ĐỀ CƯƠNG MÔN ĐẠI CƯƠNG LASER Y HỌC

ĐỀ CƯƠNG MÔN ĐẠI CƯƠNG LASER Y HỌC

Câu 1 : Trong cuộc sống, chúng ta vẫn thường nghe đến cụm từ
laser, vậy ánh sáng laser là gì ? Nó khác gì so với ánh sáng mặt trời,
ánh sáng led ( Diot phát quang), ánh sáng con đom đóm .
Trả lời :
-

-

-

Laser là tên viết tắc của cụm từ Light Amplification By Stimulated
Emission Of Radiation và có nghĩa là “ khuếch đại ánh sáng bằng
phát xạ kích thích” .
Ứng dụng trong chẩn đoán và điều trị có bước sóng nằm trong
khoản từ 192nm – 10,6 µm, thuộc vùng tử ngoại, khả kiến và hồng
ngoại gần
So với ánh sáng mặt trời, ánh sáng led, ánh sáng đom đóm thì ánh
sáng của laser ta không thể nào quan sát bằng mắt được.
Ánh sáng mặt trời: bức xạ nhiệt
Ánh sáng led: diod phat quang
Ánh sáng con đom đóm: sinh học

Câu 2 : Trình bày cấu tạo chính (có vẽ hình) của 1 máy phát laser ?
Trả lời :
Cấu tạo của máy phát laser He-Ne:


1.
2.

3.
4.
5.

Buồng cộng hưởng ( vùng bị kích thích )
Nguồn nuôi ( năng lượng bơm vào vùng bị kích thích )
Gương phản xạ toàn phần
Gương bán mạ
Tia laser ( nhớ vẽ mũi tên đi ra ).

Cấu tạo chính của một máy phát laser bao gồm :
Hoạt chất : Đây là môi trường vật chất có khả năng khuếch đại ánh
sáng đi qua đó. Cho đến nay có nhiều loại chất khí, rắn, lỏng, bán
dẫn…. đã được làm hoạt chất cho máy phát laser.
Vd :
Hỗn hợp khí CO2, He-N2
Hỗn hợp rắn Al2O3-Cr+3
Hỗn hợp bán dẫn Ga-Al-As


Buồng cộng hưởng : Thành phần chủ yếu là hai gương phản xạ, một
gương có hệ số phản xạ rất cao cỡ 99,9999% , còn một gương có hệ
số phản xạ thấp hơn để tia laser thoát ra ngoài.
Bộ phận kích thích : Đây là bộ phận cung cấp năng lượng để tạo
được sự nghịch đảo độ tích lũy trong hai mức năng lượng nào đó của
hoạt chất và duy trì sự hoạt động của máy phát laser.
Câu 3: Nguyên lý máy phát bức xạ Laser?
Trả lời:
•
•

•

Cần có môi trường hoạt tính
Dùng phương pháp bơm để cho môi trường đó có mật độ đảo lộn
Cần dùng 1 cơ cấu để khuếch đại bức xạ phát ra cơ cấu này gọi là
buồng cộng hưởng.
Câu 4: Điều kiện làm việc của máy pháy Laser?
Quá trình bức xạ từ mức 2 xuống mức 1:Sóng điện từ chiếu tới môi
trường vs tần số f với hf = E1- E2 và trên mức 2 đang đc tích lũy các
trạng thái nguyên tử thì sẽ có 1 xác suất dịch chuyển từ mức 2 xuống
mức 1. Gọi là dịch chuyển bức xạ cưỡng bức.
Quá trình hấp thụ mức 1 lên mức 2 : Nguyên tử ở trạng thái có thể
hấp thị năng lượng photon tới có tần số f để chuyển lên trạng thái 2.
Nếu N2động và xảy ra quá trình hấp thụ , tuy nhiên nếu N2>N1 thì môi
trường hoạt chất sẽ ở trạng thái khuếch đại ánh sang và xảy ra quá
trình bức xạ .


