Laser khí CO2 và ứng dụng trong y tế

Bộ giáo dục và đào tạo
TRờng đại học Bách khoa Hà nội
-----------------------------------

Luận văn thạc sĩ khoa học

Laser khí CO2 và ứng dụng
trong y tế

Ngành: S phạm kỹ thuật
M số:

Nguyễn Thị Thu Thảo

Ngời hớng dẫn khoa học: GS. TS. Trần Đức Hân

Hà Nội 2006


-i-

Mục lục

Mục lục.....................................................................................................................i
danh mục các chữ viết tắt.......................................................................... iii
mục lục bảng biểu ............................................................................................ iv
Mục lục hình vẽ ..................................................................................................v
Mở đầu......................................................................................................................1
Tổng quan về các hệ thống Laser ứng dụng trong y học tại
việt nam hiện nay. .............................................................................................3
Chơng 1: Cơ sở lý thuyết chung về Laser khí CO2..........................7

1.1.

Dịch chuyển quang học và các mức năng lợng của phân tử CO2 ....................7

1.2.

Phổ dao động quay của phân tử CO2. ........................................................... 13

1.3.

Tơng tác của bức xạ với môi trờng nghịch đảo trong Laser CO2. ............... 17

1.4.

Tạo nghịch đảo nồng độ hoạt chất trong Laser phân tử khí CO2. ................... 21

1.5.

Cấu tạo chung và nguyên lý phát Laser phân tử khí CO2 ................................ 25

1.5.1. Cấu tạo chung máy phát Laser phân tử khí CO2 ............................................. 25
1.5.1.1.

Cơ chế hồi tiếp Gơng Laser. ................................................................. 26

1.5.1.2.

Môi trờng kích hoạt Các mode trong buồng cộng hởng ..................... 30

1.5.1.3.

Cơ chế kích thích Bơm năng lợng......................................................... 37

1.5.1.4.

Bô ghép quang đầu ra. ............................................................................... 38

1.5.2. Nguyên lý hoạt động của máy phát Laser phân tử khí CO2. ........................... 39
1.5.3. Phân loại Laser phân tử khí CO2 ..................................................................... 43
Chơng 2: Khảo sát một số Máy phát Laser Khí CO2 ..................... 44
2.1.

Một số máy phát Laser CO2 liên tục ............................................................... 45

2.1.1. Các Laser khí CO2 liên tục cấp 1 .................................................................... 46
2.1.2. Các Laser CO2 liên tục cấp 2 ......................................................................... 49
2.1.3. Các Laser CO2 liên tục cấp 3 ........................................................................ 51
2.1.4. Laser khí động ................................................................................................ 55
2.1.5. Các Laser CO2 dẫn sóng mao dẫn .................................................................. 57
2.2.

Một số máy phát Laser CO2 xung ................................................................... 58

2.2.1. Pin Lasers ........................................................................................................ 62
2.2.2. Các Laser TEA CO2 Catốt mảnh .................................................................... 63


-ii-

2.2.3. Các Laser TEA CO2 điện cực nghiêng Rogowski........................................... 64

2.2.4. Các Laser TEA CO2 dạng xung đợc ion hoá chùm điện tử........................... 65
2.3.

Điều kiện thiết kế Laser CO2 cấp 1 tối u....................................................... 66

2.3.1. Tối u công suất Laser CO2 theo áp suất khí CO2 và cờng độ dòng phóng ... 67
2.3.2. Tối u công suất ra theo áp suất tổng CO2-N2-He và tốc độ dòng khí............. 69
2.3.3. Tối u đờng kính ống phóng của Laser CO2-N2-He....................................... 71
Chơng 3: ứng dụng Laser khí CO2 trong y Tế................................... 75
3.1.

Hiệu ứng sinh học trên mô sống và những đặc tính của Laser phân tử khí CO2
trong điều trị - chữa bệnh ................................................................................ 75

3.1.1. Hiệu ứng nhiệt................................................................................................. 77
3.1.2. Hiệu ứng quang hoá ........................................................................................ 80
3.1.3. Hiệu ứng điện và cơ học.................................................................................. 80
3.1.4. Hiệu ứng phi tuyến .......................................................................................... 81
3.1.5. Sự chế ngự năng lợng Laser trong phẫu thuật. .............................................. 82
3.1.6. Đặc điểm tổn thơng do bức xạ Laser ............................................................ 86
3.1.7. Sự lành sẹo của vết thơng Laser .................................................................... 94
3.1.8. Những vấn đề thực tiễn trong phẫu thuật bằng Laser ..................................... 95
3.2.

ứng dụng của Laser trong điều trị - chữa bệnh ............................................... 97

Kết luận và kiến nghị .................................................................................... P1
Tài liệu tham khảo.......................................................................................... P3
Phụ lục 1................................................................................................................ P4
Phụ lục 2................................................................................................................ P5

Phụ lục 3................................................................................................................ P6


-iii-

danh mục các từ viết tắt
Asymmetric stretching mode - Chế độ dao động phản xứng
Bending mode - Chế độ kéo dãn
CW Laser Continious Wave Laser - Laser phát liên tục
E-Beam Ionized Pulsed CO2 Lasers Các Laser CO2 xung ion hoá chùm điện tử
Gas Dynamic Laser Laser khí động
Gas transport laser - Laser dịch chuyển dòng khí
HpD Hematoprphyrin Derivative dẫn xuất của hêmatôporphyrin.
HR Mirror - high-reflectance Mirror - Gơng có hệ số phản xạ cao
LASER Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation - Khuếch đại
ánh sáng nhờ quá trình bức xạ kích thích
Longitudinal Laser - Laser phóng điện dọc
MASER Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation - Khuếch
đại sóng ngắn nhờ quá trình bức xạ kích thích
Mode - Chế độ dao động của một phân tử gắn với một cấu hình phổ biến nào đó của
các đám mây điện tử và có một năng lợng riêng.
PIN CO2 TEA laser Laser CO2 kiểu pin
PHOTON light quantum - Năng lợng ánh sáng nhỏ nhất có thể đợc trao đổi hay

còn là lợng tử ánh sáng
Pulsed CO2 Lasers Laser CO2 làm việc chế độ xung
Q-Switching chuyển mạch Q - Một phơng pháp tạo ra các xung Laser.
TEA Laser Transverse Excited Atmospheric Lasers - Laser phóng điện ngang
trong môi trờng khí quyển
TEM Transversal EletroMagnetic - Trờng điện từ ngang

YAG-Nd Laser - yttrium/aluminum garnet Nedium Laser - Là một loại Laser khí
yttrium/aluminum garnet và Nedium
Rogowski-Profile Lasers Các Laser TEA điện cực nghiêng
Strip-Cathode Lasers - Các Laser TEA Catốt mảnh
Waveguide CO2 Lasers Laser dẫn sóng CO2.
Symmetric stretch mode - Chế độ kéo dãn đối xứng
AO - Acousto-Optic Thiết bị quang âm


-iv-

Mục lục Bảng biểu

Bảng

Nội dung

Trang

1.1 Các đặc tính của gơng dùng trong Laser CO2

29

1.2 Các cấu hình gơng đối với hệ thống Laser CO2.

29

1.3

Các tỷ lệ áp suất riêng phần hỗn hợp khí CO2:N2:He của Laser khí

CO2

31

2.1 Các thông số làm việc của Laser khí CO2 cấp 1.

48

3.1 Tơng quan giữa nhiệt độ và hậu quả gây nên tại mô.

78

3.2 Tơng quan giữa quang phi tuyến và tác dụng trên mô.

81

3.3

Tơng quan giữa các hiệu ứng sơ cấp với mật độ công suất và thời gian
tác dụng

83


-v-

Mục lục hình vẽ
Hình

Nội dung

Trang

1.1 Các mức năng lợng của một phân tử hai nguyên tử

10

1.2 Các Mode dao động thông thờng của các phân tử CO2

12

1.3 Các mức năng lợng dao động ở trạng thái điện tử cơ bản của CO2

12

1.4 Sơ đồ mức năng lợng Laser CO2 có dịch chuyển dao động N2

13

1.5 Sự bất định tần số bức xạ

13

1.6 Phổ bức xạ

14

1.7 Đờng bao của vạch phổ

15

1.8 Phổ hấp thụ của CO2 ở vùng 10,6àm

15

1.9
1.10

Mật độ nồng độ của các mức quay trong trạng thái dao động CO2
(001) ở 4000K
Hệ số khuếch đại Laser tơng ứng với số lợng tử quay J với dịch
chuyển mức (001) (100) trong phân tử CO2.

