Đề tài nghiên cứu khoa học: Tìm hiểu về ứng dụng của laser trong các lĩnh vực và ảnh hưởng của laser đối với con người khi sử dụng

Đề tài nghiên cứu khoa học: Tìm hiểu về ứng dụng của laser trong các lĩnh vực và ảnh hưởng của laser đối với con người khi sử dụng với mục đích nhằm trang bị cho mình những kiến thức về laser nói chung; tìm hiểu về những ứng dụng và tầm quan trọng của laser trong đời sống; nghiên cứu về mức độ ảnh hưởng của laser của laser đối với con người, cụ thể là mắt và da. Từ đó đưa ra cảnh báo đối với người sử dụng.

LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc tới Ban Giám   hiệu tạo điều kiện để em nghiên cứu và hồn thành đề tài của mình.  Em xin chân thành cảm ơn các Thầy, Cơ giáo đã hết sức tận tình giảng dạy,   chỉ bảo và hướng dẫn cho em trong suốt q trình học tập cũng như q trình thực   hiện đề tài này            Đặc biệt, em xin bày tỏ  lòng biết  ơn sâu sắc tới cơ giáo Lê Thị  Phương  Hiền  đã  trực tiếp hướng dẫn, tận tình chỉ  bảo cho em trong suốt q trình em   thực hiện đề tài          Em cũng xin chân thành cảm ơn Ban tổ chức cuộc thi đã tạo ra một sân chơi   bổ ích giúp học sinh chúng em phát huy được những sở trường của mình.  Cuối cùng xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè và những người thân đã   giúp đỡ, động viên em trong q trình thực hiện đề tài này Thái Ngun, tháng 11 năm 2015 Tác giả Nguyễn Thị Trà Giang MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài: 2 Mục đích nghiên cứu 3. Đối tượng nghiên cứu 4. Giả thuyết nghiên cứu 5. Giới hạn ngiên cứu 6. Phương pháp nghiên cứu 4 4 4 7. Nội dung nghiên cứu 8. Những điểm mới của đề tài CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ LASER Sơ lược lịch sử phát triển của laser Laser là gì?  Tính chất của laser 3.1. Tính chất vật lí 3.2. Tính chất sinh học 4. Cấu tạo và ngun lý hoạt động chung của laser 4.1 Cấu tạo  4.2. Phân loại laser 4.3. Ngun lý làm việc của máy phát laser 6 8 10 10 13 17 CHƯƠNG II.  ỨNG DỤNG CỦA LASER VÀ CÁC LƯU Ý KHI SỬ  DỤNG   LASER 1. Ứng dụng của Laser 1.1.Trong khoa học 21 21 21 1.2.Trong y ­ sinh học 1.3.Trong kỹ thuật­cơng nghiệp 1.4.Trong qn sự 2. Sự nguy hiểm của tia laser 2.1. Sự nguy hiểm của laser đối với mắt 2.2. Sự nguy hiểm của laser đối với da 3. Thực trạng về an tồn khi sử dụng laser III. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 21 23 23 26 28 30 36 37 1. Kết luận 43 2. Kiến nghị  43 TÀI LIỆU THAM KHẢO 44 45 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Từ khi được phát minh cho tới nay, laser đã không ngừng được nghiên cứu và   phát triển. Với nhu cầu  ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các lĩnh vực nghiên cứu  khoa học và  ứng dụng cùng những tiến bộ  trong lĩnh vực khoa học vật liệu và  quang điện tử, laser ngày càng được phát triển đa dạng về  chủng loại và đồng  thời kĩ thuật phát laser ngày càng được hồn thiện.   Với những tính chất ưu việt so với nguồn sáng thơng thường, tia laser từ khi   ra đời cho đến nay đã khẳng định được vị  trí quan trọng trong nhiều lĩnh vực:  nghiên  cứu  y  ­  sinh  học,   hóa   học,   quân  sự,  môi   trường,   khoa   học   nano,   cuộc  sống    Tuy nhiên, khi được sử dụng rộng rãi – nhất là trong cuộc sống thì vấn đề an   tồn trong sử dụng laser lại chưa được chú trọng, hoặc có thì cũng chỉ đối với các  nhà nghiên cứu, trong phòng thí nghiệm. Còn các thiết bị  như  đèn laser, bút chỉ  laser,  dùng trong cuộc sống hàng ngày thì ít ai để  ý tới, nó có gây hại với con   người hay khơng, có  ảnh hưởng đến mắt và da hay khơng hầu như  rất ít người  quan tâm. Người xử dụng hay tiếp xúc với nguồn sáng này khơng biết rằng rất có   thể  mắt của họ  đang bị   ảnh hưởng, và thị  lực tự  nhiện giảm trầm trọng là có lí   2. Mục đích nghiêm cứu ­ Nhằm trang bị cho mình những kiến thức về laser nói chung ­ Tìm hiểu về những ứng dụng và tầm quan trọng của laser trong đời sống ­ Nghiên cứu về mức độ ảnh hưởng của laser của laser đối với con người, cụ thể  là mắt và da. Từ đó đưa ra cảnh báo đối với người sử dụng.  3. Đối tượng nghiên cứu    ­ Các thiết bị có phát chùm sáng laser: Bút chỉ laser, đèn laser có cơng suất khác   nhau, súng laser đồ chơi trẻ em 4. Giả thuyết nghiên cứu ­ Có thể  tìm hiểu các mức độ   ảnh hưởng của chùm sáng laser đối với con   người, từ  đó đưa ra cảnh báo, những điều cần lưu ý khi sử  dụng laser trong   cuộc sống 6. Phương pháp nghiên cứu Đề tài