Bài giảng môn học: Đại cương về Laser y học

Bài giảng môn học: Đại cương về Laser y học
Đặt vấn đề: Tại sao môn học Laser có trong chương trình của SV ngành Kỹ thuật y sinh?
Trong cuộc sống, chúng ta vẫn thường nghe đến cụm từ la-de, vậy ánh sáng la-de là gi?
Nó khác gì so với ánh sáng mặt trời, ánh sáng nhiệt, ánh sáng điện .. ..?
CHƯƠNG 0: GIỚI THIỆU MÔN HỌC
Laser (tiếng việt đọc là la-de) là tên viết tắt của cụm từ Light Amplification by
Stimulated Emission of Radiation (tiếng Anh đọc là /lei.z3/) , và có nghĩa là "khuếch đại
ánh sáng bằng phát xạ kích thích". . Laser được ứng dụng trong chẩn đoán và điều trị có
bước sóng nằm trong khoảng từ 193 nm đến 10.6µm, thuộc vùng tử ngoại, khả kiến và
hồng ngoại gần, có thể làm việc ở chế độ xung hay chế độ liên tục.

1
Giảng viên: Th.S Nguyễn Thị Huỳnh Lan

Năm học 2013-2014


Bài giảng môn học: Đại cương về Laser y học

Một trong hai đóng góp to lớn cho khoa học kỹ thuật của ngành vật lý trong thế kỷ 20 là
laser. Năm 1960, chiếc laser đầu tiên ra đời do nhà bác học Maiman (Mỹ) chế tạo, và từ
đó thành tựu này được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau, như đo đạc trong địa
chất, khoan cắt, hàn kim loại trong cơ khí, điều khiển phản ứng nhiệt hạch,… Đó là nhờ
ba đặc điểm cực kỳ quan trọng của laser : ánh sáng laser có độ đơn sắc lớn, độ kết hợp
cao và định hướng tốt.
Electron tồn tại ở các mức năng lượng riêng biệt trong một nguyên tử. Các mức năng
lượng có thể hiểu là tương ứng với các quỹ đạo riêng biệt của electron xung quanh hạt
nhân. Electron ở bên ngoài sẽ có mức năng lượng cao hơn những electron ở phía trong.
Khi có sự tác động vật lý hay hóa học từ bên ngoài, các hạt electron này cũng có thể nhảy
từ mức năng lượng thấp lên mức năng lượng cao hay ngược lại. Các quá trình này có thể
sinh ra hay hấp thụ các tia sáng (photon) theo giả thuyết của Albert Einstein. Bước sóng

(do đó màu sắc) của tia sáng phụ thuộc vào sự chênh lệch năng lượng giữa các mức.
Có nhiều loại laser khác nhau, có thể ở dạng hỗn hợp khí, ví dụ He-Ne, hay dạng chất
lỏng, song có độ bức xạ lớn nhất vẫn là tia laser tạo bởi các thành phần từ trạng thái chất
rắn.
Lịch sử Laser
Laser được phỏng theo maser, một thiết bị có cơ chế tương tự nhưng tạo ra tia vi sóng
hơn là các bức xạ ánh sáng. Maser đầu tiên được tạo ra bởi Charles H. Townes và sinh
viên tốt nghiệp J.P. Gordon và H.J. Zeiger vào năm 1953. Maser đầu tiên đó không tạo ra
tia sóng một cách liên tục. Nikolay Gennadiyevich Basov và Aleksandr Mikhailovich
2
Giảng viên: Th.S Nguyễn Thị Huỳnh Lan

Năm học 2013-2014


Bài giảng môn học: Đại cương về Laser y học
Prokhorov của Liên bang Xô viết đã làm việc độc lập trên lĩnh vực lượng tử dao động và
tạo ra hệ thống phóng tia liên tục bằng cách dùng nhiều hơn 2 mức năng lượng. Hệ thống
đó có thể phóng ra tia liên tục mà không cho các hạt xuống mức năng lượng bình thường,
vì thế vẫn giữ tần suất. Năm 1964, Charles Townes, Nikolai Basov và Aleksandr
Prokhorov cùng nhận giải thưởng Nobel vật lý về nền tảng cho lĩnh vực điện tử lượng tử,
dẫn đến việc tạo ra máy dao động và phóng đại dựa trên thuyết maser-laser.
Laser hồng ngọc, một laser chất rắn, được tạo ra lần đầu tiên vào năm 1960, bởi nhà vật
lý Theodore Maiman tại phòng thí nghiệm Hughes Laboratory ở Malibu, California.
Hồng ngọc là ôxít nhôm pha lẫn crôm. Crôm hấp thụ tia sáng màu xanh lá cây và xanh
lục, để lại duy nhất tia sáng màu hồng phát ra.
Robert N. Hall phát triển laser bán dẫn đầu tiên, hay laser diod, năm 1962. Thiết bị của
Hall xây dựng trên hệ thống vật liệu gali-aseni và tạo ra tia có bước sóng 850 nanômét,
gần vùng quang phổ tia hồng ngoại. Laser bán dẫn đầu tiên với tia phát ra có thể thấy
được được trưng bày đầu tiên cùng năm đó. Năm 1970, Zhores Ivanovich Alferov của

Liên Xô và Hayashi và Panish của Phòng thí nghiệm Bell đã độc lập phát triển laser
diode hoạt động liên tục ở nhiệt độ trong phòng, sử dụng cấu trúc đa kết nối.
KẾ HOẠCH DẠY MÔN HỌC NÀY:
Ngày bắt đầu:

09/06/2014

Ngày kết thúc: 25/06/2014

Cách đánh giá cho điểm SV: 20% điểm danh
30% SV Trình bày Powerpoint về ứng dụng Laser Y học
50% SV làm bài thi lý thuyết (đề đóng)
GV phát bài giảng, SV photo bài giảng (sau mỗi phần có câu hỏi ôn tập, SV tự soạn câu
trả lời)
Yêu cầu SV cần nắm được sau khi học môn học này: Nắm vững (học thuộc) lý thuyết cấu
tạo máy phát laser, nguyên lý máy phát laser, cơ chế phát, các tính chất chùm laser, phân
loại laser, ứng dụng. Nắm vững cách vẽ các sơ đồ phân bố năng lượng, thành lậ p công
thức, xem giải bài tập, chứng minh lý thuyết.
Lưu ý: Phía sau bài giảng có tài liệu về ứng dụng Laser bằng tiếng anh, SV tự đọc.
Bài giảng có kèm phụ lục để SV hiểu thêm lý thuyết liên quan đến Laser.
Buổi 1: GV dạy Chương 0, 1: Trình bày Powerpoint kết hợp giải thích bằng bảng.
Buổi 2: GV dạy Chương 2: Trình bày Powerpoint kết hợp giải thích bằng bảng
3
Giảng viên: Th.S Nguyễn Thị Huỳnh Lan

Năm học 2013-2014


Bài giảng môn học: Đại cương về Laser y học
Buổi 3: GV dạy Chương 3: Trình bày Powerpoint kết hợp giải thích bằng bảng

Buổi 4: SV Trình bày Powerpoint về ứng dụng Laser Y học (phải có ít nhất 2 câu hỏi)
Buổi 5: Ôn tập và giải đáp thắc mắc
Buổi 6: Thi thử