16
17

1.11 Cơ chế dịch chuyển nồng độ trong các Laser CO2

19

1.12 Các mức dao động bức xạ Laser

19

1.13 Sơ đồ dịch chuyển 3 mức

23

1.14 Hiện tợng tích thoát mạnh

24

1.15 Các bộ phận của một hệ thống Laser

25

1.16 Cấu hình buồng cộng hởng dùng trong Laser khí

26

1.17 Sự hình thành cơ chế kích thích

27

1.18 Gơng điện môi nhiều lớp

27

1.19 Hai mode dao động dọc trong BCH Laser

31

1.20 Các trờng điện từ mode ngang

32

1.21 Buồng cộng hởng

33

1.22 Sơ đồ quang học loại trục khuỷu 7 gơng phản xạ

39

1.23 Quá trình hình thành Laser

40

2.1 Laser CO2 phóng điện dọc đơn giản.

46

2.2 Hệ thống quang và điện của Laser CO2 250W (l = 3m)

48

2.3 Hệ thống Laser CO2 cấp hai

50

2.4 Buồng cộng hởng không ổn định

51

2.5 Hệ thống Laser CO2 cấp 3.

51


-vi-

2.6 Máy phát Laser TE phóng điện ngang.

52

2.7 Sơ đồ buồng cộng hởng 7 đờng.

53

2.8 Các Laser CO2 ion hoá chùm electron

54

2.9 Laser CO2 đợc kích thích bằng điện cực mảnh

54

2.10 Công suất đầu ra tỷ lệ với dòng điện Laser CO2 kích thích điện cực mảnh.

55

2.11 Laser CO2 khí động.

55

2.12 Cơ chế làm việc và cấu trúc Laser khí động

55

2.13 Sơ đồ hệ thống Laser CO2 dẫn sóng kích thích tần số vô tuyến điện

57

2.14 Cơ chế bức xạ Laser phát xung

60

2.15 Năng lợng xung và khoảng thời gian xung là hàm của áp suất khí

61

2.16 Năng lợng xung là hàm của năng lợng đợc lu

61

2.17 Hệ số khuếch đại tín hiệu nhỏ là hàm của năng lợng lu trữ

62

2.18 Dạng xung Laser TEA trên các thang đo thời gian khác nhau

62

2.19 Hệ thống Laser TEA CO2 kiểu PIN đơn giản

62

2.20 Nguồn cung cấp cho Laser TEA có điện trở giới hạn dòng và chân catốt

63

2.21 Kiểu catốt dạng mảnh kim loại sử dụng trong Laser CO2 dạng catốt mảnh

63

2.22 Máy phát Laser CO 2 TEA có các điện cực nghiêng Rogowski

64

2.23 Mạch Marx hai tầng

65

2.24 Nguồn cung cấp cơ sở cho Laser TEA dòng phóng kép

65

2.25 Laser TEA CO2 dạng xung đợc ion hoá chùm điện tử

66

3.1 Tác động của chùm tia laser chiếu vào tổ chức sinh học

76

3.2 Các quá trình xảy ra khi chiếu laser nhiệt

79

3.3 Tơng quan giữa mật độ năng lợng và mật độ công suất với thời gian

82

3.4

Tơng quan giữa hệ số phân tử gam của exyhemoglobin (HbO2)
melanin và adnine với bớc sóng

84

3.5 Tơng quan giữa độ hấp thụ của nớc đối tia Laser CO2 theo bớc sóng

84

3.6 Tổn thơng mô nh là một hàm nhiệt độ và thời gian

85

3.7 Sơ đồ phân bố mẫu khi cắt bằng Laser

86

3.8 Tổn thơng do chiếu xạ Laser CO2

87

3.9 Cánh tay khửu điều khiển chùm Laser CO2

90

3.10 Phẫu thuật Laser CO2 sử dụng sợi dẫn quang

90

3.11 Đặc trng của phổ da, chỉ rõ phân bố bức xạ và các tai biến thông thờng

92

3.12 Độ xuyên sâu trung bình và 10% của da ngời

93


-1-

Mở đầu

Các LASER phân tử có một vai trò rất quan trọng trong kỹ thuật và khoa học
Laser. Từ giữa những năm 1960, khả năng phát LASER có công suất cực lớn của các
phân tử CO2 với hiệu suất tiêu thụ công suất rất lớn đã đợc chứng minh. Nhiều hệ
thống LASER phân tử công suất cao đã đợc phát triển. Do các mức năng lợng
tơng đối thấp đều tập trung vào các LASER phân tử nên các quá trình hồi phục và
kích thích khác nhau có thể đợc tận dụng để tạo ra các LASER phân tử có hiệu quả
lớn hơn các hệ thống khác nh các loại lỏng và rắn. LASER liên tục có công suất tới
hàng trăm KW, năng lợng LASER xung có thể lên tới nhiều KJ đợc thu nhận bằng
cách sử dụng dòng siêu âm, sự đốt cháy và các phản ứng hoá học. Do đó, để phân
loại các LASER này, thông tin về các phản ứng hoá học khác nhau và các quá trình
động học trạng thái kích thích của các phân tử khí sẽ rất có ích. Ngoài ra, cần hiểu
các lý thuyết cơ bản về cấu trúc phân tử.
Laser đã đợc nghiên cứu trong nhiều loại phân tử khí, nhng loại Laser khí

phân tử đặc biệt nhất chính là Laser CO2. Loại Laser này có các dịch chuyển Laser
trong một dải nhỏ bớc sóng ở vùng hồng ngoại, tập trung trong vùng xung quanh
bớc sóng 9.6àm và 10.6àm. Laser CO2 thờng đợc sử dụng nhiều trong thực tế và
đợc ứng dụng để mở rộng phạm vi của tất cả các dịch chuyển năng lợng đợc tìm
thấy trong các Laser phân tử ba nguyên tử. Tính chất phổ biến của các hệ thống Laser
CO2 là do giá thành rẻ, hiệu quả cao và thực tế chứng minh rằng nó có thể phát xạ
trong môi trờng áp suất khí quyển có nghĩa là chỉ một lợng nhỏ bị hấp thụ tại bớc
sóng phát xạ Laser trong môi trờng khí quyển.
Quá trình phát triển của Laser CO2 diễn ra thật nhanh chóng, các Laser CO2 có
thể vận hành ở các chế độ: liên tục, xung, chuyển mạch Q và chế độ khoá với công
suất đầu ra rất cao và hiệu suất làm việc lớn (10-30%). Các ứng dụng quan trọng của
Laser CO2 chính là: thiết bị phẫu thuật, xử lý vật liệu, dập lỗ cho nhiều loại vật liệu
khác nhau, cắt giấy, cắt vải, đánh dấu trong kỹ thuật mã hoá và công nghệ hàn. Ngoài
ra, các Laser CO2 còn đợc sử dụng trong các hệ thống thông tin quang, nấu chảy
bằng cảm ứng Laser và cả trong công nghệ giám sát và kiểm tra môi trờng.
Để đi sâu ứng dụng Laser CO2 đặc biệt trong y tế, luận văn đã đi sâu tìm hiểu
một số đặc tính, cấu trúc, nguyên lý làm việc và ứng dụng của cả hai loại Laser CO2
liên tục và xung về các quá trình động học trạng thái kích thích, các hiệu ứng của tốc