chủ yếu là nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm ­ Tìm hiểu, nghiên cứu tư liệu trên internet, trên các bài báo khoa học, trên các  tài liệu tham khảo về ­ Lý thuyết: Tìm hiểu, nghiên cứu tư liệu trên internet, trên các bài báo khoa  học, trên các tài liệu tham khảo về laser ­ Thực nghiệm: Thử nghiệm mức độ ảnh hưởng của đèn laser trên một số  chất liệu như: giấy, gỗ, nhựa 7. Nội dung nghiên cứu ­ Nghiên cứu tổng quan về laser ­ Nghiên cứu ảnh hưởng của laser đối với con người khi sử dụng, tiếp xúc  vơi nguồn sáng laser Ngồi phần mở đầu và kết luận thì đề tài gồm 2 chương: Chương I: Ứng dụng của laser Chương II: Ứng dụng của laser và các lưu ý khi sử dụng laser 8. Những điểm mới của đề tài ­ Ngồi tìm hiểu về   ứng dụng của laser trong các lĩnh vực thì đề  tài còn tìm  hiểu về mức độ ảnh hưởng của nó. Đặc biệt là ảnh hưởng đến mắt và da. Từ  đó có những cảnh báo để có thể phòng tránh những tác hại mà chùm sáng này   gây nên CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ LASER 1. Sơ lược lịch sử phát triển của laser Laser là một phát minh vĩ đại của thế kỷ XX, đã và đang chứng tỏ vai trò của   mình trong sự  phát triển của khoa học kĩ thuật cũng như  trong các  ứng dụng  ở  nhiều ngành khác nhau của nền kinh tế quốc gia Laser được phỏng theo maser. Laser và maser có cơ  chế  hoạt động giống  nhau. Nhưng khác nhau  ở chỗ, maser hoạt động với tần số phơtơn ở vùng vi sóng  (sóng vi ba), còn laser hoạt động trong vùng cực tím, ánh sáng nhìn thấy hay vùng  hồng ngoại Albert Einstein (1879 – 1955) Tóm lược lịch sử phát triển của laser: 1984 ­ 1940: Lịch sử phát triển của phổ học thiên văn 1917: Einstein đưa ra thuyết phơtơn và bức xạ cưỡng bức  1954: Maser đầu tiên ra đời 1960:  Laser  quang học   đầu tiên  ra  đời bởi  Theodore  Maiman and  Nikolai Bassow: Laser Ruby 1965: Phát hiện ra laser vi ba trong tinh vân Orion 1965: Sự phát hiện ra phơng bức xạ của vũ trụ  nhờ sử  dụng sóng vi  ba  1966: Laser khí động lực đầu tiên ra đời 1970: Lần đầu tiên đưa laser hoạt động lên các vì sao 1973: Phát hiện laser hoạt động trên các chuẩn tinh (ngơi sao) 1979: Laser hồng ngoại gần tìm thấy ở tinh vân Orion 1981: Laser CO2 được tìm thấy ở trong khí quyển và sao Kim 1984: Laser tia X đầu tiên được ra đời 1993: Laser Plasma đầu tiên ra đời 1994: Sử dụng laser nhân tạo làm thiết bị chỉ dẫn tới các ngôi sao 1995:   Laser   hồng   ngoại   xa     tìm   thấy     Kuiper   Airborne   Observatory 1996: Laser tử ngoại được tìm thấy bởi Hubble Space Telescope 2000 ­ nay: Khảo sát, chế tạo nhiều loại laser mới phủ gần hết dải   sóng điện từ và đưa vào ứng trong nghiên cứu khoa học ­ cơng nghệ nano… 2. Laser là gì? Laser     tên   gọi   tắt     tiếng   Anh   “ Light   Amplification   of   Stimulated   Emision of Radiation”, nghĩa là sự phát xạ ánh sáng nhờ bức xạ cưỡng bức Laser chính là các bức xạ  điện từ  có bước sóng nằm trong khoảng gần tia   X đến vùng hồng ngoại xa (hình 1.1) Hình 1.1: Vùng quang phổ 3. Tính chất của laser 3.1. Tính chất vật lí 3.1.1. Độ đơn sắc cao Độ đơn sắc của một chùm tia được đặc trưng bởi độ  rộng vạch chùm (hình  1.2) Độ  rộng phổ  của chùm tia laser rất nhỏ  cỡ  10­8 A0. Do vậy, tia laser có độ  đơn sắc cao Ánh sáng nhìn thấy Hình 1.2. Phổ của các ánh sáng đơn sắc trong phổ nhìn thấy 3.1.2. Tính định hướng cao Tính định hướng cao chùm tia laser được thể  hiện là sự  tập trung năng  lượng ở một góc khối rất nhỏ và tạo nên cường độ rất lớn (hình 1.3). Do vậy, tia   laser có thể chiếu xa hàng ngàn km mà khơng bị tán xạ    Hình 1.3. Độ định hướng của laser 3.1.3. Có khả năng phát xung cực ngắn Xung ngắn cỡ  mili giây (ms), nano giây, pico giây (ps), femto giây (fs) cho  phép tập trung năng lượng tia laser cực lớn trong thời gian cực ngắn 3.1.4. Độ rộng phổ Độ  chói của nguồn sáng được tính bằng cách chia cơng suất của chùm sáng  cho độ rộng của phổ. Vì độ rộng của phổ Laser rất nhỏ nên laser có độ  tập trung  các tia sáng rất cao, hay nói cách khác là độ  chói rất cao so với các nguồn sáng  khác Ví dụ: laser có cơng suất thấp là laser He­Ne cũng có độ  chói gấp hàng vạn  lần độ  chói của ánh sáng mặt trời. Những laser có cơng suất lớn có độ  chói cao  gấp hàng triệu lần mặt trời 3.1.5. Tính kết hợp cao Tia laser có tính kết hợp rất cao so với ánh sáng từ các nguồn khác. Có thể  trưc tiếp sử dụng các chùm tia này để tạo ra giao thoa 3.1.6. Cường độ lớn Cường độ điện