Laser femtosecond là gì? Các công bố về Laser femtosecond

Giới thiệu về laser femtosecond

Laser femtosecond là loại laser phát ra các xung có độ rộng trong khoảng femtosecond, tức $10^{-15}$ giây, được xem là một trong những dạng xung ngắn nhất có thể được tạo ra bằng thiết bị quang học hiện nay. Thời gian cực ngắn này cho phép đạt được công suất đỉnh rất cao với năng lượng xung không cần quá lớn, từ đó mở ra hàng loạt ứng dụng trong nghiên cứu và công nghệ.

Các xung femtosecond thường được tạo ra bằng cách đồng bộ pha của nhiều mode dao động trong khoang cộng hưởng, thông qua kỹ thuật gọi là mode-locking. Công nghệ này bắt đầu phát triển mạnh từ cuối thế kỷ 20, đặc biệt với sự ra đời của laser Ti:sapphire – loại laser đầu tiên có thể phát xung ở mức femtosecond một cách ổn định và thương mại hóa rộng rãi.

Laser femtosecond hiện là nền tảng trong nhiều lĩnh vực như vi gia công phi nhiệt, hình ảnh sinh học độ phân giải cao, phẫu thuật chính xác, và đặc biệt là nghiên cứu động lực học nhanh trong hóa học và vật lý. Với khả năng kiểm soát thời gian ở quy mô nguyên tử và phân tử, nó đã góp phần vào những khám phá đạt giải Nobel.

Nguyên lý hoạt động của laser femtosecond

Laser femtosecond dựa trên cơ chế tạo xung ngắn thông qua khóa mode (mode-locking). Trong một hệ laser thông thường, các mode dao động có pha ngẫu nhiên dẫn đến phát xạ liên tục. Tuy nhiên, nếu các mode này được đồng bộ pha, tức các đỉnh sóng trùng nhau theo thời gian, sẽ tạo ra các xung cực ngắn. Quá trình này có thể mô tả bằng tổng các sóng sin:

$E(t) = \sum_{n=-N}^{N} A_n \cos(\omega_n t + \phi_n)$

Khi tất cả các pha $\phi_n$ được giữ cố định, năng lượng tập trung thành một xung có cường độ cao và độ rộng cực ngắn. Hệ thống laser đạt được trạng thái này thông qua hai cơ chế chính:

• Mode-locking chủ động: sử dụng modulator điều chế bên trong khoang để duy trì pha
• Mode-locking thụ động: dùng chất hấp thụ bão hòa (saturable absorber) tự điều chỉnh theo năng lượng xung

Các thiết kế hiện đại thường sử dụng mode-locking thụ động vì đơn giản hơn, ổn định hơn và ít đòi hỏi điều khiển điện tử phức tạp. Một số hệ laser nổi tiếng như Ti:sapphire, Er:fiber hoặc Yb:KGW đều sử dụng phương pháp này.

Đặc điểm kỹ thuật của laser femtosecond

Laser femtosecond có một số thông số kỹ thuật nổi bật giúp phân biệt với các loại laser khác. Trong đó, độ rộng xung, công suất đỉnh và dải bước sóng hoạt động là các chỉ số then chốt. Nhờ thời gian xung cực ngắn, laser femtosecond đạt công suất đỉnh cao dù năng lượng xung không lớn, giảm thiểu ảnh hưởng nhiệt trong ứng dụng gia công hoặc sinh học.

Dưới đây là bảng tổng hợp các thông số kỹ thuật tiêu biểu:

Thông số	Giá trị điển hình	Ý nghĩa
Độ rộng xung	10–300 fs	Xác định thời gian phát năng lượng
Tần số lặp	80 MHz – vài GHz	Số xung phát ra mỗi giây
Chiều dài sóng	800 nm (Ti:sapphire), 1030 nm (Yb), 1550 nm (Er)	Phù hợp với từng ứng dụng quang học
Công suất đỉnh	Lên đến vài GW	Quan trọng trong vi xử lý và nghiên cứu vật lý phi tuyến

Theo nguyên lý bất định thời gian–tần số, ta có mối liên hệ:
$\Delta t \cdot \Delta \nu \geq \frac{1}{4\pi}$
Điều này có nghĩa là một xung càng ngắn thì phổ tần số của nó càng rộng. Đây là lý do laser femtosecond thường có dải quang phổ rộng và có thể được dùng trong các hệ thống quang phổ độ phân giải cao.

