Kiến thức cơ bản về tia Laser

1. Giới thiệu cơ bản về laser

Laser là chữ viết tắt của cụm từ Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (khuếch đại ánh sáng bằng bức xạ kích thích), cụm từ này nêu rõ những sự kiện chính của quá trình sinh ra ánh sáng laser. Theo trình tự đơn giản hóa nhất, một nguồn năng lượng kích thích các nguyên tử trong môi trường hoạt động (chất khí, chất đặc, chất lỏng) để phát ra một bước sóng ánh sáng đặc biệt. Ánh sáng sinh ra được khuếch đại nhờ một hệ thống phản hồi quang học nó làm cho chùm sáng phản xạ qua lại trong môi trường hoạt động để làm tăng độ đồng pha cho đến khi ánh sáng được phát ra là một chùm tia laser. Quá trình này sẽ được mô tả chi tiết ở phần sau.
2. Các tính chất của ánh sáng laser

Laser chỉ là một trong nhiều nguồn năng lượng ánh sáng. Tuy nhiên, những tính chất độc đáo của ánh sáng laser làm cho nó đặc biệt thích hợp cho nhiều ứng dụng y học. Những tính chất này là: đơn sắc, đồng hướng, đồng pha, phân cực, và cường độ.

Laser phát ra ánh sáng ở chỉ một bước sóng hoặc đôi khi ở vài bước sóng có thể tách biệt dễ dàng, do đó chùm ánh sáng thu được là “thuần túy” hoặc đơn sắc. Mặc dù độ rộng bước sóng không phải là vô cùng nhỏ, đường bức xạ (emission line) của laser khí có thể chỉ nhỏ bằng 0.01 nm (so với độ rộng bước sóng của ánh sáng trắng là 300 nm). Trong điều kiện tốt nhất, một kính lọc có thể giảm độ truyền ánh sáng trắng tới một khoảng màu (độ rộng của dải) 5 nm trong khi loại bỏ hầu như toàn bộ năng lượng của ánh sáng trắng. Trong y học, có thể dùng màu của ánh sáng để tăng cường sự hấp thụ hoặc sự truyền ở một mô đích có một phổ hấp thụ nào đó. Đặc trưng bước sóng của một laser lớn hơn rất nhiều đặc trưng hấp thụ của sắc tố trong các mô. Ngoài ra, ánh sáng đơn sắc không bị ảnh hưởng bởi sắc sai ở các hệ thấu kính. Do đó, ánh sáng đơn sắc có thể được hội tụ vào một tiêu điểm nhỏ hơn so với ánh sáng trắng.

Tính chất thứ hai của ánh sáng laser là đồng hướng (directionality). Laser phát ra một chùm sáng hẹp tỏa ra rất chậm. Như sẽ phân tích ở phần sau, laser chỉ khuếch đại những photon đi theo một đường rất hẹp giữa hai gương. Quá trình này là một cơ chế rất hiệu quả cho ánh sáng chuẩn trực. Ở một laser điển hình, sau mỗi quảng đường 1 m thì đường kính chùm tia tăng thêm khoảng 1 mm. Tính đồng hướng giúp cho dễ dàng thu được toàn bộ năng lượng ánh sáng của một hệ thấu kính đơn và hội tụ ánh sáng này thành một điểm nhỏ.

Đồng pha (coherence), nghĩa là toàn bộ năng lượng được truyền từ nguồn đều cùng pha, là thuật ngữ gắn bó nhất với laser. Ánh sáng laser chiếu lên một mặt thô sinh ra một hình ảnh lấp lánh đặc trưng gọi là đốm laser (laser speckle). Hiện tượng này là do sự phản xạ không đều của ánh sáng đồng pha cao tạo ra những hình (hoặc đốm) giao thoa không đều. Tính đồng pha của ánh sáng laser được dùng để tạo ra các vân giao thoa trong giao thoa kế laser dùng trong chẩn đoán nhãn khoa. Trong laser điều trị nhãn khoa, tính đồng pha (cũng như tính đồng hướng) rất quan trọng bởi vì nó cải thiện tính chất hội tụ chùm tia.
Nhiều loại laser phát ánh sáng phân cực thẳng. Phân cực là một khía cạnh khác của tính đồng pha. Tính phân cực trong hệ thống laser cho phép ánh sáng truyền tối đa trong môi trường laser mà không bị mất mát do phản xạ. Tính phân cực đặc hiệu của chùm sáng hiện chưa được ứng dụng trong y học.

