Khóa luận laser và ứng dụng trong y học

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA VẬT LÝ

PHẠM THỊ THU HUYỀN

LASER VÀ ỨNG DỤNG TRONG Y HỌC

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Chuyên ngành: Vật lý đại cương

HÀ NỘI – 2018


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA VẬT LÝ

PHẠM THỊ THU HUYỀN

LASER VÀ ỨNG DỤNG TRONG Y HỌC

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Chuyên ngành: Vật lý đại cương
Giáo viên hướng dẫn

Th.S NGUYỄN THỊ THẮM
HÀ NỘI – 2018


LỜI CẢM ƠN
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa Vật lý của
trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 đã giúp đỡ em trong quá trình học tập tại

trường và tạo điều kiện cho em được làm khóa luận. Hơn thế nữa, em xin gửi
lời cảm ơn đến cô giáo Th.S Nguyễn Thị Thắm - người đã tận tình chỉ bảo,
hướng dẫn em nghiên cứu và hồn thành khóa luận này.
Trong q trình em nghiên cứu làm khóa luận khơng tránh khỏi những
thiếu sót và nhiều chỗ cịn hạn chế. Kính mong nhận được sự đóng góp ý kiến
của các thầy cơ giáo để khóa luận của em được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày 10 tháng 05 năm 2018
Sinh viên

Phạm Thị Thu Huyền


LỜI CAM ĐOAN
Khóa luận với đề tài “Laser và ứng dụng trong y học” là kết quả của
cá nhân em trong quá trình học tập và nghiên cứu tại Trường Đại học Sư
phạm Hà Nội 2.
Trong q trình làm khóa luận em có tham khảo một số tài liệu được
ghi trong phần “Tài liệu tham khảo”.
Em xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng em, khơng
trùng lặp với kết quả của các tác giả khác.
Hà Nội, ngày 10 tháng 05 năm 2018
Sinh viên

Phạm Thị Thu Huyền


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ..................................................................................................... 1
1. Lý do chọn đề tài .................................................................................. 1

2. Mục đích nghiên cứu ............................................................................ 1
3. Nhiệm vụ nghiên cứu ........................................................................... 2
4. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu ............................................................ 2
5.Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ............................................... 2
6. Phương pháp nghiên cứu ...................................................................... 2
7. Cấu trúc khóa luận ................................................................................ 2
NỘI DUNG .................................................................................................. 3
CHƯƠNG 1 ............................................................................................. 3
TỔNG QUAN VỀ LASER ....................................................................... 3
1.1. Laser- nguồn gốc ra đời và phát triển ............................................. 3
1.2. Cơ sở lí thuyết ............................................................................... 4
1.2.1. Quá trình hấp thụ.................................................................... 5
1.2.2. Quá trình bức xạ tự phát ......................................................... 5
1.2.3. Phát xạ cưỡng bức .................................................................. 6
1.2.4. Cơ chế phát ra tia Laser ......................................................... 7
1.3. Cấu tạo máy phát Laser ................................................................. 8
1.3.1. Hoạt chất ................................................................................ 9
1.3.2. Buồng cộng hưởng .................................................................. 9
1.3.3. Nguồn bơm ............................................................................. 9
1.4. Nguyên lí hoạt động .................................................................... 10
1.5.1. Hệ nguyên tử làm việc với hai mức năng lượng .................... 11
1.5.2. Hệ nguyên tử làm việc với ba mức năng lượng ..................... 11
1.5.3. Hệ nguyên tử làm việc với bốn mức năng lượng ................... 12
CHƯƠNG 2 ........................................................................................... 14
TÍNH CHẤT VÀ PHÂN LOẠI MỘT SỐ LASER ................................. 14


2.1. Tính chất của Laser...................................................................... 14
2.1.1. Độ đơn sắc rất cao................................................................ 14
2.1.2 .Độ định hướng cao ............................................................... 14

