Ứng dụng của laser trong y học hiện đại

Giới thiệu chung về laser rắn 1.1: Đặc điểm

Độ rộng vạch bức xạ tự phát của chất vô định hình khoảng vài chục A°, của chất đơn tinh thể khoảng vài A°, còn độ rộng của bức xạ laser khí chỉ vài phần mời A°. Để tạo nghịch đảo nồng độ trong laser rắn ngời ta thờng dùng bơm quang học, tức là chiếu ánh sáng của phổ hấp thụ cực đại vào thanh hoạt chất để tạo tích luỹ chủ yếu cho mức laser trên và do đó tạo nghịch đảo nồng độ. Những buồng cộng hởng đã trở nên rất phức tạp trong những thao tác để đảm bảo các đặc tính không gian, thời gian, phổ của tia ra.

Những quá trình cơ bản tạo nghịch đảo nồng độ giữa các mức công tác của laser chủ yếu là quá trình dịch chuyển và khi phân tích điều kiện tạo nghịch đảo ngời ta chỉ xét những trạng thái đầu và những trạng thái cuối của những dịch chuyển cơ bản. Từ hình trên ta thấy, nhiệt độ của hoạt chất T càng lớn thì nồng độ của trạng thái 2 ở lúc ban đầu sẽ lớn và bằng ρb* sẽ càng lớn và ρb* cũng phụ thuộc cả vào năng lợng của trạng thái 2. Trong quá trình phóng điện của tụ qua đèn, điện áp trên đèn U, dòng điện I và công suất bức xạ P sẽ biến đổi nh biểu diễn trên hình 3.4.

Trong thực tế ở những nguồn xung công suất lớn ngời ta hay dùng một bộ gồm nhiều tụ để có điện dung tổng khoảng vài nghìn microfara và đợc tích tới điện. Trong laser rắn có một điểm đặc biệt là nếu trong buồng cộng hởng không chứa phần tử điều khiển nào, khi laser làm việc ở chế độ xung hoặc ở chế độ liên tục thì trên màn hình hiện sóng đều quan sát thấy nhiều pich có tính chu kỳ và công suất thì giảm dần. Lúc đầu khi t > ts một chút thì năng lợng bức xạ cảm ứng trong buồng cộng hởng còn nhỏ vì dịch chuyển cảm ứng nhỏ và do tác dụng của bơm mà mức laser trên tiếp tục đợc tích lũy.

Nhng khi N2 nhỏ hơn N2* ngỡng thì điều kiện cân bằng biên độ sẽ không còn thỏa mãn nữa và bức xạ laser sẽ bị dừng, khi đó trờng trong buồng cộng hởng sẽ bị giảm. Vì trờng trong buồng cộng hởng giảm thì vận tốc dịch chuyển cảm ứng sẽ bị giảm, nên khi năng lợng của trờng trong buồng cộng hởng nhỏ thì lại xảy ra hiện tợng tích lũy hạt ở mức. Và khi N2 > N2* ngỡng thì trờng trong buồng cộng hởng lại tăng lên và quá trình lại đợc lặp lại và những pich tiếp theo đợc hình thành.

Sở dĩ thế vì khi tăng nồng độ của mức laser tren thì bức xạ tự phát ở tần số dịch chuyển sẽ tăng lên và cuối cùng độ nghịch đảo có thể đạt tới giá trị cực đại. Cơ chế bức xạ đã đợc mô tả ở trên đợc gọi là chế độ điều chế hệ số phẩm chất.Để thực hiện chế độ này, trong buồng cộng hởng cần có các van tác dụng nhanh.

Laser Nd: YAG 2.1: Đặc điểm

Tồn tại trong môi trờng mật độ năng lợng lớn sẽ làm cân bằng mật độ của mức laser trên và mức laser dới và sau đó sẽ ngừng lại do mật độ mật độ năng lợng tiếp tục tăng. Sự phụ thuộc của ∆N vào thời gian trong trờng hợp buồng cộng hởng bị lệch điều chỉnh đợc biểu diễn trờn hỡnh 3.8 bằng đờng đậm nột. Cần chú ý rằng độ nghịch đảo chỉ có thể tăng đáng kể khi và chỉ khi thời gian sống của mức laser trên rất lớn.