Câu 5 : Tại sao nếu chỉ sử dụng 2 mức năng lượng của môi
trường hoạt chất thì không thể tạo ra nghịch đảo độ tích lũy? Vẻ
và phân tích sơ đồ hệ nguyên tử làm việc với 3 mức , 4 mức năng
lượng?
Trả lời :
Nếu chỉ sử dụng 2 mức năng lượng của môi trường hoạt chất thì
không thể tạo ra nghịch đảo độ tích lũy vì ở trạng thái cân bằng nhiệt
động , mức 1 được tích lũy nhiều hơn mức 2 nên sự hấp thụ chiếm ưu
thế hơn hơn bức xạ cưỡng bức. Có thể tích lũy mức 2 bằng cách chiếu
vào hoạt chất ánh sang tần số hf = E1 – E2 với cường độ đủ lớn. Tuy
nhiên, khi mật độ tích lũy 2 mức bằng nhau (N1=N2) tức là quá trình

hấp thụ và bức xạ cưỡng bức bù trừ lẫn nhau thì môi trường sẽ trở
nên trong suốt. Ta chỉ đạt được sự bão hòa mà không có nghịch đảo
độ tích lũy. Như vậy phải sử dụng nhiều hơn 2 mức, thường sử dụng 3
mức hoặc 4 mức.
Sơ đồ bơm 3 mức :
3
2

1
Trong laser hoạt động theo sơ đồ 3 mức bằng cách nào đó các nguyên tử
được chuyển từ mức 1 lên 3.Môi trường được chọn sao cho nguyên tử


của nó sau khi được kích thích lên mức 3 sẽ dịch chuyển nhanh về mức
2. Như vậy, có thể tạo được nghịch đảo độ tích lũy giữa mức 1 và 2.
Sơ đồ bơm 4 mức:

3
2
1
0
Trong laser hoạt động với 4 mức các nguyên tử được đưa từ mức cơ bản
0 lên mức 3. Nếu sau đó nguyên tử dịch chuyển nhanh về mức 2 thì giữa
2 mức 2 và 1 có thể có nghịch đảo độ tích lũy. Để laser hoạt động theo
liên tục theo sơ đồ 4 mức thì các hạt sau khi về mức 1 phải được dịch
chuyển rất nhanh về mức 0.
Câu 5’ : Nêu và chứng minh các tính chất của chùm laser?
Trả lời:
Tia laser có tính đơn sắc cao :
•

•

Độ đơn sắc của 1 chùm tia đc đặc trưng = độ rộng vạch của chùm.
Độ rộng vạch của chùm = 0 thì chùm có độ đơn sắc cao nhất.

Tia laser có tính định hướng cao ( là chùm sáng song song ):
•

Nguồn sáng nhiệt bức xạ theo mọi hướng trong không gian .


•
•

Công suất phát đc phân bố đều và đẳng pha trong toàn bộ khẩu độ
của nguồn .
Độ định phương cao cho sự tập trung năng lượng trong 1 góc khối
nhỏ và tạo nên cường độ lớn.

Tia laser là chùm sáng kết hợp ( các photon trong chùm có cùng tần
số và cùng pha):
•
•

Một bức xạ laser bất kỳ đều có tính kết hợp biểu đồ thể hiện ở độ
đơn sắc ( kết hợp thời gian ) và tính đẳng pha của mặt sóng.
Sóng có tính kết hợp không gian khi bất kỳ thời điểm nào, ánh
sáng có pha không đổi trên khắp mặt sóng ( kết hợp không gian).

Tia laser có cường độ lớn :

•
•

Để hiểu đặc điểm này ta so sánh cường độ bức xạ laser khi công
suất phát bình thường vs bức xạ nhiệt .
Với laser He-Ne công suất cỡ 1mW= 10-3W chế độ lien tục và với
photon nằm trong miền thấy đc (0,6328µm) năng lượng hf= 10-19 J
thì số photon laser phát ra trong 1s là 1016 photon

Câu 6: Vẽ sơ đồ phân loại laser dựa trên hoạt chất laser? Các giá trị
bước sóng ứng với từng loại laser? Phân loại laser theo công suất?


Nguồn Laser
Laser rắn:
- Laser Ruby
- Laser Nd:YAGNeodym
- Laser Ti:
sapphire
Laser khí:
- He-Ne:
- Argon:
- CO2:
Laser hơi kim loại:
- Laser He-Cd
- Laser He-Se
Laser màu:
Laser bán dẫn:
- Laser: Ga Al
As/Ga As

Bước sóng

Công suất

694.3nm
1060nm

Thấp
Cao

632,8nm
488nm và 524,5nm
10.600nm

Thấp
Thấp
Cao

820-904nm

Thấp

Câu 7: Các hiệu ứng xảy ra khi tác dụng laser công suất cao lên mô
sống?
Khi sử dụng laser công suất cao lên mô sống thì sẽ có các hiệu ứng xảy
ra sau :
•

Hiệu ứng nhiệt ( quang đông, bay hơi tổ chức ) : Tương tự như

hiệu ứng quang đông, nhiệt độ vùng tổ chức tăng lên và khi đạt đến
300°C, thì các matrix rắn của tổ chức sinh học nhận đủ năng lượng
để bay hơi. Ứng dụng của hiệu ứng này trong phẫu thuật, chùm tia
được dùng như chiếc dao mổ tạo ra những vết cắt nhỏ, không đau,
ít chảy máu, vô trùng. Tiêu biểu là laser CO2, laser YAG,… biết
với tên gọi là “dao mổ nhiệt”.


