Bài giảng môn học: Đại cương về Laser y học

Năm 1960, chiếc laser đầu tiên ra đời do nhà bác học Maiman Mỹ chế tạo, và từđó thành tựu này được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau, như đo đạc trong địachất, khoan cắ

Đặt vấn đề: Tại sao môn học Laser có trong chương trình của SV ngành Kỹ thuật y sinh? Trong cuộc sống, chúng ta vẫn thường nghe đến cụm từ la-de, vậy ánh sáng la-de là gi?

Nó khác gì so với ánh sáng mặt trời, ánh sáng nhiệt, ánh sáng điện ?

CHƯƠNG 0: GIỚI THIỆU MÔN HỌC

Laser (tiếng việt đọc là la-de) là tên viết tắt của cụm từ Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (tiếng Anh đọc là /lei.z3/) , và có nghĩa là "khuếch đại

ánh sáng bằng phát xạ kích thích" Laser được ứng dụng trong chẩn đoán và điều trị cóbước sóng nằm trong khoảng từ 193 nm đến 10.6µm, thuộc vùng tử ngoại, khả kiến vàhồng ngoại gần, có thể làm việc ở chế độ xung hay chế độ liên tục

Một trong hai đóng góp to lớn cho khoa học kỹ thuật của ngành vật lý trong thế kỷ 20 làlaser Năm 1960, chiếc laser đầu tiên ra đời do nhà bác học Maiman (Mỹ) chế tạo, và từ

đó thành tựu này được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau, như đo đạc trong địachất, khoan cắt, hàn kim loại trong cơ khí, điều khiển phản ứng nhiệt hạch,… Đó là nhờ

ba đặc điểm cực kỳ quan trọng của laser : ánh sáng laser có độ đơn sắc lớn, độ kết hợpcao và định hướng tốt

Electron tồn tại ở các mức năng lượng riêng biệt trong một nguyên tử Các mức nănglượng có thể hiểu là tương ứng với các quỹ đạo riêng biệt của electron xung quanh hạtnhân Electron ở bên ngoài sẽ có mức năng lượng cao hơn những electron ở phía trong.Khi có sự tác động vật lý hay hóa học từ bên ngoài, các hạt electron này cũng có thể nhảy

từ mức năng lượng thấp lên mức năng lượng cao hay ngược lại Các quá trình này có thểsinh ra hay hấp thụ các tia sáng (photon) theo giả thuyết của Albert Einstein Bước sóng(do đó màu sắc) của tia sáng phụ thuộc vào sự chênh lệch năng lượng giữa các mức

Có nhiều loại laser khác nhau, có thể ở dạng hỗn hợp khí, ví dụ He-Ne, hay dạng chấtlỏng, song có độ bức xạ lớn nhất vẫn là tia laser tạo bởi các thành phần từ trạng thái chấtrắn

Lịch sử Laser

Laser được phỏng theo maser, một thiết bị có cơ chế tương tự nhưng tạo ra tia vi sónghơn là các bức xạ ánh sáng Maser đầu tiên được tạo ra bởi Charles H Townes và sinhviên tốt nghiệp J.P Gordon và H.J Zeiger vào năm 1953 Maser đầu tiên đó không tạo ratia sóng một cách liên tục Nikolay Gennadiyevich Basov và Aleksandr Mikhailovich

Prokhorov của Liên bang Xô viết đã làm việc độc lập trên lĩnh vực lượng tử dao động vàtạo ra hệ thống phóng tia liên tục bằng cách dùng nhiều hơn 2 mức năng lượng Hệ thống

đó có thể phóng ra tia liên tục mà không cho các hạt xuống mức năng lượng bình thường,

vì thế vẫn giữ tần suất Năm 1964, Charles Townes, Nikolai Basov và AleksandrProkhorov cùng nhận giải thưởng Nobel vật lý về nền tảng cho lĩnh vực điện tử lượng tử,dẫn đến việc tạo ra máy dao động và phóng đại dựa trên thuyết maser-laser

Laser hồng ngọc, một laser chất rắn, được tạo ra lần đầu tiên vào năm 1960, bởi nhà vật

lý Theodore Maiman tại phòng thí nghiệm Hughes Laboratory ở Malibu, California.Hồng ngọc là ôxít nhôm pha lẫn crôm Crôm hấp thụ tia sáng màu xanh lá cây và xanhlục, để lại duy nhất tia sáng màu hồng phát ra