CHƯƠNG 1: ĐẠI CƯƠNG VỀ LASER
1.1. CẤU TẠO CỦA MỘT MÁY PHÁT LASER

™
Hình 1-2: Cấu tạo máy phát Laser He-Ne
1) Buồng cộng hưởng (vùng bị kích thích)
2) Nguồn nuôi (năng lượng bơm vào vùng bị kích thích)
3) gương phản xạ toàn phần
4) gương bán mạ
5) tia laser
Gồm 3 bộ phận chính: Hoạt chất, buồng cộng hưởng, bộ phận kích thích.
Hoạt chất: Đây là môi trường vật chất có khả năng khuếch đại ánh sáng đi qua nó. Cho
đến nay có nhiều loại chất khí, rắn, lỏng, bán dẫn …vd: Hỗn hợp khí CO2, He-N2 ; Chất
rắn Al2O3 – Cr+3 ; Chất bán dẩn như Ga-Al-As …đã được dùng làm hoạt chất cho máy
phát Laser.
Bình thường tuyệt đại đa số các nguyên tử của môi trường ở trạng thái cơ bản. Do đó, khi
một phôtôn năng lượng phù hợp bay qua, nó sẽ bị hấp thụ ngay. Muốn quá trình khuếch
đại ánh sáng xảy ra, phải làm cho số nguyên tử ở trạng thái kích thích nhiều hơn số
nguyên tử ở trạng thái cơ bản, tức là tạo ra sự đảo mật độ trong môi trường. Lúc đó môi
trường có khả năng khuếch đại ánh sáng, gọi là môi trường hoạt chất.
4
Giảng viên: Th.S Nguyễn Thị Huỳnh Lan

Năm học 2013-2014

Bài giảng môn học: Đại cương về Laser y học
Khi 1 photon tới va chạm vào hoạt chất này thì kéo theo đó là 1 photon khác bật ra bay
theo cùng hướng với photon tới. Mặt khác buồng công hưởng có 2 mặt chắn ở hai đầu,
một mặt phản xạ toàn phần các photon khi bay tới, mặt kia cho một phần photon qua một
phần phản xạ lại làm cho các hạt photon va chạm liên tục vào hoạt chất laser nhiều lần
tạo mật độ photon lớn. Vì thế cường độ chùm laser được khuếch đại lên nhiều lần. Tính
chất của laser phụ thuộc vào hoạt chất đó, do đó người ta căn cứ vào hoạt chất để phân
loại laser.
Chúng ta hãy khảo sát một môi trường có 2 mức năng lượng 1 và 2. Số nguyên tử trong
một đơn vị thể tích nằm ở một mức năng lượng gọi là mật độ tích lũy của mức năng
lượng đó. Gọi mật độ tích lũy tương ứng của hai mức trên là N 1 và N2 , ta có thể biểu diễn
các quá trình dịch chuyển bức xạ trong các nguyên tử này như hình vẽ sau đây:
E2

2

E2

2

1

E1

1

hf
E1
Hình 3a) Quá trình bức xạ

Hình 3b) Quá trình hấp thụ

Quá trình bức xạ từ mức 2 xuống mức 1: Nếu sóng điện từ chiếu tới môi trường có tần
số f với hf = E1 - E2 và trên mức 2 đang được tích lũy các trạng thái nguyên tử thì sẽ có
một xác suất dịch chuyển từ mức 2 xuống mức 1. Gọi là dịch chuyển bức xạ cưỡng bức.
Quá trình hấp thụ từ mức 1 lên mức 2: Nguyên tử ở trạng thái 1 có thể hấp thụ năng
lượng photon tới có tần số f để chuyển lên trạng thái 2.
Nếu N2 < N1 thì môi trường hoạt chất sẽ ở trạng thái cân bằng nhiệt động và xảy ra quá
trình hấp thụ, tuy nhiên nếu N2 > N1 thì môi trường hoạt chất sẽ ở trạng thái khuếch đại
ánh sáng và xảy ra quá trình bức xạ.
Buồng cộng hưởng: Thành phần chủ yếu là 2 gương phản xạ, 1 gương có hệ số phản xạ
rất cao cỡ 99,999% còn 1 gương có hệ số phản xạ thấp hơn để tia Laser thoát ra ngoài.
Để có sự khuếch đại mạnh ánh sáng, phải cho chùm sáng đi qua lại nhiều lần khối chất có
tính khuếch đại ánh sáng, theo cùng một phương. Muốn vậy, người ta đặt khối chất nói
trên giữa hai gương phẳng song song với nhau, có mặt phản xạ quay vào nhau; gương G 1
phản xạ tốt, gương G2 bán mạ. Chùm tia laze được lấy từ gương G 2. Sóng tới phản xạ là
các sóng kết hợp nên sẽ tạo thành sóng dừng. Tại các gương G 1 và G2 là các nút sóng.
Như vậy, khoảng cách giữa hai gương phải bằng một số nguyên lần bước sóng:
G1G2 = l = k(λ/2)
Hai gương G1 và G2 tạo thành một buồng cộng hưởng.

5
Giảng viên: Th.S Nguyễn Thị Huỳnh Lan

Năm học 2013-2014


Bài giảng môn học: Đại cương về Laser y học
Hình 4
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. Có các phương pháp kích thích sau: 1. Kích thích bằng ánh sáng hay gọi là
bơm quang học. Hoạt chất thu năng lượng bơm qua quá trình hấp thụ. 2. Kích thích bằng
va chạm điện tử. Năng lượng điện tử được gia tốc trong điện trường được truyền cho các
hệ nguyên tử hoạt chất nhờ quá trình va chạm.
Các sơ đồ bơm quang học: Nếu chỉ sử dụng 2 mức năng lượng của môi trường hoạt chất
thì không thể tạo ra nghịch đảo độ tích lũy. Ở trạng thái cân bằng nhiệt động, mức 1 được
tích lũy nhiều hơn mức 2 nên sự hấp thụ chiếm ưu thế hơn bức xạ cưỡng bức. Có thể tích
lũy mức 2 bằng cách chiếu vào hoạt chất ánh sáng tần số hf = E 1 - E2 với cường độ đủ
lớn. Tuy nhiên, khi mật độ tích lũy 2 mức bằng nhau (N 1 = 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.
Thông thường, người ta sử dụng 3 hoặc 4 mức và gọi là các sơ đồ bơm 3 mức hoặc 4
mức (xem hình vẽ).
3

3

2

2
1

1

Hình 5a) Sơ đồ bơm 3 mức

0

Hình b5) Sơ đồ bơm 4 mức

Trong Laser hoạt động theo sơ đồ 3 mức (h.5a) 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 2 và 1.
Trong Laser hoạt động theo sơ đồ 4 mức (h.5b) 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 mức 2 và 1 có thể
có nghịch đảo độ tích lũy. Để Laser hoạt động liên tục theo sơ đồ 4 mức thì các hạt sau
khi về mức 1 phải được dịch chuyển rất nhanh về mức 0.
Trong cả 2 sơ đồ trên, mức 2 gọi là mức laser trên còn mức 1 gọi là mức laser dưới. Rõ
ràng là không phải môi trường nào cũng có các mức năng lượng thỏa mãn các yêu cầu
trên. Người ta phải chọn hoặc chế tạo ra những chất có cấu trúc phân tử, nguyên tử thích
hợp. Trong thực tế, các hoạt chất Laser có thể làm việc với nhiều hơn 4 mức năng lượng
nhưng người ta cố gắng xếp chúng vào một trong hai sơ đồ bơm nói trên.
Tóm lại, cả 3 bộ phận: hoạt chất, buồng cộng hưởng, bộ phận kích thích không thể tách
rời và là cơ cấu chính của một máy phát laser.
6
Giảng viên: Th.S Nguyễn Thị Huỳnh Lan

