báo cáo tổng hợp về kỹ thuật laser

Chế độ phát xung Trong chế độ phát xung, công suất laser luôn thay đổi so với thời gian, với đặc trưng là các giai đoạn "đóng" và "ngắt" cho phép tập trung năng lượng cao nhất có thể tro

KỸ THUẬT LASER 1.Khái niệm về laser:

Laser là tên viết tắt của cụm từ Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation trong tiếng Anh, và có nghĩa là "khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ kích thích"

Electron tồn tại ở các mức năng lượng riêng biệt trong một nguyên tử Các mức năng lượng có thể hiểu là tương ứng với các quỹ đạo riêng biệt của electron xung quanh hạt nhân 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 thể sinh 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 chất lỏng, song có độ bức xạ lớn nhất vẫn là tia laser tạo bởi các thành phần từ trạng thái chất rắn

2.Phân loại:

*Laser chất rắn:

Có khoảng 200 chất rắn có khả năng dùng làm môi trường hoạt chất laser Một

số loại laser chất rắn thông dụng:

• YAG-Neodym: hoạt chất là Yttrium Aluminium Garnet (YAG) cộng thêm 2-5% Neodym, có bước sóng 1060nm thuộc phổ hồng ngoại gần Có thể phát liên tục tới 100W hoặc phát xung với tần số 1000-10000Hz

• Hồng ngọc (Rubi): hoạt chất là tinh thể Alluminium có gắn những ion chrom,

có bước sóng 694,3nm thuộc vùng đỏ của ánh sáng trắng

• Bán dẫn: loại thông dụng nhất là diot Gallium Arsen có bước sóng 890nm thuộc phổ hồng ngoại gần

*Laser chất khí:

He-Ne: hoạt chất là khí Heli và Neon, có bước sóng 632,8nm thuộc phổ ánh sáng đỏ trong vùng nhìn thấy, công suất nhỏ từ một đến vài chục mW Trong y học được sử dụng làm laser nội mạch, kích thích mạch máu

• Argon: hoạt chất là khí argon, bước sóng 488 và 514,5nm

• CO2: bước sóng 10.600nm thuộc phổ hồng ngoại xa, công suất phát xạ có thể tới megawatt (MW) Trong y học ứng dụng làm dao mổ

*Laser chất lỏng:

Môi trường hoạt chất là chất lỏng, thông dụng nhất là laser màu

3 Tính chất tia laser:

• Độ định hướng cao: tia laser phát ra hầu như là chùm song song do đó khả năng chiếu xa hàng nghìn km mà không bị phân tán

• Tính đơn sắc rất cao: chùm sáng chỉ có một màu (hay một bước sóng) duy nhất Do vậy chùm laser không bị tán xạ khi đi qua mặt phân cách của hai môi trường có chiết suất khác nhau Đây là tính chất đặc biệt nhất mà không nguồn sáng nào có

• Tính đồng bộ của các photon trong chùm tia laser: Có khả năng phát xung cực ngắn: cỡ mili giây (ms), nano giây, pico giây, cho phép tập trung năng lượng tia laser cực lớn trong thời gian cực ngắn

4 Cơ chế hoạt động:

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 bởi nguồn 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 là các giai đoạn "đóng" và "ngắt" cho phép tập trung năng lượng cao nhất có thể trong một thời gian ngắn nhất có thể Các dao laser là một ví dụ, với năng lượng đủ để cung cấp một nhiệt lượng cần thiết, chúng có thể làm bốc hơi một lượng nhỏ vật chất trên bề mặt mẫu vật trong thời gian rất ngắn Tuy nhiên, nếu cùng năng lượng như vậy nhưng tiếp xúc với mẫu vật trong thời gian dài hơn thì nhiệt lượng sẽ có thời gian

để xuyên sâu vào trong mẫu vật do đó phần vật chất bị bốc hơi sẽ ít hơn Có rất nhiều phương pháp để đạt được điều này, như:

• Phương pháp chuyển mạch Q (Q-switching)

• Phương pháp kiểu khoá (modelocking)

• Phương pháp bơm xung (pulsed pumping)

5 Ứng dụng tia laser:

Vào thời điểm được phát minh năm 1960, laser được gọi là "giải pháp để tìm kiếm các ứng dụng" Từ đó, chúng trở nên phổ biến, tìm thấy hàng ngàn tiện ích trong các ứng dụng khác nhau trên mọi lĩnh vực của xã hội hiện đại, như phẫu thuật mắt, hướng dẫn phương tiện trong tàu không gian, trong các phản ứng hợp nhất hạt nhân Laser được cho là một trong những phát minh ảnh hưởng nhất trong thế kỉ 20

