từ vùng bề mặt đến vùng thủy động học. Tron...... hiện toàn bộ
#Tính chất ma sát #bề mặt micro-textured laser #bôi trơn #mô phỏng số #quy trình sản xuất #khả năng ứng dụng công nghệ.
Ứng dụng công nghệ Laser presenter trong bút trình chiếu đa năng tại trường học
Tạp chí Khoa học và Kinh tế phát triển Trường Đại học Nam Cần Thơ - Số 11 - Trang 03-14 - 2021
Bút trình chiếu với con trỏ kỹ thuật số tiên tiến và bộ đếm giờ có cảnh báo rung. Môi trường thuyết trình là màn hình máy chiếu, màn hình TV & LED, hội nghị video, đa màn hình. Sản phẩm laser loại 2 đã được kiểm nghiệm để giới hạn mức phát thải năng lượng đến 1mW bước sóng liên tục. Ánh sáng laze được phản chiếu trên màn hình LCD và plasma, khiến cho nó ít được thấy rõ hơn. Sơ đồ mạch điện bút...... hiện toàn bộ
#Công nghệ Laser presenter #Sơ đồ mạch điện
Hiệu quả của công nghệ laser trong điều trị nấm móng: Một bài tổng quan hệ thống Dịch bởi AI
Wiley - Tập 7 - Trang 1-10 - 2014
Nấm móng là một bệnh lý thường gặp của móng tay, đã chứng minh là một thử thách trong điều trị đối với các chuyên gia y tế. Các loại thuốc kháng nấm đã là nền tảng trong liệu pháp điều trị trong nhiều năm. Gần đây, công nghệ laser đã được giới thiệu như một phương pháp điều trị nấm móng nhằm tránh các nhược điểm của liệu pháp thuốc toàn thân và tại chỗ, mang lại liệu pháp nhanh chóng cho một tình ...... hiện toàn bộ
#nấm móng #công nghệ laser #điều trị #nghiên cứu #hiệu quả
Phân tích khối lượng bằng phương pháp khối phổ hấp thụ tia laser/desorption/ion hóa bằng hạt vàng và ứng dụng: từ phân tử đơn giản đến tế bào nguyên vẹn Dịch bởi AI
Springer Science and Business Media LLC - Tập 408 - Trang 4485-4502 - 2016
Hạt vàng (AuNPs) hỗ trợ phương pháp khối phổ hấp thụ tia laser/desorption/ion hóa (GALDI-MS) đã mở ra những chân trời mới và cung cấp nhiều chức năng cho các ứng dụng khác nhau. Bài đánh giá này tổng hợp các ứng dụng của AuNPs trong phân tích, công nghệ sinh học và proteomics. AuNPs hấp thụ hiệu quả bức xạ laser và chuyển giao năng lượng cho mẫu để thực hiện quá trình desorption/ion hóa. Những đặc...... hiện toàn bộ
#Hạt vàng #khối phổ #ion hóa #phân tích #công nghệ sinh học #proteomics
Công nghệ laser sáng tạo trong điều trị sỏi thận Dịch bởi AI
Springer Science and Business Media LLC - Tập 60 - Trang 19-26 - 2020
Bạn điều trị sỏi thận đã được cách mạng hóa với sự ra đời của liệu pháp phá sỏi ngoài cơ thể bằng sóng xung kích (ESWL) và các kỹ thuật nội soi tối thiểu xâm lấn vào những năm 1980. Các kỹ thuật laser để phá sỏi ngày càng trở nên quan trọng và đã được phát triển liên tục. Bên cạnh laser holmium đã được thiết lập, cũng có nhiều loại laser khác đang nổi lên. Đặc biệt, laser sợi thulium đang được ngh...... hiện toàn bộ
#Laser; Điều trị sỏi thận; Kỹ thuật nội soi; Phá sỏi; Holmium; Thulium
Cân bằng tự động của các đơn vị laser hồng ngoại gần khoảng cách xa để phát hiện khói trong khu vực kín rộng Dịch bởi AI
Springer Science and Business Media LLC - Tập 77 - Trang 10608-10620 - 2021
Việc phát hiện khói chính xác và đáng tin cậy là rất quan trọng để ngăn chặn các vụ cháy nghiêm trọng. Điều này trở nên thách thức hơn khi việc phát hiện khói cần được thực hiện trong các khu vực kín rộng như đường hầm và tàu điện ngầm, nơi yêu cầu cảm biến khoảng cách xa. Công nghệ laser khả thi gần đây cho thấy rằng các thiết bị phát và nhận hồng ngoại xa có thể được sử dụng trong việc phát hiện...... hiện toàn bộ
#phát hiện khói #laser hồng ngoại #công nghệ Zigbee #điều chỉnh tiêu cự tự động #cảm biến cadmium sulfide
Công nghệ Định vị Robot trong Lắp ráp và Lắp đặt Dịch bởi AI
Russian Engineering Research - Tập 38 - Trang 656-661 - 2018
Bài báo này đề xuất một công nghệ định vị dựa trên robot và một thiết bị theo dõi laser để sử dụng trong các hoạt động lắp ráp và lắp đặt. Công nghệ này được mô tả cho việc lắp đặt các hệ thống lắp ráp tại các nhà máy sản xuất máy bay.
#Công nghệ định vị #Robot #Thiết bị theo dõi laser #Lắp ráp #Lắp đặt #Nhà máy sản xuất máy bay
Tổng số: 31   
  • 1
  • 2
  • 3
  • 4