Năm học 2013-2014


Bài giảng môn học: Đại cương về Laser y học

1.2. CÁC CHẾ ĐỘ PHÁT
Laser có thể được cấu tạo để hoạt động ở trạng thái bức xạ sóng liên tục (hay CW continuous wave) hay bức xạ xung (pulsed operation). Điều này dẫn đến những khác biệt
cơ bản khi xây dựng hệ laser cho những ứng dụng khác nhau.
Chế độ phát liên tục
Trong chế độ phát liên tục, công suất của một laser tương đối không đổi so với thời gian.
Sự đảo nghịch mật độ (electron) cần thiết cho hoạt động laser được duy trì liên tục bởi

nguồn bơm năng lượng đều đặn.
Chế độ phát xung
Trong chế độ phát xung, công suất laser luôn thay đổi so với thời gian, với đặc trưng là
các giai đoạn “đóng” và “ngắt” cho phép tập trung năng lượng cao nhất có thể trong một
thời gian ngắn nhất có thể. Các dao laser là một ví dụ, với năng lượng đủ để cung cấp
một nhiệt lượng cần thiết, chúng có thể làm bốc hơi một lượng nhỏ vật chất trên bề mặt
mẫu vật trong thời gian rất ngắn. Tuy nhiên, nếu cùng năng lượng như vậy nhưng tiếp
xúc với mẫu vật trong thời gian dài hơn thì nhiệt lượng sẽ có thời gian để xuyên sâu vào
trong mẫu vật do đó phần vật chất bị bốc hơi sẽ ít hơn. Có rất nhiều phương pháp để đạt
được điều này, như:
Phương pháp chuyển mạch Q (Q-switching)
Phương pháp kiểu khoá (modelocking)
Phương pháp bơm xung (pulsed pumping)
1.3. CÁC TÍNH CHẤT CỦA CHÙM TIA LASER
Như chúng ta đã thấy, tia laser là loại sóng điện từ nhưng do nguồn laser khác hẳn nguồn
sáng nhiệt, điện … nên tia laser có những tính chất đặc biệt khác với bức xạ điện từ thông
thường. Laser là một nguồn sáng phát ra một chùm sáng có tính đơn sắc, tính định hướng,
tính kết hợp rất cao và cường độ lớn.
Tia laser có tính đơn sắc cao: Độ đơn sắc của một chùm tia được đặc trưng bằng độ
rộng vạch của chùm. Khi độ rộng vạch của chùm bằng 0 thì chùm có độ đơn sắc cao
nhất. Có nhiều nguyên nhân dẫn đến bức xạ có một độ rộng nhất định. Trong trường hợp
gần đúng với buồng cộng hưởng quang học, độ rộng vạch có thể xác định bằng công
thức:
•
•
•

7
Giảng viên: Th.S Nguyễn Thị Huỳnh Lan

Năm học 2013-2014


Bài giảng môn học: Đại cương về Laser y học

Với công suất phát P = 1mW,

ở vùng bước sóng đỏ sẽ có
Đây là độ rộng rất bé.
Tia laser có tính định hướng cao (là chùm sáng song song): Nguồn sáng nhiệt bức xạ
theo mọi phương trong không gian. Còn nguồn laser do cơ cấu của buồng cộng hưởng
8
Giảng viên: Th.S Nguyễn Thị Huỳnh Lan

Năm học 2013-2014


Bài giảng môn học: Đại cương về Laser y học
quang học chỉ phát các dao động ngang và chúng tập trung trong một mặt phẳng phân
cực. Công suất phát được phân bố đều và đẳng pha trong toàn bộ khẩu độ của nguồn.
Với chùm laser sóng phẳng, bức xạ từ một buồng cộng hưởng với gương có đường kính d
(hoặc diện tích

sau gương chùm tia laser sẽ tán xạ, do hiện tượng nhiễu xạ, dưới một góc nhiễu xạ.

chùm tia sẽ bức xạ trong một góc khối:

Giá trị góc khối rất nhỏ so với góc khối bức xạ của một nguồn nhiệt là cỡ 2p steradians.
Độ định phương cao cho sự tập trung năng lượng trong một 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):
(Coherence of laser beam).
Một trong các tính chất quan trọng và đặc biệt nhất của laser là tính kết hợp. Một bức xạ
laser bất kỳ đều có tính kết hợp biểu hiện ở độ đơn sắc (kết hợp thời gian) và tính đẳng
pha của mặt sóng (kết hợp không gian).
Sóng có tính kết hợp không gian khi bất kỳ thời điểm nào, ánh sáng có pha không đổi
trên khắp mặt sóng của nó.
Tương tự tại một thời điểm cho trước dọc theo mặt sóng chuyển động nếu pha là giống
pha mà sóng có sau khi đi qua một khoảng cách L với thời gian L/c, dù L có như thế nào
thì sóng được xem có tính kết hợp hoàn toàn.
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 có bậc kết hợp không gian và thời gian cao, một cách tự động.
Với các tính chất đặc trưng như trên, các nguồn bức xạ laser, đặc biệt là laser khí He-Ne
được dùng phổ biến để thể hiện đơn vị độ dài mét. Hiện nay, phần lớn các Viện đo lường
quốc gia của các nước tiên tiến đều dùng laser khí He-Ne ổn định tần số bằng Iodine
bước sóng 633nm làm chuẩn đầu quốc gia cho đơn vị độ dài mét.
Do cơ chế hoạt động của laser khí He-Ne với buồng công hưởng Faby-Perot, xuất hiện
"chỗ lõm Lamb" (Lamb dip). Hiệu ứng này do Lamb chỉ ra bằng lý thuyết sau đó được
thực nghiệm xác nhận lại. Trên côngtua của đường cong khuyếch đại (Gain line) xuất
hiện một chỗ lõm.

9
Giảng viên: Th.S Nguyễn Thị Huỳnh Lan

Năm học 2013-2014


Bài giảng môn học: Đại cương về Laser y học

Trong Laser khí do sự chuyển động nhiệt của các nguyên tử khí nên xuất hiện nhiều

nhóm nguyên tử chuyển động với các vận tốc khác nhau. Giả sử bức xạ laser có tần số w
¹ w0 (tần số ở tâm) đi trong buồng cộng hưởng theo một phương nào đó, nó sẽ tương tác
với các nhóm nguyên tử có tốc độ v ngược lại với phương của bức xạ sẽ dẫn đến làm
giảm nghịch đảo độ tích luỹ và ở đường cong khuếch đại có sự sinh hốc (hole - burning).
Hoàn toàn tương tự với với bức xạ đi theo chiều ngược lại sẽ gặp các nhóm nguyên tử có
vận tốc v, kết quả trên đường công tua đường cong khuếch đại xuất hiện hai hốc đối xứng
so với tâm vạch. Độ rộng của hốc bằng độ mở rộng tự nhiên trong bức xạ Laser.

Khi w = w0 bức xạ laser sẽ chỉ tương tác với các nhóm nguyên tử có tốc độ v = 0 và sẽ
sinh ra một hốc ở tâm, đó chính là Lamb dip như thường gọi.
Chính nhờ hiệu ứng trên người ta sử dụng nó để ổn định tần số. Vì độ rộng hốc nhỏ nên
vị trí của hốc xác định khá chính xác chỗ cực tiểu của hốc cho phép ổn định tần số phát
Laser. Với nguồn Laser khí He-Ne người ta đã xác định tần số phát ở chỗ cực tiểu của
hốc nói trên với độ chính xác 10-9

10
Giảng viên: Th.S Nguyễn Thị Huỳnh Lan

Năm học 2013-2014


Bài giảng môn học: Đại cương về Laser y học
Ống Iodine được lắp bên trong hốc laser , ở đó bức xạ quang học là rất mạnh (10 mW).
Điều này làm cho các tín hiệu hấp thụ bão hoà rất hẹp, laser được điều chỉnh và giữ cố
định tại một trong bảy vạch hấp thụ của Iodine dưới sự kiểm soát của thiết bị điện tử.

