Sau laser ruby năm 1960, ba loại tinh thể gánh phần lớn công việc của laser rắn: garnet nhôm ytri pha neodymi (Nd:YAG) cho tia hồng ngoại 1.064 nm dùng cắt, hàn, chữa mắt; sapphire pha titan (Ti:sapphire) cho xung ngắn tới vài femto giây trong phòng thí nghiệm; và tinh thể bán dẫn như gali asenua, gali nitrua trong laser diode từ đầu đọc đĩa đến cáp quang. Ở cả ba, tinh thể không chỉ là "cái hộp" chứa ion phát sáng: mạng tinh thể quyết định màu tia, độ hiệu quả và độ ngắn của xung.
Laser rắn cần gì ở một tinh thể
Một laser rắn gồm tinh thể nền trong suốt, ion kích hoạt nằm rải rác trong đó, nguồn bơm năng lượng và hai gương. Ion kích hoạt là thứ phát sáng. Tinh thể nền phải làm tốt ba việc:
- Giữ ion ở đúng chỗ, đúng môi trường: điện trường của các nguyên tử xung quanh định ra mức năng lượng của ion, tức là màu ánh sáng phát ra.
- Dẫn nhiệt tốt, cứng và bền: phần năng lượng bơm không thành ánh sáng biến thành nhiệt; tinh thể nóng không đều sẽ cong chùm tia hoặc nứt vỡ.
- Đồng nhất quang học: không bao thể, không vết nứt, không vân tăng trưởng làm tán xạ ánh sáng. Đây là lý do tinh thể laser luôn là tinh thể nuôi, thường bằng phương pháp Czochralski.
Laser ruby đầu tiên là hệ "ba mức", phải bơm hơn một nửa số ion crom lên trạng thái kích thích mới phát được. Các tinh thể thế hệ sau dùng hệ "bốn mức": ion rơi xuống một mức trung gian nằm trên mức nền, mức này tự xả trống rất nhanh, nên chỉ cần một ít ion kích thích là đủ đảo mật độ. Hiệu quả cao hơn nhiều, và laser có thể phát liên tục.
Nd:YAG: ngựa thồ của laser công nghiệp
YAG là garnet nhôm ytri, công thức Y₃Al₅O₁₂, cùng cấu trúc với họ garnet mà người chơi đá biết qua almandin hay pyrop. Khác biệt: YAG không có trong tự nhiên, nó là tinh thể nhân tạo. Thập niên 1970, YAG không màu từng được dùng làm đá giả kim cương trước khi cubic zirconia phổ biến.
Năm 1964, J. E. Geusic, H. M. Marcos và L. G. Van Uitert ở Phòng thí nghiệm Bell cho laser Nd:YAG đầu tiên hoạt động. Khoảng một phần trăm số ion ytri được thay bằng neodymi. Garnet thuộc hệ lập phương, nên tinh thể đẳng hướng về quang học, không khúc xạ kép như corundum hay thạch anh; nó cứng, dẫn nhiệt khá tốt và chịu được ánh sáng bơm cường độ cao. Tinh thể được kéo từ khối nóng chảy gần 2.000 °C trong nồi bằng iridi, một kim loại quý chịu nhiệt.
Tia chính của Nd:YAG có bước sóng 1.064 nm, hồng ngoại, mắt không thấy. Ban đầu laser được bơm bằng đèn chớp; nay phần lớn bơm bằng laser diode ở khoảng 808 nm, đúng vạch hấp thụ của neodymi, gọn và hiệu quả hơn hẳn.
Biến tia hồng ngoại thành tia xanh lục
Cho tia 1.064 nm đi qua một tinh thể phi tuyến như KTP (kali titanyl phốt phát), một phần ánh sáng được "gộp đôi" tần số, ra tia 532 nm màu xanh lục. Hiện tượng chỉ xảy ra trong tinh thể không có tâm đối xứng, đúng điều kiện giống hiệu ứng áp điện của thạch anh. Bút laser xanh lục thông dụng hoạt động theo kiểu này: diode 808 nm bơm một tinh thể pha neodymi, rồi tinh thể KTP nhân đôi tần số. Loại rẻ tiền có thể thiếu bộ lọc, để lọt cả tia hồng ngoại vô hình ra ngoài, nguy hiểm cho mắt.
Nd:YAG được dùng ở đâu
- Cắt, hàn, khắc kim loại; khoan lỗ nhỏ trong chi tiết máy.
- Nhãn khoa: sau mổ đục thuỷ tinh thể, màng bao sau có thể đục lại; bác sĩ dùng laser Nd:YAG mở một lỗ nhỏ trên màng này mà không cần mổ.
