Theodore Maiman: Người đầu tiên tạo ra tia laser

Trong thế kỷ 21, laser trở nên khá phổ biến với các ứng dụng trong lĩnh vực viễn thông, đầu đĩa DVD, máy quét thanh toán, cắt và hàn, phẫu thuật mắt, xóa hình xăm, y học,…giúp tạo nên các ngành công nghiệp trị giá hàng tỷ USD. Tất cả phải kể đến công lao của Theodore Maiman, người đã vượt qua những hoài nghi của đồng nghiệp để chế tạo laser hoạt động đầu tiên vào năm 1960. Thành tựu này đã mang đến cho ông biệt danh “cha đẻ của ngành công nghiệp điện quang”.

Maiman sinh ra ở Los Angeles (Mỹ) vào năm 1927. Khi còn trẻ, gia đình ông chuyển đến sống ở Denver, nơi ông sửa chữa điện dân dụng và máy thu thanh để có tiền đi học. Cha của ông, một kỹ sư điện, muốn con trai mình trở thành một bác sĩ. Nhưng cuối cùng ông đã đăng ký vào trường Đại học Colorado và tốt nghiệp với tấm bằng vật lý kỹ thuật.

Năm 1955, Maiman nhận bằng tiến sĩ vật lý tại Đại học Stanford dưới sự hướng dẫn của Willis E. Lamb, người đã giành giải thưởng Nobel Vật lý cùng năm đó. Ông nhanh chóng tìm được việc làm tại công ty Hughes Aircraft, và chính tại đây ông đã bị cuốn vào cuộc đua chế tạo laser hoạt động đầu tiên.

Nền tảng lý thuyết để chế tạo tia laser đã có từ nhiều năm trước. Albert Einstein lần đầu tiên đề cập đến khả năng phát xạ kích thích [hay phát xạ cảm ứng] trong một bài báo vào năm 1917, nhưng phải đến thập niên 1940 và 1950 các nhà vật lý mới tìm thấy ứng dụng cho khái niệm trên. Năm 1953, Charles Townes được cấp bằng sáng chế cho một thiết bị mà ông gọi là Maser để khuếch đại sóng vi ba bằng phát xạ kích thích. Nhưng thiết bị chỉ hoạt động giới hạn trong vùng sóng cực ngắn của phổ điện từ. Townes nghĩ rằng, thiết bị maser có thể được cải tiến để hoạt động ngay cả ở vùng ánh sáng có bước sóng ngắn hơn nữa bao gồm: tia cực tím, ánh sáng nhìn thấy được và tia hồng ngoại. Cách tốt nhất để làm điều này là sử dụng các phân tử để tạo ra tần số ánh sáng mong muốn thông qua phát xạ kích thích. Đây chính là nguyên lý hoạt động của máy phát tia laser mà chúng ta biết đến ngày nay.

Townes cùng đồng nghiệp Arthur Schawlow đã viết một bài báo nói về ý tưởng của mình trên tạp chí tạp chí Physical Review vào tháng 12 năm 1958 với tiêu đề “Maser quang học và hồng ngoại”. Nhưng đó chỉ là lý thuyết và họ vẫn chưa tạo ra được một nguyên mẫu laser hoạt động. Họ nhận được bằng sáng chế cho thiết kế này hai năm sau đó. Bài báo của Townes đã khiến nhiều nhà khoa học khác ganh đua với nhau nhằm biến thiết bị được mô tả trên lý thuyết trở thành hiện thực. Nhiều công ty và phòng thí nghiệm với kinh phí khổng lồ cũng tham gia bao gồm Phòng thí nghiệm Bell (Bell Labs), RCA, Phòng thí nghiệm Lincoln (Lincoln Lab), IBM, Westinghouse và Siemens.

Năm 1960, Maiman cuối cùng trở thành người chiến thắng trong cuộc chạy đua chế tạo laser hoạt động đầu tiên. Cùng năm đó, Townes và Schawlow – cả hai đều đoạt giải Nobel sau này – đã nhận bằng sáng chế về “maser quang học”, mà thực chất cũng là một dạng của laser. Nhưng đây chỉ là những sáng chế trên giấy tờ mà không có bất kỳ thiết bị nguyên mẫu nào đi kèm.

