Chuong 4 Quang sinh hoc va ung dung

Chương 4: QUANG SINH HỌC VÀ ỨNG DỤNG MỤC TIÊU Trình bày nội dung học thuyết sóng ánh sáng hạt ánh sáng Giải thích chất trình hấp thụ ánh sáng phát xạ ánh sáng Trình bày phân loại chất số phản ứng quang sinh Trình bày ứng dụng ánh sáng y học 4.1 Đại cương quang học Quang học khoa học nghiên cứu ánh sáng, tính chất nó, phát truyền ánh sáng với môi trường dụng cụ quang học Những thuyết giải thích chất ánh sáng xuất vào kỉ XVII Theo thuyết hạt, người phát triển Newton, ánh sáng dòng hạt đặc biệt phát từ vật bị đốt nóng Thuyết phù hợp với tượng phản xạ, truyền thẳng ánh sáng Tuy nhiên lại khơng thể giải thích tượng giao thoa, nhiễu xạ phân cực ánh sáng Theo thuyết Christiaan Huygens (Huygens), ánh sáng sóng dọc môi trường ête đàn hồi chứa đầy vũ trụ Quan niệm sóng ánh sáng Mikhail Vasil'evich Lomonosov (Lơmơnơxơp) Euler tiếp tục khẳng định Tuy nhiên phải đến kỉ XIX, thuyết sóng ánh sáng có sở khoa học đáng tin cậy nhờ cơng trình Young Fresnel khẳng định ánh sáng sóng ngang giải thích đầy đủ tượng giao thoa, nhiễu xạ phân cực ánh sáng Năm 1865, Maxwell đưa giả thuyết chất điện từ ánh sáng, sở vận tốc lan truyền sóng điện từ vận tốc ánh sáng Nhiều thí nghiệm chứng minh điều lý thuyết điện từ ánh sáng khẳng định Theo thuyết này, ánh sáng sóng điện từ với bước sóng nhỏ (cỡ vài micromet) xạ nguyên tử vật chất Giai đoạn phát triển khái niệm chất ánh sáng giả thuyết cho ánh sáng xạ hay hấp thụ cách gián đoạn thành phần riêng biệt gọi lượng tử ánh sáng Ý niệm gián đoạn ánh sáng Planck phát biểu năm 1900, sau Einstein phát triển năm 1905 kết xuất thuyết lượng tử ánh sáng hay thuyết photon ánh sáng Theo thuyết photon ánh sáng, photon mang lượng xung lượng xác định Theo quan niệm đại, ánh sáng có tính chất lưỡng ngun: lưỡng tính sóng - hạt 54 Trong số tượng ánh sáng có biểu sóng như: giao thoa, nhiễu xạ, phản xạ, phân cực… Trong số trường hợp khác ánh sáng biểu tính chất hạt: hiệu ứng quang điện, hiệu ứng Compton, hấp thụ… Đại lượng đặc trưng cho sóng ánh sáng bước sóng l , đại lượng đặc trưng cho tính chất hạt ánh sáng xung lượng p 4.1.1 Quang hình học Quang hình học chuyên ngành quang học phát triển từ sớm Cơ sở quang hình học người ta xem gần tia sáng riêng lẽ, độc lập tuân theo định luật phản xạ, khúc xạ định luật tác dụng độc lập Định luật truyền thẳng ánh sáng có nội dung sau: mơi trường suốt, đồng tính đẳng hướng ánh sáng truyền theo đường thẳng Lưu ý định luật luôn Thật vậy, nghiên cứu tượng nhiễu xạ ánh sáng, người ta thấy ánh sáng truyền qua lỗ gặp vật cản có kích thước cỡ bước sóng ánh sáng định luật khơng cịn Định luật tác dụng độc lập ánh sáng phát biểu sau: tác dụng chùm tia sáng khác độc lập với Điều có nghĩa tác dụng chùm sáng độc lập với tác dụng chùm sáng khác Định luật giới hạn định không xảy tượng giao thoa ánh sáng Định luật phản xạ ánh sáng định luật khúc xạ ánh sáng có chung tên gọi định luật Descartes Định luật phản xạ ánh sáng phát biểu: tia phản xạ nằm mặt phẳng tới góc phản xạ góc tới Định luật khúc xạ ánh sáng phát biểu: tia khúc xạ nằm mặt phẳng khúc xạ tỷ số sin góc tới sin góc khúc xạ số 4.1.2 Thuyết sóng điện từ chất ánh sáng 4.1.2.1 Các khái niệm Vào năm 1865, Maxwell cho ánh sáng có chất sóng điện từ Ánh sáng thể đầy đủ tính chất sóng tán sắc, giao thoa, nhiễu xạ phân cực ánh sáng ! Sóng điện từ có hai thành phần dao động vng góc với cường độ điện trường E ! cường độ từ trường H đồng thời vng góc với phương truyền sóng Mỗi ánh sáng đơn ! ! sắc đặc trưng hàm sóng có dạng E = E0 cos (wt + j ) Chỉ có thành phần cường ! độ điện trường E có tác dụng lên thần kinh thị giác Các thông số ánh sáng kể đến tần số ánh sáng f , bước sóng ánh sáng l , vận tốc ánh sáng f , chu kỳ dao động ánh sáng T , chiết suất môi trường n Trong chân không, vận tốc ánh sáng có giá trị c = 3.108 m / s Dựa vào bước sóng ánh sáng người ta chia thang sóng điện từ sau: 55 Bảng 4.1 Thang sóng điện từ Loại sóng Bước sóng Sóng vơ tuyến 3.106 cm - 10-1 cm Tia hồng ngoại 10-1 cm - 0,76µ m Ánh sáng nhìn thấy 0,76µ m - 0,38µ m Tia tử ngoại 0,38µ m - 10-2 µ m Tia Rơnghen 10-2 µ m - 10-5 µ m Tia gamma < 10-5 µ m Trong vùng ánh sáng nhìn thấy, chùm sáng có tần số xác định cho cảm giác màu sắc khác Người ta phân biệt màu vùng ánh sáng nhìn thấy bao gồm đỏ, cam, vàng, lục, lam, chàm, tím bước sóng có giá trị bảng sau: Bảng 4.2 Phổ ánh sáng trắng Màu sắc Bước sóng ( µ m ) Đỏ 0,76-0,63 Cam 0,63-0,60 Vàng 0,60-0,57 Lục (xanh cây) 0,57-0,50 Lam (xanh da trời) 0,50-0,45 Chàm (xanh biển đậm) 0,45-0,43 Tím 0,43-0,39 Để giải thích số tượng chứng tỏ ánh sáng có chất sóng, hai nhà khoa học Huyghen Fresnel phát biểu nguyên lý mang tên Huyghen-Fresnel với nội dung sau: “Trong môi trường suốt, đồng tính đẳng hướng, ánh sáng từ nguồn điểm lan truyền phương vận tốc Tại điểm môi trường mà ánh sáng truyền đến coi nguồn phát sóng thứ cấp” 4.1.2.2 Hiện tượng phân cực ánh sáng Trong chương trình vật lý THPT