-2-

độ dòng khí tới đầu ra, các phơng pháp nghịch đảo nồng độ và các mode của Laser
phân tử nói chung và Laser CO2 nói riêng; nguyên lý vận hành Laser CO2 phóng theo
trục ở cả hai chế độ xung và liên tục cũng nh ứng dụng một số công thức để tối u
chế độ làm việc của một số hệ thống Laser CO2 thờng đợc sử dụng. Luận văn đợc
trình bày gồm 3 chơng:
ắ Chơng 1. Cơ sở lý thuyết Laser Khí CO2
ắ Chơng 2. Khảo sát một số máy phát Laser khí CO2
ắ Chơng 3. ứng dụng Laser khí CO2 trong y tế

Xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới GS. TS. Trần Đức Hân đã tận tình hớng dẫn
trong suốt quá trình luận văn đợc thực hiện.
Xin chân thành cảm ơn các thày cô giáo Khoa S phạm Ky thuật, Khoa Điện tử
Viễn thông đã giúp đỡ và tạo điều kiện để bản luận văn sớm đợc thực hiện và hoàn
thành đúng thời hạn.
Do hạn chế về thời gian, kinh nghiệm thực tế, công cụ toán lý, vừa tìm hiểu, vừa
học hỏi nên luận văn mới chỉ dừng ở mức độ tìm hiểu và ứng dụng những công thức
có sẵn để tính toán một số chế độ làm việc cụ thể nhằm mục đích nâng cao hiệu quả
ứng dụng. Trên cơ sở lý thuyết của luận văn, luận văn sẽ mở ra hớng nghiên cứu,
tìm hiểu về các loại Laser hiện có trên thị trờng và có thể mở rộng hiệu quả ứng
dụng cho các thiết bị y tế ứng dụng các công nghệ Laser không chỉ dừng lại ở Laser
khí CO2.
Trong quá trình thực hiện chắc chắn không thể tránh khỏi những thiếu sót. Rất
mong sự quan tâm, đóng góp ý kiến của ngời đọc để luận văn đợc hoàn thiện hơn.

Hà nội, ngày 30 tháng 9 năm 2006
Thực hiện

Nguyễn Thị Thu Thảo


-3-

Tổng quan về các hệ thống Laser
ứng dụng trong y học tại việt nam hiện nay.
Máy Laser đầu tiên ra đời năm 1960 và
đợc ứng dụng trong nhãn khoa năm 1963.
Laser y học nhanh chóng phát triển trên các
lĩnh vực chẩn đoán, điều trị, phẫu thuật, đặc
biệt 20 năm gần đây góp phần to lớn xây dựng

nền y học hiện đại, mở ra rất nhiều triển vọng
trong chữa bệnh và làm đẹp cho con ngời.
ở Việt Nam, máy Laser đầu tiên đợc
dùng trong thực nghiệm nhãn khoa là Laser
Ruby năm 1976, nhng thực sự đợc nghiên
cứu ứng dụng từ các đề tài nghiên cứu khoa
học liên ngành giữa Bệnh viện Trung ơng
Quân đội 108 với các cơ sở khoa học trong
và ngoài quân đội từ năm 1984, năm đánh
dấu thời kỳ ứng dụng Laser trong y học nớc
ta. Hơn 20 năm qua Laser Y học liên tục
phát triển ở hầu hết các bệnh viện và các cơ sở y tế phục vụ hàng trăm nghìn ngời
bệnh, dần dần hình thành chuyên ngành Laser y học Việt Nam, bớc đầu đạt đợc
một số kết quả trên cả hai lĩnh vực chế tạo và ứng dụng.
Tính đến năm 2000 đã có hơn 600 thiết bị Laser y tế đợc ứng dụng tại các
bệnh viện trung ơng, tỉnh và một số cơ sở y tế t nhân. Trong số đó, có các máy
Laser đợc lắp ráp, cải tiến, sản xuất trong nớc của các cơ sở khoa học: Viện
nghiên cứu vật liệu thuộc trung tâm Khoa học tự nhiên và Công nghệ quốc gia, Trung
tâm công nghệ Laser thuộc Viện nghiên cứu công nghệ, Bộ khoa học công nghệ và
Môi trờng, Viện Kỹ thuật quân sự Bộ quốc phòng, Trung tâm vật lý y sinh học
Bộ Quốc phòng, trờng Đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh. Điều này đã
chứng minh tiềm năng to lớn của các nhà khoa học vật lý, công nghệ Việt Nam. Số
máy Laser y tế hiện nay đang sử dụng tại Việt Nam có thể chia thành 2 nhóm chính
1. Laser điều trị (công suất thấp) nh: He-Ne, bán dẫn GaAs nitrogen, HeCd,


-4-

chiếm khoảng 80%, đặc biệt Laser He-Ne và bán dẫn chiếm phần lớn.
2. Laser phẫu thuật công suất cao nh CO2, YAG: Nd, Ruby, Argon, hơi vàng,

hơi đồng, Excimer, đặc biệt Laser CO2 chiếm phần lớn.
Việc ứng dụng Laser trong y tế đối với chúng ta còn là mới mẻ nên phải
tiến hành từng bớc, bảo đảm an toàn và khoa học từ tìm hiểu, tiến hành thực nghiệm
trên xúc vật đến ứng dụng lâm sàng. Sau gần 20 năm nghiên cứu ứng dụng và sản
xuất, chúng ta đã có hàng trăm đề tài cấp viện, ngành, đề tài độc lập cấp nhà nớc
(1988-1998). Một số đề tài đã báo cáo tại các hội thảo Laser y học toàn quốc do Bộ
Y tế chủ trì, các hội thảo kỹ thuật Laser do bệnh viện trung ơng Quân đội 108 tổ
chức, hay hội nghị 20 năm nghiên cứu ứng dụng Laser và từ trờng y học của bệnh
viện TƯQĐ 108, hội nghị tổng kết 10 năm đề án Laser y học, hay đặc biệt hơn, Việt
Nam đã đăng cai tổ chức Đại hội VII Laser y học và ngoại khoa châu á Thái Bình
Dơng và Đại hội X Laser YAG quốc tế tại thành phố Hồ Chí Minh 10/1998. Tới nay
Laser y học đợc ứng dụng khá rộng rãi, có thể tóm tắt những kết quả thu đợc:
1. Laser điều trị công suất thấp: Với hiệu ứng ứng sinh học đã điều trị có kết
quả cho hàng trăm nghìn ngời nh:
-

Chống viêm nhiễm cục bộ ở tổ chức nông nh da, niêm mạc (vết
thơng, vết loét, viêm da, eczema, zona, vẩy nến, viêm lợi, viêm tai
mũi họng, tuyến cổ tử cung, loét ổ gà ở bệnh nhân phong, loét do
phóng xạ điều trị ung th)

-

Một số bệnh lý mắt (viêm giác mạc, loét giác mạc)

-

Hạn chế tắc mạch nhỏ sau vi phẫu thuật

-

Chiếu vào huyệt vị kinh lạc thay vì châm kim (Laser châm) chữa cơn
hen phế quản và một số rối loạn chức năng.