- Da liễu: laser Nd:YAG phát xung cực ngắn (chuyển mạch Q) dùng xoá một số màu mực xăm và sắc tố.
- Đo xa, đo khoảng cách tới vệ tinh và Mặt Trăng.
Họ hàng của nó dùng ion khác trong cùng nền YAG: Er:YAG phát ở khoảng 2.940 nm, bị nước hấp thụ rất mạnh, nên dùng trong nha khoa và da liễu để bóc lớp mô mỏng; Ho:YAG phát quanh 2.100 nm, dùng tán sỏi tiết niệu. Còn YAG pha xeri không làm laser mà làm bột huỳnh quang vàng trong đèn LED trắng.
Ti:sapphire: tinh thể của những xung femto giây
Năm 1982, Peter Moulton ở Phòng thí nghiệm Lincoln thuộc Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) cho thấy sapphire pha ion titan Ti³⁺ là một môi trường laser rất đặc biệt. Tinh thể có màu hồng tím, vì Ti³⁺ một mình trong corundum hấp thụ ánh sáng lam – lục. Nó khác với sắc xanh của sapphire thiên nhiên, vốn do cặp sắt – titan trao đổi điện tử cho nhau.
Điểm quý của Ti:sapphire là dải phát cực rộng, khoảng từ 650 đến 1.100 nm, mạnh nhất quanh 800 nm. Lý do nằm ở mạng tinh thể: điện tử ngoài cùng của Ti³⁺ "dính" chặt với dao động của các nguyên tử oxy xung quanh, nên mỗi lần phát sáng, một phần năng lượng chia cho dao động mạng với lượng không cố định. Kết quả là ánh sáng phát ra trải trên một dải màu rộng thay vì một vạch hẹp.
Dải phổ rộng có hai lợi ích. Thứ nhất, có thể chỉnh laser chạy ở bước sóng tuỳ ý trong dải. Thứ hai, theo nguyên lý của sóng, dải tần càng rộng thì xung càng có thể ngắn. Năm 1991, nhóm của Wilson Sibbett ở Đại học St Andrews (Scotland) công bố kỹ thuật khoá mode bằng thấu kính Kerr, dùng chính tinh thể Ti:sapphire làm "công tắc" ánh sáng, tạo xung dưới 100 femto giây. Về sau, xung ngắn tới vài femto giây, tức vài phần triệu tỷ giây.
Kỹ thuật khuếch đại xung chirp của Gérard Mourou và Donna Strickland (Nobel Vật lý 2018) được triển khai rộng rãi trên hệ laser Ti:sapphire, cho xung vừa cực ngắn vừa cực mạnh. Các thí nghiệm tạo xung atto giây được trao Nobel Vật lý 2023 cũng thường dựa trên laser femto giây loại này. Tinh thể sapphire nền được nuôi chủ yếu bằng các phương pháp kéo từ khối nóng chảy hoặc kết tinh có định hướng trong nồi, phải rất ít bọt khí và vân tăng trưởng.
Laser bán dẫn: tinh thể vừa là nguồn sáng vừa là gương
Năm 1962, vài nhóm ở Mỹ gần như cùng lúc cho laser bán dẫn gali asenua đầu tiên hoạt động, trong đó có nhóm của Robert Hall. Trong laser diode, ánh sáng sinh ra khi điện tử và lỗ trống gặp nhau ở lớp tiếp giáp, không cần ion kích hoạt hay đèn bơm. Lớp phát sáng chỉ dày cỡ nanomet tới micromet, mọc từng lớp nguyên tử trên một tấm đơn tinh thể nền (mọc epitaxy). Các lớp phải khớp mạng với nền, nếu không sẽ sinh lệch mạng làm laser mau chết. Đột phá cho laser chạy liên tục ở nhiệt độ phòng năm 1970 đến từ cấu trúc dị thể, nhiều lớp bán dẫn khác nhau xếp chồng; Zhores Alferov và Herbert Kroemer nhận Nobel Vật lý 2000 cho hướng này.