2.1.3. Có khả năng phát xung cực ngắn .......................................... 14
2.1.4. Tính kết hợp cao về không gian và thời gian ......................... 14
2.1.5. Độ chói ................................................................................. 15
2.1.6. Cường độ lớn ........................................................................ 15
2.2. Phân loại một số Laser ................................................................. 15
2.2.1. Laser chất rắn....................................................................... 15
2.2.2. Laser chất khí ...................................................................... 16
2.2.3. Laser chất lỏng ..................................................................... 16
2.2.4. Laser bán dẫn ....................................................................... 16
CHƯƠNG 3 ........................................................................................... 17
MỘT SỐ ỨNG DỤNG LASER TRONG Y HỌC .................................. 17
3.1 . Phẫu thuật điều trị cận thị ........................................................... 17
3.1.1. Đặc điểm cấu tạo của mắt cận thị ......................................... 17
3.1.2. Nguyên nhân phát triển cận thị ............................................. 19
3.1.3. Phân loại cận thị ................................................................... 19
3.1.4. Ứng dụng Laser trong điều trị tật cận thị .............................. 20
3.2 . Thẩm mĩ điều trị sẹo lồi .............................................................. 22
3.2.1 . Cấu trúc của da .................................................................. 22
3.2.2. Cơ chế điều trị sẹo lồi .......................................................... 23
3.3 . Ứng dụng Laser trong châm cứu................................................. 23
3.4. Điều trị thoát vị đĩa đệm .............................................................. 25
3.4.1. Cấu trúc của đĩa đệm ............................................................ 25
3.4.2. Đặc điểm của bệnh thoát vị đĩa đệm và ứng dụng của Laser
trong điều trị................................................................................... 26
3.5. Ứng dụng Laser trong điều trị ung thư ......................................... 28


3.5.1. Bản chất ung thư ................................................................... 28
3.5.2. Ứng dụng Laser trong điều trị ung thư.................................. 28
KẾT LUẬN ................................................................................................ 30

TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................... 31


MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Cuộc cách mạng khoa học kĩ thuật hiện đại được bắt đầu từ giữa những
năm 40 của thế kỉ XX. Những phát minh trong khoa học kĩ thuật của ngành
vật lí cuối thế kỉ XIX đầu thế kỉ XX như điện, thuyết electron, tia Ronghen và
đặc biệt là Laser đã đóng góp to lớn vào bước tiến của nhân loại và trở thành
tiền đề của cuộc cách mạng khoa học kĩ thuật hiện nay.
Bất kì danh sách nào điểm lại những thành tựu cơng nghệ chủ yếu của
thế kỉ 20 cũng có tên Laser đầu tiên. Laser là một nguồn phát ánh sáng có tính
chất đặc biệt hơn nguồn sáng thơng thường hay các nguồn sáng nhân tạo khác
và có những cơng dụng rất hữu ích có thể áp dụng trong rất nhiều lĩnh vực,
tạo nên một cuộc cách mạng khoa học kĩ thuật sau khi nó ra đời.
Ngày nay, Laser đã trở thành một phần thiết yếu trong cuộc sống, nó đã
thâm nhập vào mọi lĩnh vực từ đồ chơi trẻ em, trong các ngành cơng nghiệp
cho tới y học, rồi thăm dị vũ trụ,… Đặc biệt là trong y học nó được dùng để
phẫu thuật, điều trị vết thương, làm đẹp… với độ chính xác và hiệu quả vơ
cùng cao so với các phương pháp truyền thống vẫn dùng, song những tài liệu
quang học nói chung khơng đề cập rõ về vấn đề này. Chính vì những lí do đó
em chọn đề tài tìm hiểu về “Laser và ứng dụng trong y học” nhằm đi sâu
nghiên cứu hoạt động của Laser và ứng dụng của nó đối với lĩnh vực y học
hiện nay.
2. Mục đích nghiên cứu
 Nắm được kiến thức về Laser trên nhiều phương diện như: cơ chế, cấu
tạo, nguyên lí hoạt động, tầm quan trọng của nó.
 Ứng dụng của Laser trong y học.

1

3. Nhiệm vụ nghiên cứu
 Nghiên cứu và nắm vững cơ sở lí thuyết của Laser.
 Phân tích, tổng hợp đặc điểm của Laser.
 Tìm hiểu một số ứng dụng của Laser trong y học.
4. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu
 Đối tượng:
 Cơ sở lí thuyết của Laser
 Cấu tạo, nguyên lí hoạt động, sơ đồ các mức năng lượng
 Tính chất chùm tia Laser
 Một số ứng dụng Laser trong y học
 Phạm vi nghiên cứu:
 Ứng dụng Laser trong y học
5.Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Hồn thiện một cách có hệ thống và chi tiết hơn về Laser, đặc biệt cơng
dụng của nó trong y học. Do đó, có thể làm tài liệu tham khảo cho các bạn
sinh viên.
6. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu tài liệu
7. Cấu trúc khóa luận
Ngồi phần mở đầu và kết luận, khóa luận bao gồm các nội dung sau:
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LASER
CHƯƠNG 2: TÍNH CHẤT VÀ PHÂN LOẠI LASER
CHƯƠNG 3: MỘT SỐ ỨNG DỤNG LASER TRONG Y HỌC