Tia laser có cường độ lớn: Để hiểu đặc điểm này ta hãy so sánh cường độ của bức xạ
laser khi công suất phát bình thường với bức xạ nhiệt. Với Laser He- Ne phát công suất
cỡ 1mW = 10-3W ở chế độ liên tục và với photon nằm trong miền thấy được (0,6328µm)
có năng lượng hf = 10 -19J thì số photon laser phát trong một giây sẽ là 1016 photon. Với

một nguồn nhiệt có nhiệt độ cỡ T = 1000 0K, bức xạ từ một diện tích 1cm2 và cùng phát
sóng trong vùng thấy được với độ rộng 1000 A0 và bước sóng 6000 A0 thì số photon nhiệt
là 1012 photon. So sánh 2 nguồn phát trên ta thấy số photon laser gấp một vạn lần. Hoặc
nếu so sáng với bức xạ của laser ruby có công suất cỡ 1GW = 10 9W thì số photon sẽ là
1028 tức gấp số photon nhiệt hàng tỷ lần.
So sánh cường độ của bức xạ laser khi công suất bình thường với tia sáng nhiệt:
Với laser khí He–Ne phát công suất 1mW ở chế độ liên tục với bước sóng l » 633nm có
năng lượng hn = 10-9 J thì số phôton laser phát trong một giây sẽ là:

Với nguồn nhiệt có nhiệt độ T = 1000oK bức xạ từ một diện tích DA = 1cm2 và cùng
phát sóng trong vùng nhìn thấy được với độ rộng phổ Dn = 104 nm thì số phôton nhiệt
tính theo công thức:
11
Giảng viên: Th.S Nguyễn Thị Huỳnh Lan

Năm học 2013-2014


Bài giảng môn học: Đại cương về Laser y học

So sánh ta thấy số phôton laser lớn hơn rất nhiều.
Như vậy: Laser là nguồn sáng phát ra chùm sáng song song, kết hợp có tính đơn sắc cao
và có cường độ lớn.
Nguyên tắc phát quang của laser dựa trên ứng dụng hiện tượng phát xạ cảm ứng.
Sự phát xạ cảm ứng

Năm 1917, khi nghiên cứu lí thuyết phát xạ, Anh-xtanh đã chứng minh rằng: ngoài
hiện tượng phát xạ tự phát còn có hiện tượng phát xạ mà ông gọi là phát xạ cảm ứng.
Hiện tượng đó như sau:
Nếu một nguyên tử đang ở trong trạng thái kích thích, sẵn sàng phát ra một phôtôn có

năng lượng ε = hf, bắt gặp một phôtôn có năng lượng ε’ đúng bằng hf, bay lướt qua nó,
thì lập tức nguyên tử này cũng phát ra phôtôn ε. Phôtôn ε có cùng năng lượng và bay
cùng phương với phôtôn ε’. Ngoài ra, sóng điện từ ứng với phôtôn e hoàn toàn cùng pha
với sóng điện từ ứng với phôtôn ε’ (H.49.2).

Như vậy, nếu có một phôtôn ban đầu bay qua một loạt nguyên tử đang ở trạng thái kích
thích thì số phôtôn sẽ tăng lên theo cấp số nhân.
Các phôtôn này có cùng năng lượng (ứng với sóng điện từ có cùng bước sóng; do đó tính
đơn sắc của chùm sáng rất cao); chúng bay theo cùng một phương (tính định hướng của
chùm sáng rất cao); tất cả các sóng điện từ trong chùm sáng do các nguyên tử phát ra điều
12
Giảng viên: Th.S Nguyễn Thị Huỳnh Lan

Năm học 2013-2014


Bài giảng môn học: Đại cương về Laser y học
cùng pha (tính kết hợp của chùm sáng rất cao). Ngoài ra, vì số phôtôn bay theo cùng một
hướng rất lớn nên cường độ của chùm sáng có cường độ rất mạnh.
Câu hỏi: Hãy mô tả cụ thể quá trình nhân phôtôn vẽ trên hình?

CHƯƠNG 2: PHÂN LOẠI LASER
2.1.
LASER RẮN

Ta hãy xét cấu tạo của laze rubi. Laser này gồm một thanh rubi hình trụ (1). Hai mặt
được mài nhẳn, vuông góc với trục của thanh. Mặt (3) được mạ bạc; mặt (4) là mặt bán
mạ. Một bóng đèn xenon (2) được quấn quanh thanh rubi. Khi laze hoạt động thì thanh
rubi sẽ rất nóng, nên người ta phải gắn nó vào những cánh tỏa nhiệt (5).

Ở mỗi loại laser có một cách tạo ra sự đảo mật độ riêng. Dưới đây là một cách ở laser
rubi. Rubi (hồng ngọc) là tinh thể Al2O3 có pha Cr3O3, màu đỏ của rubi do ion Cr tạo ra.
Ta hãy quan tâm đến ba mức năng lượng E 1, E2, E3 của Cr. E1 là mức cơ bản, E2 là mức
năng lượng ứng với trạng thái kích thích giả - bền; thời gian sống của Cr ở trạng thái này
cỡ 5.10-3s, dài hơn hẳn thời gian sống ở các trạng thái kích thích khác (cở 10 -8s). Mức
kích thích E3 tương đối rộng, nghĩa là nguyên tử Cr có thể hấp thụ các phôtôn có năng
lượng lân cận giá trị 2,23 eV.
Người ta dùng ánh sáng xanh (0,556 mm, ứng với năng lượng 2,23 eV) của một đèn
xenon chiếu vào rubi để làm cho phần lớn nguyên tử Cr chuyển từ trạng thái cơ bản lên
trạng thái kích thích E3. Sau khoảng thời gian cỡ 10 -8s, chúng chuyển một cách tự phát về
13
Giảng viên: Th.S Nguyễn Thị Huỳnh Lan

Năm học 2013-2014


Bài giảng môn học: Đại cương về Laser y học
trạng thái E2 và sống ở đó trong khoảng 5.10-3s. Trong khoảng thời gian này có sự đảo lộn
mật độ khối rubi.
Khi chuyển từ trạng thái E2 về trạng thái cơ bản thì nguyên tử Cr phát ra ánh sáng đỏ
(0,694μm, ứng với năng lượng 1,79eV).
Nếu thời gian chiếu sáng khối rubi dài hơn 5.10-3s thì có còn trạng thái đảo lộn mật độ
hay không? Tại sao?
2.2.
2.3.
2.4.
2.5.
2.6.

LASER KHÍ

LASER HƠI KIM LOẠI
LASER MÀU
LASER BÁN DẪN
LASER SỢI

CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG LASER VÀ AN TOÀN KHI SỬ DỤNG
3.1. TƯƠNG TÁC CỦA LASER VỚI MÔ SỐNG
Khi ánh sáng chiếu đến cơ thể sinh vật, sự tương tác giữa ánh sáng và cơ thể sinh vật thể
hiện qua các hiệu ứng sau :
+ Về phía chùm sáng: có sự thay đổi về cường độ, bước sóng, hướng truyền.
+ Về phía cơ thể sinh vật : xảy ra các quá trình gồm nhiều giai đoạn kế tiếp nhau, như: sự
tích luỹ năng lượng bên trong phân tử sinh vật, khử trạng thái kích thích phân tử, những
chuỗi phản ứng trung gian và các hiệu ứng sinh học xảy ra.