nghiên cứu tượng chứng tỏ ánh sáng có chất sóng tượng tán sắc, tượng giao thoa, tượng nhiễu xạ Trong phần tiếp tục nghiên cứu thêm tượng chứng tỏ ánh sáng có chất sóng tượng phân cực ánh sáng Trước tiên ta xem xét vài khái niệm liên quan Ánh sáng tự nhiên ánh sáng có vector cường độ điện trường dao động theo tất 56 phương vng góc với tia sáng Ánh sáng phân cực ánh sáng có vector cường độ điện trường phân bố không đối xứng theo phương vuông góc với tia sáng Nguyên nhân phân bố không đối xứng tác dụng tương hỗ ánh sáng môi trường bất đẳng hướng quang học Ánh sáng có vector cường độ điện trường dao động theo phương định gọi ánh sáng phân cực tồn phần Ánh sáng có vector cường độ điện trường dao động theo tất phương có phương mạnh, phương yếu khác gọi ánh sáng phân cực phần Hình 4.1 Các loại ánh sáng phân cực Mặt phẳng dao động mặt phẳng chứa tia sáng vector cường độ điện trường, mặt phẳng phân cực mặt phẳng chứa tia sáng vng góc với mặt phẳng dao động Hiện tượng biến ánh sáng tự nhiên thành ánh sáng phân cực gọi tượng phân cực ánh sáng mặt phẳng dao động tia sáng mặt phẳng phân cực Hình 4.2 Mặt phẳng phân cực, mặt phẳng dao động Sự phân cực ánh sáng xảy chiếu ánh sáng xiên góc lên mặt phân cách hai môi trường khác Trong trường hợp tổng quát, tia phản xạ ánh sáng phân cực, tia khúc xạ ánh sáng phân cực phần Trong trường hợp đặc biệt, góc tới 570 57 (góc Brewtor) tia phản xạ ánh sáng phân cực tồn phần Hình 4.3 Sự phân cực khúc xạ Khi chiếu ánh sáng tự nhiên vào tinh thể đá đá băng lan ( CaCO3 ) chùm tia tới bị tách thành hai tia, tia tuân theo định luật khúc xạ ánh sáng gọi tia thường (ký hiệu tia O), tia không tuân theo định luật khúc xạ ánh sáng gọi tia bất thường (ký hiệu tia E) Hiện tượng gọi tượng lưỡng chiết Cả tia thường tia bất thường ánh sáng phân cực toàn phần, theo hướng vng góc với Hình 4.4 Sự phân cực lưỡng chiết Hiện tượng phân cực ánh sáng có nhiều ứng dụng thực hiễn chẳng hạn người ta chế tạo hình tinh thể lỏng hiển thị dựa vào tượng phân cực ánh sáng, chế tạo kính râm phân cực, chế tạo kính hiển vi phân cực Bên cạnh số lồi sinh vật sử dụng tượng phân cực ánh sáng loài ong, bạch tuộc… 4.1.3 Thuyết lượng tử ánh sáng 4.1.3.1 Thuyết photon Einstein Năm 1900, Mark Planck đưa giả thuyết lượng tử với nội dung sau: vật chất không hấp thụ hay xạ lượng cách liên tục mà thành phần gián đoạn, gọi lượng tử lượng, ký hiệu e = hf Với f tần số xạ đơn sắc, h số Planck Trên sở giả thuyết lượng tử Planck, năm 1905 Albert Einstein đưa thuyết 58 photon với nội dung sau: Mỗi xạ đơn sắc tập hợp gồm vô số hạt ánh sáng, gọi photon; Đối với ánh sáng đơn sắc, photon hoàn toàn giống mang giá trị lượng; Trong môi trường chân không, photon truyền với vận tốc c = 3.108 m / s ; Khi vật chất hấp thụ hay phát xạ lượng trình hấp thụ hay phát xạ photon; Cường độ chùm xạ tỷ lệ với số photon phát đơn vị thời gian Thuyết photon Eistein giúp giải thích số tượng chứng tỏ chất hạt ánh sáng tượng quang điện, tượng hấp thụ phát xạ ánh sáng, hiệu ứng Compton… 4.1.3.2 Định luật hấp thụ ánh sáng Khi chùm photon truyền từ chân không vào môi trường vật chất, tùy thuộc vào lượng photon chất môi trường mà dẫn đến kết khác photon bị phản xạ, tán xạ, xuyên qua, hấp thụ thể hiện tượng quang điện, hiệu ứng Compton hiệu ứng tạo cặp Đối với trường hợp môi trường hấp thụ photon, electron chuyển từ quỹ đạo thấp ứng với lượng lên quỹ đạo cao ứng với mức lượng cao Sự hấp thụ ánh sáng vật khác nhau, vật chất hấp thụ ánh sáng vùng nhìn thấy có màu sắc Trong trường hợp lượng photon tới có giá trị khơng thích hợp electron khơng chuyển lên mức cao, nghĩa vật chất suốt với loại photon Chùm photon qua môi trường vật, tượng hấp thụ xảy số lượng photon bị giảm Gọi I I cường độ chùm xạ trước sau khi vào môi trường, x chiều dày môi trường, người ta xác lập quy luật giảm cường độ chùm sáng theo biểu thức I = I e -a x I Hình 4.5 Sự hấp thụ ánh sáng 4.1.3.3 Hiện tượng hấp thụ phát xạ ánh sáng Bình thường electron nguyên tử trạng thái bản, tức lượng đạt giá trị nhỏ Tùy thuộc vào loại nguyên tử mà chúng có mức lượng kích thích khác 59 Có thể biểu diễn sơ đồ mức lượng electron đường kẻ nằm ngang song song, lên cao sát Các electron tồn trạng thái kích thích bền vững, chúng nhảy xuống mức lượng thấp đồng thời trả lại lượng nhiều dạng khác nhiệt, dao động mạng quang Sự chuyển mức lượng điện tử hấp thụ phát xạ ánh sáng mơ tả Hình 2.6 S0 trạng thái bản; S1* , S 2* , S3* trạng thái kích thích singlet; T trạng thái triplet Trạng thái singlet trạng thái lớp điện tử mà tất Spin điện tử tạo thành cặp momen Spin tổng cộng Trạng thái triplet trạng thái ứng với mức lượng cấm, điện tử tạo thành cặp (Spin đối song), hình chiếu tổng momen Spin phương cho trước nhận giá trị +1 -1 Đặc điểm trạng thái triplet điện tử từ trạng thái S0 chuyển lên, mà chuyển từ trạng thái singlet sang bước chuyển không phát quang 4 T 1 S0 Hấp thụ Huỳnh quang Lân quang Khơng phát quang Hình 4.6 Cơ chế hấp