2


NỘI DUNG

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ LASER
1.1. Laser- nguồn gốc ra đời và phát triển
LASER là chữ viết tắt của cụm từ “Light Amplification by Stimulated
Emission of Radiation” nghĩa là khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ cưỡng bức.
Ý tưởng về Laser được Einstein đưa ra từ năm 1917. Năm 1958, các
nhà bác học Nga và Mĩ nghiên cứu độc lập với nhau, đã chế tạo thành công
Laser đầu tiên. Năm 1916, sau khi được bầu vào Viện Hàn lâm Khoa học
Đức, A.Einstein bằng tư duy trìu tượng cao, đã nêu lên thuyết: “ Nếu chiếu
những nguyên tử bằng một làn sóng điện từ, sẽ có thể xảy ra một bức xạ
“được kích hoạt” và trở thành một chùm tia hồn tồn đơn sắc, ở đó tất cả
những photon (quang tử) phát ra sẽ có cùng một bước sóng”.
Mãi tới năm 1951 giáo sư Charles Townes (Mỹ) mới chú ý đến sự
khuếch đại của sóng cực ngắn (vi sóng). Ơng thực hiện một thí nghiệm mang
tên Maser là khuếch đại vi sóng bằng bức xạ cảm ứng (Maser là chữ viết tắt
của cụm từ tiếng anh Microwave Amplification by Emisson of Radiation).
Ơng đã thành cơng và Maser đầu tiên đó khơng tạo ra tia sóng một cách liên
tục. Cùng vào thời gian đó hai nhà khoa học của Liên Xơ là N.Basov và
A.Prokhorov đã làm việc độc lập trên lĩnh vực lượng tử dao động và tạo ra
máy khuếch đại vi sóng có ngun lí gần như giống với Maser.
Chính vì thế, năm 1964 cả ba nhà khoa học đó cùng được nhận giải
thưởng Nobel vật lí về nền tảng cho lĩnh vực điện tử lượng tử.

3


Năm 1958 Townes và đồng sự của ông Schawlow đã xuất bản tạp chí
khoa học và đăng kí bằng sáng chế và cho rằng “Maser quang học” có thể tạo
ra tia hồng ngoại và ánh sáng nhìn thấy được. Song tất cả chỉ là lí thuyết, cho
đến khi Theodora Maiman, nhà khoa học của phịng thí nghiệm Hughes tại

Malibu bang Califorlia dựa theo lí thuyết đó chế tạo ra máy Laser đầu tiên.
Ngày 16/5/1960 T.Maiman chính thức tạo ra Laser từ tinh thể rắn hồng
ngọc. Tia sáng do ơng tìm ra là luồng ánh sáng rất tập trung và có độ hội tụ
lớn, hoàn toàn thẳng, rõ nét, thuần khiết, màu đỏ lộng lẫy và chiều dài bước
sóng đo được là 0.694 micromet.
Những năm tiếp theo, các nhà khoa học khắp nơi đã tạo ra nhiều loại
Laser bằng cách đưa vào thanh hoạt chất thể khí (như CO2 hoặc He, Ne,…) ta
có Laser từ thể khí; đưa vào arsenire thì ta có tia Laser từ bán dẫn; rồi Laser
rắn,…Kì diệu là tùy theo hoạt chất đưa vào mà màu sắc Laser được tạo ra có
màu sắc trở lên khác nhau và trở nên càng lung linh huyền ảo hơn.
1.2. Cơ sở lí thuyết
Theo quan điểm lượng tử, các nguyên tử có thể có một số mức năng
lượng gián đoạn E1, E2, E3,… mà khơng có trạng thái năng lượng trung gian
ví dụ giữa E1 và E2, hoặc giữa E2 và E3… Trong điều kiện bình thường các
nguyên tử ở trạng thái năng lượng thấp nhất E1 hay còn gọi là nguyên tử ở

4


trạng thái cơ bản. Khi có sự tác động vật lí hay hóa học từ bên ngồi, các
ngun tử này có thể nhảy từ mức năng lượng thấp lên mức năng lượng cao
hay ngược lại. Các q trình này có thể sinh ra hay hấp thụ, phát xạ các tia
sáng theo giả thuyết của A. Einstein. Bước sóng của tia sáng phụ thuộc vào sự
chênh lệch giữa các mức năng lượng.
1.2.1. Quá trình hấp thụ
Bình thường nguyên tử tồn tại ở trạng thái cơ bản, trạng thái có năng
lượng thấp nhất. Khi cấp năng lượng cho nguyên tử bằng một biện pháp nào
đó, ví dụ do sự va chạm với các điện tử chuyển động nhanh hơn hoặc bằng
nguồn nhiệt có nhiệt độ cao (ngọn lửa, hồ quang, tia lửa điện,…) các nguyên
tử có thể chuyển động lên mức năng lượng cao hơn E2, E3,…, En,… người ta nói