Ích lợi của laser đối với các ứng dụng trong khoa học, công nghiệp, kinh doanh nằm ở tính đồng pha, đồng màu cao, khả năng đạt được cường độ sáng cực kì cao, hay sự hợp nhất của các yếu tố trên Ví dụ, sự đồng pha của tia laser cho phép

nó hội tụ tại một điểm có kích thước nhỏ nhất cho phép bởi giới hạn nhiễu xạ, chỉ rộng vài nanômét đối với laser dùng ánh sáng Tính chất này cho phép laser có thể lưu trữ vàigigabyte thông tin trên các rãnh của DVD Cũng là điều kiện cho phép laser

với công suất nhỏ vẫn có thể tập trung cường độ sáng cao và dùng để cắt, đốt và có thể làm bốc hơi vật liệu trong kỹ thuật cắt bằng laser Ví dụ, một laser Nd:YAG, sau quá trình nhân đôi tần số, phóng ra tia sáng xanh tại bước sóng 523 nm với công suất

10 W có khả năng, trên lý thuyết, đạt đến cường độ sáng hàng triệu W trên một cm vuông Trong thực tế, thì sự tập trung hoàn toàn của tia laser trong giới hạn nhiễu xạ là rất khó Xem thêm ứng dụng của laser để biết thêm chi tiết

Tia sáng laser với cường độ cao có thể cắt thép và các kim loại khác Tia từ laser thường có độ phân kì rất nhỏ, (độ chuẩn trực cao) Độ chuẩn trực tuyệt đối là không thể tạo ra, bởi giới hạn nhiễu xạ Tuy nhiên, tia laser có độ phân kỳ nhỏ hơn so với các nguồn sáng Một tia laser được tạo từ laser He-Ne, nếu chiếu từ Trái Đất lên Mặt Trăng, sẽ tạo nên một hình tròn đường kính khoảng 1 dặm (1,6 kilômét) Một vài laser, đặc biệt là với laser bán dẫn, có với kích thước nhỏ dẫn đến hiệu ứng nhiễu xạ mạnh với độ phân kỳ cao Tuy nhiên, các tia phân kỳ đó có thể chuyển đổi

về tia chuẩn trục bằng các thấu kính hội tụ Trái lại, ánh sáng không phải từ laser không thể làm cho chuẩn trực bằng các thiết bị quang học dễ dàng, vì chiều dài đồng pha ngắn hơn rất nhiều tia laser Định luật nhiễu xạ không áp dụng khi laser được truyền trong các thiết bị dẫn sóng như sợi thủy tinh Laser cường độ cao cũng tạo nên các hiệu ứng thú vị trong quang học phi tuyến tính

Máy đo khoảng cách bằng laser trong quân sự là loại thiết bị quan trọng Có nhiều loại khác nhau: máy đo cự ly hàng không, máy đo cự ly xe tăng, máy đo cự ly xách tay v.v Máy đo cự ly hàng không đo chính xác cự ly từ máy bay đến mục tiêu trên mặt đất, nâng cao độ trúng đích khi ném bom Nguyên lý hoạt động: đo khoảng thời gian chênh lệch giữa xung laser phát ra và xung phản hồi về rồi nhân với tốc độ ánh sáng (300.000km/s), lấy kết quả chia 2, được cự ly cần đo

Rada laser có độ chính xác cao hơn rada thông thường, có thể hướng dẫn hai tàu vũ trụ ghép nối chính xác trên không gian Máy bay chiến đấu bay ở tầm siêu thấp, nếu trang bị rada laser có thể né chính xác tất cả chướng ngại vật, kể cả đường dây điện Tuy nhiên, những thiết bị laser đều chịu ảnh hưởng của thời tiết, trời mù hoặc mưa thì khoảng cách đo bị giảm đi nhiều

Bom có lắp thiết bị dẫn đường bằng laser và đuôi có lắp hệ thống lái điều khiển

sẽ tự động tìm kiếm và đánh trúng mục tiêu

La bàn laser thay thế la bàn phổ thông, để đo phương vị máy bay, dùng trong máy bay phản lực cỡ lớn và máy bay chiến đấu tính năng cao

Tia laser đo khoảng cách từ vệ tinh và Mặt Trăng đến Trái Đất, đo đạc toàn cầu Ngoài ra, chùm tia laser còn làm náo nhiệt không khí lễ hội

