Laser sợi quang công suất cao: Tiến gần hơn đến các mục tiêu tầm xa

TS. Nguyễn Việt Linh (Đại học Nam Úc, Úc) và các đồng nghiệp đã phát triển một phương pháp mới để tăng đáng kể công suất của laser sợi quang trong khi vẫn duy trì được chất lượng chùm tia.

Thiết lập laser sợi quang trong phòng thí nghiệm. Ảnh: ĐH Nam Úc/ieee

Kết quả này hứa hẹn sẽ biến laser thành công nghệ phòng thủ quan trọng trong việc bắn hạ tên lửa và máy bay không người lái, cũng như sử dụng trong các ứng dụng khác như viễn thám, trong tương lai.

Bộ phim “Chiến tranh giữa các vì sao” nổi tiếng đã khiến không ít người xem ấn tượng với khả năng làm nổ tung các vật thể của tia laser. Song thực tế, cho đến nay, các loại vũ khí chạy bằng tia laser yếu hơn nhiều so với những loại vũ khí được nhìn thấy trên màn ảnh và chỉ có thể vô hiệu hóa các mục tiêu nhỏ trên không. Ở khoảng cách xa, bầu khí quyển ảnh hưởng đến lan truyền ánh sáng laser, từ đó làm giảm lượng năng lượng truyền tới vật thể.

Mới đây. các nhà nghiên cứu từ Đại học Nam Úc, Đại học Adelaide và Đại học Yale (Mỹ) đã chứng minh được tiềm năng sử dụng sợi quang đa mode để tăng công suất trong laser sợi quang lên gấp ba đến chín lần mà không làm giảm chất lượng chùm tia theo khoảng cách, từ đó có thể giúp laser tập trung năng lượng vào các mục tiêu ở xa.

Bước đột phá này mới đây đã được công bố trong bài báo “Mitigating stimulated Brillouin scattering in multimode fibers with focused output via wavefront shaping” mà TS. Nguyễn Việt Linh là đồng tác giả thứ nhất, trên tạp chí Nature Communications.

Ý tưởng mới lạ

Laser sợi có tên gọi được bắt nguồn từ vật liệu chúng sử dụng để phát ra ánh sáng - sợi quang - được pha tạp các nguyên tố đất hiếm như ytterbium. Dù ban đầu, chúng được sử dụng trong cắt và hàn công nghiệp, song, khả năng cung cấp chùm tia năng lượng cao với chất lượng tuyệt vời đã giúp laser sợi quang nắm giữ vai trò hàng đầu trong các thử nghiệm thực địa về vũ khí laser.

“Laser sợi quang công suất cao đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong quân sự trong tương lai. Vũ khí laser sẽ phù hợp để chống lại các drone hay máy bay không người lái hiện đang được sử dụng rộng rãi trong chiến tranh hiện đại”, TS. Nguyễn Việt Linh chia sẻ với Báo KH&PT.

Để làm được điều này, laser phải có công suất lớn và có khả năng duy trì tia laser hẹp thay vì bị mở rộng trong quá trình truyền. “Các laser sợi đơn mode hiện nay đáp ứng tốt nhất những điều kiện này, song công suất của chúng lại đã và đang bị hạn chế bởi các giới hạn phi tuyến và nhiệt”, TS. Nguyễn Việt Linh cho biết.

Theo đó, một trở ngại lớn mà laser sợi quang phải đối mặt nếu muốn trở nên mạnh hơn nằm ở rung động nguyên tử. Trong vật liệu rắn, những dao động này truyền theo lượng tử dao động mạng (đôi khi còn gọi là giả hạt) gọi là phonon.

Khi năng lượng laser trong sợi quang trở nên đủ mạnh, ánh sáng có thể tương tác với các phonon. Điều này dẫn đến sự tán xạ ánh sáng, không chỉ hạn chế lượng năng lượng chiếu tới mục tiêu mà còn có thể làm hỏng nguồn sáng.

Một cách để tránh hiệu ứng này là sử dụng lõi sợi lớn để giảm cường độ ánh sáng. Tuy nhiên, lõi lớn thường hỗ trợ nhiều chế độ (mode) truyền ánh sáng khác nhau. Sự tương tác giữa các mode khác nhau dẫn đến các đốm sáng ngẫu nhiên ở đầu ra, làm giảm chất lượng chùm tia.

Vấn đề này khiến các nhà khoa học chủ yếu thử nghiệm các sợi chỉ chứa các chế độ đơn (đơn mode), song, các sợi đơn mode thường lại có những thách thức riêng. Chẳng hạn, một số sợi không thể cuộn thành gói nhỏ gọn, đồng thời cũng dễ bị nóng lên. Một số loại khác lại khó sản xuất hàng loạt. Nhìn chung, "công suất của laser sợi quang và bộ khuếch đại đã không tăng trưởng đáng kể trong thập kỷ qua”, đồng tác giả Stephen Warren-Smith - nhà vật lý quang học tại Đại học Nam Úc - chia sẻ với tờ IEEE.