các nguyên tử chuyển sang trạng thái kích thích hay cịn gọi là bị kích thích.
E2

E2

E2

E1

E1

E1

Trạng thái đầu

Trạng thái cuối

Hạt ở mức năng lượng E1, khi được cung cấp một nguồn năng lượng
h chúng sẽ hấp thụ và có sự dịch chuyển lên mức năng lượng cao hơn, chẳng

hạn E2. Khi đó năng lượng photon cung cấp phải bằng hiệu hai mức năng
lượng của dịch chuyển h  E2  E1
1.2.2. Quá trình bức xạ tự phát
Phát xạ tự phát là quá trình các nguyên tử đang ở mức năng lượng cao
hơn tự nhảy xuống mức năng lượng thấp hơn mà không cần kích thích từ bên
ngồi. Khi đó các ngun tử sẽ giải phóng năng lượng của mình dưới dạng

5

một photon ánh sáng. Năng lượng được giải phóng đúng bằng hiệu hai mức
năng lượng.

E2

E2

E2
Photon
h

E1

E1

Trạng thái đầu

E1
Trạng thái cuối

Nguyên tử hay phân tử kích thích có một thời gian phát xạ đặc trưng,
đó là thời gian trung bình mà chúng tồn tại ở trạng thái năng lượng cao trước
khi rơi xuống mức năng lượng thấp hơn và phát ra photon. Thường sau một
khoảng thời gian ngắn 10-7-10-8s các nguyên tử ở trạng thái kích thích sẽ tự
quay về trạng thái năng lượng thấp hơn (trạng thái cơ bản hay trạng thái kích
thích nào đó ở mức năng lượng thấp hơn). Bởi vì những sự chuyển tự phát
của cùng một nguyên tử ở các thời điểm khác nhau, cũng như của các nguyên
tử khác nhau ở cùng một thời điểm không có liên hệ gì với nhau, cho nên pha,
biên độ của bức xạ tự phát cũng độc lập với nhau. Do đó bức xạ tự phát là bức
xạ khơng kết hợp.

1.2.3. Phát xạ cưỡng bức
Khi nguyên tử đang ở trạng thái kích thích sẵn sàng phát ra photon có
năng lượng   h , bắt gặp một photon có năng lượng  ' đúng bằng h , bay
lướt qua nó thì lập tức nguyên tử này cũng bị cưỡng bức rời khỏi mức kích
thích sớm hơn thời gian sống của nó và phát ra photon  . Photon  có cùng
năng lượng và bay cùng phương với photon  ' .

6


Trong trường hợp này photon kích thích khơng bị mất mát như trong trường
hợp hấp thụ. Photon này vẫn tồn tại và duy trì những tính chất ban đầu của n ó
về pha, tần số, độ phân cực,…
E2

հν

հν
E1

Trạng thái đầu

հν

E2

E2

E1

E1
Trạng thái cuối

Như vậy khi một photon thích hợp bay qua một ngun tử ở trạng thái
kích thích thì do hiện tượng phát xạ cảm ứng sẽ tạo ra hai photon như nhau
bay cùng phương. Hai photon này bay qua hai nguyên tử đang ở trong trạng
thái kích thích khác sẽ xuất hiện bốn photon giống nhau bay cùng phương…
Do đó số photon tăng theo cấp số nhân . Như vậy bức xạ cưỡng bức làm tăng
số photon, tức là có khả năng khuếch đại ánh sáng mơi trường. Đó cũng chính
là nguyên lí của hiện tượng phát Laser.
1.2.4. Cơ chế phát ra tia Laser
Ta biết rằng ở điều kiện cân bằng nhiệt động lực học bình thường bao
giờ số nguyên tử ở trạng thái năng thấp cũng nhiều hơn số nguyên tử ở trạng
thái năng lượng cao. Một lí do nữa khiến phát xạ cưỡng bức khó xảy ra trở
nên hiển nhiên là khi xem xét các sự kiện có thể xảy ra quanh sự phân hủy
của một electron từ trạng thái kích thích với sự phát xạ ánh sáng và tự phát.
Ánh sáng phát xạ có thể dễ dàng kích thích các ngun tử bị kích thích khác
nhưng nó cũng có thể gặp phải nguyên tử ở trạng thái cơ bản và bị hấp thụ
thay vì cưỡng bức kích thích gây ra phát xạ. Mà số nguyên tử ở trạng thái
kích thích ít hơn nhiều so với trạng thái cơ bản nên photon phát xạ có khả
năng bị hấp thụ nhiều hơn và số phát xạ cưỡng bức cũng không đáng kể so
với số phát xạ tự phát (ở trạng thái cân bằng nhiệt động lực học).