So sánh laser femtosecond với các loại laser khác

Laser femtosecond thường được so sánh với laser picosecond và nanosecond để đánh giá hiệu quả ứng dụng. Ba loại laser này khác nhau chủ yếu về độ rộng xung, dẫn đến sự khác biệt về tác động nhiệt, độ chính xác xử lý và khả năng kiểm soát tương tác với vật liệu.

Dưới đây là bảng so sánh ba loại laser theo các thông số cơ bản:

Thông số	Nanosecond	Picosecond	Femtosecond
Độ rộng xung	10-9 s	10-12 s	10-15 s
Ảnh hưởng nhiệt	Cao	Trung bình	Thấp
Độ chính xác	Thấp	Trung bình	Rất cao
Khả năng xử lý vi mô	Giới hạn	Khá	Xuất sắc

Laser nanosecond thường dùng cho khắc thô hoặc cắt vật liệu không yêu cầu chính xác cao. Picosecond phù hợp với các ứng dụng cần giảm ảnh hưởng nhiệt, trong khi femtosecond là lựa chọn tối ưu trong xử lý chính xác cao, nơi cần bảo toàn cấu trúc vi mô hoặc mô sinh học.

Ứng dụng trong gia công vật liệu

Laser femtosecond được ứng dụng rộng rãi trong vi gia công chính xác các vật liệu cứng và mềm, từ kim loại, bán dẫn cho đến vật liệu trong suốt như thủy tinh hoặc polymer. Nhờ thời gian xung cực ngắn, tương tác giữa xung laser và vật liệu xảy ra nhanh hơn khả năng khuếch tán nhiệt, giúp loại bỏ vật liệu theo cơ chế phi nhiệt (athermal ablation), giảm tối đa vùng bị ảnh hưởng nhiệt.

Các xung femtosecond tạo ra mật độ năng lượng cực cao tại điểm hội tụ, dẫn đến hiện tượng ion hóa đa photon (multiphoton ionization) và bốc hơi vật liệu cục bộ mà không gây nứt vỡ hay biến dạng vùng xung quanh. Điều này cực kỳ quan trọng trong các lĩnh vực yêu cầu tính toàn vẹn cấu trúc như sản xuất vi mạch hoặc kính quang học.

Các ứng dụng tiêu biểu trong gia công vi mô gồm:

• Khắc vi lỗ có đường kính vài micron dùng trong hệ thống vi lưu (microfluidics)
• Tạo cấu trúc dẫn điện 3D cho thiết bị điện tử mềm
• Cắt kính cường lực và gia công vỏ bảo vệ cảm biến quang
• Khắc lớp điện cực trong pin lithium-ion để tối ưu hóa dòng ion

Ứng dụng trong y học và phẫu thuật

Laser femtosecond đã thay đổi đáng kể ngành nhãn khoa hiện đại nhờ khả năng tạo đường cắt chính xác ở mô sinh học mà không làm tổn thương mô xung quanh. Trong phẫu thuật mắt bằng LASIK, laser femtosecond được sử dụng để tạo vạt giác mạc với độ chính xác cao hơn dao cơ học, giúp cải thiện thị lực và giảm biến chứng hậu phẫu.

Ứng dụng lâm sàng khác bao gồm phẫu thuật đục thủy tinh thể (femtosecond laser-assisted cataract surgery), nơi laser giúp phân cắt thủy tinh thể trước khi hút bỏ, hoặc trong phẫu thuật giác mạc (keratoplasty). Đặc điểm không tạo nhiệt giúp các mô mềm phục hồi nhanh và ít bị viêm.

Các ứng dụng sinh học nâng cao:

• Ghi ảnh vi mô 3D bằng kỹ thuật quang học hai photon (2-photon microscopy)
• Phẫu thuật cục bộ trên tế bào đơn lẻ
• Cắt mô thần kinh hoặc mô não với độ chính xác micron

Tham khảo chuyên ngành: American Academy of Ophthalmology

Ứng dụng trong nghiên cứu khoa học cơ bản

Laser femtosecond là công cụ không thể thiếu trong các thí nghiệm khảo sát động học siêu nhanh ở cấp độ nguyên tử và phân tử. Nhờ khả năng đo lường và điều khiển quá trình diễn ra trong thời gian cực ngắn, nó được sử dụng để nghiên cứu cơ chế gãy liên kết hóa học, tương tác electron, và chuyển trạng thái trong vật chất.