thụ phát xạ ánh sáng Có hai dạng phát quang (luminescence) huỳnh quang (fluorescence) lân quang (photorescence) Huỳnh quang xạ lượng tử ánh sáng phân tử, nguyên tử phát chúng chuyển từ trạng thái singlet thấp xuống trạng thái Thời gian điện tử tồn trạng thái singlet ngắn khoảng 10-9 - 10-8 s Trong tượng huỳnh quang, vật phát sáng bị kích thích, ngắt nguồn kích thích vật ngừng phát quang Lân quang xạ lượng tử ánh sáng phân tử, nguyên tử phát chúng có khả chuyển từ trạng thái triplet xuống trạng thái Phân tử thường khơng có khả chuyển từ trạng thái lên trạng thái triplet hấp thụ lượng Vì để tồn trạng thái triplet trạng thái bản, nguyên tử phải trải qua chu trình: trạng thái ® trạng thái kích thích singlet ® trạng trái triplet ® trạng thái Trong tượng huỳnh quang, sau ngắt nguồn kích thích thời gian vật tiếp tục phát 60 sáng Thời gian tồn huỳnh quang từ 10-4 s đến vài giây Ngoài hai huỳnh quang lân quang, người ta phát hai dạng phát quang khác phát quang sinh học phát quang hóa học Phát quang sinh học (Bioluminescence) phát sáng thể sống Phát quang sinh học gặp nhiều sinh vật biển sâu, số lồi trùng, vi khuẩn, nấm đặc biệt đom đóm Trong phát quang sinh học, ánh sáng phát kết phản ứng oxi hóa hợp chất luciferin enzyme luciferaza xúc tác ATP cung cấp lượng Phát quang hóa học xảy phân tử tương tác với sản sinh ta lượng tử lượng thuộc vùng ánh sáng nhìn thấy, hồng ngoại tử ngoại 4.2 Mắt dụng cụ bổ trợ 4.2.1 Quang hình học mắt 4.2.1.1 Sơ lược cấu tạo mắt Mắt cịn gọi nhãn cầu, có dạng hình cầu, đường kính đo theo trục trước sau khoảng 22 mm Mặt ngồi mắt có sáu bó vận động bám vào để giúp cho mắt quay nhiều phía khác định hướng nhìn Vỏ mắt cấu tạo lớp màng đàn hồi, bao gồm ba loại - Củng mạc màng ngồi cùng, bao kín 3/4 phía sau mắt Là lớp xơ dày, dai, trắng sứ, ánh sáng không lọt qua - Ở 1/4 phía trước lớp mơ suốt, ánh sáng xun qua gọi giác mạc Giác mạc có bán kính cong nhỏ bán kính cong củng mạc - Mạch mạc gọi màng mạch, nằm củng mạc Màng mạch chứa nhiều mạch máu để nuôi dưỡng mắt có nhiều sắc tố đen giữ cho bên nhãn cầu buồng tối Ngay phía sau giác mạc, màng mạch có phần rủ xuống tạo thành màng chắn có màu đen nâu, màng chắn có lỗ hở hình trịn có đường kính thay đổi được, lỗ hở gọi đồng tử ánh sáng sau xuyên qua giác mạc qua đồng tử vào phía Do đồng tử tự thay đổi bán kính nên có khả tự điều chỉnh thông lượng ánh sáng tác dụng vào võng mạc Với ánh sáng có độ rọi lớn tác dụng vào mắt đồng tử tự động co lại để làm giảm lượng ánh sáng tác dụng vào mắt, với ánh sáng có độ rọi nhỏ đồng tử tự giãn rộng ra, thơng lượng ánh sáng vào mắt tăng lên Võng mạc lớp màng cùng, cấu tạo nhiều lớp tế bào quan trọng lớp tế bào thần kinh thị giác Các tế bào tập trung thành sợi thần kinh nhỏ nối liền với dây thần kinh thị giác Có hai loại tế bào thần kinh cảm thụ ánh sáng, tế bào nón tế bào que Ở mắt người có chừng triệu tế bào nón 130 triệu tế bào que Sự phân bố hai tế bào thần kinh võng mạc khác nhau, tế bào nón tập trung vào vùng gần điểm vàng (phần võng mạc nằm gần giao điểm trục mắt với võng 61 mạc) Ở điểm vàng võng mạc mỏng chỗ khác bị lõm xuống tạo nên hố trung tâm, mật độ tế bào nón cao (khoảng 150.000 tế bào/mm2) Khi nhìn vật ảnh vật lên hố trung tâm Càng xa điểm vàng mật độ tế bào nón giảm dần mật độ tế bào que tăng lên, vùng xa điểm vàng võng mạc cịn tế bào que Đặc điểm chức hai loại tế bào thần kinh không giống Tế bào nón cảm thụ ánh sáng có độ rọi lớn có khả phân biệt hình thể, màu sắc chi tiết vật Tế bào que cảm thụ ánh sáng có độ rọi nhỏ (có độ nhạy lớn so với tế bào nón) Do vùng xa điểm vàng ta có cảm giác sáng tối Hình 4.6 Cấu tạo mắt người Mơi trường bên nhãn cầu chia làm hai phần ngăn cách thủy tinh thể Thủy tinh thể suốt, hai mặt lồi, mặt cong phía trước có bán kính lớn mặt cong phía sau Nhờ thay đổi sức căng dây chằng treo thủy tinh thể tính đàn hồi thân thủy tinh thể mà có khả thay đổi bán kính cong mặt trước, sau dẫn đến hội tụ mắt thay đổi ta quan sát vật xa gần Thuỷ tinh thể có chiết suất khoảng 1,43 độ tụ khoảng 12÷14 đi-ơp Khoảng giác mạc thuỷ tinh thể chứa dịch 62 suốt Khoảng thủy tinh thể võng mạc chứa thủy tinh dịch hay cịn gọi dịch kính Do thể dịch mắt lưu thông nên áp suất mắt giữ khơng đổi giá trị 12 ÷25 mmHg 4.2.1.2 Quang hình học mắt Theo cấu tạo mắt, phương diện quang hình mắt cấu tạo môi trường chiết quang ngăn cách mặt cầu khúc xạ tạo nên ba lưỡng chất cầu 15 mm mm mm S O Tâm lưỡng chất cầu giác mạc võng mạc Hình 4.7 Quang hình học mắt người - Lưỡng chất cầu giác mạc quang hệ tạo nên giác mạc ngăn cách môi trường khơng khí với thuỷ dịch Giác mạc có độ dày khoảng mm, bán kính cong mm, chiết suất thuỷ dịch 1,336 độ tụ quang hệ 45 đi-ôp - Lưỡng chất cầu thuỷ tinh thể trước mặt cong trước thuỷ tinh thể ngăn cách thuỷ dịch với thuỷ tinh thể Bán kính cong mặt trước thuỷ tinh thể khoảng 10 mm, chiết suất trung bình 1,388 độ tụ hệ đi-ơp - Lưỡng chất cầu thuỷ tinh thể sau mặt cong phía sau thuỷ tinh