Laser ba màu: đột phá mới trong công nghệ laser

Nhờ sử dụng các vật liệu nano bán dẫn, các nhà khoa học ở Đại học Brown (Providence, Hoa Kỳ) lãnh đạo bởi GS. Arto Nurmikko đã tạo ra một đột phá mới trong công nghệ laser: một thiết bị laser có thể phát ra ba loại ánh sáng laser có các màu sắc khác nhau gồm đỏ (red), xanh lá cây (green) và xanh dương (blue). Đồng thời, công suất năng lượng kích thích được giảm đi tới hàng nghìn lần nhờ cấu trúc đặc biệt này. Nhà khoa học có đóng góp lớn vào tiến bộ này là một nhà nghiên cứu người Việt Nam, TS. Đặng Huy Cường – tác giả đứng đầu trong bài báo vừa xuất bản trên tạp chí Nature Nanotechnology danh tiếng. Bài viết này được tổng hợp từ các tư liệu trên Nature Nanotechnology.

Laser là một dạng ánh sáng đơn sắc đặc biệt với độ kết hợp cao, là một chùm sáng gần như song song tuyệt đối. Ngày nay laser đã trở nên quá quen thuộc trong nhiều ứng dụng từ công nghệ cao cho đến các ứng dụng trong đời sống thường. Với sự phát triển của công nghệ nano, các nhà khoa học vẫn đang tiếp tục chạy đua trong việc phát triển các nguồn laser mới khai thác các tính năng ưu việt của các vật liệu nano. Thông thường, laser tạo ra có một màu nhất định, có nghĩa là ánh sáng phát ra chỉ có một bước sóng cố định. Nếu muốn tạo ra các hệ đa màu như trong TV hoặc máy chiếu, với công nghệ hiện tại, chúng ta phải phối hợp ít nhất 3 nguồn phát laser: đỏ (Red), xanh lá cây (Green) và xanh da trời (Blue). Để có 3 màu cơ bản của laser, công nghệ hiện nay sử dụng 3 vật liệu khác nhau với các quá trình sản xuất chế tạo hoàn toàn riêng biệt.Nay, các nhà khoa học ở Đại học Brown đã tạo ra thiết bị phát laser có khả năng phát ra tất cả các màu cầu vồng từ một vật liệu duy nhất nhờ khai thác một hiệu ứng tiêu biểu của công nghệ nano: hiệu ứng kích thước.Tuy bài báo chỉ trình diễn 3 màu cơ bản RGB, nhưng tất cả các màu cầu vồng đều có thể thực hiện được chỉ bằng việc thay đổi kích thước hạt nano.

Hình 1. Ảnh chụp hệ hạt nano: (a) Ảnh TEM các hạt nano hình kim tự tháp, (b) một ảnh HRTEM hạt nano có kích thước 4,2 nm phát laser đỏ, (c) ảnh AFM chụp bề mặt film, (d) ảnh màng các hạt nano trên đế thủy tinh chụp cắt ngang, (d) màng trên đế Si.

Nguyên tắc phát laser trong các linh kiện bán dẫn như sau: ánh sáng laser phát ra nhờ sự tái hợp các điện tử – lỗ trống tồn tại ở hai phía của khe năng lượng trong một chất bán dẫn. Bước sóng ánh sáng phát ra được quy định bởi độ rộng khe năng lượng (band gap) của chất bán dẫn ấy. Mỗi chất bán dẫn chỉ có thể có một khe năng lượng cố định thôi, đó là lý do tại sao laser bán dẫn truyền thống chỉ có thể phát ra một màu cố định. Nhóm nghiên cứu ở Brown lại tìm ra một cách để “modify” độ rộng khe năng lượng. Các hạt nano bán dẫn (khi ở kích thước nano sẽ được gọi là các chấm lượng tử – quantum dots vì ở đó hiệu ứng lượng tử sẽ trở nên rất mạnh) sẽ có độ rộng khe năng lượng bị thay đổi bởi kích thước các hạt. Chỉ cần điều khiển chính xác kích thước hạt, họ có thể điều khiển được ánh sáng phát ra.