7


Do đó để sự phát xạ cưỡng bức trở nên lấn át hay nói cách khác là chế
tạo ra Laser thì ít nhất phải có một trạng thái năng lượng cao có số nguyên tử
nhiều hơn một trạng thái năng lượng thấp sao cho số photon phát xạ có khả
năng kích thích nhiều hơn là bị hấp thụ. Đó được gọi là sự nghịch đảo mật độ

cư trú. Như vậy muốn đạt được sự nghịch đảo mật độ cư trú cho hoạt động
của Laser thì ta phải hoặc tạo ra số nguyên tử ở mức năng lượng cao nhiều
hơn số nguyên tử ở trạng thái năng lượng thấp hoặc làm giảm số nguyên tử ở
mức năng lượng thấp. Mà với hoạt động liên tục của Laser thì phải đảm bảo
vừa làm tăng số nguyên tử ở mức năng lượng cao vừa phải làm giảm số
nguyên tử ở mức năng lượng thấp khi đó ta mới thu được dịng thác photon.
Thêm nữa là lượng thời gian mà nguyên tử trải qua ở một trạng thái
kích thích là yếu tố quyết định việc xác định nó sẽ bị phát xạ cưỡng bức và
tham gia vào dòng thác photon hay sẽ mất năng lượng do q trình tự phát.
Các trạng thái kích thích thường có thời gian sống khơng lâu chỉ vài nano
giây trước khi giải phóng năng lượng của mình bằng phát xạ tự phát. Do đó
yêu cầu tối thiết cho hoạt động của Laser là phải làm cho các mức năng lượng
cao phải có thời gian sống lâu hơn. Với thời gian sống trong trạng thái này
khoảng micro giây các nguyên tử sẽ bị kích thích bởi photon khác, đảm bảo
tạo ra một lượng đáng kể phát xạ cưỡng bức.
Tùy thuộc vào loại nguyên tử, phân tử người ta có cách để nghịch đảo
mật độ cư trú khác nhau. Chẳng hạn ta có thể dùng bơm quang học với chất
rắn, dùng phương pháp bơm bằng dòng điện đối với bán dẫn,…
1.3. Cấu tạo máy phát Laser
Về cơ bản cấu tạo của một máy phát Laser gồm các bộ phận chính
được mơ tả bởi hình vẽ sau:

8


Trong đó:
 Hoạt chất (1)
 Nguồn bơm (2)
 Buồng cộng hưởng (3,4)
 Tia Laser (5)

Cụ thể chúng ta đi tìm hiểu từng bộ phận:
1.3.1. Hoạt chất
Hoạt chất là môi trường vật chất (rắn, lỏng, khí, bán dẫn,…) có khả
năng khuếch đại ánh sáng đi qua nó.
1.3.2. Buồng cộng hưởng
Buồng cộng hưởng có vai trị là làm cho bức xạ do hoạt chất phát ra có
thể đi lại nhiều lần qua hoạt chất để được khuếch đại lên.
Thành phần chủ yếu của buồng cộng hưởng là hai gương phản xạ. Một
gương có hệ số phản xạ rất cao, cỡ 99,99%, và một gương có hệ số phản xạ
thấp hơn để tia Laser có thể thốt ra ngồi. Một trong các gương có thể được
thay bằng lăng kính hoặc cách tử tùy theo yêu cầu. Hai gương phản xạ có thể
để xa hoạt chất hoặc gắn chặt với hoạt chất.
1.3.3. Nguồn bơm
Nguồn bơm là bộ phận cung cấp năng lượng để tạo sự đảo lộn mật độ
trong hai mức nào đó của hoạt chất và duy trì sự hoạt động của Laser.
Tùy theo môi trường hoạt chất của Laser mà người ta chọn phương
pháp kích thích khác nhau:

9


 Kích thích bằng ánh sáng, bơm quang học, đây là loại kích thích ánh
sáng phổ biến. Hoạt chất thu năng lượng bơm qua q trình hấp thụ. Có thể
kích thích bằng nguồn sáng kết hợp hoặc khơng kết hợp. Ví dụ: Laser
Nd:YAG, laser Ruby,…
 Kích thích bằng dịng điện, bằng va chạm điện tử: dùng điện trường
cao để kích thích hạt truyền năng lượng cho tâm hoạt chất nhờ quá trình va
chạm. Phương pháp này chủ yếu dùng cho Laser khí và bán dẫn.
1.4. Nguyên lí hoạt động
(