Robert N Hall phát triển laser bán dẫn đầu tiên, hay laser diod, năm 1962 Thiết bị củaHall xây dựng trên hệ thống vật liệu gali-aseni và tạo ra tia có bước sóng 850 nanômét,gần vùng quang phổ tia hồng ngoại Laser bán dẫn đầu tiên với tia phát ra có thể thấyđược được trưng bày đầu tiên cùng năm đó Năm 1970, Zhores Ivanovich Alferov củaLiên Xô và Hayashi và Panish của Phòng thí nghiệm Bell đã độc lập phát triển laserdiode hoạt động liên tục ở nhiệt độ trong phòng, sử dụng cấu trúc đa kết nối

KẾ HOẠCH DẠY MÔN HỌC NÀY:

Ngày bắt đầu: 09/06/2014 Ngày kết thúc: 25/06/2014

Cách đánh giá cho điểm SV: 20% điểm danh

30% SV Trình bày Powerpoint về ứng dụng Laser Y học50% SV làm bài thi lý thuyết (đề đóng)

GV phát bài giảng, SV photo bài giảng (sau mỗi phần có câu hỏi ôn tập, SV tự soạn câutrả lời)

Yêu cầu SV cần nắm được sau khi học môn học này: Nắm vững (học thuộc) lý thuyết cấutạo máy phát laser, nguyên lý máy phát laser, cơ chế phát, các tính chất chùm laser, phânloại laser, ứng dụng Nắm vững cách vẽ các sơ đồ phân bố năng lượng, thành lậ p côngthức, xem giải bài tập, chứng minh lý thuyết

Lưu ý: Phía sau bài giảng có tài liệu về ứng dụng Laser bằng tiếng anh, SV tự đọc

Bài giảng có kèm phụ lục để SV hiểu thêm lý thuyết liên quan đến Laser

Buổi 1: GV dạy Chương 0, 1: Trình bày Powerpoint kết hợp giải thích bằng bảng

Buổi 6: Thi thử

CHƯƠNG 1: ĐẠI CƯƠNG VỀ LASER

1.1 CẤU TẠO CỦA MỘT MÁY PHÁT LASER

™

Hình 1-2: Cấu tạo máy phát Laser He-Ne

1) Buồng cộng hưởng (vùng bị kích thích)

2) Nguồn nuôi (năng lượng bơm vào vùng bị kích thích)

3) gương phản xạ toàn phần

4) gương bán mạ

5) tia laser

Gồm 3 bộ phận chính: Hoạt chất, buồng cộng hưởng, bộ phận kích thích

Hoạt chất: Đây là môi trường vật chất có khả năng khuếch đại ánh sáng đi qua nó Cho

đến nay có nhiều loại chất khí, rắn, lỏng, bán dẫn …vd: Hỗn hợp khí CO2, He-N2 ; Chấtrắn Al2O3 – Cr+3 ; Chất bán dẩn như Ga-Al-As …đã được dùng làm hoạt chất cho máyphát Laser

Bình thường tuyệt đại đa số các nguyên tử của môi trường ở trạng thái cơ bản Do đó, khimột phôtôn năng lượng phù hợp bay qua, nó sẽ bị hấp thụ ngay Muốn quá trình khuếchđại ánh sáng xảy ra, phải làm cho số nguyên tử ở trạng thái kích thích nhiều hơn sốnguyên tử ở trạng thái cơ bản, tức là tạo ra sự đảo mật độ trong môi trường Lúc đó môitrường có khả năng khuếch đại ánh sáng, gọi là môi trường hoạt chất

Khi 1 photon tới va chạm vào hoạt chất này thì kéo theo đó là 1 photon khác bật ra baytheo cùng hướng với photon tới Mặt khác buồng công hưởng có 2 mặt chắn ở hai đầu,một mặt phản xạ toàn phần các photon khi bay tới, mặt kia cho một phần photon qua mộtphần phản xạ lại làm cho các hạt photon va chạm liên tục vào hoạt chất laser nhiều lầntạo mật độ photon lớn Vì thế cường độ chùm laser được khuếch đại lên nhiều lần Tínhchất của laser phụ thuộc vào hoạt chất đó, do đó người ta căn cứ vào hoạt chất để phânloại laser.