Nhóm nghiên cứu đã chế tạo các hạt nano CdSe, một loại vật liệu bán dẫn rất quen thuộc trong công nghệ LED phát quang, bằng kỹ thuật tổng hợp hữu cơ kim loại ở nhiệt độ cao (high-temperature organometallic synthesis). Đây là các hạt có cấu trúc core/shell với nhân là CdSe, vỏ là Zn0.5Cd0.5S nhằm tạo ra sự thay đổi về cấu trúc điện tử. Các hạt có hình dạng được điều khiển chính xác dạng các “kim tự tháp” và có kích thước nhân là 4,2 nm (hệ phát màu đỏ), 3,2 nm (hệ phát màu xanh lá cây) và 2,5 nm (hệ phát màu xanh dương) – như ảnh HRTEM trong hình 1(a-b). Các hạt này được tạo ra trong hệ keo tụ (colloidal) và được lắng đọng lên một mặt của hệ gương phản xạ Bragg (hệ gương phản xạ nhân tạo nhằm phản xạ ánh sáng và khuếch đại công suất chùm sáng laser). Sau khi các dung dịch keo tụ khô lại, một màng xếp chặt của các hạt nano được hình thành và gương Bragg còn lại sẽ được phủ lên bề mặt của màng.

Hình 2. Nguyên lý hệ phát laser và các kết quả phát laser ba màu: red, green và blue.

Ánh sáng laser được kích thích nhờ một xung ánh sáng từ hệ cung cấp năng lượng có bước sóng 400 nm và độ dài xung chỉ 100 femto giây. Theo tiết lộ của TS. Đặng Huy Cường, nhờ các hạt dạng “kim tự tháp” có phủ các lớp vỏ (shell), ánh sáng laser có thể phát ra nhờ một xung kích thích có năng lượng nhò hơn các laser truyền thống tới 10 lần và chỉ cần một công xuất nhỏ hơn tới 1000 lần (do thời gian xung dài hơn[CD1] ). Đây là một thành tựu đột phá trong công nghệ laser và cũng là một thành quả của công nghệ nano – một công nghệ then chốt của thế kỷ 21. TS. Cường cho biết hiện nay nhóm nghiên cứu đang bị “quấy rầy” bởi giới truyền thông bởi đột phá này. Đã rất nhiều trang tin khoa học uy tín giới thiệu thành tựu này và các phóng viên đã “nhân bản” liên tục tin tức này, đồng thời cố gắng phỏng vấn nhóm nghiên cứu để tìm hiểu. Có thể xem video clip ngắn quay lại hệ phát laser ba màu này trong phòng thí nghiệm. Đây là clip được trích từ các tư liệu bổ sung (Supplementary information) cho bài báo trên tạp chí Nature Nanotechnology.

TS. Đặng Huy Cường có đùa với tôi rằng, nếu một ngày nào đó tôi cần làm một presentation tại sân vận động Mỹ Đình cho hàng vạn người xem giữa trời nắng chang chang, thì một máy chiếu dùng công nghệ laser vừa sáng hơn ánh nắng mặt trời, lại cho phép phát ra ánh sáng đủ bảy màu để tạo ra những màu sắc thật chính xác thì vô cùng hữu hiệu. Trong tay tôi cũng lại cầm một chiếc laser pointer với đủ màu, tuỳ chọn như ý muốn màu sắc tương phản với từng slide mà không phải lo bị lặp lại màu. Với công nghệ chiếu laser, chúng ta sẽ không cần quá lo về về chuyện ánh sáng bên ngoài sẽ gây kém đi độ tương phản. Có nghĩa là công nghệ laser này vô cùng hứa hẹn cho ứng dụng màn hình laser.


 [CD1]Trên thực tế thì xung ánh sáng dài thường lợi thế hơn cho ứng dụng vì xung ngắn chỉ có trong phòng thí nghiệm

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s