: e ở mức cơ bản

: e ở mức kích thích)

Bình thường các ngyên tử tồn tại ở mức cơ bản E1

Sau đó cung cấp năng lượng nhờ bơm quang học để tạo ra sự nghịch
đảo mật độ cư trú trong máy phát Laser

Lúc này các nguyên tử đang ở trạng thái kích thích, chúng bức xạ cảm
ứng phát ra các photon, các photon này kích thích các nguyên tử khác bức xạ
tạo ra dòng thác photon theo cấp số nhân. Chúng di chuyển theo các hướng.
Các photon được tạo ra một lượng lớn sẽ thốt ra khỏi ống, số cịn lại
sẽ di chuyển dọc theo trục ống đến hai gương bị phản xạ qua lại, va chạm
thêm với nhiều nguyên tử đang ở trạng thái kích thích khác và sinh thêm
nhiều photon khác trong thời gian vài phần triệu giây.

10


Khi số photon chuyển động dọc theo trục ống tăng đến một cường độ
nhất định, thì các photon này sẽ đi qua gương bán mạ và hình thành tia Laser
thốt ra bên ngoài.

1.5. Cơ chế làm việc của Laser
1.5.1. Hệ nguyên tử làm việc với hai mức năng lượng
E2

E1

Ta biết rằng ở trạng thái bình thường khi khơng có tác động của bên
ngồi thì số ngun tử ở mức năng lượng thấp bao giờ cũng lớn hơn số
nguyên tử ở mức năng lượng cao hơn, tức là N1>N2. Sử dụng nguồn bơm để
kích thích các nguyên tử từ mức 1 lên mức 2 nhờ quá trình hấp thụ. Theo thời
gian số nguyên tử ở mức 1 giảm, mức 2 tăng dần. Tuy nhiên đến khi N1=N2
thì hệ số hấp thụ bằng 0, khi đó hệ trở nên bão hịa và không thể hấp thụ ánh
sáng được nữa, không thể đẩy hạt từ mức 1 lên mức hai dù ta tiếp tục bơm.
Vậy ta không thể tạo được sự nghịch đảo mật độ cư trú từ hai mức
năng lượng.
1.5.2. Hệ nguyên tử làm việc với ba mức năng lượng
Xét hệ ba mức năng lượng có E1mức là N1, N2, N3. Trong ba mức này mức 1 là mức cơ bản, mức 2,3 là mức
kích thích.

11


E3
E2
Laser
E1
Nhờ bơm quang học hạt được kích thích nhảy từ mức 1 lên mức 3. Để
tần số bơm không quá đơn sắc thì người ta chọn hoạt chất có mức 3 có độ
rộng tương đối lớn. Sau khi lên mức 3 thì hạt chuyển động phát xạ tự phát về
mức 2 gần đó. Cũng xảy ra trường hợp hạt nhảy từ mức 3 về mức 1 nhưng
xác suất này rất nhỏ so với dịch chuyển từ mức 3 về mức 2. Do mức 2 là mức
siêu bền có thời gian sống lớn, lớn hơn so với mức 1 và 3 nên hạt không
chuyển về mức 1 ngay. Các hạt đang ở mức 2 thì quá trình bơm vẫn tiếp tục,
các điện tử từ mức 3 vẫn nhảy về mức 2. Cho đến khi N2>N1, lúc này có sự
nghịch đảo mật độ cư trú trên mức 2 và 1, ta thu được khuếch đại.

1.5.3. Hệ nguyên tử làm việc với bốn mức năng lượng
Xét hệ làm việc với bốn mức năng lượng E1số hạt trên mỗi mức là N1, N2, N3, N4. Mức 1 là mức cơ bản, mức 2 và 4 là
mức kích thích cao có thời gian sống ngắn, mức 3 là mức siêu bền, mức 2 là
mức kích thích gần mức cơ bản có thời gian sống bé hơn mức 3.
E4
E3
Laser
E2
E1

12


Nhờ nguồn bơm các hạt hấp thụ năng lượng và chuyển lên trạng thái
năng lượng E4. Các hạt dịch chuyển phát xạ tự phát từ mức 4 về mức 3 và từ
mức 2 xuống 1 do thời gian sống của hạt ở mức 4 và 2 rất bé. Thời gian sống
của hạt ở mức 3 lớn do nó là mức siêu bền, lớn hơn mức 2 và 4 rất nhiều. Kết
quả là số hạt tập trung ở mức này lớn hơn số hạt ở mức 2. Vậy giữa mức 3 và
2 có sự nghịch đảo mật độ cư trú. Thêm nữa là trước khi bơm ở mức 3 đã có
các hạt nên khi bơm thì số hạt được tăng thêm tạo ra sự khuếch đại. Một ưu
điểm của hệ làm việc này là hạt sẽ tự động rơi xuống mức 1 cung cấp cho quá
trình bơm.
Vậy để tạo được sự nghịch đảo mật độ cư trú ta cần chọn môi trường
hoạt chất hoạt động theo sơ đồ 3 và 4 mức năng lượng.