•

Hiệu ứng quang cơ hay còn gọi là hiệu ứng bóc lớp : Chúng ta
dùng các xung cực ngắn ( ns- nanosecond), công suất đỉnh cực cao,
bước sóng vùng tử ngoại gần, chiếu vào tổ chức sinh học. Bức xạ
laser vùng tử ngoại chỉ bị các phần tử hữu cơ hấp thụ, khi năng
lượng hấp thụ đủ lớn, mạch hữu cơ bị đứt gãy, xảy ra các “vi nổ”
từ đó nước bị đẩy ra khỏi tổ chức, cuối cùng tổ chức sinh học
giống như bị “bóc từng lớp”.

Câu 8 : Câu hỏi phần laser rắn: Cấu trúc của 1 laser rắn? Nêu đặc
điểm từng bộ phận, kỹ thuật laser, các chế độ hoạt động của laser
rắn ?
Trả lời :
Cấu trúc của một laser rắn có thể được chia làm 2 bộ phận chính :
•
•

Bộ phận quang gồm hoạt chất, buồng cộng hưởng , đèn bơm và
các mặt phản xạ tập trung ánh sáng bơm vào hoạt chất.
Bộ phận điện gồm nguồn nuôi cao áp, mạch nạp, phóng điện cho
các đèn bơm, mạch điều khiển….

Đặc điểm từng bộ phận:

•
•
-

Bộ phận quang:
Buồng cộng hưởng(BCH)
Hoạt chất thường có dạng là một thanh hình trụ được làm lạnh
bằng nước, trường hợp công suất nhỏ không cần làm lạnh.
BCH được tạo thành bằng cách phủ các lớp phản xạ lên 2 mặt cắt
song song của thanh hoạt chất.
Đa số trường hợp là dùng gương ngoài để tạo BCH.
Hộp đèn bơm:
Các đèn bơm quang học là phải có phổ bức xạ phù hợp với phổ
hấp thụ của hoạt chất và có năng lượng bơm đủ lớn. Các đèn này
thường có dạng ống thẳng hoặc xoắn.




-

Bộ phận điện:
Tùy theo chế độ làm việc của laser có thể dùng các mạch phóng
điện sau:
Mạch dùng cho chề độ phát xung tự do và chế độ điều khiển độ
phẩm chất.
Mạch chủ yếu dùng cho chế độ phát tự do.

Các chế độ hoạt động của laser rắn:
-

-

Laser rắn có thể làm việc ở chế độ phát xung hoặc phát liên tục.
Chế độ xung hay liên tục trước hết phụ thuộc vào hoạt chất sử
dụng và sau đó là do chế độ bơm.
Trong chế độ phát xung cũng có 3 chế độ gọi là
• Chế độ phát xung tự do
• Chế độ điều biến độ phẩm chất buồng cộng hưởng (Qswitching)
• Chế độ khóa mode (mode-locking

Câu 9: Câu hỏi phần laser khí: nêu phương pháp bơm? Sự kích
thích? Sự hồi phục ?
Trả lời :
Phương pháp bơm:
-

-

So với laser rắn, độ rộng của các mức nặng lượng chất khí khá nhỏ
( chỉ cỡ vài GHz hoặc nhỏ hơn) vì các nguyên nhân làm mở rộng
vạch tác dụng yếu.
Sự kích thích laser khí thường được thực hiện nhờ phóng điện,
nghĩa là bơm bằng dòng điện ( liên tục hoặc không đổi) đi qua môi
trường khí. Dưới tác dụng của dòng điện qua chất khí các điện tử
và ion tự do được hình thành. Các điện tích này được gia tốc trong
điện trường và sẽ có động năng lớn. Chuyển động của ion thường

không đóng vai trò quan trọng vì chỉ các điện tử tự do mới dẫn đến
kích thích nguyên tử khi va chạm.
Sự kích thích và hổi phục:
Sự kích thích nguyên tử khí trong phóng điện được thực hiện nhờ 2 quá
trình cơ bản sau:
-

Va chạm loại 1 giữa điện tử - nguyên tử đối với chất khí một thành
phần.
Va chạm loại 2 (truyền năng lượng cộng hưởng) đối với hỗn hợp
khí nhiều thành phần.