thể ngăn cách thuỷ tinh thể với dịch thuỷ tinh Bán kính cong mặt sau thuỷ tinh thể khoảng mm, chiết suất dịch thuỷ tinh 1,36 độ tụ quang hệ khoảng 12 đi-ơp Ba lưỡng chất cầu có trục hợp lại thành hệ quang học Hệ coi ghép ba hệ quang học có chiết suất khác ánh sáng xuyên vào mắt, bị khúc xạ truyền qua ba lưỡng chất cầu cuối tác dụng lên tế bào thần kinh võng mạc Như hệ quang học mắt có tâm điểm Do đặc điểm mà thay ba hệ quang học gồm ba lưỡng chất cầu lưỡng chất cầu tổng hợp gọi mắt ước lược 63 Lưỡng chất cầu tổng hợp có mặt cầu ngăn cách mơi trường khơng khí với môi trường bên mắt Mặt cầu khúc xạ có mặt lồi quay phía trước, bán kính cong mm, đỉnh cách giác mạc mm, quang tâm cách giác mạc mm cách võng mạc 15 mm, chiết suất quang hệ 1,333 Do hệ quang học có mơi trường thứ khơng khí, mơi trường thứ hai mơi trường bên mắt có chiết suất xác định n nên tiêu cự lưỡng chất cầu tổng hợp tính theo công thức f = nR = 20mm n -1 (4.1) Trong f tiêu cự; R bán kính cong mặt cầu tổng hợp; n chiết suất mơi trường Từ thơng số quang hình lưỡng chất cầu tổng hợp độ lớn tiêu cự ta thấy võng mạc mắt nằm mặt phẳng tiêu lưỡng chất cầu tổng hợp Đường thẳng qua đỉnh mặt cầu quang tâm gọi trục chính, đường thẳng qua quang tâm điểm vàng gọi đường nhìn thẳng Khi nhìn vật mắt hướng đường nhìn thẳng qua vật Nếu đường nhìn thẳng hướng vào điểm cố định phía trước khoảng khơng gian mà mắt nhìn thấy hình nón có góc mở ngang 1600, góc mở đứng 1300 Khoảng không gian gọi thị trường Thực tế thị trường rộng nhiều mắt xoay hốc mắt làm cho đường nhìn thẳng thay đổi Mặt khác ln nhìn hai mắt phối hợp với động tác quay đầu nên thị trường mở rộng Việc vẽ ảnh vật qua hệ lưỡng chất cầu tổng hợp trở nên đơn giản nhiều 4.2.1.3 Khả điều tiết mắt Mắt bình thường, nghỉ, có tiêu điểm võng mạc Khi mắt nhìn vật AB vơ cực, ảnh A’B’ AB võng mạc Cho vật AB tiến dần lại gần mắt, quang hệ mắt không thay đổi gì, ảnh vật lùi dần sau võng mạc, mắt không trông rõ vật Để nhìn rõ vật, tức ảnh võng mạc, mắt phải tăng độ tụ quang hệ: giữ thuỷ tinh thể bóp lại nén cho thuỷ tinh thể phồng thêm lên Độ tụ quang hệ tăng, tiêu điểm ảnh F’ tiến trước võng mạc chút, ảnh A’B’ võng mạc Hoạt động mắt gọi điều tiết Thông thường, mắt điều tiết cách tự động, nhanh mắt có xu hướng tự nhiên điều tiết vào chỗ sáng vật Tuy nhiên, cố gắng chủ động bắt mắt điều tiết vào điểm tuỳ ý Nhờ khả điều tiết, mắt nhìn rõ vật xa, lẫn vật gần Tuy nhiên khả vô hạn Giả sử ta cho vật AB chuyển dịch từ vô cực lại gần mắt Khi vật vô cực, mắt điều tiết, ảnh vật võng mạc, nhỏ Vật tiến lại gần, mắt phải điều tiết để giữ cho ảnh võng mạc Vật tiếp tục lại gần hơn, mắt lại điều 64 tiết thêm Cuối cùng, vật tới điểm CC, cách mắt chừng 20 cm, thuỷ tinh thể phồng lên mức tối đa, mắt điều tiết thêm Nếu vật tiến lại gần mắt hơn, mắt khơng nhìn rõ OCC = lC khoảng ngắn phải đặt vật cách mắt, để nhìn rõ nó, gọi khoảng nhìn rõ ngắn Điểm CC gọi cận điểm mắt Điểm xa CV, mà mắt nhìn rõ vật đặt đó, điều tiết gọi viễn điểm, khoảng cách OCV = lV gọi khoảng nhìn rõ lớn Mắt bình thường có viễn điểm CV vơ cực lV = ∞ Khoảng cách từ CV đến CC, viễn điểm cận điểm gọi khoảng nhìn rõ mắt, đặt vật điểm khoảng ấy, mắt nhìn thấy rõ vật Gọi R biên độ điều tiết mắt, xác định công thức R= 1 - lV lC (4.2) Đối với mắt bình thường lV = ¥; lC = 20cm nên R = đi-ốp Mắt người lứa tuổi, sức khoẻ bình thường có biên độ điều tiết xấp xỉ nhau, không phân biệt mắt cận thị viễn thị 4.2.2 Các tật quang hình mắt dụng cụ bổ trợ 4.2.2.1 Hiện tượng quang sai Nhược điểm loại thấu kính cầu mỏng sai sót quang hình chùm tia song song qua thấu kính chùm tia rộng, tia gần trục hội tụ điểm xa quang tâm tia gần mép thấu kính Hiện tượng gọi cầu sai, Hình 4.8 L P’ P’’ S Hình 4.8 Hiện tượng cầu sai Vì ánh sáng trắng ánh sáng hỗn hợp bao gồm bước sóng từ 0,39 ÷0,76 μm, mặt khác n = f(λ), qua thấu kính tia sáng có bước sóng khác hội tụ phân kỳ điểm khác trục thấu kính tán sắc ánh sáng Hiện tượng gọi sắc sai, Hình 4.9 65 Để khử bỏ sai sót quang hình học người ta thường sử dụng phương pháp ghép thấu kính phân kỳ, hội tụ trục Sau ghép thích hợp tất tia hội tụ điểm ảnh phản ánh tính chất vật Muốn khử bỏ sắc sai phải ghép loại thấu kính khác chất S Ft Fđ L Hình 4.9 Hiện tượng sắc sai Với mắt bình thường (khơng có tật) ảnh vật ln ln võng mạc vùng điểm vàng, ảnh rõ nét phản ánh chất vật kích thước, màu sắc, tính chất Tuy nhiên cấu tạo mắt khơng bình thường bẩm sinh, bị chấn thương làm xuất vết sẹo giác mạc, bệnh lưỡng chất cầu, rối loạn khả điều tiết làm cho ảnh không rõ võng mạc tạo nên chứng cận thị, viễn thị, loạn thị Để sửa tật phải dùng dụng cụ bổ trợ cho mắt, thấu kính cầu mỏng bổ trợ cho mắt bị cận thị, viễn thị thấu kính trụ cho trường hợp mắt bị tật loạn thị 4.2.2.2 Cận thị cách sửa Mắt cận thị trạng thái nghỉ (khơng điều tiết) có mặt phẳng tiêu nằm trước võng mạc nhìn vật vơ cực ảnh vật trước võng mạc Hình 4.10 Tật cận thị cách chữa 66 Trong khoảng từ viễn điểm đến