Chúng ta hãy khảo sát một môi trường có 2 mức năng lượng 1 và 2 Số nguyên tử trongmột đơn vị thể tích nằm ở một mức năng lượng gọi là mật độ tích lũy của mức nănglượng đó Gọi mật độ tích lũy tương ứng của hai mức trên là N1 và N2 , ta có thể biểu diễncác quá trình dịch chuyển bức xạ trong các nguyên tử này như hình vẽ sau đây:

Quá trình bức xạ từ mức 2 xuống mức 1: Nếu sóng điện từ chiếu tới môi trường có tần

số f với hf = E1 - E2 và trên mức 2 đang được tích lũy các trạng thái nguyên tử thì sẽ cómột xác suất dịch chuyển từ mức 2 xuống mức 1 Gọi là dịch chuyển bức xạ cưỡng bức

Quá trình hấp thụ từ mức 1 lên mức 2: Nguyên tử ở trạng thái 1 có thể hấp thụ năng

lượng photon tới có tần số f để chuyển lên trạng thái 2

Nếu N2 < N1 thì môi trường hoạt chất sẽ ở trạng thái cân bằng nhiệt động và xảy ra quátrình hấp thụ, tuy nhiên nếu N2 > N1 thì môi trường hoạt chất sẽ ở trạng thái khuếch đạiánh sáng và xảy ra quá trình bức xạ

Buồng cộng hưởng: Thành phần chủ yếu là 2 gương phản xạ, 1 gương có hệ số phản xạ

rất cao cỡ 99,999% còn 1 gương có hệ số phản xạ thấp hơn để tia Laser thoát ra ngoài

Để có sự khuếch đại mạnh ánh sáng, phải cho chùm sáng đi qua lại nhiều lần khối chất cótính khuếch đại ánh sáng, theo cùng một phương Muốn vậy, người ta đặt khối chất nóitrên giữa hai gương phẳng song song với nhau, có mặt phản xạ quay vào nhau; gương G1phản xạ tốt, gương G2 bán mạ Chùm tia laze được lấy từ gương G2 Sóng tới phản xạ làcác sóng kết hợp nên sẽ tạo thành sóng dừng Tại các gương G1 và G2 là các nút sóng.Như vậy, khoảng cách giữa hai gương phải bằng một số nguyên lần bước sóng:

E2

E1

2

1Hình 3b) Quá trình hấp thụ

hệ nguyên tử hoạt chất nhờ quá trình va chạm.

Các sơ đồ bơm quang học: Nếu chỉ sử dụng 2 mức năng lượng của môi trường hoạt chất

thì không thể tạo ra nghịch đảo độ tích lũy Ở trạng thái cân bằng nhiệt động, mức 1 đượctích lũy nhiều hơn mức 2 nên sự hấp thụ chiếm ưu thế hơn bức xạ cưỡng bức Có thể tíchlũy mức 2 bằng cách chiếu vào hoạt chất ánh sáng tần số hf = E1 - E2 với cường độ đủlớn Tuy nhiên, khi mật độ tích lũy 2 mức bằng nhau (N1 = N2) tức là quá trình hấp thụ vàbức xạ cưỡng bức bù trừ lẫn nhau, thì môi trường sẽ trở nên trong suốt Ta chỉ đạt được

sự bão hòa mà không có nghịch đảo độ tích lũy Như vậy phải sử dụng nhiều hơn 2 mức.Thông thường, người ta sử dụng 3 hoặc 4 mức và gọi là các sơ đồ bơm 3 mức hoặc 4mức (xem hình vẽ)

Hình 5a) Sơ đồ bơm 3 mức Hình b5) Sơ đồ bơm 4 mức

Trong Laser hoạt động theo sơ đồ 3 mức (h.5a) bằng cách nào đó các nguyên tử đượcchuyển từ mức 1 lên 3 Môi trường được chọn sao cho nguyên tử của nó sau khi đượckích thích lên mức 3 sẽ dịch chuyển nhanh về mức 2 Như vậy, có thể tạo được nghịchđảo độ tích lũy giữa mức 2 và 1