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.
14
Giảng viên: Th.S Nguyễn Thị Huỳnh Lan

Năm học 2013-2014


Bài giảng môn học: Đại cương về Laser y học
- Phản ứng chậm (hay gián tiếp) là tác dụng muộn sau hàng giờ hay ngày, biểu hiện bằng
sự gia tăng quá trình phân chia tế bào.

Hiệu ứng nhiệt: Công suất chùm tia có thể tới hàng trăm W, 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.
Hiệu ứng quang ion: Còn gọi là hiệu ứng quang cơ vì quang năng của LASER biến
thành cơ năng đê bóc lớp (không có tác động nhiệt) hay phá sỏi với xung cực ngắn, công
suất đỉnh cực cao.
Y văn thế giới thường nhấn mạnh 7 loại hình đáp ứng sau đây :
– Đáp ứng chống viêm
– Đáp ứng chống đau
– Đáp ứng của tổn thương tế bào
– Đáp ứng tái sinh
– Đáp ứng của hệ miễn dịch
– Đáp ứng của hệ tim mạch
– Đáp ứng của hệ nội tiết
3.2. LASER CÔNG SUẤT THẤP TRONG Y HỌC – AN TOÀN KHI SỬ DỤNG
Chỉ định, chống chỉ định
Trong Vật lý trị liệu chủ yếu sử dụng LASER công suất thấp để gây hiệu ứng kích thích
sinh học, được chỉ định trong các bệnh sau:
- Kích thích các huyệt (xem tham khảo sơ đồ huyệt) thay châm cứu sử dụng LASER
quang châm, LASER quang trị liệu trong điều trị đau khớp, đau thần kinh. Loại 2 đầu
châm, 5 đầu châm, 10 đầu châm, 12 đầu châm.
15
Giảng viên: Th.S Nguyễn Thị Huỳnh Lan

Năm học 2013-2014

Bài giảng môn học: Đại cương về Laser y học
- Các tổn thương ở da và niêm mạc, các vết thương vết loét lâu liền, tác dụng chủ yếu tại
chỗ.
- Kích thích các điểm vận động Erb trong phục hồi thần kinh cơ và kích thích theo phản
xạ đốt đoạn.
- LASER nội tĩnh mạch cải thiện các chỉ số sinh hóa - máu. (Kèm hội nghị gần đây)
Chống chỉ định trong các trường hợp: các u ác tính, đang chảy máu, quá suy kiệt.
Dựa trên 7 loại hình đáp ứng này, có ba ứng dụng quan trọng trong y học hiện nay là
quang châm, quang trị liệu và nội tĩnh mạch thường dùng laser khí He-Ne hay laser
bán dẫn
Thiết bị quang châm bằng Laser bán dẫn công suất thấp: (Theo bản tin KHCN số 01/2011)

Thiết bị quang châm bằng Laser bán dẫn do phòng
thí nghiệm công nghệ Laser Trường đại học
Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh chế tạo
được sử dụng khá phổ biến tại các cơ sở điều trị
trên địa bàn tỉnh Bình Dương. Riêng hệ thống y tế
Nhà nước đã có 03 bệnh viện cấp tỉnh, 7 bệnh
viện cấp huyện và 86 trạm y tế cấp xã, phường
được trang cấp thiết bị này.
Thiết bị này có nhiều điểm khác biệt với thiết bị
châm cứu bằng Laser khí và Laser bán dẫn do các
tác giả khác chế tạo. Chính vì vậy, chúng có tên
gọi riêng là: “Thiết bị quang châm bằng Laser bán dẫn công suất thấp”, nhằm khắc họa
sự khác biệt giữa thiết bị do Việt Nam chế tạo với thiết bị do các nước khác nghiên cứu
chế tạo.
Nguyên tắc làm việc của thiết bị quang châm bằng Laser bán dẫn công suất thấp dựa trên
các nguyên lý cơ bản của châm cứu cổ truyền phương Đông. Điều này được thể hiện qua:

a. Quang châm bằng Laser bán dẫn được thực hiện trên cơ sở lý thuyết Kinh - Lạc Huyệt. Điều trị giống với phương pháp châm cổ truyền phương Đông ở chổ 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 và phối hợp huyệt để điều trị. Trong quang châm bằng
Laser bán dẫn công suất thấp, cùng một lúc tác động đồng thời lên 5 huyệt hoặc 10 huyệt
khác nhau để thực hiện điều trị.
b. Phối hợp huyệt trong điều trị: Phương pháp quang châm bằng Laser bán dẫn tận dụng
triệt để và hoàn hảo quy luật chọn huyệt và phối hợp huyệt trong châm cứu cổ truyền trên
hai mặt: (i) Không gian: Tác động cùng một lúc nhiều huyệt ở các vị trí khác nhau trên
cơ thể người để cùng làm một nhiệm vụ là điều trị cho một chứng hay một bệnh cụ thể
nào đó; (ii) thời gian: Sự tác động nêu trên được tiến hành cùng một lúc hoặc theo một
biểu hiện nào đó, để tạo ra sự cộng hưởng tối ưu trong điều trị.
Trong điều trị phục hồi chức năng vận động cho bệnh nhân di chứng sau tai biến mạch
16
Giảng viên: Th.S Nguyễn Thị Huỳnh Lan

Năm học 2013-2014


Bài giảng môn học: Đại cương về Laser y học

máu não, sử dụng thiết bị quang châm - quang trị liệu bằng Laser bán dẫn loại 12 kênh.
Phần điều trị của thiết bị này gồm: Hai kênh quang trị liệu bằng Laser bán dẫn, công cụ
điều trị bằng hiệu ứng hai bước sóng đồng thời; mười kênh quang châm bằng Laser bán
dẫn, mười kênh này hoàn toàn giống nhau, nhưng độc lập với nhau.
Khi thực hiện điều trị được tiến hành như sau:
Sử dụng hai kênh quang trị liệu tác động trực tiếp lên vùng vận động theo phương thức
đầu châm của châm cứu cổ truyền phương Đông. Đồng thời sử dụng 10 kênh quang
châm bằng Laser bán dẫn kích thích các huyệt kinh điển trong châm cứu cổ truyền ở tay
và chân phía bị liệt. Hai quá trình trên được tiến hành cùng một lúc. Đây là một đặc điểm
hết sức quan trọng của quang châm bằng Laser bán dẫn. Điều này không thể hiện được