cận điểm, mắt cận điều tiết mắt bình thường vật sau cận điểm mắt cận khơng cịn khả điều tiết Để sửa tật cận thị phải dùng thấu kính mỏng phân kỳ làm dụng cụ bổ trợ 4.2.2.3 Viễn thị cách sửa Ở trạng thái nghỉ mắt viễn thị có mặt phẳng tiêu nằm sau võng mạc nên nhìn vật mà khơng điều tiết ảnh vật sau võng mạc Hình 4.11 Tật viễn thị cách chữa Nếu tiêu điểm không xa võng mạc mắt tự điều tiết để làm tăng độ tụ cho ảnh vật rõ nét võng mạc Trường hợp mắt viễn nặng (tiêu điểm xa võng mạc q) có điều tiết khơng nhìn thấy vật xa Khi đưa vật lại gần ảnh lùi xa võng mạc Như viễn thị không thấy vật xa gần Trong trường hợp tia sáng có phương thích hợp hội tụ võng mạc lúc đường kéo dài tia gặp trục điểm sau võng mạc, điểm gọi viễn điểm ảo Muốn sửa tật viễn thị phải dùng thấu kính mỏng hội tụ bổ trợ, thấu kính làm tăng độ tụ mắt làm cho ảnh vật lên võng mạc Thấu kính sửa phải có độ tụ thích hợp mặt phẳng tiêu hệ trùng với võng mạc Cận, viễn thị nhiều nguyên nhân gây nên thấy trục mắt dài, ngắn mắt bình thường, bán kính cong lưỡng chất cầu lớn nhỏ so với mắt bình thường thay đổi chiết suất mơi trường mắt mắc chứng cận thị viễn thị Khi bệnh đục thuỷ tinh thể phát sinh, môi trường tạo nên thuỷ tinh thể đặc lại, tỉ trọng, chiết suất tăng làm tăng độ tụ dẫn đến mắt bị cận Sau cắt bỏ thuỷ tinh thể, độ tụ 67 giảm nhiều dẫn đến mắt bị viễn nặng 4.2.2.4 Mắt người già Khả điều tiết mắt người già mắt bình thường, mắt người già có cận điểm xa khơng nhìn rõ vật gần Ở tuổi 45 đến 50 đọc sách phải để cách xa mắt từ 30 đến 50 cm nhìn rõ có nhược điểm ảnh nhỏ Để khắc phục mắt người già phải đeo thêm thấu kính cầu hội tụ, độ tụ tổng cộng không 3,5 đi-ôp, với tuổi 45 cần đeo thêm thấu kính có độ tụ +1 đi-ơp vừa Cứ già thêm tuổi độ tụ thấu kính bổ trợ tăng thêm +0,5 đi-ôp với tuổi già (60 tuổi trở lên) thuỷ tinh thể có bán kính cong lớn khơng điều tiết mặt phẳng tiêu sau võng mạc giống mắt viễn khơng nhìn vật xa, muốn nhìn thấy vật phải đeo thêm thấu kính hội tụ có độ tụ nhỏ Tóm lại, mắt người già phải dùng hai thấu kính mỏng hội tụ bổ trợ, thấu kính có độ tụ lớn để nhìn gần thấu kính có độ tụ nhỏ để nhìn xa Thường độ tụ thấu kính nhìn gần gấp lần độ tụ thấu kính nhìn xa, hai loại thấu kính có độ tụ khác ghép giá (khung kính) Với mắt cận, già bán kính cong lưỡng chất cầu tăng lên, làm giảm độ tụ cận nhẹ tuổi 45 đến 50 khơng phải dùng kính Ngược lại mắt viễn già nặng mắt viễn già nhanh mắt bình thường 4.2.2.4 Loạn thị Loạn thị tật mắt độ tụ không theo phương mặt cầu khúc xạ mắt khơng phải hồn tồn hình cầu, ảnh vật võng mạc ảnh nhòe - Trường hợp độ cong mặt cầu khúc xạ thay đổi theo phương mắt mắc chứng bệnh loạn thị khơng Trường hợp giác mạc có sẹo, hậu đau mắt hột hay bị chấn thương dị vật bắn vào Muốn sửa cần dùng chất dẻo suốt có chiết suất thuỷ tinh thể dán vào giác mạc - Trường hợp độ cong mặt cầu khúc xạ thay đổi theo phương mắt mắc chứng bệnh loạn thị Lúc mặt cong lưỡng chất cầu tổng hợp chỏm cầu mà phần mặt elipsoid tròn xoay 4.3 Quang sinh học 4.3.1 Tác dụng ánh sáng lên thể sống Khi ánh sáng tác dụng lên thể sống, tương tác tương hỗ ánh sáng với thể sống dẫn đến biến đổi phía ánh sáng phía thể sống Đối với ánh sáng làm thay đổi cường độ (định luật hấp thụ ánh sáng), bước sóng ( l = l0 / n ), hướng truyền (định luật phản xạ, khúc xạ)… Về phía thể sống xảy trình quang sinh gồm nhiều giai đoạn 68 Một trình quang sinh diễn theo bốn giai đoạn liên tiếp Giai đoạn thứ hấp thụ ánh sáng sắc tố chất khác tạo nên trạng thái kích thích, giai đoạn tích lũy lượng Giai đoạn thứ hai q trình khử trạng thái kích thích q trình quang lý phản ứng quang hóa tạo sản phẩm quang hóa khơng bền vững Giai đoạn thứ ba phản ứng tối (khơng có tham gia lượng tử ánh sáng), trung gian với tham gia sản phẩm quang hóa khơng bền để tạo sản phẩm bền vững Giai đoạn thứ tư hiệu ứng sinh vật, biểu kết trình lên thể sống Giai đoạn xảy sau vài phút, vài giờ, vài ngày hay chí hàng chục năm sau Căn vào hiệu ứng sinh vật ta chia phản ứng quang sinh thành hai nhóm phản ứng phá hủy biến tính phản ứng sinh lý chức Các phản ứng phá hủy biến tính gồm ba mức độ: mức độ gây bệnh lý, gây đột biến di truyền gây tử vong Các phản ứng sinh lý chức phản ứng xảy với tham gia lượng tử lượng, kết tạo sản phẩm cần thiết cho tế bào hay để thực chức sinh lý bình thường chúng Các phản ứng sinh tổng hợp chia thành ba nhóm: phản ứng tạo lượng, phản ứng thông tin, phản ứng sinh tổng hợp sắc tố vitamin 4.3.2 Một số trình quang sinh 4.3.2.1 Quang hợp Quang hợp trường hợp điển hình phản ứng tạo lượng nhóm phản ứng sinh lý chức Quang hợp trình khử CO2 tạo O2 hydratcacbon Quá trình quang hợp gồm hai chuỗi phản ứng Sơ đồ tổng quát phản ứng quang hợp mô tả theo phương trình CO2 + H 2O + n.hf ® (CH 2O )n + O2 + H 2O (4.3) Tốc độ hấp thụ CO2 sinh vật từ môi trường xung quanh phụ thuộc vào cường độ chùm sáng chiếu tới Người ta tính số photon tối thiểu để khử phân tử CO2 không nhỏ photon Hiệu suất lượng tử