Công suất xung cực đại sẽ xảy ra tại thời điểm d và độ rộng của xung bức xạ (c↔e) sẽ rất nhỏ hơn độ rộng của xung bơm (a↔d). Công thức hóa học của chất nền là Y3Al5O12 (Yttrium Aluminum Garnet- kí hiệu là YAG) và các tâm kích hoạt là ion Nd3+ (Neodym- kí hiệu là Nd). Các chất YAG tinh khiết là các chất có tính đẳng hớng về quang học với đặc tính mang cấu trúc cubic của các nguyên tử garnet.

Do các nguyên tử kích hoạt trong một môi tr- ờng xỏc định, cỏc mức năng lợng đợc xỏc định rừ ràng và cú độ rộng hẹp biểu diễn trên hình 3.9. Tại nhiệt độ phòng dới điều kiện hoạt động bình thờng bức xạ laser xuất hiện ở bớc sóng 1,064 àm, trong khi đó tại những nhiệt độ thấp hơn 1,061 àm là ngỡng thấp hơn. Nhờ có sự mở rộng, đờng cong khuếch đại là không đồng nhất, trở nên thuận lợi hơn tại những bớc sóng thấp hơn (hình 3.12).

Các dữ liệu đặc trng của của các chuyển dịch phân bố theo trật tự bớc sóng đợc thể hiện trong bảng 3.1 và bảng 3.2. % nguyên tử (Nd) Mật độ nguyên tử Nd Thớc đo sự khúc xạ Sự mất mát do phân tán Sự chuyển trạng thái u thế. Khi có đảo mức với một biên độ lớn trong thời gian ngắn, một tia plasma xuất hiện giữa hai điện cực chuyển năng lợng điện thành năng lợng bức xạ (ánh sáng trong vùng hồng ngoại, tử ngoại và vùng ánh sáng nhìn thấy) với hiệu suất cao.

Một vài sóng ánh sáng bị hấp thụ bởi các ion hoạt động đợc cấy vào ống, bởi các mức năng lợng và tạo ra đảo mức. Khi bớc sóng phát ra nằm trong dải hấp thụ của ion kích thích Nd3+, việc bơm của diode laser có thể đạt hiệu suất cao với sự phát nhiệt vừa phải.

Khảo sát Thiết bị laser Nd: YAG 3.1: Giới thiệu về thiết bị

Do diode laser bị giới hạn bởi công suất ra max, tổng công suất đầu ra giảm tỉ lệ với tần số xung ra. Do đó các loại phát xạ dài sẽ có hiệu quả hơn phát xạ xung hẹp. Ngời ta thờng bơm cho giải hấp thụ của Nd3+ trong khoảng 810 nm. Hiện nay đối với laser Nd: YAG ngời ta thờng dùng diode laser thay vì dùng. Bởi vì diode laser phát ra bức xạ quang trong dải phổ hẹp. Khi bớc sóng phát ra nằm trong dải hấp thụ của ion kích thích Nd3+, việc bơm của diode laser có thể đạt hiệu suất cao với sự phát nhiệt vừa phải. Hiệu quả của bơm bằng. đèn flash bị giới hạn bởi phổ phát xạ rộng của đèn và hiệu suất hấp thụ thấp. L- ợng nhiệt d thừa và sự thay đổi bất thờng của công suất cũng làm giảm giá trị laser cũng nh hạn chế tuổi thọ của đèn. III: Khảo sát Thiết bị laser Nd: YAG. thành thiết bị của nớc ngoài). • Hệ thống làm mát hệ thống quang học laser YAG: Bơm nớc mát 18°C quay vòng. • Phần đo và điều khiển nhiệt độ báo động Các mạch điện trong khối điều khiển hệ thống.