trong châm cứu bằng Laser khí He-Ne.
c. Phối hợp các thủ pháp châm:
Phương pháp châm bằng Laser bán dẫn thực hiện các phép châm như: Bổ, tả, bình bổ,
bình tả… một cách hoàn hảo nhất thông qua các thông số: Tần số điều biến chùm tia;
công suất phát xạ chùm tia; thời gian điều trị của từng kênh điều trị, các kênh điều trị
hoàn toàn giống nhau, nhưng độc lập với nhau.
d. Khái niệm về đắc khí trong quang châm bằng Laser bán dẫn:
Trong quang châm bằng Laser bán dẫn khái niệm về đắc khí được hiểu với hai nội dung
chính dưới đây:
- Nội dung thứ nhất: Khi thực hiện điều trị bằng quang châm Laser bán dẫn, chùm tia
laser bán dẫn hoàn toàn bao trùm lên huyệt cần châm. Điều này dễ nhận thấy, khi chúng
ta xem hình chỉ dẫn đường đi của chùm tia Laser bán dẫn tác động lên huyệt. Từ hình 1,
chúng ta có thể chọn được góc phát xạ của Laser bán dẫn, để chùm tia của nó bao trùm
hoàn toàn huyệt cần châm.
- Nội dung thứ hai: Về mặt sinh lý, tất cả các tế bào đều thực hiện hoạt động tổng hợp
phân tử, vận chuyển tích cực vật chất qua màng tế bào, chuyển động vật lý như sự co cơ
của tế bào, hay hoạt động điện hóa và để thực hiện tất cả các công việc trên, tế bào cần
được cung cấp năng lượng thông qua ATP (Andenosine Triphosphate) là phần tử cung
cấp năng lượng cho hầu như mọi phản ứng sinh hóa trong tế bào. Do đó, nếu tính toán
được hàm lượng phân tử ATP tổng hợp được khi chiếu tia Laser lên mô mà tại đó có
huyệt cần châm, có thể lý giải được tính “đắc khí” trong quang châm bằng Laser bán dẫn.
Mặt khác, theo kết quả tính toán cho thấy: Hàm lượng phân tử ATP do bước sóng 940
nm tổng hợp lớn hơn nhiều lần so với bước sóng 630 nm. Điều này là cơ sở cho sự khác
biệt quang trọng về “đắc khí” giữa quang châm bằng Laser bán dẫn làm việc ở bước sóng
940 nm với Laser khí He-Ne làm việc ở bước sóng 632,8 nm.
Những điểm trình bày ở các phần trên chính là những điểm tương đồng và sự khác biệt
cơ bản giữa quang châm bằng Laser bán dẫn so với phương pháp châm cứu bằng Laser
khí
He-Ne
và

Laser
bán
dẫn
của
các
tác
giả
khác.

17
Giảng viên: Th.S Nguyễn Thị Huỳnh Lan

Năm học 2013-2014


Bài giảng môn học: Đại cương về Laser y học

Quang châm bằng Laser bán dẫn đồng thời dựa trên hiệu ứng kích thích sinh học: hiệu
ứng kích thích sinh học xảy ra khi chùm tia Laser có công suất thấp tác động lên huyệt
với mật độ công suất trong khoảng (10 -4- 100)W/cm2 với thời gian chiếu từ 10 giây đến
hàng chục phút. Hiệu ứng kích thích sinh học này thông qua hàng loạt phản ứng quang
hóa và quang sinh, mang lại hàng loạt đáp ứng mà y học thế giới đã khẳng định, đó là:
Chống viêm, chống đau, chống tổn thương tế bào, tái sinh, đáp ứng của hệ miễn dịch, hệ
tim mạch và hệ nội tiết.
Khi thực hiện bằng Laser bán dẫn, hai quá trình: Tác dụng điều trị của huyệt, hiệu ứng
kích thích sinh học xảy ra đồng thời. Đây cũng chính là ưu thế của quang châm bằng
Laser bán dẫn.
Trên cơ sở tiến hành khảo sát bằng thực nghiệm, phòng thí nghiệm công nghệ Laser chọn
Laser bán dẫn từ GaAs làm việc ở bước sóng 940 nm làm kim quang học để thực hiện
quang châm. Bước sóng 940 nm không những có độ xuyên sâu vào cơ thể tốt nhất, mà

còn phụ thuộc không đáng kể vào sắc tố da. Do đó, khi sử dụng bước sóng 940 nm làm
kim quang học, để thực hiện tốt các vấn đề chính sau đây:
Đáp ứng các độ nông sâu khác nhau của huyệt trên thân người.
Thực hiện điều trị có kết quả tốt đối với bệnh nhân có sắc tố da khác nhau.
Có khả năng điều biến trong, nên việc thực hiện châm bổ, châm tả… dễ dàng. Mặt khác
làm cho thiết bị gọn và nhẹ.
Cấu trúc Laser bán dẫn loại phun thích hợp cho
việc chế tạo thiết bị có nhiều đầu quang châm.
Trong châm cứu truyền thống, khi điều trị các
chứng đau nhức, người ta thường sử dụng huyệt
phát sinh tại vị trí bị tổn thương, còn gọi là A thị
huyệt. Ngoài ra, có một số bệnh đặc trưng như:
Viêm xoang, viêm họng hạt, một số dạng thoái
hóa khớp … thường gây nhiều khó khăn dai
dẳng trong điều trị bằng Tây y, Laser công suất
18
Giảng viên: Th.S Nguyễn Thị Huỳnh Lan

Năm học 2013-2014


Bài giảng môn học: Đại cương về Laser y học
thấp khi tác dụng lên mô sống, tạo ra hiệu ứng kích thích sinh học. Chính hiệu ứng này là
công cụ hết sức độc đáo trong chữa trị cho các bệnh kể trên.
Cũng chính vì những lý do nêu trên, một loại thiết bị được gọi là: Thiết bị quang trị liệu
bằng Laser bán dẫn ra đời. Kết quả điều trị lâm sàng của thiết bị rất phong phú với hiệu
quả cao. Cũng chính vì vậy đã hình thành phương pháp điều trị bằng quang trị liệu Laser
bán dẫn, một phương pháp độc đáo của Việt Nam.
Thiết bị quang trị liệu bằng Laser bán dẫn loại hai kênh có những đặc tính riêng của
mình. Điều này được thực hiện qua các điểm

chính sau đây:
Sử dụng hiệu ứng hai bước sóng đồng thời do:
Laser bán dẫn làm việc ở bước sóng 940 nm,
Laser bán dẫn làm việc ở bước sóng 780 nm chiếu
trực tiếp lên vùng tổn thương nhờ hệ thống quang
học làm cho hai chùm tia Laser bán dẫn trộn lẫn
vào nhau, tác động đồng thời lên từng điểm của
vùng tổn thương, làm cho các đáp ứng sinh học,
do hiệu ứng kích thích sinh học mang lại, xảy ra
nhanh hơn và mạnh hơn.
Hai bước sóng 940 nm và 780 nm có khả năng xuyên sâu vào cơ thể, nên thiết bị quang
trị liệu bằng Laser bán dẫn, không những điều trị được những tổn thương ở bề mặt da mà
còn điều trị được các tổn thương ở những độ nông, sâu khác nhau.
Với hiệu ứng hai bước sóng đồng thời, thiết bị quang châm bằng Laser bán dẫn tạo ra khả
năng điều trị cho những tổn thương rộng dưới 100 cm 2 liền tạo chắc chắn. Điều này đã
được khảo sát thực nghiệm trên hai dạng bệnh: Vết thương lâu lành và viêm xoang.
Có hai hình thức sử dụng thiết bị quang trị liệu bằng Laser bán dẫn công suất thấp trong
điều trị lâm sàng.
Theo Đông y: Điều trị trực tiếp lên A thị huyệt hoặc huyệt kinh điển theo châm cứu cổ
truyền. Trong trường hợp này, các phép châm bổ, tả, bình bổ, bình tả … được thực hiện
như giới thiệu bên trên.
Theo Tây y: Điều trị trực tiếp các tổn thương theo các vị trí của cơ thể học. thiết bị cơ thể
điều trị các tổn thương ở các độ nông sâu khác nhau so với bề mặt da bằng cách điều
chỉnh: Công suất phát xạ của chùm tia hai loại Laser và tần số điều biến.
Với những ưu điểm nêu trên, thiết bị này đã và đang góp phần trong chăm sóc sức khỏe
cho cộng đồng ngay tại tuyến cơ sở, giảm phiền hà, hạ thấp chi phí điều trị và góp phần
tạo công bằng trong chăm sóc sức khỏe cho người dân.
( Bài viết tham khảo tài liệu đào tạo Kỹ thuật viên Quang châm và báo cáo Tổng kết dự
án Ứng dụng thiết bị Laser BDCST tại 30 trạm y tế xã, phường năm 2009 tại Bình
Dương)

19
Giảng viên: Th.S Nguyễn Thị Huỳnh Lan

Năm học 2013-2014


Bài giảng môn học: Đại cương về Laser y học

Laser được ứng dụng rộng rãi trong rất nhiều lĩnh vực.