Tia laser còn được dùng làm vũ khí, tuy chưa được phổ biến Được chia làm 2 loại: Vũ khí laser công suất thấp làm loá mắt đối phương, dùng trong tác chiến gần, khoảng cách chỉ vài km, trời mưa mù khoảng cách còn ngắn hơn, có thể xách tay, lắp trên xe tăng, máy bay trực thăng Vũ khí laser năng lượng cao dùng chùm tia laser cực mạnh chiếu đến một điểm trên mục tiêu, dừng lại một thời gian ngắn để vật liệu chảy

ra hoặc khí hoá Chùm tia laser mạnh có thể phá huỷ đường điện, gây cháy thùng nguyên liệu trong máy bay, gây nổ đạn đạo Lắp đặt trên mặt đất, trên tàu, máy bay,

vệ tinh, có tốc độ nhanh, chính xác cao, không cần thuốc mồi, không sinh lực đẩy phía sau, không tạo ô nhiễm nên nó là loại vũ khí "sạch sẽ" Vũ khí laser lắp đặt trên

vệ tinh có thể bắn hạ tên lửa đạn đạo và vệ tinh đối phương

Theo dự tính, để phá huỷ tên lửa đạn đạo cách xa 1000km cần năng lượng laser 20000KW và kính phản xạ đường kính 10m với thời gian chiếu xạ 1 giây Đầu những năm 90, Mỹ có thể tạo ra tia laser năng lượng 5000KW Tuy vẫn còn một khoảng cách khá xa nhưng trong tương lai, vũ khí laser sẽ trở thành công cụ chiến tranh lợi hại và là cuộc đua công nghệ của các cường quốc trên thế giới

Trong y học, laser công suất thấp được sử dụng trong vật lý trị liệu để gây hiệu ứng sinh học, và laser công suất lớn gây hiệu ứng đốt dùng trong điều trị thoát vị đĩa đệm cột sống

ỨNG DỤNG CỦA LASER TRONG Y HỌC

Laser được dùng trong y học là do 3 hiệu ứng chính sau:

1 Hiệu ứng "bay hơi tổ chức"

Do bức xạ nhiệt của chùm tia Laser, làm cho các tổ chức (tissu) bị bốc hơi, tạo thành những vết cắt Những vết cắt này rất nhỏ, ít chảy máu và ít tổn thương các tổ chức lành xung quanh

Vì vậy Laser được dùng làm dao mổ (loại Laser hay được dùng làm dao mổ là

CO2 và Laser CO, Laser YAG)

Có thể nói Laser là một loại "dao mổ" tinh tế nhất, an toàn và vô trùng nhất (với nhiệt độ từ 1.200 - 1.700 thì không một loại vi khuẩn nào tồn tại được), đa năng nhất vì nó có thể can thiệp vào mọi phẫu thuật phức tạp, khó khăn (các hốc sâu, nhỏ, các bộ phận "ưa" chảy máu, các tổ chức quan trọng như não, tủy sống ) mà lưỡi dao

mổ thông thường không thể can thiệp được

Ngoài ra dao mổ Laser còn các ưu điểm sau:

- Giảm hoặc không cần thuốc tê - mê

- Không có sự tiếp xúc giữa dụng cụ và đường rạch (vô trùng tuyệt đối)

- Cầm máu tốt với các vi huyết quản (mạch máu lớn thì phải cầm máu bằng chỉ buộc)

- Giảm phù nề, xung huyết và tiết dịch

- "Đường rạch" bị chấn thương rất ít

2 Hiệu ứng quang đông

Do bức xạ nhiệt, các tổ chức sống bị đông vón lại Vì vậy "dao mổ Laser" có tác dụng cầm máu, hàn bong võng mạc và đặc biệt trong thủ thuật nội soi người ta đã

dùng nó để vừa chẩn đoán vừa điều trị

3 Hiệu ứng kích thích sinh học

Loại Laser có năng lượng thấp như Laser He-Ne có tác dụng chống viêm, kích thích tái tạo tổ chức, chống sẹo lồi, tăng khả năng miễn dịch, điều chỉnh thể dịch và hormon, giải dị ứng, chống hiện tượng đột biến của tế bào, tăng hoạt tính của các men (andolase, cholinesterase, transaminase ), tăng vi tuần hoàn, dãn mạch cục bộ, giảm tiết dịch, chống phù nề, kích thích sự hình thành của collagen trong vòng nối (ứng dụng trong điều trị loét giác mạc, nối thần kinh, nối động mạch ) Hiệu ứng này còn được dùng thay cho kim châm cứu và được coi là cây kim vô trùng nhất

Ở nước ta, tia Laser đã được áp dụng trong khá nhiều chuyên khoa:

- Trong chuyên khoa mắt: Điều trị loét giác mạc, hàn bong võng mạc, viêm tắc

lệ đạo, chắp lẹo

- Trong chuyên khoa răng hàm mặt: Dùng điều trị nha chu viêm, viêm lợi, viêm lưỡi, viêm khớp hàm; herpes

- Trong chuyên khoa tai mũi họng: Điều trị viêm amygdale cấp và mãn, viêm họng đỏ, viêm mũi, trĩ mũi, nhọt ống tai

- Trong ngoại khoa: Điều trị vết thương nhiễm trùng, chống sẹo lồi, mụn nhọt, abcès mỏng, chín mé, đinh râu, giảm đau, chống phù nề, cắt trĩ, mổ dạ dày

- Trong phụ khoa: Điều trị viêm lộ tuyến cổ tử cung, viêm âm đạo, viêm tuyến Bartholin, abcès vú

- Trong da liễu: Điều trị eczéma, zona, viêm da thần kinh, loét loạn dưỡng trứng cá hồng Về bệnh hoa liễu: Điều trị bệnh sùi mào gà

- Trong nội khoa: Chống nhiễm trùng, nhiễm độc tế bào gan, đau thần kinh ngoại vi, đau đầu cơ năng, giảm cholesterol trong máu (chống xơ vữa động mạch), suy mạch vành tim, di chứng tai biến mạch máu não

*Ứng dụng laser trong tai-mũi-họng

Trong Khoa Tai-Mũi-Họng, ngày nay laser đã tạo cho bác sỹ phẫu thuật điều kiện làm việc dễ dàng trong nhiều lĩnh vực Tuỳ theo từng vị trí, mục đích ứng dụng

mà ta chọn những loại laser khác nhau

Laser CO2 bức xạ ánh sáng trong miền hồng ngoại trung bình vào bước sóng ở khoảng 10 micromet Vì các phân tử nước hấp thụ ánh sáng này mạnh nên năng lượng tia laser sẽ bị tiêu thụ ngay trên bề mặt nước Tia laser không đi sâu vào được những khoảng không gian có chứa nước, nhưng với đường kính chùm tia rất nhỏ (< 0,2 mm) thì tia laser vẫn có thể làm cho mô bay hơi và qua đó sẽ cắt nó

Ngoài bước sóng, còn có những yếu tố khác ảnh hưởng tới đặc trưng của một tia laser Chẳng hạn một tia sáng của laser CO2 được ố ý điều chỉnh sao cho không nét, sẽ hâm nóng mô trên diện tích lớn và làm cho nó teo lại Trái lại, một tia được điều chỉnh nét, sẽ có thể qua một hệ gương được điều khiển bằng máy tính, được dẫn rất nhanh trên một vùng xác định và khi đó, sẽ tiếp xúc với mỗi điễm chỉ một lần Vì thời gian tác động cực kỳ ngắn nên ở mỗi chỗ được chiếu xạ, chỉ rất ít mô được hoá hơi, nhưng điều đó lại xảy ra một cách điều đặn trên toàn bộ diện Bằng cách này các lớp da hay các lớp niêm mạc được bóc đi khỏi bể mặt, hay là phẳng Phương pháp này được ứng dụng để loại bỏ một cách cẩn thận những khối u lành trong thanh quản Ví dụ: u nhú do virus gây ra

Còn laser neodym-YAG bức xạ ánh sáng trong miền hồng ngoại gần, với bước sóng 1064 nm Ánh sáng này hầu như không bị hấp thụ bởi nước nước, do đó mà tia laser có thể xuyên sâu vào mô và phá huỷ nó bằng nhiệt Loại laser này rất thích hợp

để làm teo những phù nề và các mô chứa nhiều nước khác, chẳng hạn như các bứu thịt

ở mũi

Hồng huyết cầu, chất màu đỏ của máu, hấp thụ ánh sáng nằm trong khoảng

500 - 600 nm Những laser bức xạ ánh sáng trong miền quang phổ này sẽ được dùng

để điều trị các bọt máu nhỏ và trung bình hay cầm máu cho chứng chảy máu cam Ở đây hầu như chẳng bao giờ kích thích các phân tử nước

Ngoài các laser neodym-YAG và laser CO2 là những laser phát bức xạ liên tục, trong khoa Tai-Mũi-Họng cũng còn dùng các laser phát xung ngắn Chúng tạo ra những chớp sáng rất ngắn có công suất rất cao Năng lượng rất cao được giải phóng cục bộ, được ứng dụng để bóc những lát xương mỏng hay phá huỷ cao răng (cặn canxi với nước bọt) hay các sỏi