trường trong chùm tia laser có thể đạt được 1010 V/m. Cơng  suất tia laser có thể đạt được là 105 W ở chế độ liên tục và 1012 W ở chế độ xung Đây là những tính chất  ưu việt mà những tia sáng bình thường khơng có   được. Vì thế, laser là một nguồn sáng q giá có nhiều ứng dụng cụ thể 3.2. Tính chất sinh học 3.2.1. Hiệu ứng kích thích sinh học Thường xảy ra với Laser cơng suất thấp cỡ  mW, tác động lên các đặc tính  sống như: q trình sinh tổng hợp protein, q trình tích luỹ sinh khối, q trình hơ  hấp tế bào. Làm gia tăng q trình phân bào, thay đổi hoạt tính men, thay đổi tính   thấm màng tế bào, tăng miễn dịch khơng 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 sự kích thích hơ hấp tế bào ­ Phản  ứng chậm (hay gián tiếp) là tác dụng muộn sau hàng giờ  hay hàng  ngày, biểu hiện bằng sự gia tăng q trình phân chia tế bào 3.2.2. Hiệu ứng nhiệt Cơng suất chùm tia có thể  tới hàng trăm Watt, khi đó quang năng của laser  biến thành nhiệt để đốt nóng các tổ chức sinh học. Hiệu ứng nhiệt có hai cách tác   dụng: ­ Cơng suất khơng cao, thời gian tác động dài: sẽ làm nóng chảy tổ chức sinh  học và sau đó các tổ chức bị đơng kết lại (gọi là hiệu ứng quang đơng) có tác dụng  tốt cho cầm máu trong ngoại khoa ­ Cơng suất cao, thời gian ngắn: làm bay hơi tổ  chức sinh học (gọi là hiệu   ứng bay hơi tổ  chức) là cơ  sở  của dao mổ  laser với nhiều  ưu điểm trong phẫu   thật 3.2.3. Hiệu ứng quang ion Hiệu  ứng quang ion còn gọi là hiệu  ứng quang cơ  vì quang năng của laser   biến thành cơ năng để bóc lớp (khơng có tác động nhiệt) hay phá sỏi với xung cực  ngắn, cơng suất đỉnh cực cao 10 từ  mặt giác mạc tới võng mạc. Cho phép quang sai trong hệ thủy tinh thể ­ giác  mạc, và nhiễu xạ  tại mống mắt, một con mắt hiệu chỉnh tốt có khả  năng hội tụ  một đốm sáng 20 micrơ mét lên võng mạc. Ý nghĩa của tính hiệu quả này của mắt  là ngay cả một chùm laser cơng suất thấp, nếu nó chạm tới mắt, cũng có thể được   hội tụ  lên võng mạc và nhanh chóng đốt cháy một lỗ    trong mơ, làm phá hỏng  vĩnh viễn dây thần kinh thị giác. Trong trường hợp chùm laser đi vào mắt trực tiếp  (nhìn trực diện), một chùm 1 mW tạo ra giá trị  độ  rọi võng mạc vào bậc 100  W/cm2. Hãy so sánh, việc nhìn trực tiếp Mặt Trời tạo ra độ rọi tại võng mạc xấp   xỉ 10 W/cm2 Hình 3.12 minh họa kết quả hội tụ trong mắt đối với một nguồn trải rộng,    một bóng đèn thủy tinh thơng thường, so với chùm laser chuẩn trực cao có  tính chất thật sự của một nguồn điểm. Do sự  khác biệt bản chất của các nguồn   sáng, nên mật độ cơng suất tại võng mạc đối với một chùm laser 1 mW hội tụ có   thể lớn hơn 1 triệu lần so với một bóng đèn 100W chuẩn. Giả sử một chùm laser   Gauss hồn hảo, trực tiếp đi vào một con mắt khơng có quang sai, thì kích thước  đốm giới hạn nhiễu xạ  có đường kính 2mm tại võng mạc là khả  dĩ, so với đốm  hội tụ  kích thước vài trăm mm đối với nguồn trải rộng. Giá trị  độ  rọi (mật độ  công   suất)   tương   ứng     võng   mạc,       rõ     hình   3,   xấp   xỉ   10 8 và  102 W/m2 Có thể nghĩ rằng một đốm cháy trên võng mạc đo được thậm chí 20mm sẽ  khơng ánh sáng đáng kể đến thị lực, vì võng mạc chứa hàng triệu tế bào hình nón.  Tuy nhiên, các thương tổn võng mạc thực tế thường lớn hơn đốm hội tụ  cơ  bản  do các hiệu ứng âm và nhiệt thứ cấp, và tùy thuộc vào vị trí, thậm chí một thương   tổn cực kì nhỏ đối với võng mạc cũng có thể gây nguy hiểm nghiêm trọng cho thị  lực. Trong trường hợp phơi sáng tệ  hại nhất, với con mắt thư giãn (hội tụ  tại vơ  cùng) và chùm laser đi vào mắt trực tiếp hoặc từ một sự phản xạ phản chiếu, thì   chùm tia được hội tụ đến kích thước đốm nhỏ nhất của nó trên võng mạc. Nếu sự  phá hủy xảy ra tại nơi dây thần kinh thị giác đi vào mắt thì kết quả sẽ là sự  mất   34 hồn tồn thị  lực. Sự  cháy võng mạc rất thường xảy ra tại khu vực nhìn chính  giữa, tức điểm vàng, có kích thước ngang chừng 2mm và dọc 0,8mm. Vùng chính   giữa của điểm vàng, gọi là hốc giữa, có đường kính chỉ khoảng 150 mm và mang  lại sự nhìn sắc nét cao và cảm giác màu sắc. Các vùng võng mạc nằm ngồi khu   vực nhỏ xíu này cảm nhận ánh sáng và phát hiện chuyển động, cấu thành sự nhìn   ngoại biên, nhưng khơng góp phần cho sự  nhìn chi tiết. Do đó, sự  phá hủy điểm   vàng, mặc dù cấu trúc này chỉ chiếm khoảng 3­4% diện tích võng mạc, có thể làm  mất tức thời sự nhìn tốt Dải bước sóng truyền qua các cấu trúc bên ngồi của mắt và đi tới võng mạc  gồm