Đó là lý do nhóm nghiên cứu nảy ra một chiến lược mới: sử dụng laser sợi đa mode để tăng công suất và giải quyết các giới hạn nhiệt và phi tuyến. Xuất phát từ giáo sư Hui Cao ở Đại học Yale (Mỹ), ý tưởng này sau đó đã được nhóm nghiên cứu ở Đại học Adelaide và Đại học Nam Úc cùng phối hợp để biến thành hiện thực.

Và tất nhiên, một ý tưởng mới như vậy chắc chắn sẽ gặp phải rất nhiều thách thức trong quá trình nghiên cứu. “Laser sợi đa mode thường sẽ đi kèm với các tia laser "kém chất lượng" (poor beam quality), các tia này sẽ bị mở rộng (diverge) trong quá trình truyền dẫn đến mật độ năng lượng ở mục tiêu thấp”, TS. Nguyễn Việt Linh cho biết. Do đó, trong nghiên cứu này, các nhà khoa học đã đi tìm cách thức để các mode truyền trong sợi được kiểm soát, kết hợp với nhau một cách hài hòa để tạo ra các tia laser có chất lượng cao (high quality beam) từ sợi đa mode.

“Đây là một dự án khoa học cơ bản với nguồn tài trợ lớn, nhiều người làm và yêu cầu trao đổi liên kết chặt chẽ giữa nhóm nghiên cứu của Úc và Mỹ. Hơn thế, phương pháp này đi ngược với truyền thống nên cộng đồng nghiên cứu laser sợi đã rất băn khoăn, thế nên chúng tôi thường nhận được những câu hỏi mang tính nghi ngờ và phải thường xuyên thảo luận đến tận cùng để có thể có câu trả lời hợp lí cho cộng đồng”, TS. Nguyễn Việt Linh nhớ lại.

Cái khó nhất đối với nhóm nghiên cứu là họ chưa có kinh nghiệm làm việc với các hệ laser công suất lớn - các hệ laser có tính chất tương đối nguy hiểm. “Việc kểm soát các mode truyền trong sợi đa mode một cách chặt chẽ là điều rất khó. Từ trước đến nay, người ta chỉ có thể làm với vài mode mà thôi”, TS. Linh giải thích. Để kiểm soát được nhiều mode như vậy, nhóm nghiên cứu đã sử dụng phương pháp tối ưu mặt sóng của tín hiệu đầu vào hệ laser sợi, “dù việc kiểm soát còn chưa tuyệt đối chặt chẽ”, anh cho biết.

Với cách làm này, công suất của laser sợi quang được tăng lên nhiều lần và vẫn duy trì được tia laser chất lượng cao. Tuy nhiên, TS. Nguyễn Việt Linh lưu ý, điều này cũng khiến cho quá trình điều khiển và kiểm soát trở nên phức tạp hơn. “Về mặt khoa học, đương nhiên là sử dụng nhiều ‘mode’ sẽ ưu việt hơn, nhưng thực tế thì bao giờ cũng cần sự cân bằng giữa được và mất, nên thực ra không có cái gì là tuyệt đối ưu điểm hay nhược điểm”, anh cho biết.

Mở ra nhiều tiềm năng

Dù còn 3-5 năm nữa thì nghiên cứu này mới có thể được sử dụng trong thương mại, song nhìn về tương lai, TS. Nguyễn Việt Linh cho biết phương pháp mới sẽ cho phép ngành này tiếp tục khai thác năng lượng cực cao từ laser sợi quang, giúp cho chúng trở nên hữu ích hơn cho ngành công nghiệp quốc phòng cũng như cho các ứng dụng viễn thám và phát hiện sóng hấp dẫn. "Tất nhiên là chúng ta có thể sử dụng các tên lửa đắt tiền để bắn hạ một dàn máy bay không người lái giá rẻ, tuy vậy điều này sẽ nhanh chóng làm cạn kiệt hỏa lực tên lửa cho các nhiệm vụ chiến đấu quan trọng hơn. Trong khi đó, laser sợi quang công suất cao, với chi phí mỗi lần bắn cực thấp và hoạt động với tốc độ ánh sáng, sẽ là giải pháp phòng thủ hữu hiệu nhất về lâu dài. Điều này được gọi là lợi thế bất đối xứng: một phương pháp rẻ nhưng khi sử dụng với số lượng lớn lại có thể đánh bại một hệ thống công nghệ cao và đắt tiền hơn”, TS. Việt Linh nhận định.

Từ góc nhìn của TS. Nguyễn Việt Linh, kết quả nghiên cứu mới của nhóm cũng có thể dẫn đến sự ra đời của các laser sợi quang thế hệ tiếp theo. “Hướng nghiên cứu tiếp theo của chúng tôi sẽ mở rộng sang các bước sóng khác nhau, kết hợp các laser sợi đa mode khác, để tạo ra công suất cực lớn với tia laser chất lượng cao cho các nghiên cứu khoa học cơ bản và các ứng dụng quốc phòng”, anh chia sẻ.

Khoahocphattrien