Trong hầu hết các ứng dụng y học, tính chất quan trọng nhất của laser là cường độ. Cường độ là năng lượng của một chùm có kích thước góc nhất định, và yếu tố tương quan vật lý của sự nhận thức “độ sáng” là cường độ trên đơn vị diện tích. Trong các ứng dụng laser y học, 4 thuật ngữ quan trọng của đo bức xạ là: năng lượng (J), công suất (W), mật độ năng lượng bức xạ (J/cm2), và độ chiếu xạ (W/cm2)(Bảng I-3). Công suất của laser được định lượng bằng jun hoặc oát. Cần nhớ lại rằng năng lượng là công còn công suất là tốc độ mà công được thực hiện. 1 jun = 1 oát x 1 giây, hoặc 1 W = 1 J/giây. Do đó, tác dụng laser ở mô được xác định bằng kích thước vết ở tiêu điểm, nó xác định mật độ năng lượng và độ chiếu xạ (hoặc được gọi không chính xác là “mật độ công suất”). Trong laser nhãn khoa, kích thước vết thường tính bằng đường kính. Do đó, một vết đốt 50 mm có diện tích bằng p(25 x 10-4)2 cm2, tức là khoảng 2 x 10-5 cm2.

Ở hệ thống laser chùm sáng liên tục (chẳng hạn Argon và Krypton) đồng hồ đo của bảng điều khiển cho biết công suất bằng oát, trong khi đó ở laser xung (chẳng hạn Nd: YAG) bảng điều khiển cho biết năng lượng mỗi xung bằng đơn vị jun. Đặc điểm kỹ thuật này rất tiện lợi vì chùm laser liên tục có một công suất hằng định, nhưng năng lượng thay đổi theo chế độ cửa chắn (thí dụ, 100 mw trong 0,2 giây cho năng lượng 20 mj). Trong trường hợp laser xung, chùm tia gián đoạn và có cường độ thay đổi trong quá trính phát xung, do đó có cả công suất trung bình và công suất đỉnh. Tuy nhiên, một xung riêng lẻ cho một lượng năng lượng xác định có thể đo được dễ dàng. Khi biết 2 trong 3 biến số (năng lượng, công suất và thời gian) có thể dễ dàng tính được biến số thứ ba

Các thuật ngữ đo bức xạ dùng trong laser
Năng lượng bức xạ - Jun

Công suất bức xạ - Oát

Mật độ năng lượng bức xạ - Jun/cm2
Độ chiếu xạ - Oát/cm2
Cường độ bức xạ - Oát/sterad*
Độ bức xạ - Oát/sterad/cm2
*Steradian là đơn vị góc khối. Một hình cầu có 4psteradian.
Tóm lại, đồng hướng, phân cực, đồng pha và một phần tính đơn sắc đã bổ sung cho đặc tính quan trọng nhất của laser, đó là cường độ ánh sáng. Mặt trời có công suất 1026 W nhưng phát năng lượng theo tất cả các hướng ở một khoảng cách rất xa trái đất. Như vậy, một laser heli neon đơn giản 1 mw có độ bức xạ lớn gấp 100 lần mặt trời. Độ bức xạ mạnh của laser (kết hợp với tính đơn sắc có thể tác động vào các mô chọn lọc và tránh các mô khác trên cơ sở hấp thụ phổ) làm cho laser trở thành một công cụ vô song trong y học. Điều này đặc biệt thích hợp trong nhãn khoa, do cấu tạo của mắt cho phép ánh sáng truyền tới hầu hết các cấu trúc của nó.
3. Các yếu tố của laser

Tất cả các laser hiện dùng trong nhãn khoa cần 3 yếu tố cơ bản: (1) môi trường hoạt động để phát bức xạ đồng pha, (2) nguồn năng lượng vào, gọi là bơm, (3) hệ thống phản hồi quang học để phản xạ và khuếch đại các bước sóng thích hợp.
Năm 1917, Albert Einstein đã giải thích những hệ thức toán học của 3 quá trình chuyển tiếp nguyên tử: hấp thụ, phát xạ tự phát, và phát xạ kích thích. Theo những nguyên lý cơ bản của vật lý lượng tử, một số quá trình chuyển tiếp năng lượng nguyên tử có thể xảy ra hoặc “được phép”. Năng lượng ánh sáng có thể dễ dàng gây ra sự chuyển tiếp được phép này, làm cho năng lượng của nguyên tử chuyển từ trạng thái cơ bản (E0) sang trạng thái kích thích (E1). Nguyên tử hấp thụ một lượng tử năng lượng ở tần số thích hợp để gây ra một sự chuyển tiếp đặc hiệu. Nếu nguồn sáng là ánh sáng trắng, thì chùm sáng sẽ bị bớt đi một tần số riêng biệt (phổ vạch). Một nguyên tử có một phổ vạch đặc trưng. Quá trình này được gọi là hấp thụ.

