Laser excimer là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học

Laser Excimer là gì?

Laser excimer là một loại laser khí phát ra tia cực tím (UV) có bước sóng ngắn, thường nằm trong khoảng từ 193 đến 351 nanomet, nhờ sự kết hợp giữa một nguyên tử khí hiếm như argon (Ar), krypton (Kr) hoặc xenon (Xe) với một nguyên tử halogen như fluor (F) hoặc chlor (Cl). Đây là loại laser có tính chất đặc biệt do sự hình thành của phân tử kích thích không bền (excited dimer hay “excimer”), vốn chỉ tồn tại trong trạng thái kích thích điện tử.

Khi các phân tử excimer quay trở về trạng thái cơ bản, chúng không ổn định và phân tách ngay lập tức, đồng thời giải phóng năng lượng dưới dạng photon cực tím. Cơ chế phát xạ này tạo ra chùm tia có năng lượng cao, độ chính xác cực kỳ cao, và thời gian xung rất ngắn, thường ở mức vài chục nanosecond. Điều này giúp laser excimer trở thành công cụ lý tưởng trong các ứng dụng yêu cầu xử lý vật liệu vi mô hoặc can thiệp mô sống với độ chính xác tế bào.

Laser excimer đã và đang đóng vai trò quan trọng trong các lĩnh vực công nghệ cao như vi điện tử, y học khúc xạ, da liễu, và cả trong công nghệ xử lý vật liệu tiên tiến. Đặc điểm kỹ thuật đáng chú ý nhất là khả năng "gia công lạnh", tức là loại bỏ vật liệu mà không tạo ra vùng ảnh hưởng nhiệt đáng kể, giúp giảm tổn thương xung quanh mô hoặc lớp vật liệu mục tiêu. (RP Photonics)

Cơ chế hoạt động

Cơ chế hoạt động của laser excimer dựa trên việc kích thích một hỗn hợp khí có chứa khí hiếm và halogen dưới tác động của điện năng cao thế. Sự kích thích này dẫn đến sự hình thành của phân tử excimer (excited dimer) hoặc exciplex (trong trường hợp các phân tử không đồng loại), vốn không tồn tại ở trạng thái cơ bản mà chỉ hình thành trong trạng thái kích thích.

Khi phân tử excimer mất năng lượng và phân tách thành các nguyên tử riêng lẻ, chúng phát ra photon có bước sóng đặc trưng, thường nằm trong vùng cực tím sâu (deep UV). Quá trình phát xạ này xảy ra rất nhanh và tạo ra chùm tia có xung ngắn với năng lượng tập trung. Độ rộng xung nhỏ cho phép laser excimer xử lý chính xác đến từng micron mà không gây hư hại nhiệt đến vật liệu hoặc mô xung quanh.

Ưu thế này đến từ nguyên lý phát xạ không qua trạng thái bền vững, cho phép hệ thống tạo ra xung năng lượng cao nhưng thời gian rất ngắn, lý tưởng cho các ứng dụng đòi hỏi cắt, khắc vi mô hoặc tái cấu trúc mô sinh học mà không làm biến tính protein hoặc tế bào.

Thành phần	Vai trò
Khí hiếm (Ar, Kr, Xe)	Chất nền kích thích điện tử
Halogen (F, Cl)	Gắn với khí hiếm tạo excimer
Điện cao áp	Tạo plasma kích hoạt quá trình

Các loại laser excimer phổ biến

Laser excimer được phân loại dựa trên tổ hợp khí hiếm – halogen sử dụng, từ đó quyết định bước sóng phát xạ. Bước sóng càng ngắn thì khả năng xử lý chính xác vật liệu càng cao. Một số loại phổ biến gồm:

• ArF (Argon Fluoride): 193 nm – sử dụng nhiều trong phẫu thuật mắt và chế tạo vi mạch hiện đại.
• KrF (Krypton Fluoride): 248 nm – được ứng dụng trong quang khắc và một số quy trình sinh học.
• XeCl (Xenon Chloride): 308 nm – dùng phổ biến trong điều trị da liễu như bạch biến, vảy nến.
• XeF (Xenon Fluoride): 351 nm – thích hợp cho ứng dụng trong xử lý polymer và in công nghiệp.