Laser dùng trong phòng thí nghiệm

20
Giảng viên: Th.S Nguyễn Thị Huỳnh Lan

Năm học 2013-2014


Bài giảng môn học: Đại cương về Laser y học

Laser dùng trong công nghiệp
- Trong y học, lợi dụng khả năng có thể tập trung năng lượng của chùm tia laze vào
một vùng rất nhỏ, người ta đã dùng tia laze như một dao mổ trong các phẩu thuật tinh vi
như mắt, mạch máu... Ngoài ra, người ta cũng dùng tác dụng nhiệt của tia laze để chữa
một số bệnh ngoài da...
Laser dùng trong nghiên cứu khoa học: Nghiên cứu về quang học phi tuyến, nghiên
cứu holography (chụp ảnh khối), nghiên cứu plasma nóng và các phản ứng nhiệt hạch.
- Trong thông tin liên lạc, do có tính định hướng và tần số rất cao nên tia laze có ưu
thế đặc biệt trong liên lạc vô tuyến (vô tuyến định vị, liên lạc vệ tinh, điều khiển các con

tàu vũ trụ...). Do có tính kết hợp và cường độ cao nên các tia laze được sử dụng rất tốt
trong việc truyền tin bằng cáp quang.
- Trong công nghệp, vì tia laser có cường độ mạnh và có tính định hướng cao nên nó
được dùng trong các công việc như cắt, khoan, tôi... chính xác trên nhiều chất liệu như
kim loại, compôdit... Người ta có thể khoan được những lỗ có đường kính rất nhỏ và rất
sâu mà không thể thực hiện bằng các phương pháp cơ học.
- Trong trắc địa, laze được dùng trong các công việc như đo khoảng cách, tam giác
đạc, ngắm các đường thẳng...
- Laser còn được dùng trong các đầu đọc đĩa CD, trong các bút trỏ bảng, bản đồ,
trong các thí nghiệm quang học ở trường phổ thông...
PHỤ LỤC
1. Hiện tượng quang – phát quang
Một số chất có khả năng hấp thụ ánh sáng có bước sóng này để phát ra ánh sáng có
bước sóng khác. Hiện tượng đó gọi là hiện tượng quang – phát quang. Chất có khả năng
phát quang là chất phát quang.
Ví dụ : Nếu chiếu một chùm ánh sáng tử ngoại vào một ống nghiệm đựng dung dịch
fluorexêin (chất diệp lục) thì dung dịch này sẽ phát ra ánh sáng màu lục. Ở đây, ánh sáng
tử ngoại là ánh sáng kích thích, còn ánh sáng màu lục là do fluorexêin phát ra là ánh sáng
phát quang.

21
Giảng viên: Th.S Nguyễn Thị Huỳnh Lan

Năm học 2013-2014


Bài giảng môn học: Đại cương về Laser y học

Thành trong của các đèn ống thông thường có phủ một lớp bột phát quang. Lớp bột
này sẽ phát quang ánh sáng trắng khi bị kích thích bởi ánh sáng giàu tia tử ngoại do hơi

thủy ngân trong đèn phát ra lúc có sự phóng điện qua nó.
Một đặc điểm quan trọng của sự phát quang là nó còn kéo dài một thời gian sau khi
tắt ánh sáng kích thích. Thời gian này dài ngắn khác nhau phụ thuộc vào chất phát quang.
Sự phát quang có nhiều điểm khác biệt với các hiện tượng phát sáng khác, trong
số đó có 2 đặc điểm quan trọng sau:
+ Một là, bức xạ phát quang là bức xạ riêng của mỗi vật: mỗi chất phát quang có
phổ đặc trưng cho nó.
+ Hai là, sau khi ngừng kích thích, sự phát quang của một số chất còn tiếp tục kéo
dài thêm một khoảng thời gian nào đó, rồi mới ngưng hẳn, Khoảng thời gian từ lúc
kích thích cho đến lúc ngừng phát quang gọi là toời gian phát quang. Tùy theo chất
phat quang mà thời gian phát quang có thể kéo dài từ 10-10s đến vài giây.
Chú ý: Ngoài hiện tượng quang – phát quang còn có các hiện tượng phát quang
khác như: hoá – phát quang ở con đom đóm, phát quang catôt ở màn hình vô tuyến,
điện – phát quang ở LED.
Căn cứ vào các đặc điểm của sự phát quang thì sự phản xạ, sự bức xạ nhiệt (bức xạ
do vật bị đốt nóng) có phải là sự phát quang hay không?
2. Huỳnh quang và lân quang
+ Huỳnh quang là sự phát quang có thời gian phát quang ngắn dưới 10-8s . Nghĩa là
ánh sáng phát quang hầu như tắt ngay sau khi ánh sáng kích thích tắt.
+ Lân quang là hiện tượng phát quang có thời gian phát quang kéo dài từ 10-8s trở
lên.
Sự phát quang của các chất lỏng và khí, có đặc điểm là ánh sáng kích thích. Sự phát
quang này gọi là sự huỳnh quang.
Sự phát quang của nhiều chất rắn còn lại có đặc điểm là ánh sáng phát quang có thể
kéo dài một khoảng thời gian nào đó sau khi tắt ánh sáng kích thích. Sự phát quang này
gọi là sự lân quang. Các chất rắn phát quang loại này gọi là chất lân quang.
Các loại sơn xanh, đỏ, vàng... quét trên một số biển báo giao thông hoặc ở các cọc
chỉ giới đường có thể là các chất lân quang có thời gian kéo dài khoảng một phần mười
giây.
22

Giảng viên: Th.S Nguyễn Thị Huỳnh Lan

Năm học 2013-2014


Bài giảng môn học: Đại cương về Laser y học

3. Định luật Xtốc (Stoke) về sự huỳnh quang
Ánh sáng phát quang có bước sóng dài hơn bước sóng của ánh sáng kích thích:
λhq > λkt.
Dựa vào thuyết lượng tử ta có thể giải thích được định luật Xtốc. Thực vậy, mỗi
nguyên tử hay phân tử của chất huỳnh quang hấp thụ hoàn toàn một phôtôn của ánh sáng
kích thích có năng lượng hfkt để chuyển sang trạng thái kích thích. Khi ở trong trạng thái
kích thích, nguyên tử hay phân tử này có thể va chạm với các nguyên tử hay phân tử khác
và bị mất một phần năng lượng.. Khi trở về trạng thái bình thường nó sẽ phát ra một
phôtôn hfhq có năng lượng nhỏ hơn : hfhq < hfkt và λhq > λkt.
C2. Tại sao các loại sơn quét trên các biển báo giao thông hoặc trên đầu các cọc
chỉ giới phải là sơn phát quang mà không phải là sơn phản quang (sơn phản xạ ánh
sáng)?
4. Ứng dụng
Các hiện tượng phát quang có rất nhiều ứng dụng trong khoa học kỹ thuật và trong
đời sống, như sử dụng trong các bóng đèn thấp sáng, trong các màn hình của dao động kí
điện tử, của tivi, máy tính, sử dụng sơn phát quang quét trên các biển báo giao thông.
1. Đơn vị lượng tử SI

