CHƯƠNG I : CƠ SỞ Lí THUYẾT
1.2. Giới thiệu cụng nghệ khắc laser trực tiếp
1.2.3. Phương phỏp chế tạo cấu trỳc bằng khắc laser hấp thụ đa photon
Để chế tạo cỏc cấu trỳc 1D, 2D dày, và đặc biệt là cấu trỳc 3D, ngày nay người ta phải sử dụng phương phỏp TPA hay hấp thụ đa photon (Multiple-Photon Absorption, MPA). Hấp thụ 2 hay nhiều photon là một hiệu ứng quang phi tuyến, được đề xuất từ những năm 1990 [29, 30], để thu được ảnh 3D của cỏc vật liệu và cấu trỳc vật liệu, với độ phõn giải cao. Đõy là phương phỏp phức tạp và giỏ thành đắt. Thực tế, để cú thể tạo được hiệu ứng TPA, cần phải cú một chựm ỏnh sỏng laser cú mật độ cụng suất lớn cỡ hàng triệu lần so với cường độ của chựm ỏnh sỏng sử dụng trong phương phỏp OPA. Để thực hiện điều đú, thụng thường ta phải dựng một nguồn sỏng laser xung siờu ngắn (femto giõy), khỏ tốn kộm và phức tạp. Chựm ỏnh sỏng này cũng cần phải được hội tụ tốt để tăng cường độ bằng việc sử dụng một vật kớnh cú khẩu độ lớn, thường là vật kớnh được nhỳng trong dầu. Bước súng của laser xung (thường là laser Ti-Sapphire) nằm ở vựng 800 nm, ngoài vựng hấp thụ tuyến tớnh của phần lớn cỏc vật liệu cảm quang. Sự kết hợp giữa laser xung và hệ quang học hội tụ mạnh làm tăng cường độ ỏnh sỏng kớch thớch, do đú cho phộp tạo ra phản ứng quang phi tuyến bậc 3, ở đú vật liệu sẽ hấp thụ cựng lỳc 2 photon, mà năng lượng tổng sẽ tương đương với năng lượng của một photon nằm ở vựng hấp thụ. Việc này cho phộp vật liệu cảm quang dịch chuyển mức năng lượng và xảy ra hiệu ứng hoỏ học, vớ dụ trường hợp đối với vật liệu cảm quang õm. Tất nhiờn chỉ ở vựng hội tụ mới xảy ra, và tạo được cấu trỳc tương ứng với vựng hội tụ (focusing spot), cú kớch thước < 1àm3. Bằng cỏch quột vựng hội tụ này
trong khụng gian 3D, ta cú thể chế tạo được cấu trỳc như mong muốn [21-25]. Phương phỏp DLW sử dụng hiệu ứng TPA đó được đề xuất từ những năm 2000 [21,22], bởi những phũng thớ nghiệm mạnh. Ngày nay, phương phỏp này đó được thương mại hoỏ bởi nhiều cụng ty, trong đú đỏng kể là cụng ty Kloộ [31] của Phỏp, và cụng ty Nanoscribe [32] của Đức. Tuy nhiờn, việc sử dụng nguồn laser xung femto giõy, cộng với hệ quang học phức tạp để bảo đảm xung femto giõy khụng bị dón (do hiện tượng tỏn sắc), làm cho giỏ thành của một hệ DLW sử dụng hiệu ứng TPA khỏ đắt, khoảng 400 nghỡn euros. Một xu hướng hiện nay là thay thế laser Ti-Sapphire cồng kềnh bằng laser femto giõy làm bằng vật liệu Erbium-Ytterbium trong sợi quang học. Tuy vậy, bước súng của laser này nằm ở vựng hồng ngoại nờn cần phải cú cụng suất khỏ cao để tạo hiệu ứng hấp thụ nhiều photon (MPA), và việc sử dụng mới dừng ở mức độ thớ nghiệm.
Trong phương phỏp chế tạo này, ta cũng biết là cấu trỳc chế tạo được khụng thể nhỏ hơn kớch thước của chựm ỏnh sỏng hội tụ, và kớch thước này thỡ bị hạn chế bởi rào cản nhiễu xạ ỏnh sỏng. Tức là chựm ỏnh sỏng hội tụ cú kớch thước tối thiểu bị hạn chế bởi bước súng ỏnh sỏng, λ, và khẩu độ của vật kớnh sử dụng, NA (giới hạn nhiễu xạ ≥ 0.61) [33]. Tuy vậy, thực tế cho thấy là kớch thước của cấu trỳc chế tạo được cũn phụ thuộc vào cả vật liệu sử dụng, ngưỡng hấp thụ 2 photon, sự co gión vật liệu … Vỡ vậy, nếu điều khiển cụng suất của laser chiếu hoặc thời gian chiếu, ta cú thể tối ưu được kớch thước thực tế của cấu trỳc chế tạo tới khoảng 100 nm3 [34]. Gần đõy, một vài nhúm làm về siờu phõn giải quang học đó ứng dụng hiệu ứng hiệu ứng STED (STimulated-Emission Depletion) vào phương phỏp DLW để cú thể tạo ra cỏc cấu trỳc cú kớch thước nhỏ hơn 100 nm [35-38]. Sự kết hợp này đũi hỏi phải thờm một laser thứ hai vào hệ DLW để tạo phỏt xạ kớch thớch (STED), cũng như phải cải thiện tớnh chất của vật liệu cảm quang để hiệu ứng STED cú hiệu quả. Vỡ vậy, mặc dự là ý tưởng hay, nhưng những nghiờn cứu cho thấy phương phỏp STED-DLW cũn cú rất nhiều hạn chế, khỏ phức tạp và đắt tiền [35-38].