-

Bớc đầu ứng dụng Laser He-Ne nội mạch.

2. Laser phẫu thuật công suất cao: Với hiệu ứng nhiệt (quang động, quang bóc
lớp, bào mòn, bốc bay) trong phẫu thuật nh:
-

Phẫu thuật một số bệnh lý ở da: tổn thơng tăng sắc tố, u gai, nốt
ruồi, hạt cơm, u máu, các tổn thơng dày sừng, tẩy xăm da, u vàng, u
sơ tuyến bã, sẹo lồi quá phát kết quả tốt đạt 80-90%.

-

Phẫu thuật thẩm mỹ

-

Phẫu thuật đục bao sau thuỷ tinh thể, cắt mống mắt chu biên, điều trị
thiên đầu thống, hàn bong võng mạc

-

Phẫu thuật nội soi tại mũi họng: hạt dây thanh, polip dây thanh, u dây

-5-

thanh, chít hẹp thanh quản, u nang hạ họng, u máu hạ họng, áp xe hạ
họng do dị vật đạt kết quả tốt 80-90%.
-

Bớc đầu điều trị ung th não bằng quang động học Laser hơi hàng
giảm áp đĩa đệm cột sống bằng Laser YAG: Nd, điều trị u máu phẳng
bằng Laser hơi đồng.

-

Gần đây sử dụng Laser Excimer trong điều trị tật khúc xạ mắt.

3. Các thực nghiệm với Laser: song song với ứng dụng lâm sàng, những năm
qua chúng ta đã tiến hành nhiều nghiên cứu thực nghiệm trên vật sống để
làm sáng tỏ cơ chế tác dụng của Laser nh:
-

Sự phục hồi cấu trúc giác mạc thỏ bị bỏng kiềm dới ảnh hởng của
bức xạ Laser He-Ne.

-

Những biến đổi cấu trúc mô vạt da lng chuột cống trắng dới ảnh
hởng của Laser He-Ne.

-

Nghiên cứu ảnh hởng của Laser He-Ne lên một số chỉ tiêu sinh học

trên bệnh nhân bị các bệnh viêm nhiễm.

-

Nối mạch máu nhỏ bằng Laser CO2.

-

Mổ thực nghiệm với Laser YAG: Nd.

-

Một vài ảnh hởng của Laser N2 đến sự phục hổi vạt da nhiễm khuẩn
ở chuột cống trắng.

-

Tác dụng sinh học của Laser N2 lên quá trình liền vết thơng bỏng
thực nghiệm.

Nhìn chung thiết bị Laser y học chúng ta còn ở giai đoạn đầu, nhất là các hệ
thống Laser phẫu thuật, hớng phát triển chủ yếu của Laser y tế còn ít. Tuy nhiên sự
hình thành và phát triển Laser y tế nớc ta có phần
đóng góp rất cơ bản của các nhà khoa học vật lý
đặt nền móng cho Laser y học nớc nhà nh
Nguyễn Văn Hiệu, Phan Hồng Khôi, Vũ Xuân
Quang các cơ sở khoa học trong nớc cũng đã
cung cấp cho ngành y tế một số lợng khá lớn các
loại máy Laser, đồng thời tạo điều kiện cho các bác sĩ, nhà y học hiểu biết và tiếp cận
với Laser trong giai đoạn đầu.

Tuy các thiết bị Laser còn thô sơ, nhng nó đã giúp cho các nhà y học dần tiếp
cận với Laser y học hiện đại. Góp phần chữa trị cho hàng vạn ngời bệnh, trong đó có
một số bệnh trớc nay điều trị rất khó khăn, một sự đóng góp quý giá làm phong phú


-6-

nền y học Việt Nam. Tuy nhiên, hiện nay tại Việt nam cha có chơng trình đào tạo
các kỹ thuật viên vận hành, bảo dỡng, sửa chữa các thiết bị Laser y tế. Để đào tạo
các kỹ thuật viên phẫu thuật Laser, chúng ta thờng phải gửi các bác sĩ sang đào tạo
tại các cơ sở nớc ngoài. Do đó, để phát triển ứng dụng Laser y tế, cần lập chơng
trình đào tạo bồi dỡng nghiệp vụ chuyên sâu về các loại Laser đối với cả ngời chế
tạo, bảo trì và ngời sử dụng để nâng cao trình độ kỹ thuật, đạt hiệu quả cao trong
quản lý và sử dụng, phát triển cả chiều rộng và chiều sâu. Bên cạnh đó, cần phải có
những nghiên cứu cụ thể cho từng loại Laser nhằm mục đích ứng dụng các loại Laser
đó nói chung và trong y tế nói riêng một cách hiệu quả.
Theo ớc tính sơ bộ đến năm 2000 số lợng máy Laser y tế đã đợc ứng dụng
tại Việt Nam có thể đợc liệt kê nh dới đây:
Laser He-Ne: 350

Laser bán dẫn GaAs: 140

Laser nitrogen: 6

Laser HeCd: 2

Laser CO2: 135

Laser YAG:Nd: 5

Laser hơi vng: 1

Laser hơi đồng: 2

Laser argon: 2

Laser ruby: 1

Trong đó, có thể thấy Laser CO2 đợc ứng dụng khá
nhiều ở Việt Nam hiện nay đặc biệt trong phẫu thuật thẩm
mỹ làm đẹp con ngời. Laser CO2 là loại Laser khí phân tử
có bức xạ nằm ở bớc sóng 10,6àm trong vùng hồng ngoại,
hiệu suất sử dụng tốt vào khoảng 10-15%. Công suất phát
xạ có thể đạt tới mức rất lớn, hàng ngàn KW và có thể hoạt
động theo cả chế độ liên tục và chế độ xung. Do những đặc
điểm trên và hơn nữa chế tạo Laser này tơng đối đơn giản
nên Laser CO2 đã nhanh đợc phát triển và ứng dụng trong
nhiều lĩnh vực khác nhau. Để có thể sử dụng đợc các thiết bị Laser CO2 y tế một
cách hiệu quả và tối u thì cần phải có những hiểu biết về cấu trúc, đặc điểm và
nguyên lý làm việc của Laser và từ đó có thể tính toán đợc các thông số tối u cho
từng chế độ làm việc của hệ thống. Luận văn cần đi tập trung nghiên cứu và khảo sát
kỹ về loại Laser này nhằm đem lại hiệu quả ứng dụng cao nhất.