Các quản lý của Maiman tại công ty Hughes Aircraft ban đầu không quan tâm đến việc ông theo đuổi dự án chế tạo laser. Ông chỉ được thuê để làm việc cho các hợp đồng hàng không vũ trụ của Chính phủ Mỹ. Nhưng sau nhiều cố gắng, Maiman đã thuyết phục thành công ban lãnh đạo công ty chi số tiền 50.000 USD để hỗ trợ dự án laser của mình bắt đầu giữa năm 1959.

Vào thời gian này, các nhà khoa học khác đã loại bỏ ruby (hồng ngọc) như một môi trường có khả năng khuếch đại ánh sáng, thay vào đó tập trung vào các loại khí. Tuy nhiên, Maiman phát hiện ra rằng hồng ngọc nhân tạo ít tạp chất hơn có khả năng hoạt động khá tốt. Cùng với trợ lý Charles Asawa, ông đã sử dụng xung ánh sáng để kích thích các nguyên tử trong môi trường đá hồng ngọc thay vì một đèn máy chiếu phim được dùng trong những thí nghiệm trước đó.

Laser hồng ngọc của Maiman phát ra các xung ánh sáng đỏ kết hợp cường độ mạnh có bước sóng 694 nanomet. Chùm ánh sáng hẹp này có tính đơn sắc và tính định hướng, khá tiêu biểu cho những đặc tính biểu hiện của nhiều laser hiện nay. Quan trọng hơn, thiết bị này rất dễ chế tạo. “Thiết bị rất đơn giản. Nó giống như một dự án khoa học ở trường trung học. Nhưng đó là tổng hợp trí tuệ của nhiều nhà khoa học khác nhau trong lĩnh vực vật lý”, Kathleen, vợ của Maiman, cho biết.

Maiman đã công bố sáng chế của mình trong một bài báo đăng trên tạp chí Nature vào năm 1960. “Bài báo này rất ngắn gọn nhưng là một bài báo quan trọng hơn tất cả những bài báo khác xuất hiện trên Nature ở thế kỷ trước”, Townes nhận định.

Mặc dù Maiman tin tưởng vào tiềm năng của thiết bị mới, nhưng một lần nữa công ty Hughes Aircraft ít quan tâm đến việc phát triển các ứng dụng của laser. Maiman cảm thấy rất thất vọng. Ông rời Hughes Aircraft và thành lập công ty Korad vào năm 1961 với mục tiêu tập trung phát triển và sản xuất laser. Năm 1968, ông tiếp tục thành lập một công ty khác mang tên Maiman Associates. Maiman giữ bằng sáng chế không chỉ cho laser hoạt động đầu tiên mà còn liên quan đến một số thiết bị maser, màn hình laser, quét quang học và điều biến laser.

Trong những năm qua, nhiều loại laser khác nhau đã được nghiên cứu và phát triển, chẳng hạn như laser màu, laser helium-neon, laser bán dẫn, laser carbon dioxide, laser ion, laser hơi kim loại, excimer laser, và laser electron tự do...

Với những đóng góp to lớn của mình cho khoa học, Maiman đã hai lần được đề nghị trao giải Nobel. Ông nhận nhiều bằng danh dự, giành giải thưởng Oliver E. Buckley của Hiệp hội Vật lý Mỹ vào năm 1966, được lưu tên trong Hội trường Danh vọng Nhà phát minh Quốc gia (NIHF) - nơi vinh danh các nhà phát minh Mỹ nổi tiếng như Thomas Edison và Wright Brothers. Ông cũng là thành viên của Viện Hàn lâm Khoa học và Kỹ thuật Quốc gia. Maiman qua đời vào ngày 5/5/2007 do mắc bệnh tế bào mast (systemic mastocytosis).

Hiện nay, máy phát laser hoạt động đầu tiên của Maiman đang được lưu trữ trong hộp ký thác an toàn tại một ngân hàng ở trung tâm thành phố Vancouver, Canada. Chiếc hộp màu trắng này được dán nhãn là “laser của Maiman”.