*Ứng dụng laser trong phẫu thuật

1 Phẫu thuật cổ

- Các khối u ở thanh quản, thực quản, họng thường được cắt bỏ ngay cả khối Việc cắt đoạn (resection) cả khối như thế đòi hỏi một nỗ lực lớn về mặt phẫu thuật cho bệnh nhân và tuỳ vào độ lớn khối u, một khuyết tật rất rộng mà phải được đóng lại với khá nhiều công sức Trái lại một tia cắt chính xác của một tia laser CO2, được điều khiển bằng một vi máy điều khiển (micromanipulator) có kiểm tra bằng kính hiển vi, sẽ để lại những tổn hại nhỏ hơn rất nhiều, thậm chí chẳng cần phải tái xự lý nhờ phẩu thuật Các laser này có thể được ứng dụng trong nhiều trường hợp điều trị, nhưng không nhất thiết là mọi trường hợp Với thanh quản thì ngày nay, ngay ở những khối u rất rộng, vẫn có thể can thiệp nhờ phẫu thuật laser mà vẫn giữ được hoàn toàn hay một phần chức năng của giọng nói Thêm vào đó qua liệu pháp điều trị bằng laser có thể rút ngắn rất nhiều thời gian đều trị nội trú và giảm đáng kể tỷ lệ biến chứng

- Các laser neodym-YAG và laser CO2 rất thích hợp với việc cắt nhỏ những amidan vòm miệng quá lớn Những amidan lớn này không chỉ ngăn cản việc tiếp thu thực phẩm mà còn cản trở quá trình hô hấp Nếu nhờ laser cắt amidan quá lớn, các mạch máu sẽ được cầm máu ngay nhờ nhiệt Như vậy, phương pháp này cho phép phẫu thuật không chảy máu và ngày nay có thể tiến hành điều trị bằng ngoại trú Nhưng trái lại, trong việc cắt bỏ amidan vòm miệng bằng liệu pháp laser vẫn chưa có

tiến bộ đáng kể Ca phẫu thuật rất hay được thực hiện này thường gây đau đớn cho bệnh nhân và cũng luôn kèm theo sự chảy máu kéo dài

2 Phẫu thuật mũi

- Mũi chính là máy điều hoà nhiệt độ cho cơ phổi Nó thực hiện nhiệm vụ hâm nóng và làm ẩm không khí mà chúng ta hít thở Muốn vậy mũi phải dùng tới ba khối phồng - các cánh bướm mũi - khi không khí khô và lạnh chúng sẽ phồng lên, chúng được xếp chồng lên nhau và hoạt động theo cặp Nhưng nếu phồng quá lớn và quá lâu

sẽ cản trở sự hít thở bằng mũi Đây là một bệnh phổ biến ở các nước phát triển, ở đó người ta sinh hoạt thường xuyên trong các phòng có lò sưởi và máy điều hoà, bởi vậy không khí qua khô

- Với bệnh này liệu pháp laser rất đáng tin cậy trong việc cắt nhỏ các cánh bướm dưới Nếu kết hợp dùng các kỹ thuật nội soi sẽ cho phép điều trị ngoại trú, chiều xạ và trực tiếp qua sát Mô sẽ teo lại, hình thành các vết sẹo - và mũi lại thông suốt như trước Ở đây chỉ cần gây mê cục bộ nhẹ nhàng trên bề mặt niêm mạc là đủ

Cả các đường ngân thường hình thành trên vách ngăn trong mũi, ngày nay cũng được

dễ dàng cắt bỏ bằng laser

- Một số người, sau những lần sổ mũi rất thông thường, lại liên tục bị viêm xoang phụ Đó là do một khe hẹp - giải phẫu gây ra, khe này nằm ở bên cạnh cánh bướm giữa xoang chính ở mũi Ở đấy cũng chính là các lối vào xoang phụ Dùng laser

sẽ dễ dàng cắt bỏ những khe hẹp này Khi đó bác sỹ phẫu thuật sẽ cắt nhỏ các cánh bướm giữa cũng như các cấu trúc ở thành ngoài của mũi, bằng cách đó tỷ lệ tái phát giảm hẳn

3 Phẫu thuật tai

- Laser CO2 đã có những thành công lớn trong phẫu thuật tai: ở các điểm cốt thính giác rất nhạy cảm, ngày nay, các bác sỹ đã có thể phẫu thuật mà không cần tiếp xúc Ngoài ra phương pháp này còn cho phép cắt bỏ các xụn mà không làm các chỗ xung quanh bị tổn thất vì nhiệt