-7-

Chơng 1
Cơ sở lý thuyết chung về Laser khí CO2.
Để nghiên cứu cơ sở lý thuyết chung về Laser khí CO2 phải có hiểu biết sâu sắc
về cấu trúc phân tử, mức năng lợng, dịch chuyển bức xạ của phân tử khí CO2. Do đó,

cần phải khảo sát những tính chất cơ bản này để có một hiểu biết sâu sắc về các trạng
thái vật lý của Laser phân tử khí CO2.
Nguyên lý làm việc của máy phát Laser khí CO2 quan hệ rất mật thiết với tính
chất quang của môi trờng nghịch đảo nồng độ. ở đây, khái niệm nồng độ trạng thái
hay nồng độ của mức là số hạt đồng thời tồn tại trong một đơn vị thể tích của môi
trờng tại cùng một trạng thái lợng tử hay năng lợng. Nh ta đã biết, các hạt,
nguyên tử, ion hoặc phân tử của một môi trờng bất kỳ có thể tồn tại trong những
trạng thái khác nhau, ví dụ nếu khác nhau về cấu trúc của đám mây điện tử, của
những nguyên tử và ion thì gọi là trạng thái điện tử, còn nếu khác nhau về đặc tính
chuyển động tơng đối của những ion trong phân tử thì đó là những trạng thái dao
động và trạng thái quay.
Trong chơng này đề cập đến một số lý thuyết về Laser phân tử khí CO2. Trong
đó đề cập đến các mức năng lợng của phân tử CO2 cũng nh các dịch chuyển quang
học của chúng; tơng tác của bức xạ với môi trờng nghịch đảo; cũng nh cơ chế tạo
nghịch đảo nồng độ hoạt chất trong Laser khí CO2. Và cuối cùng sẽ giới thiệu cấu tạo
chung của một hệ thống Laser CO2 và nguyên lý làm việc của nó.
1.1. Các mức năng lợng và dịch chuyển quang học của phân tử khí CO2
Các nguyên tử có trong một phân tử chứa năng lợng ở dạng dịch chuyển dao
động bởi vì phân tử liên kết bắt buộc giữa các nguyên tử hợp thành. Nói đơn giản, các
nguyên tử của các phân tử đợc liên kết với nhau bằng cách cùng nhau chia sẻ các đám
mây điện tử. Chúng có các tần số dao động tự nhiên phụ thuộc vào khối lợng của các
phân tử và độ bền của các vùng đám mây điện tử đợc chia sẻ. Các phân tử có thể dịch
chuyển từ trạng thái dao động này sang trạng thái dao động khác bằng cách hấp thụ
hay bức xạ một photon với năng lợng thích hợp. Mỗi chế độ dao động của phân tử gắn
với một cấu hình phổ biến nào đó của các đám mây điện tử và đơng nhiên tơng ứng
với một năng lợng riêng. Kết quả là tách mỗi mức năng lợng điện tử đối với các


-8-

nguyên tử của phân tử thành các mức dao động tách biệt tơng tự nhau.
Ngoài ra, một phân tử có thể có các dịch chuyển quay đã đợc lợng tử hoá theo
nhiều trục trong không gian. Thêm nữa phân tử thay đổi từ trạng thái năng lợng này
tới trạng thái năng lợng khác bằng cách hấp thụ hoặc bức xạ, chỉ số các bức xạ E-M
đã đợc lợng tử hoá và tách biệt. Năng lợng quay của phân tử đợc chia thêm nữa
bằng cách chia mỗi mức năng lợng dao động thành một loạt các mức dao động quay
cách nhau một khoảng nhỏ. Không giống nh các mức dao động, các mức năng
lợng quay cách nhau những khoảng không bằng nhau.
Phân tử có thể dịch chuyển từ một trạng thái năng lợng này sang trạng thái
năng lợng khác bằng cách bức xạ hoặc hấp thụ photon họăc nhờ va chạm với các
nguyên tử hay phân tử khác hoặc với các điện tử tự do. Quá trình va chạm gồm năng
lợng dịch chuyển hay còn gọi là động học năng lợng. Quá trình dịch chuyển năng
lợng do va chạm sẽ làm tăng hoặc giảm tổng năng lợng động học trạng thái kích
thích của cả hai phần tử trong một quá trình va chạm. Đây là các dịch chuyển quang
học có kèm theo hấp thụ hoặc bức xạ điện từ. Khi không có tác động ở bên ngoài vào
hệ phân tử thì hạt chỉ tồn tại ở trạng thái kích thích trong một thời gian rất ngắn và ở
một thời điểm tuỳ ý nào đó hạt sẽ dịch chuyển xuống trạng thái ứng với mức năng
lợng thấp hơn, khi đó hạt sẽ bức xạ một lợng tử năng lợng điện từ. Quá trình đó
gọi là bức xạ tự phát, vì cờng độ bức xạ không phụ thuộc vào tác động.
Quá trình dịch chuyển quang học thứ hai trong môi trờng là quá trình hấp thụ
năng lợng. Hạt tơng tác với photon có thể hấp thụ photon và dịch chuyển sang
trạng thái ứng với mức năng lợng cao hơn. Năng lợng của photon khi đó phải bằng
hiệu hai mức năng lợng của dịch chuyển. Quá trình hấp thụ năng lợng này khác với
quá trình bức xạ tự phát không chỉ về năng lợng mà chính ở chỗ nó phụ thuộc vào
tác động bên ngoài.
Khi hạt kích thích tơng tác với photon thì hạt có thể dịch chuyển xuống trạng
thái có năng lợng thấp hơn. Kết quả là có thêm một photon thứ hai nữa ngoài photon
sơ cấp. Năng lợng của photon thứ cấp này ( h )2 đúng bằng hiệu năng lợng của
trạng thái đầu và trạng thái cuối của dịch chuyển và sự tồn tại về phơng diện năng
lợng của photon sơ cấp ( h )1 là không cần thiết. ở đây nó chỉ có tác dụng nh để

cỡng bức, để kích thích, để cảm ứng quá trình giống nh chất xúc tác trong các phản
ứng hoá học. Cũng chính do đó mà ngời ta gọi đó là quá trình bức xạ cảm ứng hay


-9-

bức xạ kích thích.
Trong những nguồn bức xạ truyền thống, bức xạ kích thích không đóng vai trò
quan trọng, vì cờng độ bức xạ của nó rất nhỏ so với bức xạ tự phát và hấp thụ. Đó là
do môi trờng của những bức xạ thông thờng tuân theo phân bố Boltzmann, cũng
chính vì vậy mà trong suốt thời gian dài, ngời ta không quan sát đợc bức xạ kích
thích bằng thực nghiệm. Môi trờng Laser là môi trờng nghịch đảo nồng độ, phân
bố hạt không tuân theo phân bố Boltzmann và bức xạ kích thích lại đóng vai trò chủ
yếu, nó quyết định cơ chế làm việc của Laser và Maser, tức là nó có tác dụng nhân số
photon thứ cấp lên. Mặt khác cũng chính do không có sự khác nhau giữa photon sơ
cấp và thứ cấp nên bức xạ Laser có tính đơn sắc, kết hợp và định hớng cao.
Tổng năng lợng của một phân tử là tổng các năng lợng quay, dao động và
điện tử. Năng lợng tổng của phân tử CO2 là tổng của 4 đại lợng:
1. Năng lợng điện tử Ee: do chuyển động của các điện tử xung quanh hạt nhân
2. Năng lợng dao động Ev: là năng lợng dao động của hạt nhân.
3. Năng lợng quay Er: năng lợng chuyển động quay của phân tử.
4. Năng lợng dịch chuyển.
Có thể tính toán độ lớn vi sai của ba mức năng lợng: Năng lợng dịch chuyển
điện tử Ee; Năng lợng dịch chuyển dao động Ev; Năng lợng dịch chuyển quay Er:
Dịch chuyển năng lợng Ee đợc tính nh sau:
Ee =
Trong đó:

h=h

2

h2
ma 2

(1-1)

- hằng số plank;

m - khối lợng của điện tử;
a - kích thớc của phân tử.
Trong thực tế, thờng chỉ cần quan tâm tới lớp điện tử ngoài cùng của phân tử,
tính chất không bền vững về vị trí của trật tự kích thớc phân tử a; tính chất không bền
vững của mômen quay đợc tính theo công thức h / a ; và do đó năng lợng động lực
2
học nhỏ nhất đợc tính theo công thức: h

ma 2

. Đối với phân tử có 2 nguyên tử thì dịch

chuyển năng lợng Ev giữa hai mức dao động đợc tính xấp xỉ theo công thức:
1/ 2

K
EV = h h 0
M

Trong đó:

