6. Phương pháp nghiên cứu
2.5.1. Tính chất vật lý
2.5.1.1. Độ định hướng cao
Khác với các nguồn sáng khác, các tia sáng Laser được chọn lọc chỉ phát ra những tia vuông góc với gương (do cơ cấu của buồng cộng hưởng), các tia
Laser phát ra hầu như song song với nhau (góc mở giữa các tia là rất nhỏ). Sau khi ra khỏi gương chùm Laser sẽ tán xạ do hiện tượng nhiễu xạ với góc nhiễu
xạ θ d
λ
∆ = , λ là bước sóng Laser, d là đường kính gương. Và chùm tia bức xạ trong một góc khối: 2 2 2 ( θ) d λ ∆Ω = ∆ = .
Giá trị góc khối này rất nhỏ nên độ định hướng phương cao có thể chiếu đi rất xa đến hàng nghìn kilomet mà không bị tán xạ, đến mức người ta có thể dùng laser để đo những khoảng cách trong vũ trụ.
2.5.1.2. Tính đơn sắc rất cao
Các tia sáng của laser có mức chênh lệch bước sóng nhỏ nhất, so với các chùm sáng đơn sắc khác. Sự chênh lệch bước sóng này còn gọi là phổ ánh sáng của chùm ánh sáng. Phổ càng hẹp thì độ đơn sắc của chùm sáng càng cao. Khi độ rộng vạch của chùm bằng không thì chùm có độ đơn sắc cao nhất. Tính chất này rất quan trọng vì hiệu quả tác dụng của laser khi tương tác với vật chất, với các tổ chức sinh học phụ thuộc vào độ đơn sắc này. Do vậy chùm laser ít bị tán xạ (hầu như không) khi đi qua mặt phân cách của hai môi trường có chiết suất khác nhau.
Ngoài ra, ánh sáng đơn sắc không bị ảnh hưởng bởi sắc sai ở các hệ thấu kính. Do đó, ánh sáng đơn sắc có thể được hội tụ vào một tiêu điểm nhỏ hơn so với ánh sáng trắng.
2.5.1.3. 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
Độ chói của nguồn sáng được tính bằng cách chia công 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 công suất thấp là laser He-Ne cũng có độ chói gấp hàng vạn lần độ chói của ánh sáng mặt trời. Những laser có công suất lớn có độ chói cao gấp hàng triệu lần mặt trời.
2.5.1. 5. Cường độ sáng lớn
Cường độ là năng lượng của một chùm có kích thước góc nhất định. Cường độ sáng phụ thuộc vào các tính chất sau:
o Tính đồng hướng
Laser phát ra một chùm sáng hẹp tỏa ra rất chậm. Laser chỉ khuếch đại những photon đi theo một đường rất hẹp giữa hai gương. Quá trình này là một cơ chế rất hiệu quả cho ánh sáng chuẩn trực. Ở một laser điển hình, sau mỗi quãng đường 1 m thì đường kính chùm tia tăng thêm khoảng 1 mm. Tính đồng hướng giúp cho dễ dàng thu được toàn bộ năng lượng ánh sáng thành một điểm nhỏ.
o Tính đồng pha
Đồng pha nghĩa là toàn bộ năng lượng được truyền từ nguồn đều cùng pha. Biên độ, pha của sóng được lặp lại giá trị của chính mình và không biến đổi trong mặt tiết diện ngang của buồng cộng hưởng sau quá trình sóng truyền đi và về giữa hai gương phản xạ. Khi chiếu laser lên một mặt thô thì thu được một hình ảnh lấp lánh đặc trưng gọi là đốm laser. Hiện tượng này là do sự phản xạ không đều của ánh sáng đồng pha cao tạo ra những hình (hoặc đốm) giao thoa không đều. Tính đồng pha của ánh sáng laser được dùng để tạo ra các vân giao thoa trong giao thoa kế.
o Phân cực
Nhiều loại laser phát ánh sáng phân cực thẳng. Phân cực là một khía cạnh khác của tính đồng pha. Tính phân cực trong hệ thống laser cho phép ánh sáng truyền tối đa trong môi trường laser mà không bị mất mát do phản xạ.
2.5.1.6. Tính kết hợp của Laser.
Một bức xạ Laser bất kỳ đều có tính kết hợp biểu hiện ở độ đơn sắc và tính đẳng pha của mặt sóng. Các Laser hoạt động ở chế độ đơn mode dọc hay ngang được biểu hiện trong các sóng đơn sắc và đẳng pha nên chúng nên chúng có bậc kết hợp không- thời gian cao. Tính hợp thời gian liên hệ chặt chẽ với độ đơn sắc của sóng Laser. Tính kết hợp không gian được thể hiện rõ trong hiện tượng giao thoa, hình ảnh giao thoa rõ ràng chứng tỏ tính kết hợp của chùm Laser.
Tóm lại, đồng hướng, phân cực, đồng pha và một phần tính đơn sắc đã bổ
sung cho đặc tính quan trọng của laser, đó là cường độ ánh sáng. Mặt trời có công suất 1026 W nhưng phát năng lượng theo tất cả các hướng ở một khoảng cách rất xa trái đất. Như vậy, một laser heli neon đơn giản 1 mW có độ bức xạ lớn gấp 100 lần mặt trời. Tùy loại laser mà có nguồn sáng công suất khác nhau. Có những loại laser công suất mạnh tương đương công suất 1 vạn nhà máy điện 1 triệu kW. Các loại laser sử dụng trong y học là những laser có công suất thấp như laser He – Ne công suất chỉ khoảng từ 2 MW đến 10 MW.
2.5.2. Tính chất sinh học
2.5.2.1. Hiệu ứng kích thích sinh học.
Thường xảy ra với Laser công suất thấp cỡ mW, tác động lên các đặc tính sống như: quá trình sinh tổng hợp protein, quá trình tích luỹ sinh khối, quá trình hô hấp tế bào. Làm gia tăng quá trình phân bào, thay đổi hoạt tính men, thay đổi tính thấm màng tế bào, tăng miễn dịch không đặc hiệu…
Tác dụng của laser lên cơ thể sống chia làm hai loại:
- Phản ứng nhanh (hay trực tiếp) là tác dụng ngay sau khi chiếu laser, biểu hiện là sự kích thích hô 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 quá trình phân chia tế bào.
2.5.2.2. Hiệu ứng nhiệt.
Công 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:
- Công suất không cao, thời gian tác động dài: sẽ làm nóng chảy tổ chức sinh học và sau đó các tổ chức bị đông kết lại (gọi là hiệu ứng quang đông) có tác dụng tốt cho cầm máu trong ngoại khoa.
- Công 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.