tồn bộ  phổ  ánh sáng khả  kiến từ  màu lam (400nm) tới màu đỏ  (700nm) và   vùng hồng ngoại gần có bước sóng 700­1400nm (IR­A). Vì võng mạc khơng phản  ứng với bức xạ nằm ngồi phổ khả kiến, nên khơng có cảm giác nào sinh ra trong  mắt khi phơi ra trước ánh sáng hồng ngoại gần, kết quả là mang lại sự rủi ro lớn  hơn nhiều đối với các laser hoạt động trong vùng phát xạ này. Mặc dù khơng nhìn   thấy, nhưng chùm tia vẫn hội tụ lên võng mạc. Như đã đề cập ở  trên, vì tính hội  tụ hiệu quả của mắt, nên một lượng tương đối nhỏ  bức xạ laser cũng có thể  làm  thương tổn võng mạc, và trong một số  trường hợp còn gây ra hậu quả  thị  lực   nghiêm trọng. Laser dạng xung phát ra cường độ  cao có thể gây ra sự  xuất huyết  khi hội tụ trong mắt, và sự phá hủy có thể mở rộng ra khoảng cách lớn tính từ khu  vực hội tụ. Thương tổn võng mạc thì khơng lành, và nói chung là khơng chữa  Sự  hấp thụ  trong các bộ  phận khác của mắt, chủ  yếu là giác mạc và thủy  tinh thể, làm hạn chế sự phơi sáng cho võng mạc đối với vùng bước sóng tụ  của  mắt, đó cũng có thể  xem là vùng gây nguy hiểm cho võng mạc. Trong q trình  hấp thụ, các cấu trúc hấp thụ  tự  chúng trở  thành đối tượng bị  phá hủy. Chỉ  mơ   nào hấp thụ bức xạ, và những mơ lân cận tức thời xung quanh nó, là đối tượng bị  thương tổn và đa số trường hợp phá hủy gay gắt là do phơi ra trước bức xạ laser   bên ngồi vùng bước sóng 400­1400nm khơng có các hiệu  ứng tồn tại lâu. Giác   35 mạc xử sự giống như da ở chỗ nó chịu sự bồi tiếp liên tục, và chỉ một sự phá hủy   hơi gay gắt làm dơ nó cũng có thể  có một số ảnh hưởng đến thị  lực. Đa số nguy  hiểm cho giác mạc là do bức xạ laser trong vùng phổ hồng ngoại xa và tử ngoại Vì mức độ  hội tụ  cao xảy ra bên trong mắt, nên việc phơi sáng trước một  chùm laser kết hợp tương đối yếu có thể  gây ra sự  phá hủy vĩnh viễn, tức thời   Bởi vậy, khi sử dụng một laser mạnh, một sự phản xạ phản chiếu (nh ằm duy trì  chùm tia kết hợp) chỉ  vài phần trăm, trong một phần nhỏ  của giây, có khả  năng   gây ra tổn hại cho mắt. Trái lại, khi chùm tia laser bị tán xạ bởi sự phản xạ từ một   bề mặt gồ ghề, hoặc thậm chí từ bụi bặm trong khơng khí, thì tia phản xạ khuếch  tán đi vào mắt  ở góc lớn hơn. Với năng lượng chùm tia trải ra trong một phạm vi   rộng hơn, nên tia phản xạ  có đặc trưng của một nguồn trải rộng, và tạo ra  ảnh   lớn hơn trên võng mạc, so với sự hội tụ tập trung tạo ra bởi một nguồn điểm .Sự  khuếch tán của chùm tia theo kiểu này làm giảm nguy cơ phá hỏng mắt, khơng chỉ  bằng việc làm tăng kích thước nguồn và làm giảm mật độ  cơng suất, mà còn phá   vỡ sự kết hợp của chùm tia khá tốt Khả năng phá hỏng mắt có thể phân loại đối với bước sóng laser và cấu trúc   mắt bị   ảnh hưởng, với những thương tổn lớn nhất cho võng mạc và gây ra bởi  bức xạ  trong vùng phổ  khả  kiến và hồng ngoại gần. Sự  cháy nhiệt, sự  phá hủy   âm học, hoặc sự biến đổi quang hóa có khả năng xảy ra tùy thuộc vào năng lượng   hấp thụ. Các hiệu ứng sinh học tác động lên mơ mắt, biểu hiện trong những dải   bước sóng khác nhau, được tóm lược như sau, và được kê trong bảng 1 Tử  ngoại B và C (200­315nm): Bề  mặt giác mạc hấp thụ  mọi ánh sáng tử  ngoại trong vùng này, ngăn cản những bước sóng này đi tới võng mạc. Một dạng  sừng hóa (cũng còn gọi là chớp sáng của thợ hàn) có thể để  lại qua một q trình  quang hóa làm biến tính các protein trong giác mạc. Ngồi cơng suất laser, bức xạ  trong vùng này còn có thể  phát sinh từ  ánh sáng bơm laser, hoặc một thành phần  ánh sáng lam từ một tương tác mục tiêu/ Loại tổn thương mắt này thường khơng  tồn tại lâu do sự tái sinh nhanh chóng của các mơ giác mạc 36 Tử  ngoại A (315­400nm): Giác mạc và thủy dịch cho truyền qua vùng bước   sóng này, sau đó chúng chủ yếu bị hấp thụ bởi thủy tinh thể của mắt. Sự biến tính   quang hóa của các protein có thể dẫn tới bệnh đục nhãn mắt Ánh sáng khả  kiến và hồng ngoại A (400­1400nm): Vùng phổ  này thường  được gọi là vùng gây nguy hiểm cho võng mạc, do trong thực tế  giác mạc, thủy   tinh thể và thủy tinh dịch của mắt là trong suốt đối với những bước sóng này, và   năng lượng ánh sáng bị hấp thụ trong võng mạc. Sự phá hủy võng mạc có thể xảy   ra qua q trình nhiệt hoặc quang hóa. Sự  phá hủy quang hóa đối với các tế  bào  cảm quang của võng mạc có thể làm giảm lượng ánh sáng hoặc cảm giác màu, và  các bước sóng hồng ngoại có thể  gây ra bệnh đục nhãn mắt   thủy tinh