M - khối lợng của nguyên tử

(1-2)


-10-

K0 - hằng số đàn hồi hấp dẫn giữa 2 nguyên tử.
Coi khoảng cách giữa hai nguyên tử trong phân tử chính bằng kích thớc a của
phân tử và chúng sẽ sinh ra một năng lợng dịch chuyển trong khoảng Ee vì khoảng
cách này sẽ gây méo các chức năng sóng điện từ khá lớn. Đặt K0 = Ee/a2, từ hai
công thức (1.1) và (1.2) tính đợc
1/ 2

m
Ev =
M

.Eê

(1-3)

Năng lợng dịch chuyển quay đợc tính theo công thức: h.J ( J + 1) / 2Ma 2
Trong đó:

J - số lợng tử quay (là một số nguyên dơng)

Do đó, dịch chuyển Er trong năng lợng dịch chuyển quay giữa hai mức J=0
và J=1 đợc tính bằng công thức:
1/ 2

Er =

h2
m

2
Ma
M

.Ev

(1.4)

Coi tỷ số m/M 10-4 tính theo khoảng cách giữa các mức quay và xấp xỉ bằng 1%
Năng lợng U(R)

các mức dao động. Khoảng cách giữa các mức dao động lần lợt đợc tính là 1% Ee.
2
2

E1

1
B C 0=v

3

4
1

E2

P
A

P
3
2
1=v
0=v

Khoảng cách giữa hạt nhân (R)

Hình1.1: Các mức năng lợng của phân tử hai nguyên tử [4]

Sau các tính toán sơ bộ, tính một vài trờng hợp cụ thể đơn giản nhất: Một phân
tử có hai nguyên tử riêng biệt. Theo nguyên lý gần đúng BornOppenheimer, gọi
khoảng cách giữa hai nguyên tử trong phân tử là R. Bằng cách giải phơng trình
Schroedinger, chúng ta có thể tìm đợc nghiệm của các mức năng lợng điện tử phụ
thuộc vào R. Thậm chí không cần giải phơng trình cũng có thể dễ dàng nhận thấy sự
phụ thuộc của năng lợng theo R nh chỉ trên biểu đồ năng lợng hình 1.1.


-11-

Trong đó, mức cơ bản là 1 và trạng thái kích thích là 2. Nếu khoảng cách giữa
các nguyên tử rất lớn (R ) thì các mức sẽ giống nh loại một nguyên tử. Nếu
khoảng cách giữa các nguyên tử có giới hạn, có sự tác động giữa các nguyên tử nên
có dịch chuyển giữa các mức năng lợng. Do đạo hàm của năng lợng đối với R

tơng ứng với ảnh hởng của nguyên tử đối với các thành phần khác, có thể thấy tác
động này là sự hấp dẫn ban đầu với các khoảng cách lớn và sau đó trở thành lực đẩy
đối với các khoảng cách nhỏ. Tác động này bằng không với các vị trí nhỏ nhất của
đờng trạng thái (Ví dụ: R0). Do đó đây là khoảng cách mà các nguyên tử luôn hớng
tới (trong trờng hợp không có dao động). Đờng cong trạng thái kích thích 2 đợc
dịch về bên phải so với đờng cong mức cơ bản.
Các phân tử ba nguyên tử nh phân tử CO2 cũng có thể đợc biểu diễn bằng
cùng một kiểu sơ đồ mức năng lợng và các dịch chuyển giống nh các phân tử hai
nguyên tử và cùng tuân theo các quy luật chung:
1. Các dịch chuyển quay thuần tuý thờng có J = 1 và xuất hiện với tốc độ cực
lớn ( cỡ 107m/s), trong một trạng thái dao động đơn. (J: số lợng tử quay)
2. Các dịch chuyển nhánh P là các dịch chuyển kéo theo sự giảm mức năng lợng
dao động (trong quá trình bức xạ) (V=-1) xảy ra cùng với việc tăng năng lợng
quay (J = +1). Chúng là các dịch chuyển ngắn nhất (dịch chuyển năng lợng
thấp nhất) giữa hai trạng thái dao động và do đó cho năng lợng Laser khoẻ
nhất. (V: Số lợng tử dao động)
3. Các dịch chuyển nhánh R (dịch chuyển chỉ có những thay đổi về năng lợng
quay): Là các dịch chuyển dao động quay gồm một quá trình giảm từ cả hai
mức năng lợng dao động và quay trong quá trình bức xạ (V=-1, J=-1).
Chúng là những dịch chuyển dao động quay dài nhất (năng lợng cao nhất).
Với dịch chuyển nhánh R thờng sẽ chỉ phát Laser trong các hệ thống xung
hoặc dới các điều kiện đợc điều khiển.
4. Các dịch chuyển nhánh Q thờng không tồn tại và có thể lờ đi trong hầu hết
các trờng hợp. Trong đó chỉ có một thay đổi năng lợng dao động (V = +1)
chứ không có thay đổi năng lợng quay (J = 0).
Có 3 mode dao động cơ bản trong phân tử CO2. Hình 1.2 giới thiệu các mode
này và đa ra năng lợng của trạng thái dao động đợc kích thích đầu tiên cho mỗi
mode tính theo cm-1 (1eV = 8065 cm1). Trong đó có:

1. Mode kéo dãn đối xứng Symmetric stretch mode (V100) tơng ứng với chiều

-12-

dài kéo dãn đối xứng theo trục giữa hạt nhân nguyên tử và dịch chuyển của cả
hai nguyên tử O2 đi ra hoặc đi vào phía nguyên tử Cacbon tại cùng thời gian.
Trục nguyên tử

a

b
Oxi

Cacbon

Symmetric stretch mode v1=1337cm--1

Oxi

c
d
Asymmetric stretching mode v3=2349cm--1

Bending mode v2=667cm--1

Hình 1.2: Các Mode dao động cơ bản của các phân tử CO2.[1]

2. Mode kéo dãn Bending mode (0V20) tơng ứng với việc kéo dãn dịch
chuyển trực giao theo trục của hạt nhân nguyên tử (Hình 1.2c)

3. Mode dao động phản xứng - Asymmetric stretching mode (00V3) tơng ứng
với một dao động hoặc kéo dãn phản xứng dọc theo trục của hạt nhân nguyên tử
theo cả hai nguyên tử Oxy di chuyển sang trái hay phải cùng với nhau trong khi
nguyên tử Cácbon di chuyển theo hớng đối diện giữa chúng (Hình 1.2d)
Trạng thái năng lợng dao động của phân tử CO2 đợc mô tả bằng 3 số lợng tử
đợc viết nh dới đây:
CO2(V1V2V3)
Trong đó:

V1 = Số lợng tử kéo dãn đối xứng - Symmetric stretch.
V2 = Số lợng tử kéo dãn - Bending.
V3 = Số lợng tử dao động phản xứng - Asymmetric stretch.