Đại lượng
Năng lượng lượng tử

Kí hiệu

Tên đơn vị

Kí
hiệu

ε

Jun

J

Công thoát của kim loại

A

Giới hạn quang điện

λ0

met

m

Năng lượng ở trạng thái dừng
En
n

Jun

J

Cường độ dòng quang điện
Ibh
bão hòa

Ampe

A

Hiệu điện thế hãm

Vôn

V

Uh

Jun

J

2. Một số hằng số vật lí
- Điện tích electrôn: e = 1,602.10-19 C
- Khối lượng nghỉ của electrôn: me = 9,11.10-31 kg
23
Giảng viên: Th.S Nguyễn Thị Huỳnh Lan

Năm học 2013-2014

Bài giảng môn học: Đại cương về Laser y học
- Vận tốc ánh sáng trong chân không: c = 3.10 8 m/s
- Hằng số Planck h= 6,625.10-34 J.s
- Bán kính quỹ đạo Bohr r0= 0,53.10 -10 m
3. Hệ số chuyển đổi
1 pm = 10-12 m 1 µm = 10-6 m
1 A0 = 10-10 m 1 eV = 1,602.10-19 V
1 nm = 10-9 m
4. Một số hệ thức vật lí
- Điều kiện để xãy ra hiện tượng quang điện: λ ≤ λ0
- Hệ thức Einstein vê hiện tượng quang điện:
- Động năng ban đầu cực đậi của dòng electrôn quang
điện:
- Cường độ dòng quang điện bão hòa: Ibh = n.e
- Công suất nguồn phát xạ: P = N.ε
- Lượng tử năng lượng: ε = hf
- Sự bức xạ hay hấp thụ năng lượng ở trạng thái dừng: Em - En= hf
- Bán kính quỹ đạo Bohr ở trạng thái dừng thứ n: rn= n2r0
- Định luật hấp thụ ánh sáng: I= I0e- α d
Những tia laser và maser trong vũ trụ
Cơ chế phát bức xạ cảm ứng mà Einstein đề xuất đã dẫn đến những áp dụng để sản xuất
những máy laser và maser trong công nghiệp. Công trình của Einstein cũng tỏ ra rất cần
thiết trong công việc nghiên cứu hiện tượng laser và maser trong vũ trụ. Như đã trình bầy
trong chương trước, thông thường những đám khí tồn tại ở trạng thái “cân bằng nhiệt”
trong đó nguyên tử đọng ở những mức năng lượng thấp theo định luật Boltzmann. Tuy
nhiên đám khí có thể chuyển sang trạng thái “không cân bằng nhiệt” nếu có một cơ chế
“bơm” nguyên tử lên những mức năng lượng cao. Khi đó sự phân bố nguyên tử không
24
Giảng viên: Th.S Nguyễn Thị Huỳnh Lan

Năm học 2013-2014


Bài giảng môn học: Đại cương về Laser y học
còn tuân theo định luật Boltzmann. Thậm chí sau khi được bơm, dân số nguyên tử ở
những mức năng lượng cao có khả năng vượt hơn hẳn dân số nguyên tử ở̉ những mức
năng lượng thấp. Hiện tượng “đảo ngược dân số” tạo ra tình trạng có rất nhiều nguyên tử
tập trung ở những mức năng lượng cao, chẳng hạn ở mức m. Khi một bức xạ có tần số n
= (Em – El)/h chiếu vào thì không còn nhiều nguyên tử ở mức năng lượng thấp l để hấp
thụ bức xạ. Trái lại, bức xạ khởi động một quá trình tương tự như một loại “phản ứng dây
chuyền”, làm những nguyên tử tập trung ở mức năng lượng cao m đột nhiên đổ xô xuống
mức năng lượng dưới l và thi nhau phát bức xạ. Quá trình này tạo ra một tia laser rất
mạnh. Các nhà vật lý sử dụng nhiều “thủ thuật” để bơm dân số nguyên tử lên những mức
năng lượng cao. Chẳng hạn họ dùng một tia ánh sáng để bơm nguyên tử lên những mức
năng lượng rất cao. Từ đây nguyên tử dần dần tự rơi xuống những mức năng lượng dưới
qua cơ chế tự phát bức xạ và tạm đọng lại ở một mức năng lượng m nào đó, gọi là mức
nửa bền vững (metastable state). Khi đó chỉ cần một bức xạ có tần số thích hợp chiếu vào
là nguyên tử đổ xuống một mức năng lượng thấp hơn và tạo ra bức xạ laser. Laser (Light
amplification by stimulated emission of radiation) phát ra những tia xạ trên lĩnh vực sóng
khả kiến, tử ngoại (ultraviolet) và hồng ngoại (infrared). Còn maser (Microwave
amplification by stimulated emission of radiation) hoạt động theo nguyên tắc của laser
nhưng trên miền sóng vi ba (vô tuyến).
Các nhà thiên văn phát hiện là trong vũ trụ cũng có những đám khí phát bức xạ maser.
Maser thiên nhiên xuất phát từ những phân tử trong những tinh vân của dải Ngân hà.
Tinh vân là những đám khí nguyên tử và phân tử có cả bụi và những ngôi sao sáng trưng.
Phân tử là một tập hợp nguyên tử trong đó những nguyên tử có thể coi là gắn với nhau
bằng những lò xo vô hình. Khi phân tử dao động hoặc quay xung quanh những trục của
phân tử thì phát ra những bức xạ trên bước sóng hồng ngoại và vô tuyến. Phân tử trong
tinh vân được bơm lên những mức năng lượng cao bởi photon của những ngôi sao và của
bụi để phát ra bức xạ maser. Vào thập niên 1960, các nhà thiên văn của Đại học Berkeley

quan sát được trên bước sóng 18 xentimet một bức xạ phát ra từ hướng Tinh vân Lạp Hộ
(Orion Nebula). Vạch phổ của bức xạ rất hẹp nhưng lại cực kỳ sáng làm các nhà thiên
văn ngạc nhiên đến nỗi họ phải cho đó là bức xạ của một chất “Huyền bí” (Mysterium)
nào đó! Sau những tính toán cơ học lượng tử và những kết quả đo đạc quang phổ, họ kết
luận là vạch bức xạ “Huyền bí” thực sự chính là một vạch phổ maser của phân tử
“hydroxyl” OH quen thuộc. Ngoài phân tử OH còn có phân tử nước H2O và phân tử
“silicon monoxide” SiO cũng phát ra những bức xạ maser vô tuyến rất mạnh. Sau này các
nhà thiên văn còn phát hiện được trong những thiên hà xa xôi những bức xạ maser OH và
H2O mạnh gấp hàng nghìn tới hàng triệu lần những maser quan sát được từ trước trong
dải Ngân hà (xem Hình). Cường độ của những bức xạ maser vũ trụ tăng theo hàm mũ với
kích thước của đám khí phân tử. Những đám khí trong vũ trụ lớn hàng trăm triệu kilomet,
tương đương với kích thước của hệ mặt trời nên phát ra bức xạ maser rất mạnh. Trong vũ
trụ, một bức xạ vô tuyến sau khi truyền qua đám khí maser có khả năng được khuếch đại
đến hàng tỷ lần. Những laser và maser nhân tạo đương nhiên là có kích thước khiêm tốn
hơn nhiều. Để tăng cường hiệu suất của quá trình bơm laser nhân tạo, một hệ thống
gương được dùng để phản chiếu bức xạ cảm ứng nhằm kích thích liên tục laser. Muốn
nghiên cứu hiện tượng maser trong vũ trụ, các nhà thiên văn phải lập ra những mô hình lý
thuyết để giải phương trình truyền bức xạ trong đám khí phân tử, kết hợp với phương
trình cân bằng thống kê trong đó xuất hiện những hệ số Einstein.
25
Giảng viên: Th.S Nguyễn Thị Huỳnh Lan

Năm học 2013-2014