Trạng thái năng lượng thấp nhất là trạng thái bền vững nhất, do đó nguyên tử bị kích thích nhanh chóng phát ra một lượng tử năng lượng ở cùng tần số để trở về trạng thái cơ bản. Quá trình này có thể xảy ra mà không do kích thích bên ngoài (phát xạ tự phát) hoặc do kích thích bởi một photon ánh sáng cùng tần số (phát xạ kích thích). Phát xạ tự phát xảy ra ngẫu nhiên so với thời gian trong khi đó phát xạ kích thích thì cùng pha với sóng kích thích. Do đó phát xạ kích thích có tính đồng pha. Sau khi hấp thụ, phần lớn năng lượng được giải phóng dưới dạng bức xạ tự phát không đồng pha theo mọi hướng, chỉ có một phần nhỏ năng lượng được giải phóng dưới dạng bức xạ kích thích đồng pha. Tuy nhiên, môi trường laser chỉ khuếch đại bức xạ kích thích.

Phát xạ kích thích xảy ra khi một photon tới tần số thích hợp tương tác với một nguyên tử ở trạng thái năng lượng cao hơn. Kết quả là phát ra một photon có cùng bước sóng và nguyên tử trở về trạng thái năng lượng thấp hơn. Photon phát ra cũng cùng pha và cùng hướng với photon tới.
Môi trường hoạt động là một môi trường nguyên tử hoặc phân tử giúp cho sự phát xạ kích thích. Môi trường hoạt động cho phép một số lượng lớn nguyên tử được kích hoạt lên trên trạng thái cơ bản để có thể xảy ra phát xạ kích thích. Sự chuyển tiếp năng lượng nguyên tử quyết định bước sóng phát xạ. Các loại laser thường được đặt tên theo môi trường hoạt động. Môi trường có thể là chất khí (Argon, Krypton, CO2, Excimer Argon-Fluorua, hoặc He-Ne), chất lỏng (chất màu), chất đặc (một nguyên tố hoạt động nằm trong một tinh thể, chẳng hạn Neodym, trong Ytri-nhôm-Granat [Nd:YAG] và Erbi trong Ytri-Lantan-Fluorua[Er-YLF], hoặc chất bán dẫn (điốt).

Yêu cầu thứ hai của laser là phải có một phương tiện truyền năng lượng đến môi trường hoạt động để cho phần lớn các nguyên tử ở trạng thái năng lượng cao hơn trạng thái cơ bản. Trạng thái này được gọi là đảo ngược mật độ (population inversion), bởi vì nó ngược với điều kiện bình thường trong đó phần lớn các nguyên tử ở trạng thái năng lượng cơ bản. Nguồn năng lượng vào có khả năng gây đảo ngược mật độ được gọi là bơm (pumping). Các laser khí thường được bơm bằng sự phóng điện giữa các điện cực trong khí đó. Các laser chất màu thường được bơm bằng các laser khác. Laser tinh thể rắn thường được bơm bằng ánh sáng không đồng pha chẳng hạn đèn chớp hồ quang Xenon.

Khi môi trường hoạt động đã được đảo ngược mật độ, cần có hệ thống phản hồi quang học (optical feedback) để tăng bức xạ kích thích và khử bức xạ tự phát. Khoang laser đóng vai trò một hộp cộng hưởng quang học. Ở hai đầu đường đi của chùm sáng người ta đặt 2 gương để làm cho ánh sáng phản xạ qua lại trong môi trường hoạt động, trong đó bơm có tác dụng duy trì sự đảo ngược mật độ. Mỗi lần sóng ánh sáng cộng hưởng qua môi trường hoạt động, tổng năng lượng ánh sáng đồng pha được tăng cường nhờ phát xạ kích thích. Phát xạ tự phát (xảy ra ngẫu nhiên theo tất cả các hướng) ít khi đập vào gương, do đó không được khuếch đại.

Yếu tố cuối cùng trong sơ đồ cấu tạo laser là một cơ chế để giải phóng một phần ánh sáng laser dao động từ khoang. Để đạt được yêu cầu này, người ta dùng một gương phản xạ toàn phần và một gương phản xạ một phần. Một phần sóng ánh sáng đập vào gương thứ hai được phát ra dưới dạng chùm tia laser. Độ phản xạ của gương được lựa chọn để đạt được độ khuếch đại cao ở từng hệ thống laser. Thí dụ, nếu một laser có gương phản xạ 98% thì các sóng ánh sáng được khuếch đại đồng pha bởi bức xạ kích thích trong một chu trình trung bình 50 vòng qua môi trường hoạt động trước khi được phát ra thành chùm sáng laser.