Do đó, trạng thái CO2(000) chỉ một phân tử CO2 ở trạng thái cơ bản; CO2(100)
chỉ trạng thái kéo dãn đối xứng đợc kích
thích đầu tiên; CO2(020) chỉ hai lợng tử
của trạng thái lợng tử chuyển hớng đợc
kích thích. Hình 1.3 là sơ đồ mức năng
lợng giới thiệu vài mức năng lợng dao
động đầu tiên của các phân tử CO2.
Các phân tử CO2 cũng quay theo cùng
một kiểu nh các phân tử hai nguyên tử và
có cùng kết quả, mỗi trạng thái dao động
đợc tách ra thành một số các mức quay.
Trong đó, thiếu một vài trạng thái quay:

Hình 1.3: Các mức năng lợng dao động
ở trạng thái điện tử cơ bản của CO2 [10]

Mode dao động phản xứng của phân tử CO2 chỉ có các mức dao động quay lẻ (J-1, 3, 5,

-13-

). Mode đối xứng (kéo dãn và kéo dãn đối xứng) chỉ có các mức quay chẵn (J-0, 2,
4,) do phân tử CO2 là một phân tử đối xứng (có liên kết C=O=C).
Hình 1.4 là sơ đồ mức năng lợng của một Laser CO2-He-N2. Trong đó, biểu
diễn các mức dao động chính trong Laser
CO2. Các mức dao động khác và tất cả các
mức quay đã đợc lợc bớt để đơn giản hoá.
Có hai dịch chuyển Laser mạnh nhất
trong CO2: dịch chuyển từ (001) xuống
(100) tập trung ở bớc sóng 10,6àm và dịch
chuyển (001) xuống (020) tập trung ở bớc
sóng 9,6àm. Vạch 10,6àm là dải lớn nhất và
sẽ đợc quan tâm nhiều nhất trong các phần
tiếp theo. Tất cả các cơ chế dịch chuyển
năng lợng về cơ bản giống nh các dịch Hình 1.4: Sơ đồ mức năng lợng Laser CO2
chuyển Laser ở cả hai bớc sóng 10,6àm và

có dịch chuyển dao động N2.[6]

9,6àm.
1.2. Phổ dao động quay của phân tử CO2.

Ei

Trớc khi nghiên cứu về phổ dao
động-quay của phân tử CO2, xét độ
rộng và đờng bao vạch phổ của hạt

ik +

trong các mức năng lợng. Các mức
năng lợng của hạt khi không có tác
động bên ngoài có độ rộng nhất định.
Độ rộng của mức năng lợng tỷ lệ
nghịch với tuổi thọ của trạng thái.

Ei + Ek
h

Ek
Hình 1.5: Sự bất định tần số bức xạ [1].

Những mức siêu bền i2ữ3sec nên có độ rộng nhỏ. Nh vậy, do có sự nhoè hoá, nên
ngay đối với những nguyên tử không bị kích thích, vạch phổ bức xạ và hấp thụ của các
mức chính cũng có độ rộng nhất định.
Dựa vào đồ thị năng lợng của hệ, ta có thể xác định một cách định tính cờng
độ và độ rộng của vạch phổ. Ví dụ trên hình 1.6, giản đồ có 3 trạng thái của nguyên
tử. Mức 1 ứng với trạng thái cơ bản nên có độ rộng E1 = 0. Giả sử xác suất dịch
chuyển 21 rất lớn (21>>) tuổi thọ mức 2 là 2 =

1

21

rất nhỏ E2 rất rộng.

-14-

Còn mức 3 lại có E3 rất nhỏ. Khi đó phổ của sơ đồ 3 mức gồm có 3 vạch với tần số
32, 21 và 31. Vạch 2-1 có cờng độ lớn nhất vì xác suất dịch chuyển 2-1 lớn. Vạch
2-1 khá rộng vì độ nghèo hoá của mức 2 lớn. Cờng độ của 2 vạch 3-2 và 3-1 cũng
nhỏ vì xác suất dịch chuyển của chúng nhỏ, nhng độ rộng vạch bức xạ của chúng lại
khác nhau. Độ nghèo hoá tổng hợp của những mức 2 và mức 3 lớn hơn nhiều so với
mức 3 và mức 1.
J()
Mức 3
Mức 2

Mức 1

32

31

21



Hình 1.6: Phổ bức xạ [1]

Đờng bao của vạch phổ tự nhiên có thể xác định bằng phơng pháp cơ học
lợng tử, nhng kết quả cũng giống khi khảo sát một dao hoà tử cổ điển nhng tính
toán đơn giản hơn rất nhiều. Có thể dùng một lỡng cực điều hoà biên độ suy giảm
theo hàm mũ để thay thế cho dịch chuyển lợng tử, tức là:
Ae t . cos( 0 t )

khi

0t



khi

t 0

f(t) =

0

(1-4)

áp dụng cặp biến đổi Fourrier ta có:
1

g'() =
Nhng

g'() =

2

+

. Ae t .e jt dt =
0

1
1
g(+ 0) + g( - 0)
2
2

g() =

A
2 2 ( j )

(1-5)

nên:

A
2 2 ( j )

(1-6)

Cờng độ phổ sẽ đợc xác định bởi:
J() =
Trong đó: g*()

2



g ( ).g * ( ) = J 0

2
( 0 ) 2 + 2

liên hợp phức của g()

J0

cờng độ ở trung tâm vạch phổ;

o

tần số dao động lỡng cực;

(1-7)


-15-

Biểu thức trên có đờng biểu diễn là
đờng cong cộng hởng đối xứng có cờng độ
cực đại ở o. Độ rộng của vạch là khoảng tần

J0

số L trong giới hạn đó cờng độ lớn hơn
nửa cờng độ cực đại, nh vậy L = 2.
Trong thực tế, những vạch phổ thờng

0

rộng hơn rất nhiều so với vạch phổ tự nhiên
vì còn có nhiều tác động làm mở rộng vạch
phổ cha xét đến.

Hình 1.7: Đờng bao của vạch phổ

Tiếp theo chúng ta sẽ khảo sát về phổ
hấp thụ của phân tử CO2. Thực tế đầu ra Laser cũng bị ảnh hởng rất lớn bởi các mức
dao động quay. Cả nhánh P và R sẽ phát Laser trong phân tử CO2.

Hình 1.8: Phổ hấp thụ của CO2 ở vùng 10,6àm [4]

Hình 1.8 giới thiệu phổ hấp thụ của phân tử CO2 ở vùng bớc sóng 10,6àm. Số
trên mỗi đỉnh chỉ thị số của dịch chuyển dao động quay. Chỉ các dịch chuyển đợc
đánh số chẵn mới có khả năng bởi vì trạng thái (100) chỉ có số chẵn đối với J và không
có bất kỳ dịch chuyển nhánh Q bởi vì trạng thái (001) chỉ có giá trị lẻ đối với J. Do đó
điều này cho phép các trạng thái quay đợc đề cập sớm hơn vì phân tử CO2 là phân tử
đối xứng. Laser có thể xuất hiện trên bất kỳ dịch chuyển nào. Có một số lợng lớn các
dịch chuyển sẽ tức thời sinh ra Laser trong Laser CO2. Hiện tợng này chỉ có trong các
hệ thống xung có hệ số khuếch đại lớn. Trong các hệ thống Laser CO2 liên tục, tại mỗi
thời điểm chỉ có một dịch chuyển Laser. Nguyên nhân này đợc thể hiện bằng một ví
dụ của đờng cong chỉ mật độ mức quay nh trong hình 1.9. Chiều dài của mỗi đờng
nằm ngang trong hình này biểu diễn cho mật độ của mức quay đợc chỉ thị trên mức
dao động (001). Các trạng thái quay chẵn trong mức dao động (100) có một đờng
cong mật độ đồng dạng. Điều này có nghĩa là các dịch chuyển khác sẽ có tổng giá trị