thể   Thương tổn có khả  năng nhất khi năng lượng laser bị  hấp thụ  đủ  là mắt bị  cháy   nhiệt, trong đó sự  hấp thụ  ánh sáng bởi các hạt melanin và các biểu mơ sắc tố  chuyển hóa thành nhiệt. Sự  hội tụ  bức xạ  laser bởi giác mạc và thủy tinh thể  trong dải bước sóng này làm khuếch đại độ  rọi lên chừng 100.000 lần tại võng  mạc. Đối với laser ánh sáng khả kiến cơng suất tương đối thấp, khả năng thương  tổn sẽ giảm bớt do phản xạ khó chịu (mất chừng 0,25 giây) làm tránh được chùm   tia sáng chói. Tuy nhiên, nếu năng lượng laser để  gây ra phá hủy ngắn hơn 0,25  giây, thì cơ chế phòng vệ tự nhiên này khơng hiệu quả, hoặc khơng mang lại bất  cứ sự bảo vệ nào cho dải hồng ngoại gần khơng nhìn thấy có bước sóng giữa 700  và 1400nm. Laser hoạt động ở dạng xung còn có rủi ro khác nữa do khả năng phát   sóng gây sốc âm trong mơ võng mạc. Các xung laser có thời gian dưới 10 micro   giây gây ra các sóng gây sốc làm vỡ  mơ. Loại thương tổn này là vĩnh viễn và có   thể gay gắt hơn sự cháy nhiệt, vì sự phá hủy âm thường ảnh hưởng tới một vùng  rộng hơn của võng mạc, và u cầu năng lượng tạo ra hiệu  ứng thấp hơn. Bởi   vậy,   độ   phơi  sáng  cực   đại được   phép  trong    chuẩn  điều chỉnh  phải  giảm  xuống đối với laser xung ngắn Hồng ngoại B và hồng ngoại C (1.400 – 1.000.000nm):  Ở những bước sóng  dài hơn 1400nm, giác mạc hấp thụ  năng lượng do thành phần nước của mơ và  37 màng nước mắt tự nhiên, và sự tăng nhiệt độ thu được gây ra sự biến tính của các  protein nằm gần bề  mặt. Chiều sâu xâm nhập tăng lên   những bước sóng dài   hơn, và các  ảnh hưởng nhiệt lên protein thủy tinh thể,  ở nhiệt độ  tới hạn khơng   cao lắm so với nhiệt độ cơ thể  bình thường, có thể dẫn đến sự  kéo mây, thường   gọi là đục nhãn mắt hồng ngoại. Ngồi việc hình thành bệnh đục nhãn và cháy  giác mạc, bức xạ  hồng ngoại còn có thể  làm tóe thủy dịch, trong đó mơi trường  thủy dịch trong suốt bình thường của khoang phía trước bị  tổn hại vì các mạch   máu bị vỡ Nói chung, bức xạ laser tử ngoại và hồng ngoại gần bị hấp thụ tại giác mạc   hoặc thủy tinh thể, và kết quả của nó phụ  thuộc vào cường độ  và thời gian phơi   sáng. Ở cường độ cao, sự cháy nhiệt tức thời xảy ra, còn sự phơi sáng thấp hơn   có thể dẫn đến bệnh đục nhãn mắt trong thời gian nhiều năm. Các mơ màng kết  của mắt cũng có thể bị thương tổn do phơi sáng laser, mặc dù sự phá hủy các mơ   màng kết   màng  sừng thường  xảy       mức  cơng suất cao hơn  so  với  thương tổn võng mạc. Vì thương tổn võng mạc tạo ra những kết quả  tức thì   nghiêm trọng hơn, nên sự  tổn hại màng sừng thường chỉ  được xem là một mối  quan tâm nghiêm trọng đối với các laser hoạt động ở  những bước sóng khơng tới  được võng mạc (về cơ bản là hồng ngoại xa và tử ngoại) 2.2. Sự nguy hiểm của laser đối với da Mối nguy hiểm laser đối với sự  phơi sáng da thường ít quan trọng hơn mối   nguy hại cho mắt, mặc dù cùng với sự tăng cường sử dụng các hệ laser cơng suất  ngày càng cao, nhất là các bộ phát tử ngoại, thì lớp da khơng được bảo vệ có thể  phơi ra trước mức độ bức xạ cực kì nguy hiểm trong những hệ khơng được đóng   kín hồn tồn. Vì da là cơ quan rộng nhất của cơ thể, nên chịu sự ảnh hưởng lớn   nhất đối với việc phơi sáng trước chùm laser, và đồng thời bảo vệ có hiệu quả đa   số các cơ quan khác khỏi bị phơi sáng (trừ trường hợp là mắt). Điều quan trọng là  hãy xét nhiều laser được thiết kế  cho mục đích làm biến đổi vật liệu, như  cắt   hoặc khoan các vật liệu có sức chịu đựng lớn hơn da rất nhiều. Bàn tay, cánh tay  38 và đầu là các bộ phận của cơ thể rất dễ bị phơi sáng tình cờ trước chùm tia laser  khi canh chỉnh hoặc điều chỉnh những thiết bị thực nghiệm khác đang hoạt động,  và nếu chùm tia có cường độ  đủ  mạnh, thì sự  cháy nhiệt, phá hủy quang hóa, và  thương tổn âm có thể xảy ra Nguy hiểm lớn nhất cho da đến từ  mật độ  cơng suất cao của chùm tia laser   và bước sóng của bức xạ xác định mức độ  sâu của da bị  phá hủy và loại thương   tổn do nó mang lại. Chiều sâu xâm nhập của bức xạ laser vào da là lớn nhất trong  vùng bước sóng chừng 300­3000nm, đạt tới cực đại trong vùng phổ hồng ngoại A   tại khoảng 1000nm. Nếu laser có khả  năng gây phá hủy da được sử  dụng, thì  những phòng ngừa tương xứng phải được thực hiện nhằm bảo vệ da, ví như mặc   áo tay dài và mang găng tay làm từ  chất liệu chịu lửa thích hợp. Trong nhiều   trường hợp, cơng suất laser thấp hơn có thể được sử dụng cho thủ tục canh chỉnh   được u cầu trong những thí nghiệm dự tính trước .  