Kỹ thuật pump-probe là ứng dụng tiêu biểu: một xung (pump) kích thích mẫu, trong khi một xung thứ hai (probe) dò trạng thái mẫu sau một khoảng thời gian trễ định trước. Bằng cách thay đổi thời gian trễ, người ta có thể tái dựng quá trình diễn tiến động học theo thời gian thực.

Thành tựu nổi bật trong lĩnh vực này:

• Quan sát sự dịch chuyển electron trong phân tử benzene trong thời gian $<5 \, fs$
• Ghi hình quá trình gãy liên kết trong phản ứng photodissociation
• Phát triển đồng hồ quang học với sai số $10^{-18}$ s dùng trong định vị vệ tinh và đo trọng lực

Laser femtosecond đóng vai trò trung tâm trong công trình đạt giải Nobel Hóa học năm 1999 của Ahmed Zewail về femtochemistry, giúp mở ra lĩnh vực nghiên cứu động học phản ứng ở thang thời gian femtosecond.

Xem chi tiết tại: Nobel Prize 1999 – Femtochemistry

Thách thức kỹ thuật và chi phí

Dù hiệu năng ưu việt, laser femtosecond vẫn còn nhiều thách thức trong ứng dụng rộng rãi, đặc biệt là về chi phí đầu tư và yêu cầu kỹ thuật vận hành. Một hệ thống laser femtosecond thương mại có thể có giá từ 100.000 đến hơn 500.000 USD tùy cấu hình, chưa kể các chi phí phụ trợ như điều hòa nhiệt độ, hệ thống quang học điều chỉnh và bảo trì định kỳ.

Hạn chế kỹ thuật khác gồm:

• Độ ổn định yêu cầu rất cao, dễ bị ảnh hưởng bởi dao động nhiệt hoặc rung động
• Đòi hỏi kỹ sư vận hành có chuyên môn về quang học phi tuyến
• Khó tích hợp vào các hệ thống tự động hóa công nghiệp thông thường

Một số hãng lớn đã phát triển hệ thống laser tích hợp tự động cân chỉnh, có thể kể đến như:

• Light Conversion – PHAROS
• Amplitude Laser – Satsuma
• Spectra-Physics

Các thiết bị này giúp giảm yêu cầu bảo trì và tăng tính thân thiện với người dùng trong môi trường R&D và sản xuất.

Xu hướng phát triển tương lai

Laser femtosecond tiếp tục phát triển theo hướng miniaturization (thu nhỏ kích thước), tăng tần số lặp, và mở rộng ứng dụng ra các lĩnh vực chưa từng sử dụng trước đây. Việc tích hợp các hệ thống laser nhỏ gọn vào thiết bị di động hoặc máy bàn đang dần trở thành hiện thực nhờ vào công nghệ sợi quang và diode bơm công suất cao.

Các xu hướng công nghệ mới gồm:

• Kết hợp trí tuệ nhân tạo để điều khiển quá trình gia công theo thời gian thực
• Phát triển laser femtosecond công suất trung bình cao (>100 W) cho sản xuất hàng loạt
• Tích hợp với công nghệ attosecond để nghiên cứu chuyển động electron chi tiết hơn nữa

Laser femtosecond cũng đang được ứng dụng trong các lĩnh vực mới nổi như in 3D nano, gia công vật liệu sinh học, chế tạo qubit trong máy tính lượng tử, và cảm biến lượng tử chính xác cao.

Tài liệu tham khảo

1. Weiner, A. M. (2011). "Ultrafast Optics." Wiley-Interscience.
2. Keller, U. (2003). "Recent developments in compact ultrafast lasers." Nature. Link
3. Schaffer, C. B., et al. (2001). "Micromachining bulk glass by use of femtosecond laser pulses with nanojoule energy." Optics Letters.
4. Zewail, A. H. (1999). "Femtochemistry: Atomic-Scale Dynamics of the Chemical Bond." Nobel Prize Lecture. Link
5. Cheng, J. Y., et al. (2004). "Ultrafast lasers in microfabrication." Journal of Micromechanics and Microengineering.
6. American Academy of Ophthalmology (AAO). "What is a Femtosecond Laser?" Link