13


CHƯƠNG 2

TÍNH CHẤT VÀ PHÂN LOẠI MỘT SỐ LASER
2.1. Tính chất của Laser
Tia Laser có đầy đủ các tính chất của ánh sáng như: giao thoa, nhiễu
xạ, phản xạ, khúc xạ,… Ngoài ra nguồn Laser khác hẳn với nguồn sáng thơng
thường (như nhiệt, điện,…) nên tia Laser có những tính chất đặc biệt khác
bức xạ thông thường.
2.1.1. Độ đơn sắc rất cao
Độ rộng phổ của chùm tia Laser rất nhỏ (đối với Laser He-Ne
∆λ≈0.1A0) do đó chùm sáng có độ đơn sắc cao nhất, chỉ có một màu (hay
một bước sóng) duy nhất. Đây là tính chất rất quan trọng vì hiệu quả tác dụng
của Laser khi tương tác với vật chất, với các tổ chức sinh học phụ thuộc vào
yếu tố này. Do vậy chùm tia Laser ít bị tán xạ khi đi qua mặt phân cách giữa
hai môi trường có chiết suất khác nhau.
2.1.2 .Độ định hướng cao
Do cơ cấu của buồng cộng hưởng Laser nên các tia Laser phát ra hầu
như song song với nhau (góc mở giữa các tia là rất nhỏ). Chính vì thế Laser
có độ định hướng khá lí tưởng, chúng có khả năng chiếu xa hàng nghìn km
mà khơng bị tán xạ, đến mức người ta có thể dùng Laser để đo những khoảng
cách trong vũ trụ.
2.1.3. Có khả năng phát xung cực ngắn
Xung ngắn cỡ mili giây (ms), nano giây (ns), pico giây (ps),… cho
phép tập trung năng lượng tia Laser cực lớn trong thời gian cực ngắn.
2.1.4. Tính kết hợp cao về khơng gian và thời gian
Chùm tia Laser có thể dài tới cỡ vài trăm km điều này có nghĩa là các
vân giao thoa vẫn có thể được tạo ra khi chồng chất hai chùm sóng riêng biệt

14


có hiệu quang lộ cỡ khoảng cách nói trên. Thời gian kết hợp đối với tia Laser

khoảng 10-2-10-1s, đối với tia sáng thường là 10-8s.
2.1.5. Độ chói
Độ chói của nguồn sáng được tính bằng cách chia cơng suất của chùm
sáng cho độ rộng của phổ. Vì độ rộng của phổ Laser rất nhỏ nên Laser có độ
tập trung các tia sáng rất cao.
Ví dụ: Laser có cơng suất thấp là Laser He-Ne cũng có độ chói gấp
hàng vạn lần độ chói của mặt trời. Những Laser có cơng suất lớn có độ chói
cao gấp hàng triệu lần mặt trời.
2.1.6. Cường độ lớn
Cường độ của tia Laser lớn gấp bội lần cường độ của tia sáng nhiệt.
Ví dụ: Laser khí He-Ne có cơng suất thấp cỡ 1mW ở chế độ liên tục
phát ra photon nằm trong vùng nhìn thấy được có cường độ gấp cỡ 104 lần
nguồn nhiệt có nhiệt độ cỡ 1000K bức xạ từ diện tích A =1cm2 và cũng phát
sóng trong vùng nhìn thấy được.
2.2. Phân loại một số Laser
Có nhiều cách phân loại Laser, dưạ vào mơi trường hoạt chất người ta
chia ra:
2.2.1. Laser chất rắn
Có khoảng 200 chất rắn có khả năng dùng làm mơi trường hoạt chất
laser. Một số loại laser chất rắn thông dụng:
 YAG-Neodym: hoạt chất là Yttrium Aluminium Garnet (YAG) cộng
thêm 2-5% Neodym, có bước sóng 1060nm thuộc phổ hồng ngoại gần. Có thể
phát liên tục tới 100W hoặc phát xung với tần số 1000-10000Hz.
 Hồng ngọc (Rubi): hoạt chất là tinh thể Alluminium có gắn những
ion chrom, có bước sóng 694,3nm thuộc vùng đỏ của ánh sáng trắng.