-16-

khuếch đại khác.
Laser sẽ bắt đầu phát trên dịch
chuyển nhánh P có hệ số khuếch đại lớn
nhất (có hiện tợng nghịch đảo nồng độ
lớn nhất). Do đó xuất hiện hệ số khuếch
đại cho dịch chuyển tơng ứng. Ngay
sau đó, dịch chuyển này sẽ nhanh chóng
suy yếu tắt dần, và sẽ đợc thay thế bởi
các dịch chuyển khác với hệ số khuếch
đại đủ lớn. Một phân tử CO2 tồn tại ở
trạng thái (001) trong khoảng thời gian

Hình 1.9: Mật độ nồng độ của các mức quay

0
trung bình cỡ 2.10-3s trong Laser CO2 trong trạng thái dao động CO2 (001) ở 400 K [6]

thuần. Trong khoảng thời gian đó, nó dao động ở các mức quay xấp xỉ 20.000 lần. Tiếp
theo Laser triệt tiêu mật độ một mức quay, các phân tử tập trung từ các mức liền kề
(Trong trờng hợp J = 2). Kết quả dẫn đến giảm mật độ của các mức dao động mà
không có bất kỳ thay đổi đáng kể nào trong sự phân bố mật độ liên quan trong trạng
thái dao động. Theo đó Laser liên tục phát trên một dịch chuyển nhánh P đơn.
Phụ lục 1 là danh sách các dịch chuyển nhánh P trong phân tử CO2. Đầu ra các
Laser CO2 thờng có bớc sóng 10,6àm bởi vì hầu hết nó đều làm việc ở dịch chuyển
P(20) với bớc sóng là 10.5912àm. Tuy nhiên cũng có nhiều dịch chuyển khác và
đợc giới hạn trong dải từ 9 đến 11àm.
Hình 1.10 là sơ đồ biểu diễn hệ số khuếch đại tơng ứng với mức quay trên
(001) đối với một Laser CO2. Các đờng nét liền biểu diễn cho nhánh P và các đờng
nét đứt biểu diễn cho nhánh R. Các số bên cạnh mỗi đờng chỉ mật độ tơng ứng của
trạng thái dao động mức (001) sang trạng thái dao động mức (100) đối với đờng đó.

Chú ý đối với một vài dịch chuyển nhánh P có hệ số khuếch đại xác định khi các mật
độ hạt tơng ứng của các trạng thái Laser mức cao hơn hay thấp hơn chỉ là 0,95. Điều
này có nghĩa là Laser có thể xuất hiện trên các dịch chuyển này mà không cần quá
trình nghịch đảo nồng độ giữa các mức dao động. Vì vậy đó là sự khác nhau trong
các đờng cong phân bố mật độ của mức (001) và mức (100) của CO2. Kết quả cho
thấy mật độ của trạng thái (001), J(31) lớn hơn mức (100), J(32) mặc dù tổng mật độ
của mức dao động trên nhỏ hơn mức thấp hơn. Tiếp đó Laser có thể phát tại dịch
chuyển P(32).


-17-

Điều kiện ở trên đợc gọi là một quá
trình nghịch đảo từng phần và là một đặc
trng của tất cả các Laser phân tử. Các cơ
chế bơm chỉ ảnh hởng tới các trạng thái
dao động. Hệ số khuếch đại tăng lên vì phân
bố mật độ quay tăng lên hình thành trong
phân tử đó. Hệ số khuếch đại tăng thêm phụ
thuộc hoàn toàn vào kiểu phân tử đợc sử
dụng và nhiệt độ của chất khí. Laser CO2
quan sát đợc ở nhiệt độ 3000K (00C) tại mật
độ tơng ứng chỉ khoảng 0,8.
1.3. Tơng tác của bức xạ với môi trờng
nghịch đảo trong Laser CO2.
Khi một sóng ánh sáng có cờng độ I0
đi xuyên qua môi trờng bức xạ thì sẽ luôn
xảy ra quá trình hấp thụ, do đó cờng độ ánh
sáng này sẽ giảm dần theo hàm mũ đối với

Hình 1.10: Hệ số khuếch đại Laser tơng
ứng với số lợng tử quay J với dịch chuyển
mức (001) (100) trong phân tử CO2. [6]

chiều dài môi trờng hấp thụ l và đợc tính
theo công thức:

I = I 0 .e l

(1-8)

Với quá trình phân bố trạng thái năng lợng của vật chất ta thấy hệ số hấp thụ
sẽ tỷ lệ với chênh lệch nồng độ của hai mức trạng thái khác nhau: = (Nk-Ni), trong
đó là hệ số hấp thụ của nguyên tử theo tiết diện ngang. Do đó, có thể viết
I = I 0 .e ( N

k

N i ).l

(1-9)

Để xây dựng những định luật tổng quát về tơng tác giữa bức xạ với môi trờng
nghịch đảo nhằm nghiên cứu nguyên lý làm việc của Laser CO2, ta xét sự biến thiên
của mật độ công suất ánh sáng phụ thuộc vào mật độ năng lợng phổ khối của chùm
tia. Nếu năng lợng của chùm tia đợc truyền một cách định hớng thì mật độ năng
lợng phổ khối của chùm tia và mật độ phổ mặt của công suất bức xạ sẽ đợc
biểu diễn bằng quan hệ sau:
() = C ()
Trong đó: C là vận tốc của bức xạ trong môi trờng.

(1-10)


-18-

ở điều kiện môi trờng bình thờng, theo luật phân bố xác xuất Bolztmann,
nồng độ của các trạng thái đều giảm khi năng lợng tăng. Do đó luôn có (Ni <

gi
Nk)
gk

và hệ số K() đều âm. Định luật biến đổi phổ mặt của chùm tia đi qua môi trờng
đợc viết dới dạng:
d() = - K ( ) ()dz
Trong đó: gi, gk

(1-11)

trọng lợng thống kê của mức Ei và mức Ek

Ni, Nk

nồng độ hạt ở mức Ei và mức Ek

K()

hệ số đặc trng cho sự biến đổi tơng đối cờng độ của tia
Laser khi đi qua một chiều dày đơn vị của môi trờng.

Nếu tích phân phơng trình (1-11) theo chiều dài l của môi trờng ta có mật độ
phổ mặt của chùm tia đợc tính theo công thức:
() = (0)exp(- K ( ) l )

(1-12)

ở điều kiện môi trờng có nghịch đảo nồng độ, tức nồng độ của mức trên lớn
hơn nồng độ mức dới thì (Ni >

gi
Nk) và K()>0. Khi đó, môi trờng sẽ khuếch đại
gk

bức xạ ở tần số dịch chuyển. Ngời ta còn quen gọi đó là môi trờng có nhiệt độ âm,
bởi vì theo phân bố Boltzmann thì:
Ni
E Ek
= exp i
với k = 1.381.10-23JK-1
Nk
kT


Vậy:

ln

Ni
E Ek

= i
Nk
kT

và

T =

Ei E k
N
k ln i
Nk

Ni
Nk

Môi trờng nghịch đảo có Ni >Nk nên ln

(1-13)


>0 và do đó T<0. Mật độ phổ mặt


của chùm tia trong môi trờng nghịch đảo có dạng:
() = (0) exp ( K ( ) l )

(1-14)

Nh vậy rõ ràng K() ảnh hởng quyết định tới chất lợng của các máy phát

Laser, nó chính là hệ số khuếch đại của môi trờng, phụ thuộc vào các tham số dịch
chuyển. Các quá trình kích thích của Laser CO2 trong môi trờng khí CO2 đợc chỉ
trên hình 1.11.
Hình 1.11a biểu diễn va chạm của một phân tử CO2 ở trạng thái cơ bản với một