3. Thực trạng về an tồn khi sử dụng laser Nguồn sáng laser là một nguồn sáng ưu việt, có rất nhiều ứng dụng trong các  lĩnh   vực   như:   khoa   học   kỹ   thuật,   y   học,   quân           sống   hàng  39 ngày, Đặc biệt khi cơng nghệ  laser phát triển, laser được đưa vào sử  dụng rất   rộng rãi trong đời sống. Tuy nhiên vấn đề an tồn đối với con người khi sử dụng   laser lại chưa thực sự được quan tâm. Có rất nhiều lí do, mà theo tìm hiểu của em   thì chủ yếu là do chủ quan và thiếu kiến thức về laser của người sử dụng chúng.  Những dụng cụ phát chùm tia laser có cơng suất nhỏ, tưởng chừng như  sẽ khơng  gây bất kỳ  nguy hiểm nào cho người sử  dụng, nhưng chính từ  sự  chủ  quan và   thiếu kiến thức về sự nguy hiểm của chùm laser mà dẫn đến một số  thực trạng  an tồn khi sử dụng nguồn sáng laser Vấn đề cấp thiết cần đề cập đến đầu tiên là đồ chơi trẻ em Ví dụ: súng đồ  chơi gắn tia laser, que phát sáng laser cầm tay, đồ  chơi laser  giải trí tạo ra hiệu ứng quang học trong một căn phòng, Đồ chơi có phát chùm tia laser thường làm trẻ em bị thương nghiêm trọng về  mắt. Bởi vì các nhà quảng cáo quảng bá chúng chỉ là đồ chơi, phụ huynh và trẻ em   hồn tồn tin rằng họ đang sử dụng một món đồ chơi an tồn. Nhiều một đứa trẻ  (và cả  phụ  huynh) cho rằng chơi đồ  chơi tia laser khiến cho họ trơng ngầu hơn   Nhưng họ có thể khơng biết điều này: khi khơng biết cách sử dụng an tồn, hoặc   khơng có sự  điều khiển nhất định, mức độ  ánh sáng cao tập trung từ  tia laser có   thể nguy hiểm, gây chấn thương mắt nghiêm trọng và thậm chí mù lòa. Sau đây là    dẫn   chứng   cu   thể,   thông   tin     trích   từ       báo     trang   http://vietq.vn/: Một cậu bé mười tuổi phải nhập viên kiểm tra vì mắt trái khơng nhìn thấy   gì, tròng mắt có các đốm màu đen, Sự việc xảy ra sau khi cậu nghịch bút laser. Bác   sĩ kết luận, cậu bé bị  bỏng tia laser, gây thương tổn vĩnh viễn, thị  lực chỉ còn 0,1   %. Trước đó, nhiều lần kiểm tra mắt bé cho thấy hai mắt bé đều hồn tồn bình   thường. Cha mẹ  cậu bé lặn lội từ  An Huy lên Bắc Kinh nhưng các bác sĩ cũng   phải   bó   tay   trước   trường   hợp         xạ   laser     gây   tổn   thương   vùng  điểm vàng, không thể  điều  trị  được  Trước  đến giờ   tuy  đã  có  nhiều  lời cảnh  báo nhưng chưa có vụ  bỏng laser nào gây hậu quả  nghiêm trọng như  vậy. Theo  40 phân tích của bác sĩ, có thể  cậu bé đã chiếu tia laser vào mắt nhiều lần nên mắt   mới bị tổn thương nghiêm trọng đến thế” Khơng chỉ có bút laser, những sản phẩm có khả năng phát ra tia laser đều có  thể  gây tổn thương giác mạc. Trên mạng, có rất nhiều loại thiết bị  laser đang  được bày bán tràn lan trên thị  trường và trên mạng xã hội. Theo khảo sát trên thị  trường, nhiều cửa hàng bày bán loại sản phẩm cũng có treo biển “Tia laser có thể  gây hại cho mắt, khơng chiếu trực tiếp tia laser vào mắt, để  tránh xa tầm tay trẻ  em.” Tuy nhiên những tấm cảnh cáo như  vậy khơng nhiều, và càng khơng thấy  xuất hiện trên những trang bán hàng online. Tại trang này, người có nhu cầu dễ  dàng mua được súng laser, kiếm laser, đèn laser, nhẫn laser và nhiều loại đồ  chơi  laser tương tự khác và khơng có nhãn sản phẩm cụ thể gì Khơng khó khăn gì để chúng ta có thể tìm một địa chỉ bán những thiết bị như  bút chỉ laser, đèn laser cơng suất cao, đèn laser cơng suất cực cao trên internet. Chỉ  cần lên mạng tìm kiếm với các từ khóa như: đèn laser cơng suất cao, đèn laser,…   ngay lập tức các kết quả  tìm kiếm cho ta rất nhiều thơng tin, hình ảnh, thậm chí  còn có cả quảng cáo về cơng dụng của từng sản phẩm hữu hiệu như thế nào.  Giới trẻ đang truyền tai nhau một loại đồ dùng tường chừng rất đơn giản và   thơng dụng nhưng lại có những tính năng “đặc biệt” gây hại rất lớn đối với sức  khỏe con người, đó là một loại đèn laser cơng suất rất lớn, có thể  đốt cháy được   thuốc lá, cao su thậm chí là sắt thép. Theo đó, loại đèn này có hình dạng rất  giống như đèn pin, có đủ các kích cỡ khác nhau nhưng ngồi cơng dụng phát ra ánh  sáng thì lượng nhiệt của nó lại có khả năng sát thương cao nhất là đối với mắt và  da khi tiếp xúc trực tiếp 41   Hình 2.12. Đèn laser có cơng suất lớn được bày bán tràn lan ngồi thị   trường và trên các trang web mua bán điện tử Theo tìm hiểu của phóng viên, loại đèn này hiện đang được bày bán khá cơng   khai ở  các thành