15


2.2.2. Laser chất khí

 Argon: hoạt chất là khí argon, bước sóng 488 và 514,5nm.
 He-Ne: hoạt chất là khí Heli và Neon, có bước sóng 632,8nm thuộc
phổ ánh sáng đỏ trong vùng nhìn thấy, cơng suất nhỏ từ một đến vài chục
mW. Trong y học được sử dụng làm laser nội mạch, kích thích mạch máu.
 CO2: bước sóng 10.600nm thuộc phổ hồng ngoại xa, cơng suất phát
xạ có thể tới megawatt (MW). Trong y học ứng dụng làm dao mổ.
2.2.3. Laser chất lỏng
Môi trường hoạt chất là chất lỏng:
 Laser vô cơ Oxyd- Chloride- Neodym- Selen: hoạt chất là hợp chất
vơ cơ Oxyd- Chloride- Neodym- Selen có sử dụng thêm dung dịch đệm như
(SeOCl+)2SnCl62- .
 Laser Chelate hữu cơ- đất hiếm: hoạt chất là Chelate- là hợp chất hữu
cơ được hợp thành từ ion Benzoylacetonate hợp cới ion đất hiếm hóa trị 3.
 Laser màu- Dyer Laser: sử dụng các hợp chất màu hữu cơ làm hoạt
chất, các hợp chất màu thường là chất hữu cơ phức tạp như Rodamin B,
Rodamin 6G,Coumarin,…hấp thụ mạnh ánh sáng từ vùng ánh sáng từ vùng tử
ngoại đến vùng khả kiến.
2.2.4. Laser bán dẫn
Có cấu trúc từ các lớp tiếp xúc p-n.
Bán dẫn: loại thơng dụng nhất là diot Gallium Arsen có bước sóng
890nm thuộc phổ hồng ngoại gần.

16


CHƯƠNG 3
MỘT SỐ ỨNG DỤNG LASER TRONG Y HỌC
Những ứng dụng của Laser trong y học đã được nghiên cứu khá sớm từ
những năm 1962-1963 của thế kỉ 20, lúc đầu Laser được dùng trong điều trị
bong võng mạc, từ đó đến nay nó được ứng dụng rộng rãi trong y khoa, trong

cả điều trị và làm đẹp,…
3.1 . Phẫu thuật điều trị cận thị
3.1.1. Đặc điểm cấu tạo của mắt cận thị

Về cấu tạo của mắt theo chiều từ ngoài vào trong gồm các bộ phận :
Giác mạc (màng giác): là lớp màng cứng trong suốt bảo vệ mắt và làm
khúc xạ các tia sáng đi vào mắt.
Thủy dịch: là chất lỏng trong suốt có chiết suất xấp xỉ bằng chiết suất
của nước.
Lòng đen: màn chắn sáng, ở giữa có lỗ trịn nhỏ cho ánh sáng đi qua
được gọi là con ngươi. Con ngươi có đường kính thay đổi tùy thuộc theo
cường độ sáng.

17


Thể thủy tinh: khối chất đặc trong suốt (giống như thạch) có hình dạng
thấu kính hai mặt lồi (thấu kính hội tụ) gọi là thấu kính mắt. Tiêu cự của thấu
kính mắt gọi là tiêu cự thấu kính mắt.
Dịch thủy tinh: chất lỏng, giống chất keo lỗng lấp đầy phía sau thể
thủy tinh.
Võng mạc (màng lưới): lớp mỏng nơi tập trung đầu các sợi thần kinh
thị giác. Khi mắt nhìn một vật, ảnh thật của vật được tạo ra ở võng mạc. Ở
võng mạc có điểm rất nhỏ màu vàng là nơi nhạy sáng nhất được gọi là điểm
vàng, điểm không nhạy với ánh sáng được gọi là điểm mù.
Đặc điểm của mắt cận thị: nhìn xa kém do mắt cận có độ tụ lớn hơn
mắt bình thường. Điểm cực viễn (Cv) của mắt cận cách mắt một khoảng
không lớn (cỡ 2m trở lại). Điểm cực cận (Cc) của mắt cận ở gần mắt hơn so
với mắt bình thường.
Một chùm tia sáng song song truyền đến mắt cận sẽ cho chùm tia ló

hội tụ tại một điểm trước võng mạc.

+ Cận thị bẩm sinh thường được phát hiện sớm khi trẻ 1-2 tuổi, cận thị
bẩm sinh thường có số kính cao và tăng số nhanh bất bình thường.
+ Cận thị khởi phát ở thiếu niên là cận thị xuất hiện ở trẻ từ 5-6 tuổi, và
được phát hiện khi trẻ đến trường. Trẻ em nhìn khơng rõ mờ khi vật ở xa,

18