Trong Laser hoạt động theo sơ đồ 4 mức (h.5b) các nguyên tử được đưa từ mức cơ bản 0lên mức 3 Nếu sau đó nguyên tử dịch chuyển nhanh về mức 2 thì giữa mức 2 và 1 có thể

có nghịch đảo độ tích lũy Để Laser hoạt động liên tục theo sơ đồ 4 mức thì các hạt saukhi về mức 1 phải được dịch chuyển rất nhanh về mức 0

Trong cả 2 sơ đồ trên, mức 2 gọi là mức laser trên còn mức 1 gọi là mức laser dưới Rõràng là không phải môi trường nào cũng có các mức năng lượng thỏa mãn các yêu cầutrên Người ta phải chọn hoặc chế tạo ra những chất có cấu trúc phân tử, nguyên tử thíchhợp Trong thực tế, các hoạt chất Laser có thể làm việc với nhiều hơn 4 mức năng lượngnhưng người ta cố gắng xếp chúng vào một trong hai sơ đồ bơm nói trên

Tóm lại, cả 3 bộ phận: hoạt chất, buồng cộng hưởng, bộ phận kích thích không thể táchrời và là cơ cấu chính của một máy phát laser

32

1

3210

1.2 CÁC CHẾ ĐỘ PHÁT

Laser có thể được cấu tạo để hoạt động ở trạng thái bức xạ sóng liên tục (hay CW continuous wave) hay bức xạ xung (pulsed operation) Điều này dẫn đến những khác biệt

-cơ bản khi xây dựng hệ laser cho những ứng dụng khác nhau

Chế độ phát liên tục

Trong chế độ phát liên tục, công suất của một laser tương đối không đổi so với thời gian

Sự đảo nghịch mật độ (electron) cần thiết cho hoạt động laser được duy trì liên tục bởinguồn bơm năng lượng đều đặn

Chế độ phát xung

Trong chế độ phát xung, công suất laser luôn thay đổi so với thời gian, với đặc trưng làcác giai đoạn “đóng” và “ngắt” cho phép tập trung năng lượng cao nhất có thể trong mộtthời gian ngắn nhất có thể Các dao laser là một ví dụ, với năng lượng đủ để cung cấpmột nhiệt lượng cần thiết, chúng có thể làm bốc hơi một lượng nhỏ vật chất trên bề mặtmẫu vật trong thời gian rất ngắn Tuy nhiên, nếu cùng năng lượng như vậy nhưng tiếpxúc với mẫu vật trong thời gian dài hơn thì nhiệt lượng sẽ có thời gian để xuyên sâu vàotrong mẫu vật do đó phần vật chất bị bốc hơi sẽ ít hơn Có rất nhiều phương pháp để đạtđược điều này, như:

 Phương pháp chuyển mạch Q (Q-switching)

 Phương pháp kiểu khoá (modelocking)

 Phương pháp bơm xung (pulsed pumping)

1.3 CÁC TÍNH CHẤT CỦA CHÙM TIA LASER

Như chúng ta đã thấy, tia laser là loại sóng điện từ nhưng do nguồn laser khác hẳn nguồnsáng nhiệt, điện … nên tia laser có những tính chất đặc biệt khác với bức xạ điện từ thôngthường Laser là một nguồn sáng phát ra một chùm sáng có tính đơn sắc, tính định hướng,tính kết hợp rất cao và cường độ lớn

Tia laser có tính đơn sắc cao: Độ đơn sắc của một chùm tia được đặc trưng bằng độ

rộng vạch của chùm Khi độ rộng vạch của chùm bằng 0 thì chùm có độ đơn sắc caonhất Có nhiều nguyên nhân dẫn đến bức xạ có một độ rộng nhất định Trong trườnghợp gần đúng với buồng cộng hưởng quang học, độ rộng vạch có thể xác định bằngcông thức:

Với công suất phát P = 1mW,

ở vùng bước sóng đỏ sẽ có

Đây là độ rộng rất bé

Tia laser có tính định hướng cao (là chùm sáng song song): Nguồn sáng nhiệt bức xạ

theo mọi phương trong không gian Còn nguồn laser do cơ cấu của buồng cộng hưởng

quang học chỉ phát các dao động ngang và chúng tập trung trong một mặt phẳng phâncực Công suất phát được phân bố đều và đẳng pha trong toàn bộ khẩu độ của nguồn.Với chùm laser sóng phẳng, bức xạ từ một buồng cộng hưởng với gương có đường kính d(hoặc diện tích

sau gương chùm tia laser sẽ tán xạ, do hiện tượng nhiễu xạ, dưới một góc nhiễu xạ

chùm tia sẽ bức xạ trong một góc khối:

Giá trị góc khối rất nhỏ so với góc khối bức xạ của một nguồn nhiệt là cỡ 2p steradians

Độ định phương cao cho sự tập trung năng lượng trong một góc khối nhỏ và tạo nêncường độ lớn

Tia laser là chùm sáng kết hợp (các photon trong chùm có cùng tần số và cùng pha):

(Coherence of laser beam)

Một trong các tính chất quan trọng và đặc biệt nhất của laser là tính kết hợp Một bức xạlaser bất kỳ đều có tính kết hợp biểu hiện ở độ đơn sắc (kết hợp thời gian) và tính đẳngpha của mặt sóng (kết hợp không gian)

Sóng có tính kết hợp không gian khi bất kỳ thời điểm nào, ánh sáng có pha không đổitrên khắp mặt sóng của nó

Tương tự tại một thời điểm cho trước dọc theo mặt sóng chuyển động nếu pha là giốngpha mà sóng có sau khi đi qua một khoảng cách L với thời gian L/c, dù L có như thế nàothì sóng được xem có tính kết hợp hoàn toàn

Các laser hoạt động ở chế độ đơn mode dọc hay ngang được biểu hiện trong các sóng đơnsắc và đẳng pha nên chúng có bậc kết hợp không gian và thời gian cao, một cách tự động.Với các tính chất đặc trưng như trên, các nguồn bức xạ laser, đặc biệt là laser khí He-Neđược dùng phổ biến để thể hiện đơn vị độ dài mét Hiện nay, phần lớn các Viện đo lườngquốc gia của các nước tiên tiến đều dùng laser khí He-Ne ổn định tần số bằng Iodinebước sóng 633nm làm chuẩn đầu quốc gia cho đơn vị độ dài mét

Do cơ chế hoạt động của laser khí He-Ne với buồng công hưởng Faby-Perot, xuất hiện

"chỗ lõm Lamb" (Lamb dip) Hiệu ứng này do Lamb chỉ ra bằng lý thuyết sau đó đượcthực nghiệm xác nhận lại Trên côngtua của đường cong khuyếch đại (Gain line) xuấthiện một chỗ lõm

Trong Laser khí do sự chuyển động nhiệt của các nguyên tử khí nên xuất hiện nhiềunhóm nguyên tử chuyển động với các vận tốc khác nhau Giả sử bức xạ laser có tần số w

¹ w0 (tần số ở tâm) đi trong buồng cộng hưởng theo một phương nào đó, nó sẽ tương tácvới các nhóm nguyên tử có tốc độ v ngược lại với phương của bức xạ sẽ dẫn đến làmgiảm nghịch đảo độ tích luỹ và ở đường cong khuếch đại có sự sinh hốc (hole - burning).Hoàn toàn tương tự với với bức xạ đi theo chiều ngược lại sẽ gặp các nhóm nguyên tử cóvận tốc v, kết quả trên đường công tua đường cong khuếch đại xuất hiện hai hốc đối xứng

so với tâm vạch Độ rộng của hốc bằng độ mở rộng tự nhiên trong bức xạ Laser

Khi w = w0 bức xạ laser sẽ chỉ tương tác với các nhóm nguyên tử có tốc độ v = 0 và sẽsinh ra một hốc ở tâm, đó chính là Lamb dip như thường gọi

Chính nhờ hiệu ứng trên người ta sử dụng nó để ổn định tần số Vì độ rộng hốc nhỏ nên

vị trí của hốc xác định khá chính xác chỗ cực tiểu của hốc cho phép ổn định tần số phátLaser Với nguồn Laser khí He-Ne người ta đã xác định tần số phát ở chỗ cực tiểu củahốc nói trên với độ chính xác 10-9

Ống Iodine được lắp bên trong hốc laser , ở đó bức xạ quang học là rất mạnh (10 mW).Điều này làm cho các tín hiệu hấp thụ bão hoà rất hẹp, laser được điều chỉnh và giữ cốđịnh tại một trong bảy vạch hấp thụ của Iodine dưới sự kiểm soát của thiết bị điện tử.