phố  lớn nhất là Hà Nội và TP.HCM, giá của loại sản phẩm này  cũng khơng hề rẻ, mỗi sản phẩm có giá từ 2 đến 4 triệu đồng, thậm chí có những   loại giá có thể lên tới 7 đến 8 triệu. Theo tiết lộ của một người bán loại đèn này  tại chợ  Giời (Hà Nội), thì nguồn gốc xuất xứ  chủ  yếu là từ  Trung Quốc, với   những loại đèn từ  Trung Quốc thì giá sẽ  mềm hơn gần một người so với những   loại khác. Ngồi ra, còn có các mặt hàng có nguồn gốc xuất cứ từ Mỹ, Hàn Quốc   và Nhật Bản. Theo lời người bán hàng, những loại đèn khơng phải từ Trung Quốc  thì chất lượng tốt nhưng giá thành lại rất cao Khơng chỉ ngồi thị trường mà nhiều người kinh doanh còn tận dụng lợi thế  của mạng Internet để giới thiệu, quảng bá các loại đèn này, trên các trang web bán  hàng trực tuyến các cơng dụng của đèn laser còn được quay clip giới thiệu rất kỹ,   nào là đốt cháy giấy, carton, thuốc lá, khoan thủng kim loại … Liên hệ  với một đầu số  điện thoại trên mạng về  việc muốn mua loại đèn   này thì được biết, loại phổ thơng nhất là đèn laser màu đỏ cơng suất 270­ 300mw (  bước sóng ánh sáng 650nm) có thể đốt chảy nhựa,cháy diêm   ban đêm thấy 1 tia  sáng xa hàng km. Kết cẩu vỏ  bằng inox sang trọng, nhỏ  gọn và rất tiện dụng   Khơng chỉ vậy, chủ th bao này còn tâng bốc sản phẩm là “bảo bối đi đêm” đang   42 được giới trẻ   ưa dùng vì nó khơng chỉ  có tác dụng “soi đường” mà còn phòng vệ  rất an tồn   Hình 2.13. Với cơng suất 270­ 300mw ( bước sóng ánh sáng 650nm)   có thể đốt chảy nhựa,cháy diêm Theo các nhà nghiên cứu, việc dùng đèn laser có cơng suất lớn để chiếu sáng   là việc làm hết sức nguy hiểm tới con người nhất là với mắt. Thơng thường,   người ta chỉ dùng đèn laser cực nhẹ để chỉ sơ đồ (bản đồ) hay thuyết trình trên các   lớp học. Đối với loại đèn này, nhà sản xuất cũng khuyến cáo là khơng nên để tiếp   xúc trực tiếp vào mắt Còn loại đèn laser nữa hiện cũng được sử  dụng khá nhiều và rất nguy hiểm   đó là đèn laser phục vụ trong các vũ trường, đèn laser phục vụ các sân khấu ngồi  trời, đối với loại này nếu chiếu qua mắt có thể khơng gây mù ngay lập tức nhưng   cũng có thể làm giảm thị lực rất nhiều Tại nhiều nước phát triển như  Mỹ, hiệp hội bảo vệ sóng bức xạ  quốc gia   (The   National   Radiological   Protection   Board   ­   NRPB)       liên   tục   đưa     những cảnh báo về  các loại đèn chiếu đang được sử  dụng có thể  gây ra những   chấn thương nghiêm trọng. NRPB cho biết, những sản phẩm này thường thiếu  các thơng tin sử  dụng an tồn và những người điều khiển chúng lại khơng hề  có  kinh nghiệm trong vấn đề an tồn laser nên rất nguy hiểm 43 Hình 2.14.  Nhựa, bìa các­tơn, thậm chí kim loại cũng bị loại đèn này   đốt cháy Còn đối với loại đèn laser được giới thiệu trên mạng là có khả  năng đốt  khoan thủng kim loại, đốt cháy gỗ, nhựa thì lại càng nguy hiểm hơn đối với con  người. Bác sĩ Vũ Huy Hồng (viện Mắt Trung  ương) nhận định, những loại đèn   laser cầm tay, có cơng suất lớn như vậy thì chắc chắn khả năng sát thương của nó  rất kinh khủng. Nếu loại đèn này rọi vào mắt thì khẳng định 100% là đối tượng   sẽ bị mù vì nổ con ngươi. Khơng chỉ có vậy, ở một cự li ngắn nếu làn da mà bị tia  laser chiếu vào thì sẽ gây bỏng rất nguy hiểm Theo bác sĩ Hồng, tình trạng bán tràn lan loại đèn này ngồi thị trường sẽ rất  nguy hiểm, khơng chừng sẽ  tiếp tay cho các phần tử  xấu lợi dụng để  trả  thù cá   nhân gây hại cho nhiều người xung quanh. Vì thế, cơ  quan quản lý cần phải can   thiệp kịp thời và có biện pháp xử lý thích đáng. (Theo Chất lượng Việt Nam) Một đèn laser  cơng suất cao có thể  ngay lập tức làm que diêm bùng cháy, hay đốt   cháy bất kỳ vật gì nó chiếu tới (giấy, quả bóng nhựa, gỗ hay là các tấm kim loại mỏng, …) vậy thì thử đặt một câu hỏi: những sản phẩm gây sát thương như vậy có nguy hiểm  đối với người sử  dụng và mọi người xung quanh khơng? Tại sao nó lại được bầy bán   một cách rộng rãi và khơng có một cảnh báo cụ thể nào đối với các sản phẩm đó 44 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 1. Kết luận Qua q trình nghiên cứu, tìm hiểu đề  tài em đã hiểu rõ hơn về  cấu tạo,   ngun lý hoạt động của laser   Đó là bức xạ  có những tính chất đặc biệt mà nguồn sáng thơng thường  khơng có được. Do đó mà laser trở  thành một nguồn sáng  ưu việt và được  ứng   dụng  ở trong mọi lĩnh vực. Đặc biệt là với laser bán dẫn có nhiều ưu thế  so với   các laser khác: phổ biến, hiệu suất cao, nhỏ gọn, thời