Mỗi loại laser excimer có ưu điểm riêng về mức độ thâm nhập mô, khả năng hấp thụ bởi vật liệu và độ an toàn trong điều trị. Sự lựa chọn phụ thuộc vào mục đích sử dụng và đặc điểm vật lý của đối tượng cần can thiệp. Trong ngành y tế, ArF và XeCl là hai loại được áp dụng phổ biến nhất nhờ khả năng tạo ra chùm tia có cường độ và tần số phù hợp với mô sinh học mà không gây bỏng hoặc hoại tử.

Dưới đây là bảng tổng hợp các đặc tính bước sóng của một số loại laser excimer tiêu biểu:

Loại laser	Thành phần khí	Bước sóng (nm)	Ứng dụng
ArF	Argon + Fluor	193	Phẫu thuật LASIK, vi mạch
KrF	Krypton + Fluor	248	Quang khắc, sinh học
XeCl	Xenon + Chlor	308	Da liễu, trị bạch biến
XeF	Xenon + Fluor	351	In polymer, nghiên cứu vật liệu

Ứng dụng trong y học

Laser excimer có vai trò đặc biệt quan trọng trong y học hiện đại, nổi bật nhất là phẫu thuật khúc xạ điều trị tật cận thị, viễn thị và loạn thị. Trong kỹ thuật LASIK và PRK, laser excimer bước sóng 193 nm được dùng để bóc tách chính xác mô giác mạc nhằm thay đổi độ cong bề mặt và cải thiện khả năng hội tụ của ánh sáng lên võng mạc.

Ưu điểm của laser excimer trong phẫu thuật mắt là không sinh nhiệt, không gây hoại tử mô và khả năng kiểm soát độ sâu cắt ở mức từng micron. Nhờ đó, quá trình hồi phục sau phẫu thuật nhanh, ít biến chứng và không ảnh hưởng đến các cấu trúc nội nhãn. Ngoài ra, công nghệ theo dõi chuyển động mắt thời gian thực được tích hợp giúp tăng độ chính xác và an toàn cho bệnh nhân.

Trong da liễu, laser excimer bước sóng 308 nm (XeCl) được dùng để điều trị các bệnh lý tự miễn như vảy nến, bạch biến và viêm da cơ địa. Chùm tia UVB tập trung này giúp ức chế hoạt động của tế bào T, làm giảm viêm và kích thích tái tạo sắc tố, đặc biệt hiệu quả với tổn thương khu trú. (PubMed)

Ứng dụng trong công nghiệp

Laser excimer có vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp vi điện tử, đặc biệt trong công nghệ quang khắc (photolithography) – một bước thiết yếu trong quá trình sản xuất vi mạch bán dẫn. Với bước sóng cực ngắn, laser excimer cho phép khắc các chi tiết nhỏ đến cấp độ nanomet, hỗ trợ chế tạo các linh kiện điện tử có mật độ cao và hiệu suất lớn.

Trong sản xuất chip, KrF (248 nm) và ArF (193 nm) là hai loại laser excimer được sử dụng phổ biến nhất. Những tia UV này tương thích với các lớp phủ nhạy sáng (photoresist) có độ phân giải cao, đảm bảo tính chính xác trong việc tạo mẫu vi mạch trên wafer silicon. Ngoài ra, công nghệ ArF immersion còn được phát triển để tăng độ phân giải bằng cách sử dụng nước giữa thấu kính và wafer nhằm tăng chiết suất môi trường truyền tia.

Các ứng dụng khác trong công nghiệp bao gồm:

• Gia công chính xác vật liệu nhạy cảm như thủy tinh, polymer, gốm
• Khắc họa vi cấu trúc trong công nghệ MEMS
• Xử lý bề mặt vật liệu như làm sạch hoặc tạo mẫu nano không tiếp xúc
• Vi gia công lớp phủ OLED và linh kiện quang học

(SPIE Digital Library)

Ưu điểm của laser excimer

Laser excimer nổi bật so với nhiều loại laser khác ở khả năng phát tia UV có bước sóng ngắn, điều này cho phép xử lý vật liệu ở độ chính xác vi mô và thậm chí nano. Đây là công nghệ lý tưởng cho các quy trình đòi hỏi độ phân giải cực cao trong y học, điện tử, và công nghệ vật liệu tiên tiến.

Một trong những lợi thế lớn nhất của laser excimer là khả năng gia công “lạnh” – tức quá trình khắc hoặc cắt vật liệu mà không truyền nhiệt đáng kể sang vùng lân cận. Điều này giúp hạn chế biến dạng, cháy cạnh, nứt vỡ hoặc hư hại mô xung quanh.