trình quang hợp khoảng 12,5 - 25% Trong trình quang hợp, chất diệp lục (clorophin) yếu tố quang trọng Chất diệp lục có hạt lục lạp, hạt lục lạp chứa khoảng 100 phân tử diệp lục Phân tử diệp lục có cấu tạo kép liên hợp, hệ liên kết tạo đám mây điện tử chung Đây tính chất mà nhờ phân tử diệp lục có khả hấp thụ lượng tử lượng có bước sóng xác định dự trữ lượng phân tử Do tính chất dự trữ lượng, khử CO2 giải phóng O2 mà quang hợp trở thành trình quan trọng đến sống Trái Đất 4.3.2.2 Sinh tổng hợp sắc tố vitamin Một phản ứng quang sinh lý chức ănng có tầm quan trọng lớn tồn 69 phát triển sống phản ứng quang tổng hợp sắc tố vitamin Trong chuỗi tự nhiên phản ứng dẫn đến tạo thành sắc tố vitamin có tồn phản ứng quang hóa, điều cho phép ta kết luận phải có tham gia lượng tử lượng Tuy nhiên, trường hợp lượng tử lượng đóng vai trị cung cấp lượng cần thiết để phản ứng xảy khơng phải tích lũy lượng q trình quang hợp Chính vai trị quan trọng ánh sáng mà thường dùng ánh sáng vào trình điều trị, điều dưỡng người sau q trình bệnh mạn tính, chịu đựng phẫu thuật trẻ em chậm lớn, còi xương… Tuy ánh sáng dùng khơng cách gây bệnh lý say nắng, viêm da hay ung thư da 4.3.2.3 Tác dụng quang động lực Tác dụng quang động lực định nghĩa tổn thương không hồi phục số chức sinh lý cấu trúc đối tượng sinh vật tác dụng ánh sáng với có mặt O2 chất hoạt hóa Trong tác dụng quang động lực, tác dụng ánh sáng lên thể tác dụng gián tiếp, chất hoạt hóa đóng vai trò chất xúc tác Tác dụng quang động lực ví dụ loại phản ứng phá hủy biến tính ánh sáng Tác dụng quang động lực dẫn đến phá hủy kích thích phân bào, giảm quang hợp, ngừng hệ hơ hấp, thay đổi cấu trúc men acid nucleic, phá hủy tính thấm màng, thay đổi nhiệt độ huyết áp… Sơ đồ tổng quát trình tác dụng quang động lực sau: ánh sáng ® chất cảm ứng ® trạng thái triplet chất cảm ứng ® sản phẩm quang hóa ® biến đổi cấu trúc vĩ mơ ® hiệu ứng sinh vật 4.3.2.4 Thông tin thụ cảm ánh sáng Ánh sáng mang thông tin từ mơi trường cho sinh vật Có nhiều lồi sinh vật nhạy với chiếu sáng chẳng hạn hoa hướng dương, hoa nở theo cố định, loài vi khuẩn phản ứng chiếu sáng Phản ứng thông tin loại phản ứng phân hủy sắc tố thị giác phát sinh xung động thần kinh truyền dẫn lên dây dẫn thần kinh thị giác để có cảm giác sáng Đối với người, mắt quan hoàn chỉnh để tiếp nhận ánh sáng từ mơi trường ngồi Phân tích thành phần ánh sáng (cường độ, bước sóng…) tạo xung động thần kinh dẫn lên não giúp ta nhận thức môi trường xung quanh Tế bào thần kinh thị giác có hai loại tế bào que tế bào nón Ở tế bào que có sắc tố thụ cảm ánh sáng Rodopsin Rodopsin phức chất protein, liên kết phức Rentinal Scotopsin Ở tế bào hình nón có sắc tố thụ cảm ánh sáng Iodopsin Iodopsin liên kết phức Rentinal Fotopsin Rentinal andehyt vitamin A 70 Khi có ánh sáng tác dụng lên phân tử Rodopsin bị phân ly thành Scotopsin Rentinal Phản ứng quang hóa phân hủy Rodopsin, phát sinh xung động thần kinh truyền dẫn lên thần kinh thị giác Cơ chế biến đổi từ hóa thành xung động thần kinh kích thích trung khu thị giác vỏ não vấn đề phức tạp Tuy nhiên, người ta cho chế liên quan đến chất dòng điện sinh vật 4.3.2.5 Tác dụng tia tử ngoại tia hồng ngoại lên thể sống ứng dụng y tế Tia tử ngoại có ánh sáng Mặt trời có ảnh hưởng lên hầu hết trình trao đổi chất sinh lý chức sinh vật Nghiên cứu tác dụng xạ tử ngoại, người ta chia phổ làm vùng: vùng sóng ngắn, vùng sóng trung vùng sóng dài Vùng bước sóng từ 100-275nm gọi vùng sóng ngắn, có tác dụng thay đổi cấu trúc protid, lipid tác dụng diệt trùng Vùng có bước sóng từ 275-320nm gọi vùng sóng trung, có tác dụng chống cịi xương, tạo sắc tố Vùng có bước sóng từ 320-400nm gọi vùng sóng dài, có tác dụng sinh vật yếu, gây phát quang số chất hữu Người ta sử dụng tính chất diệt vi sinh vật có hại tia tử ngoại để khử trùng, diệt loài sinh vật có hại nước, thiết bị y tế Tia tử ngoại với cường độ chiếu lớn tiêu diệt khuẩn tia làm chúng khả sinh sản Tia tử ngoại gây phản ứng quang sinh dẫn đến phá hủy axit nucleic protid Tuy nhiên phản ứng quang sinh gây nên phản ứng thứ cấp khơng liên quan đến tác dụng trực tiếp tia tử ngoại Đối với tia hồng ngoại, tác dụng đặc trưng tác dụng nhiệt Vùng da bị tác dụng trực tiếp giãn mạch, làm đỏ da nên có tác dụng giảm đau, chống viêm mạn tính, giãn Trong năm gần đây, dịch cúm gia cầm phát triển ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe người Người ta sử dụng dụng cụ tầm soát tia hồng ngoại để xác định tăng thân nhiệt từ xa Các loại đèn hồng ngoại thường dùng y tế loại đèn dây tóc hợp kim wolfram, công suất từ 250-1000W Trong đèn hồng ngoại phần lớn điện biến thành nhiệt mà phát sáng 4.4 LASER ứng dụng y học LASER thuật ngữ viết tắt cụm từ tiếng Anh “light amplification by stimulated emission of radiation”, có nghĩa khuếch đại ánh sáng xạ cưỡng 4.4.1 Cơ sở lý thuyết 4.4.1.1 Phát xạ tự phát Một hệ vật lý (nguyên tử hay phân tử) mức lượng E0 hấp thụ photon chiếu tới nhảy lên mức