Sự hồi phục của các nguyên tử từ trạng thái kích thích về trạng thái năng
lượng thấp hơn kể cả trạng thái cơ bản thông qua 4 quá trình khác nhau:
1.
2.
3.
4.

Va chạm giữa nguyên tử kích thích và điện tử trong đó nguyên tử
truyền năng lượng của mình cho điện tử (va chạm loại 2).
Va chạm nguyên tử - nguyên tử trong hỗn hợp khí nhiều thành
phần.
Va chạm giữa nguyên tử với thành ống phóng điện.
Bức xạ tự phát.

Câu 10: Quá trình tạo ra cấu trúc diode chuyển tiếp PN?
* Khi chất bán dẫn đang trung hòa về điện mà vùng bán dẫn N bị mất e

thì vùng bán dẫn N gần mối nối trở thành có điện tích dương, vùng bán
dẫn P nhận thêm e thì vùng bán dẫn P gần mối nối trở thành có điện tích
âm. Đây là hiện tượng hàng rào điện áp, hiện tượng này tiếp diễn đến
khi điện tích âm của P đủ lớn để đẩy e từ N sang P.
Quá trình :
*Khi áp thế vào mối nối này, các cực của nguồn nuôi sẽ đẩy các lỗ trống
và e lại gần nhau và các e từ vùng N sẽ di chuyển vào vùng P.
* Lúc này, vùng N mang điện tích dương sẽ kéo e từ nguồn về thế chỗ
và vùng P đang mang điện tích âm thì cực dương của nguồn sẽ kéo e từ


P về. Như vậy, đã có 1 dòng e chạy liên tục từ cực âm của nguồn qua N
sang P về cực dương của nguồn.
Tức là: electron từ trạng thái năng lượng cao (vùng dẫn) rơi xuống vùng
hóa trị, kết hợp với lỗ trống và phát ra photon- tia LASER.
Câu 11: Bán dẫn vùng cấm trực tiếp là gì? Bán dẫn vùng cấm gián
tiếp là gì? để tăng cường điện phát quang ta lựa chọn vật liệu bán
dẫn có vùng cấm trực tiếp hay gián tiếp?
-

Các điện tử và lỗ trống ở Cả 2 phía khoảng năng lượng cấm có
cùng giá trị momem xung lượng và do đó tái hợp là trực tiếp.
Các năng lượng cực đại và cực tiểu xuất hiện ở các giá trị momem
xung lượng khác nhau. Để tái hợp điện tử - lỗ trống xảy ra, điện tử
cần phải giảm bớt momem sao cho nó có giá trị momem tương ứng
với năng lượng cực đại của vùng hóa trị.

Để tăng cường điện phát quang cần phải lựa chọn vật liệu bán dẫn thích
hợp.Vật liệu thường được sử dụng chọ mục đích này là các bán dẫn trực
tiếp vì sự tái hợp trong bán dẫn gián tiếp là khá chậm.

Câu 12: Vẽ sơ đồ cấu tạo 1 laser bán dẫn dạng phun với buồng cộng
hưởng Fabry-Perot
Lớp chuyển tiếp p-n
p-GaAs
n-GaAs
Mặt cắt tinh thể đánh bóng
+
hf


Buồng cộng hưởng được chế tạo
bằng GaAs ( gallium arsenide)
Câu 13: Nêu tên và trình bày 1 ứng dụng của laser trong y học ( tự
làm hoặc tham khảo bên dưới)
Quang châm bằng laser bán dẫn được thực hiện dựa trên cơ sở lý thuyết
kinh-lạc-huyệt. điều trị giống với phương pháp châm cổ truyền phương
Đông ở chỗ lấy huyệt vị làm vị trí cơ bản để tác động lên cơ thể, đồng
thời vận dụng triệt để những quy luật của châm cứu trong việc chọn
huyệt & phối hợp huyệt để điều trị. Trong quang châm bằng laser bán
dẫn công suất thấp cùng 1 lúc tác động đồng thời lên 5 huyệt hoặc 10
huyệt khác nhau để thực hiện điều trị.