gian sống dài Em thấy đây là những kiến thức bổ  ích. Đồng thời, q trình này giúp em  bước đầu làm quen với cơng tác nghiên cứu khoa học Với việc nghiên cứu và khảo sát về  laser diode, đề  tài thu được một số  kết  quả sau: Bước đầu hệ thống hố được cơ sở lý thuyết chung về laser, ngun lý  hoạt động chung laser Tìm hiểu về   ứng dụng của laser, những  ảnh hưởng của laser đến sức   khỏe con người và những lưu ý khi sử dụng các nguồn laser trong cuộc   sống hàng ngày Do năng lực và thời gian nghiên cứu đề  tài còn nhiều hạn chế mà đề  tài lại  đề  cập đến nhiều vấn đề  thuộc lĩnh vực lý thuyết rất mới về  laser chưa được  học. Hơn nữa, đề tài đòi hỏi nhiều kiến thức về quang học mà trong chương trình  phổ thơng chưa được học, chủ yếu là tìm kiến trên các nguồn thơng tin Mặt khác, đây là lần đầu tiên em tham gia nghiên cứu về một lĩnh vực­vật lý   laser hồn tồn xa lạ  với một học sinh THPT, bởi vậy, có nhiều bỡ  ngỡ  và khó   khăn trong việc tiếp cận và đưa ra phương pháp nghiên cứu. Do vậy đề tài khơng  thể  tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận được sự  đóng góp ý kiến của   các thầy cơ giáo và các bạn để đề tài của em được hồn chỉnh 45 Kiến nghị Cần đưa ra các cảnh báo rộng rãi về sự nguy hiểm của tia laser khi sử dụng,   tun truyền về mức độ ảnh hưởng của laser đến con người ( đặc biệt là đối với  mắt và da). Cần có những quy định cụ thể về việc quản lí và sử dụng các thiết bị  có phát chùm laser để tránh những tai nạn đáng tiếc xảy ra Một số cảnh báo được đề xuất: ­ Laser cường độ  thấp chỉ  vài mW cũng có thể  gây ra nguy hiểm cho da và mắt.  Đặc biệt là mắt, bộ  phận cơ  thể  nhạy với ánh sáng nhất. Vì laser có tính định   hướng cao, cơng suất lớn có thể  tập trung vào một điểm cực nhỏ trên võng mạc   gây ra một vết cháy tập trung phá huỷ các tế bào mắt một cách vĩnh viễn trong vài   giây, thậm chí có thể nhanh hơn ­ Khi nhìn chùm tia qua bất cứ  dụng cụ  quang phóng đại nào đều gây ra nguy   hiểm, thậm chí chỉ  cần hứng một phần nhỏ của chùm sáng laser cũng có thể  đủ  để làm thương tổn vĩnh viễn và mất thị lực ­ Ngay cả một chùm laser cơng suất thấp, nếu nó chạm tới mắt, cũng có thể được  hội tụ  lên võng mạc và nhanh chóng đốt cháy một lỗ    trong mơ, làm phá hỏng  vĩnh viễn dây thần kinh thị giác ­ Laser dạng xung phát ra cường độ  cao có thể  gây ra sự  xuất huyết khi hội tụ  trong mắt, và sự phá hủy có thể  mở rộng ra khoảng cách lớn tính từ  khu vực hội   tụ. Thương tổn võng mạc thì khơng lành, và nói chung là khơng chữa được ­ Kể cả khi sử dụng laser cơng suất thấp khi chiếu vào mắt cũng có thể dẫn đến  bệnh đục nhãn mắt trong thời gian nhiều năm, giảm thị lực mà khơng có biểu hiện  ngay lập tức mà sau một thời gian. (Ví dụ: Bút chỉ laser, đèn laser nhỏ, đồ chơi trẻ  em, ) 46 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Văn Hảo, Bài giảng Quang học bán dẫn, Thái Ngun, 2007 Đinh Văn Hồng, Trịnh Đình Chiến, Vật lý laser và ứng dụng (2003), NXB   Đại học quốc gia Hà Nội Nguyễn Xn Chánh, Lê Băng Sương, Vật lý với khoa học và cơng nghệ  hiện đại (2003), Nhà xuất bản giáo dục Trần Đức Hân, Cơ sở kỹ thuật laser (2005), Nhà xuất bản giáo dục Nguyễn Đại Hưng, Vật lý và Kỹ thuật laser, NXB ­ ĐHQG, 2004 Đinh   Văn   Hồng   &   Trịnh   Đình   Chiến,  Vật   lý   laser     ứng   dụng,  NXB ­ ĐHQG ­ HN, 2004.  Nguyễn Thế Bình, Kỹ thuật laser, NXB ­ ĐHQG ­HN, 2004 Phạm Văn Thiều, Vật lý Laser, NXB ­ ĐHQG Hà Nội, 2001 Đỗ Quốc Khánh, Luận văn thạc sĩ vật lý, Viện vật lý và Điện tử ­ 2004 10  C. Davis, Laser and Elctro­Optics _ Fundamentals and Engineering,             Cambrige University Press, 1996 48 ... ­ Tìm hiểu về những ứng dụng và tầm quan trọng của laser trong đời sống ­ Nghiên cứu về mức độ ảnh hưởng của laser của laser đối với con người,  cụ thể  là mắt và da. Từ đó đưa ra cảnh báo đối với người sử dụng.   3. Đối tượng nghiên cứu    ­ Các thiết bị có phát chùm sáng laser:  Bút chỉ laser,  đèn laser có cơng suất khác... ­ Thực nghiệm: Thử nghiệm mức độ ảnh hưởng của đèn laser trên một số  chất liệu như: giấy, gỗ, nhựa 7. Nội dung nghiên cứu ­ Nghiên cứu tổng quan về laser ­ Nghiên cứu ảnh hưởng của laser đối với con người khi sử dụng,  tiếp xúc ... vơi nguồn sáng laser Ngồi phần mở đầu và kết luận thì đề tài gồm 2 chương: Chương I: Ứng dụng của laser Chương II: Ứng dụng của laser và các lưu ý khi sử dụng laser 8. Những điểm mới của đề tài ­ Ngồi tìm hiểu về