4. Các nguồn laser

Các nguồn laser chất rắn thường dùng trong y học là Ruby và Nd:YAG. Laser Holmi hồng ngoại hiện đang được nghiên cứu để dùng cho phẫu thuật khúc xạ. Laser Argon, Krypton, CO2, và excimer Argon-Fluorua là những nguồn laser khí quan trọng nhất dùng trong y học. Laser chất màu là laser chất lỏng duy nhất dùng trong nhãn khoa.
Năm 1975, người ta thấy rằng các nguyên tử khí hiếm ở trạng thái kích thích giả bền có thể phản ứng với các halogen để tạo ra các halit khí hiếm 2 nguyên tử ở trạng thái (excimer) kích thích ràng buộc. Sự phân rã của các phân tử excimer này sang trạng thái cơ bản ràng buộc yếu hoặc không ràng buộc đồng thời phát ra một photon ở tần số tử ngoại. Laser excimer sinh ra bức xạ tử ngoại có cường độ lớn. Có thể tạo ra nhiều phân tử excimer khác nhau, mỗi loại có một bước sóng chuyển tiếp và phát xạ riêng: Argon Fluorua hoặc arf (193 nm), Krypton Fluorua hoặc krf (294 nm) và Xenon Fluorua hoặc xef (351 nm).
Laser điốt bán dẫn là những laser chất rắn kích thước rất gọn và hiệu quả cao. Những nguồn laser này thường được dùng trong những ứng dụng thông tin và trong các hệ thống âm thanh và thông tin kỹ thuật số. Nhờ có công suất cao, các laser điốt bán dẫn hiện nay được dùng trong quang đông võng mạc và điều trị glôcôm.
5. Tương tác laser-mô

Mặc dù Einstein đã đưa ra lý thuyết cơ bản của bức xạ laser từ trước đó trên 40 năm, mãi đến tháng 7 năm 1960 Theodore Maiman mới chế tạo thành công laser đầu tiên có môi trường tinh thể Ruby.

Trước khi phát minh ra laser, năng lượng ánh sáng đã được dùng trong điều trị để đốt nóng và biến đổi vĩnh viễn các mô đích. Liệu pháp quang sơ khai này có nguồn gốc từ những quan sát ở mắt viêm võng mạc do ánh mặt trời và đã được dùng trong điều trị nhiều bệnh võng mạc và bệnh glôcôm. Ngày nay, laser có thể đạt được những hiệu quả tương tự nhưng được điều chỉnh tốt hơn. Thuật ngữ quang đông dùng để chỉ sự hấp thụ chọn lọc năng lượng ánh sáng và biến đổi năng lượng đó để đốt nóng mô đích, dẫn đến những biến đổi cấu trúc. Những quá trình này và kết quả điều trị phụ truộc bước sóng và thời gian xung laser. Nhiều loại laser quang đông hiện được dùng trong lâm sàng như: Argon, Krypton, laser màu, Holmi, và laser chất rắn Gali Asenua.

Loại tương tác laser-mô thứ hai sử dụng các laser xung cường độ cao để ion hóa mục tiêu và cắt đứt mô xung quanh. Trong lâm sàng, quá trình này (được gọi là cắt bằng ánh sáng) (photodisruption), dùng ánh sáng laser như một kéo vi phẫu ảo đi qua các môi trường trong suốt để cắt mở các mô như bao thể thủy tinh, mống mắt, các màng viêm, và các dải trong dịch kính mà không gây tổn hại các cấu trúc xung quanh của nhãn cầu. Hiện nay, laser Nd:YAG là loại laser chủ yếu thuộc loại này được dùng trong nhãn khoa lâm sàng.

Loại tương tác laser-mô thứ ba, được gọi là cắt gọt bằng ánh sáng (photoablation), do các xung laser tử ngoại cường độ cao có thể cắt gọt giác mạc chính xác như khắc trên các polyme tổng hợp. Năng lượng cao của một photon ánh sáng tử ngoại 193 nm lớn hơn độ bền liên kết đồng hóa trị của protein giác mạc. Sự hấp thụ cao các xung laser này cắt gọt chính xác một lớp giác mạc siêu hiển vi mà không làm đục mô lân cận, do hầu như không gây ra chấn thương nhiệt. Một thập kỷ nghiên cứu thực nghiệm và lâm sàng đã giúp cho laser excimer được ứng dụng vào lâm sàng trong phẫu thuật khúc xạ và điều trị các bệnh giác mạc

........................................................................................

                       Batco Co., Ltd

Công ty TNHH phát triển công nghệ Batco Việt Nam

Địa chỉ: Số 15 Đường Khuyến Lương, P.Trần Phú, Q.Hoàng Mai, Hà Nội

Điện thoại: 0243 644 5858          Hotline: 0913.689.813

Website: www.batco.com.vn  -  www.catmica.vn   -  www.tongkhobatco.com

Email: kinhdoanh@batco.com.vn