Chi tiết người chơi khoáng vật sẽ thích: hai gương của laser diode thường không cần tráng bạc. Người ta tách tinh thể theo mặt cát khai, như thợ tách một khối canxit hay mica, được hai mặt phẳng tuyệt đối và song song tự nhiên. Gali asenua cát khai dễ theo một họ mặt nhất định, và mặt vỡ nhẵn đó phản xạ đủ ánh sáng để laser hoạt động.
| Ứng dụng | Vật liệu bán dẫn chính | Bước sóng gần đúng |
|---|---|---|
| Đầu đọc đĩa CD | Gali nhôm asenua | 780 nm (hồng ngoại gần) |
| Đầu đọc DVD, bút laser đỏ | Hợp chất nhôm gali indi phốt phua | 650 nm (đỏ) |
| Đầu đọc Blu-ray | Gali nitrua | 405 nm (tím) |
| Cáp quang đường dài | Hợp chất indi gali asenua phốt phua | Khoảng 1.550 nm |
| Bơm laser Nd:YAG | Gali asenua và hợp chất liên quan | Khoảng 808 nm |
So sánh nhanh ba loại
| Nd:YAG | Ti:sapphire | Laser diode | |
|---|---|---|---|
| Tinh thể nền | Garnet nhôm ytri (lập phương) | Corundum (ba phương) | Bán dẫn GaAs, GaN, InP… |
| Phần phát sáng | Ion Nd³⁺ | Ion Ti³⁺ | Điện tử và lỗ trống |
| Bơm năng lượng | Đèn chớp hoặc laser diode | Laser xanh lục | Dòng điện trực tiếp |
| Thế mạnh | Bền, công suất lớn, tin cậy | Chỉnh bước sóng, xung cực ngắn | Nhỏ gọn, rẻ, hiệu suất cao |
Không phải laser nào cũng dùng tinh thể. Laser khí như heli – neon, CO₂ và laser sợi quang pha ytterbi trong thuỷ tinh cũng rất phổ biến. Nhưng ở đâu cần nguồn rắn công suất cao, xung cực ngắn hay kích thước nhỏ như hạt cát, tinh thể vẫn là lựa chọn số một.
Góc nhìn hôm nay: an toàn mắt và cách xem tinh thể laser
Tia hồng ngoại của Nd:YAG và nhiều laser diode không nhìn thấy được, nên mắt không có phản xạ nhắm lại. Một xung phản xạ từ mặt kim loại bóng cũng đủ làm tổn thương võng mạc. Quy tắc chung: không nhìn vào chùm tia, không chiếu laser vào người, xe cộ hay máy bay, chỉ dùng bút laser có nhãn công suất rõ ràng, và đeo kính bảo hộ đúng bước sóng khi làm việc với laser công nghiệp hay y tế.
Muốn nhìn tận mắt một tinh thể laser, nhiều bảo tàng khoa học và phòng thí nghiệm quang học đại học có trưng bày thanh Nd:YAG tím nhạt và khối Ti:sapphire hồng. Đặt cạnh một viên ruby và một viên garnet trong tủ khoáng vật, bạn sẽ thấy sợi dây nối đá quý với công nghệ: cùng cấu trúc, cùng nguyên tắc nguyên tố lạ đổi màu tinh thể, chỉ khác mục đích.
Câu hỏi thường gặp
Laser Nd:YAG là gì?
Đó là laser dùng tinh thể garnet nhôm ytri (Y₃Al₅O₁₂) pha khoảng một phần trăm neodymi. Nó phát tia hồng ngoại 1.064 nm, dùng rộng rãi để cắt, hàn, khắc kim loại, trong nhãn khoa và da liễu. Laser này ra đời năm 1964 tại Phòng thí nghiệm Bell.
YAG có phải đá quý tự nhiên không?
Không. YAG là tinh thể nhân tạo, không có trong tự nhiên, dù cùng cấu trúc với họ garnet. Thập niên 1970, YAG không màu từng được dùng làm đá mô phỏng kim cương.
Laser Ti:sapphire dùng để làm gì?
Ti:sapphire có dải phát rất rộng quanh 800 nm, nên chỉnh được bước sóng và tạo được xung cực ngắn cỡ femto giây. Nó là công cụ chủ lực trong nghiên cứu vật lý siêu nhanh, quang phổ, vi phẫu bằng laser và tạo xung atto giây.
Vì sao laser bút xanh lục dùng tinh thể KTP?
Tinh thể KTP không có tâm đối xứng nên có thể nhân đôi tần số ánh sáng, biến tia hồng ngoại 1.064 nm thành tia xanh lục 532 nm. Bút laser xanh lục thường dùng diode bơm một tinh thể pha neodymi, rồi KTP chuyển màu tia.
Laser bán dẫn khác laser tinh thể như Nd:YAG thế nào?
Laser bán dẫn phát sáng trực tiếp khi có dòng điện chạy qua lớp tiếp giáp, không cần ion kích hoạt hay đèn bơm, nên rất nhỏ và hiệu suất cao. Laser Nd:YAG cần nguồn bơm ánh sáng nhưng cho công suất và năng lượng xung lớn hơn, phù hợp gia công vật liệu.