lượng E cao Mức lượng cao gọi mức kích thích Nguyên tử mức kích thích E chuyển xuống mức lượng thấp cách tự phát Bức xạ phát trường hợp gọi xạ tự phát (spontaneous 71 emisson) Sự chuyển dời tự phát gây yếu tố nội hệ Trong khoảng thời gian ngắn Dt cỡ 10-8 – 10-9s nguyên tử phát xạ độc lập với nhau, xạ tự phát khơng có liên hệ với pha, hướng độ phân cực Sự phát xạ tự phát vô định hướng Cần lưu ý phát xạ tự phát xảy hệ chuyển từ mức lượng cao xuống mức lượng thấp chuyển tự phát theo chiều ngược lại 4.4.1.2 Phát xạ cảm ứng Giả sử E1 E2 hai mức lượng nguyên tử mơi trường (E2>E1) Hình 4.12 : E2 E1 Hình 4.12 Sơ đồ mức lượng Theo Einstein, chúng có ba q trình quang học: phát xạ tự phát, hấp thụ phát xạ cảm ứng Để đơn giản ta xét hấp thụ phát xạ cảm ứng Nếu ta có xạ điện từ đập tới hệ nguyên tử với tần số f cho hf = E2 - E1 xảy hai q trình: Hấp thụ photon: số nguyên tử mức E1 hấp thụ photon nhảy lên mức E2 cao Phát xạ photon tần số f xạ chiếu tới: số nguyên tử mức E2 nhảy xuống mức thấp phát xạ có tần số tần số xạ f chiếu tới Hiện tượng phát xạ gọi phát xạ cảm ứng, trình xạ tần số f chiếu vào hệ nguyên tử gọi kích thích Phát xạ cảm ứng khác hẳn phát xạ tự phát Phát xạ cảm ứng xảy có tác động bên ngồi hệ, cụ thể có tác động xạ kích thích tần số f với xạ cảm ứng phát Bức xạ cảm ứng có pha, hướng độ phân cực xạ kích thích Nói cách khác, xạ cảm ứng xạ kích thích triệt để kết hợp với Tính chất quan trọng việc tạo nguồn LASER 4.4.1.3 Phân bố mật độ hạt nguyên tử 72 E2 E1 Hình 4.13 Phân bố mật độ hạt mức lượng Ta xét phân bố hạt nguyên tử theo mức lượng nhiệt độ T Giả sử có khối chất chứa hệ nguyên tử đồng trạng thái cân nhiệt động lực nhiệt độ T Bỏ qua tương tác hệ nguyên tử, xem hệ nguyên tử khí lý tưởng Để đơn giản, xem hệ nguyên tử có hai mức lượng E1, E2 (E1 < E2), E1 mức bản, E2 mức kích thích Xem mức không suy biến, nghĩa mức lượng tương ứng với trạng thái lượng tử Gọi N1 N2 mật độ nguyên tử ứng với mức lượng E1 E2 Sự phân bố mật độ nguyên tử theo mức lượng nhiệt độ T tuân theo phân bố Boltzmann, có dạng N1 ~ e - N2 ~ e E1 kT - E2 kT , (4.4) , (4.5) k = 1,38.10-23 J/K Theo phân bố Boltzmann, mật độ hạt mức nhỏ mức (N2 < N1) Số photon hấp thụ nguyên tử mức E1 tỷ lệ với mật độ N1, số photon phát xạ cảm ứng tỷ lệ thuận với mật độ N2 Do xác suất P1 để xảy hấp thụ tỷ lệ với N1 P1 ~ N1 ~ e - E1 kT (4.6) Còn xác suất P2 để xảy phát xạ cảm ứng tỷ lệ với N2 P2 ~ N2 ~ e - E2 kT (4.7) Từ biểu thức (4.6) (4.7) ta suy N2 =e N1 E2 - E1 kT 4.4.1.4 Trạng thái đảo mật độ hạt 73 =e - hf kT (4.8) Để có nguồn sáng LASER mạnh, xác suất phát xạ cảm ứng P2 phải lớn xác suất hấp thụ P1 nhiều, ta phải có điều kiện N >> N1 , nghĩa mật độ nguyên tử N2 lớn mật độ nguyên tử N1 trạng thái lượng thấp E1 Một trạng thái gọi trạng thái đảo mật độ hạt Để điều kiện thực dựa vào phân bố Boltzmann, ta có ln N2 E - E1 , =- N1 kT (4.9) từ ta suy T =- E2 - E1 < N2 k ln N1 (4.10) Nghĩa nhiệt độ T hệ phải âm Về mặt hình thức ta coi trạng thái đảo mật độ hạt trạng thái có “nhiệt độ tuyệt đối T âm” Tóm lại ta có phân bố Boltzmann mở rộng N2 =e N1 E2 - E1 kT (4.11) T > ứng với cân nhiệt động lực học, T < ứng với phân bố đảo mật độ hạt Ở đây, khái niệm nhiệt độ tuyệt đối T < cách diễn tả trạng thái có đảo mật độ hạt Khơng quan niệm T < khái niệm nhiệt độ thông thường Mơi trường chất trạng thái có đảo mật độ hạt N2 > N1 gọi môi trường kích hoạt 4.4.1.5 Sự hấp thụ âm ánh sáng Sự phát xạ cảm ứng gây hấp thụ âm ánh sáng sở LASER Mơi trường có tác dụng tăng cường cường độ ánh sáng qua gọi mơi trường kích hoạt Theo Einstein, phát xạ cảm ứng tính chất phải hồn tồn giống xạ kích thích Mỗi photon xuất nguyên tử (hay phân tử) chất nhảy từ mức lượng cao xuống mức lượng thấp tác dụng ánh sáng có lượng, hướng chuyển động với photon kích thích Do có phát xạ cảm ứng nên ánh sáng sáng qua môi trường kích hoạt tăng cường Tuy nhiên cần nhớ rằng, ngồi phát xạ cảm ứng, cịn có hấp thụ ánh sáng Do có hấp thụ photon, nguyên tử trạng thái có lượng E1 nhảy lên mức lượng E2 cao cường độ chùm sáng qua môi trường bị giảm Như có hai q trình ngược xảy đồng thời Hiệu ứng thực xảy môi trường tùy thuộc vào trình chiếm ưu Nếu hấp thụ chiếm ưu thế, môi trường làm giảm cường độ chùm sáng qua môi trường 4.4.2 Cấu tạo máy phát LASER Một máy phát LASER có phận chính: mơi trường kích hoạt có chứa tập hợp 74 nguyên tử, phân tử hay ion trạng thái khí, lỏng hay rắn có khả xạ ánh sáng Một chế bơm cung cấp lượng cho mơi trường để kích thích hạt nguyên tử lên mức lượng cao Bộ cộng hưởng có tác dụng khuếch đại chùm xạ truyền qua truyền lại mơi trường kích hoạt để tăng cường độ chùm xạ Sự đảo lộn mật độ thu phương pháp bơm Bơm q trình kích thích mơi trường LASER Người ta dùng phương pháp bơm quang, cách sử dụng nguồn sáng mạnh chiếu vào mơi trường kích hoạt Phương pháp thích hợp với LASER rắn lỏng Cịn phương pháp bơm điện sử dụng phóng điện qua mơi trường kích hoạt Phương pháp thích hợp với LASER khí bán