Tia laser có cường độ lớn: Để hiểu đặc điểm này ta hãy so sánh cường độ của bức xạ

laser khi công suất phát bình thường với bức xạ nhiệt Với Laser He- Ne phát công suất

cỡ 1mW = 10-3W ở chế độ liên tục và với photon nằm trong miền thấy được (0,6328µm)

có năng lượng hf = 10-19J thì số photon laser phát trong một giây sẽ là 10 16 photon Với

một nguồn nhiệt có nhiệt độ cỡ T = 10000K, bức xạ từ một diện tích 1cm2 và cùng phátsóng trong vùng thấy được với độ rộng 1000 A0 và bước sóng 6000 A0 thì số photon nhiệt

là 10 12 photon So sánh 2 nguồn phát trên ta thấy số photon laser gấp một vạn lần Hoặc

nếu so sáng với bức xạ của laser ruby có công suất cỡ 1GW = 109W thì số photon sẽ là

1028 tức gấp số photon nhiệt hàng tỷ lần

So sánh cường độ của bức xạ laser khi công suất bình thường với tia sáng nhiệt:

Với laser khí He–Ne phát công suất 1mW ở chế độ liên tục với bước sóng l » 633nm cónăng lượng hn = 10-9 J thì số phôton laser phát trong một giây sẽ là:

Với nguồn nhiệt có nhiệt độ T = 1000oK bức xạ từ một diện tích DA = 1cm2 và cùngphát sóng trong vùng nhìn thấy được với độ rộng phổ Dn = 104 nm thì số phôton nhiệttính theo công thức:

So sánh ta thấy số phôton laser lớn hơn rất nhiều.

Như vậy: Laser là nguồn sáng phát ra chùm sáng song song, kết hợp có tính đơn sắc caovà có cường độ lớn

Nguyên tắc phát quang của laser dựa trên ứng dụng hiện tượng phát xạ cảm ứng

Sự phát xạ cảm ứng

Năm 1917, khi nghiên cứu lí thuyết phát xạ, Anh-xtanh đã chứng minh rằng: ngoàihiện tượng phát xạ tự phát còn có hiện tượng phát xạ mà ông gọi là phát xạ cảm ứng.Hiện tượng đó như sau:

Nếu một nguyên tử đang ở trong trạng thái kích thích, sẵn sàng phát ra một phôtôn cónăng lượng ε = hf, bắt gặp một phôtôn có năng lượng ε’ đúng bằng hf, bay lướt qua nó,thì lập tức nguyên tử này cũng phát ra phôtôn ε Phôtôn ε có cùng năng lượng và baycùng phương với phôtôn ε’ Ngoài ra, sóng điện từ ứng với phôtôn e hoàn toàn cùng phavới sóng điện từ ứng với phôtôn ε’ (H.49.2)

Như vậy, nếu có một phôtôn ban đầu bay qua một loạt nguyên tử đang ở trạng thái kíchthích thì số phôtôn sẽ tăng lên theo cấp số nhân

Các phôtôn này có cùng năng lượng (ứng với sóng điện từ có cùng bước sóng; do đó tínhđơn sắc của chùm sáng rất cao); chúng bay theo cùng một phương (tính định hướng củachùm sáng rất cao); tất cả các sóng điện từ trong chùm sáng do các nguyên tử phát ra điều

cùng pha (tính kết hợp của chùm sáng rất cao) Ngoài ra, vì số phôtôn bay theo cùng mộthướng rất lớn nên cường độ của chùm sáng có cường độ rất mạnh.

Câu hỏi: Hãy mô tả cụ thể quá trình nhân phôtôn vẽ trên hình?

CHƯƠNG 2: PHÂN LOẠI LASER

2.1 LASER RẮN

Ta hãy xét cấu tạo của laze rubi Laser này gồm một thanh rubi hình trụ (1) Hai mặtđược mài nhẳn, vuông góc với trục của thanh Mặt (3) được mạ bạc; mặt (4) là mặt bánmạ Một bóng đèn xenon (2) được quấn quanh thanh rubi Khi laze hoạt động thì thanhrubi sẽ rất nóng, nên người ta phải gắn nó vào những cánh tỏa nhiệt (5)