Bảng sau so sánh các đặc điểm kỹ thuật chính:

Tiêu chí	Laser Excimer	Laser CO₂	Laser Nd:YAG
Bước sóng	193–351 nm (UV)	10,600 nm (IR)	1,064 nm (IR)
Chế độ hoạt động	Xung	Liên tục hoặc xung	Liên tục hoặc xung
Hiệu ứng nhiệt	Thấp	Cao	Vừa
Ứng dụng chính	Vi điện tử, giác mạc, da liễu	Cắt mô, phẫu thuật mềm	Hàn, khắc, trị liệu sâu

Hạn chế và thách thức

Bên cạnh các ưu điểm, laser excimer cũng tồn tại nhiều thách thức trong vận hành và ứng dụng. Một trong những hạn chế lớn nhất là chi phí thiết bị và chi phí duy trì hoạt động cao. Các loại khí hiếm và halogen sử dụng trong hệ thống có tuổi thọ ngắn, dễ bị phân hủy, cần được thay thế định kỳ.

Hệ thống quang học và điện cao áp trong máy laser excimer yêu cầu bảo trì thường xuyên và điều kiện vận hành nghiêm ngặt như môi trường chân không, nhiệt độ ổn định và chống ăn mòn do halogen. Những điều kiện này làm tăng chi phí đầu tư ban đầu và chi phí bảo trì dài hạn.

Một số hạn chế khác gồm:

• Kích thước hệ thống cồng kềnh, khó tích hợp với thiết bị nhỏ
• Tia UV có thể gây nguy hiểm nếu không bảo vệ mắt và da đúng cách
• Phản ứng khí phát sinh cần xử lý để đảm bảo an toàn môi trường

So sánh với các loại laser khác

So với các loại laser như CO₂ hoặc Nd:YAG, laser excimer có bước sóng ngắn hơn nhiều, cho phép tập trung năng lượng trong diện tích rất nhỏ. Điều này đặc biệt có lợi cho các quy trình yêu cầu vi xử lý mà không gây tổn thương mô xung quanh hoặc biến đổi vật lý vật liệu.

Tuy nhiên, nếu ứng dụng yêu cầu năng lượng cao hoặc xử lý mô sâu, thì các loại laser khác như Nd:YAG (1064 nm) lại phù hợp hơn nhờ khả năng xuyên sâu vào mô sinh học hoặc kim loại. Trong khi đó, laser CO₂ lại thích hợp cho phẫu thuật mềm nhờ hiệu ứng đốt mạnh.

Việc lựa chọn loại laser phù hợp phụ thuộc vào:

• Loại vật liệu hoặc mô cần xử lý
• Độ sâu mong muốn
• Yêu cầu về chính xác, độ phân giải
• Khả năng đầu tư và bảo trì

Xu hướng phát triển

Các công nghệ laser excimer thế hệ mới đang hướng đến mục tiêu tăng cường hiệu suất, kéo dài tuổi thọ khí hoạt động và giảm kích thước thiết bị. Điều này cho phép tích hợp vào các nền tảng di động hoặc ứng dụng y tế tại chỗ như thiết bị cầm tay hoặc thiết bị nội soi có dẫn laser.

Một số hướng nghiên cứu nổi bật:

• Phát triển buồng khí đóng kín giúp tái sử dụng khí nhiều lần
• Ứng dụng AI để hiệu chỉnh chùm tia theo thời gian thực
• Tích hợp laser excimer với robot y tế và hệ thống theo dõi hình ảnh 3D
• Tối ưu hóa chi phí sản xuất trong chế tạo chip nano

Kết luận

Laser excimer là một công nghệ laser đặc biệt có khả năng tạo ra tia UV xung ngắn với độ chính xác cực cao, thích hợp cho hàng loạt ứng dụng trong y học và công nghiệp. Với ưu điểm nổi bật là gia công “lạnh” và bước sóng ngắn, nó đã trở thành công cụ then chốt trong sản xuất vi mạch, phẫu thuật giác mạc và điều trị da liễu.

Mặc dù còn những hạn chế về chi phí và bảo trì, nhưng với tốc độ phát triển công nghệ hiện nay, laser excimer sẽ tiếp tục được cải tiến và mở rộng vai trò trong các lĩnh vực mũi nhọn của khoa học và công nghệ hiện đại. (RP Photonics)