dẫn Bây ta có nhận xét chung sơ đồ mức lượng mơi trường kích hoạt Giả sử mơi trường kích hoạt có hai mức lượng E1 E2 (E1 < E2) Gọi N1 N1 mật độ nguyên tử ứng với mức E1 N2 thời điểm ban đầu N1 > N2 Nếu xạ chiếu tới môi trường có tần số f cho E2 - E1 = hf , có số ngun tử mức E1 hấp thụ photon (4.12) hf để nhảy lên mức E2 Do đó, N2 tăng N1 giảm Nhưng N2 tăng xác suất phát xạ mức E2 lại tăng, nghĩa số nguyên tử N2 mức E2 phát xạ photon nhảy xuống E1 Kết N2 giảm N1 tăng Như với sơ đồ hai mức lượng, q trình bơm khơng tạo đảo mật độ hạt Theo Fabrikant, khó khăn khắc phục cách cho thêm tạp chất vào mơi trường kích hoạt, tạo nhiều mức lượng cao E2, E3, E4…có mật độ nguyên tử tương ứng N2, N3, N4… cho thời gian sống nguyên tử mức E3, E4… nhỏ so với E2 cụ thể t E ,t E ~ 10 -8 s > N1 thực E4 E3 E2 Hình 4.9 Sơ đồ mức lượng 75 4.4.3 Những tính chất đặc biệt LASER 4.4.3.1 Tính định hướng cao Tia LASER phát dạng chùm song song Chùm tia mở theo khoảng cách truyền Ở nhiệt độ phịng (300K), độ mở chùm tia LASER phóng vào cỡ 0,010 Tính chất có tầm quan trọng đo lường xác truyền thơng tin 4.4.3.2 Tính đơn sắc cao Chùm sáng mà bước sóng có giá trị giống ánh sáng đơn sắc (không bị tán sắc qua lăng kính) Chùm sáng mà bước sóng có nhiều giá trị ánh sáng đa sắc (bị tán sắc qua lăng kính) LASER có độ tinh khiết phổ (spectral purity) cao, cụ thể bước sóng tia LASER xác định với độ sai số nhỏ Dl ~ 10-8 - 10-10 nm 4.4.3.3 Tính kết hợp thời gian Xét dao động điện từ điểm M hai thời điểm t t + Dt Nếu hiệu pha hai dao động không đổi khoảng thời gian Dt , dao động điện từ có tính kết hợp thời gian Dt Nếu với khoảng thời gian tính kết hợp ln thực hiện, thời điểm M xạ có tính kết hợp thời gian Tia LASER có tính kết hợp thời gian 4.4.3.4 Tính kết hợp khơng gian Tính kết hợp khơng gian hiểu sau: xét dao động điện từ hai điểm M1 M2 cách khoảng Dl Nếu hiệu pha dao động điện từ hai điểm ln khơng đổi dao động điện từ kết hợp với Nếu tính chất với cặp điểm khơng gian có xạ điện từ nói tồn miền xạ điện từ có tính kết hợp khơng gian Với ánh sáng đèn Na thơng thường, độ dài kết hợp Dl vào khoảng cách 3cm, với tia LASER Dl cỡ hàng km Do tia LASER có tính kết hợp khơng gian cao, nên chùm tia LASER hội tụ vào tiết diện ngang cỡ l2 , cường độ ánh sáng xạ LASER lớn Phép tính thực nghiệm xác nhận: cường độ điện trường lên tới 107V/m Như tia LASER dùng để thực q trình địi hỏi cường độ điện trường từ trường lớn Cơng suất tia LASER đạt tới 105 W chế độ liên tục 1012 W chế độ xung 4.4.4 Ứng dụng LASER y học Sự đời LASER tạo cách mạng lớn phát triển khoa học cơng nghệ nói chung lĩnh vực y tế nói riêng LASER ứng dụng rộng rãi lĩnh vực công nghiệp, quân sự, hàng không, truyền thông tin, lưu trữ thông tin, đo khoảng cách, in ấn, đốt cắt… Trong y học, LASER dùng lĩnh vực chẩn đoán lẫn điều trị 4.4.4.1 Hiệu ứng bay tổ chức Khi bị chiếu với bước sóng thời gian thích hợp, nước tổ chức sống hấp thụ 76 mạnh, nơi chiếu nhiệt độ lên đến 200 - 3000C Các mô sinh học chứa nước với tỷ lệ 80 – 90% nên nơi chiếu mô bốc nhanh mà không ảnh hưởng đến mơ bên cạnh Nhờ tính chất mà LASER dùng phẫu thuật “dao mổ nhiệt” với nhát cắt chảy máu tinh vi Lưỡi dao LASER có nhiều ưu điểm giảm lượng thuốc gây tê, gây mê cần dùng, vô khuẩn vết mổ, cầm máu tốt, giảm phù nề, tiết dịch, xung huyết, rút ngắn thời gian mổ hậu phẫu nhẹ nhàng Phương pháp đặc biệt có hiệu việc phẫu thuật gây chảy máu nhiều; phẫu thuật quan địi hỏi độ xác cao giác mạc, tủy sống, vỏ não; phẫu thuật quan quan trọng não, tim mổ sử dụng thiết bị đo đặc điện 4.4.4.2 Hiệu ứng quang đơng Bức xạ LASER có lượng vừa đủ giải phóng thời gian thích hợp làm nhiệt độ vùng tổ chức tăng lên 60 – 1000C Khi tổ chức sinh học bị đông kết dẫn đến hoại tử Người ta thường sử dụng LASER Argon kỹ thuật quang đông Một số trường hợp thường gặp cần sử dụng loại LASER điều trị chảy máu dày, phá hủy khối u kích thước nhỏ, tổn thương võng mạc,bong võng mạc, phù hoàng điểm, phá hủy nốt ruồi, nối mạch máu… 4.4.4.3 Hiệu ứng bóc lớp Sử dụng loại LASER có xung cực ngắn cỡ nano giây, cơng suất đỉnh cực cao, sóng vùng tử ngoại gần chiếu vào tổ chức sinh học Bức xạ bị phân tửu hữu hấp thụ, mạch đứt gãy tạo “vi nổ”, từ nước bị đẩy khỏi tổ chức, cuối tổ chức sinh học bị bóc lớp Dao cắt LASER excimer ứng dụng y học với tên gọi “dao cắt lạnh” (phi nhiệt) 77 ... không phát quang 4 T 1 S0 Hấp thụ Huỳnh quang Lân quang Không phát quang Hình 4. 6 Cơ chế hấp thụ phát xạ ánh sáng Có hai dạng phát quang (luminescence) huỳnh quang (fluorescence) lân quang (photorescence)... phát hai dạng phát quang khác phát quang sinh học phát quang hóa học Phát quang sinh học (Bioluminescence) phát sáng thể sống Phát quang sinh học gặp nhiều sinh vật biển sâu, số lồi trùng, vi... chức sinh lý bình thường chúng Các phản ứng sinh tổng hợp chia thành ba nhóm: phản ứng tạo lượng, phản ứng thông tin, phản ứng sinh tổng hợp sắc tố vitamin 4. 3.2 Một số trình quang sinh 4. 3.2.1 Quang