Ở mỗi loại laser có một cách tạo ra sự đảo mật độ riêng Dưới đây là một cách ở laserrubi Rubi (hồng ngọc) là tinh thể Al2O3 có pha Cr3O3, màu đỏ của rubi do ion Cr tạo ra

Ta hãy quan tâm đến ba mức năng lượng E1, E2, E3 của Cr E1 là mức cơ bản, E2 là mứcnăng lượng ứng với trạng thái kích thích giả - bền; thời gian sống của Cr ở trạng thái này

cỡ 5.10-3s, dài hơn hẳn thời gian sống ở các trạng thái kích thích khác (cở 10-8s) Mứckích thích E3 tương đối rộng, nghĩa là nguyên tử Cr có thể hấp thụ các phôtôn có nănglượng lân cận giá trị 2,23 eV

Người ta dùng ánh sáng xanh (0,556 mm, ứng với năng lượng 2,23 eV) của một đènxenon chiếu vào rubi để làm cho phần lớn nguyên tử Cr chuyển từ trạng thái cơ bản lên

CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG LASER VÀ AN TOÀN KHI SỬ DỤNG

3.1 TƯƠNG TÁC CỦA LASER VỚI MÔ SỐNG

Khi ánh sáng chiếu đến cơ thể sinh vật, sự tương tác giữa ánh sáng và cơ thể sinh vật thểhiện qua các hiệu ứng sau :

+ Về phía chùm sáng: có sự thay đổi về cường độ, bước sóng, hướng truyền

+ Về phía cơ thể sinh vật : xảy ra các quá trình gồm nhiều giai đoạn kế tiếp nhau, như: sựtích luỹ năng lượng bên trong phân tử sinh vật, khử trạng thái kích thích phân tử, nhữngchuỗi phản ứng trung gian và các hiệu ứng sinh học xảy ra

Hiệu ứng kích thích sinh học: Thường xảy ra với LASER công suất thấp cỡ mW, tác

động lên các đặc tính sống như: quá trình sinh tổng hợp protein, quá trình tích luỹ sinhkhối, quá trình hô hấp tế bào Làm gia tăng quá trình phân bào, thay đổi hoạt tính men,thay đổi tính thấm màng tế bào, tăng miễn dịch không đặc hiệu…

Tác dụng của LASER lên cơ thể sống chia làm hai loại:

- Phản ứng nhanh (hay trực tiếp) là tác dụng ngay sau khi chiếu LASER, biểu hiện là sựkích thích hô hấp tế bào

- Phản ứng chậm (hay gián tiếp) là tác dụng muộn sau hàng giờ hay ngày, biểu hiện bằng

sự gia tăng quá trình phân chia tế bào

Hiệu ứng nhiệt: Công suất chùm tia có thể tới hàng trăm W, khi đó quang năng của

LASER biến thành nhiệt để đốt nóng các tổ chức sinh học Hiệu ứng nhiệt có hai cách tácdụng:

- Công suất không cao, thời gian tác động dài: sẽ làm nóng chảy tổ chức sinh học và sau

đó các tổ chức bị đông kết lại (gọi là hiệu ứng quang đông) có tác dụng tốt cho cầm máutrong ngoại khoa

- Công suất cao, thời gian ngắn: làm bay hơi tổ chức sinh học (gọi là hiệu ứng bay hơi tổchức) là cơ sở của dao mổ LASER với nhiều ưu điểm trong phẫu thật

Hiệu ứng quang ion: Còn gọi là hiệu ứng quang cơ vì quang năng của LASER biến

thành cơ năng đê bóc lớp (không có tác động nhiệt) hay phá sỏi với xung cực ngắn, côngsuất đỉnh cực cao

Y văn thế giới thường nhấn mạnh 7 loại hình đáp ứng sau đây :

– Đáp ứng của hệ tim mạch

– Đáp ứng của hệ nội tiết

3.2 LASER CÔNG SUẤT THẤP TRONG Y HỌC – AN TOÀN KHI SỬ DỤNG Chỉ định, chống chỉ định

Trong Vật lý trị liệu chủ yếu sử dụng LASER công suất thấp để gây hiệu ứng kích thíchsinh học, được chỉ định trong các bệnh sau:

- Kích thích các huyệt (xem tham khảo sơ đồ huyệt) thay châm cứu sử dụng LASERquang châm, LASER quang trị liệu trong điều trị đau khớp, đau thần kinh Loại 2 đầu