Khóa luận tốt nghiệp: Laser và ứng dụng trong y học

Chia sẻ: Huyền Thanh | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:38

Thêm vào BST

Báo xấu

111
lượt xem 15
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

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 công nghiệp cho tới y học, rồi thăm dò 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 vô cùng cao so với các phương pháp truyền thống vẫn dùng, song những tài liệu quang học nói chung không đề cập rõ về vấn đề này. Chính vì những lí do đó, tác giả 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.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Khóa luận tốt nghiệp: 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 hoàn thành khóa luận này. Trong quá trình em nghiên cứu làm khóa luận không tránh khỏi những thiếu sót và nhiều chỗ còn hạn chế. Kính mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô 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 quá 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 công trình nghiên cứu của riêng em, không 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 công 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 thông thường hay các nguồn sáng nhân tạo khác và có những công 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 công nghiệp cho tới y học, rồi thăm dò 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 vô cùng cao so với các phương pháp truyền thống vẫn dùng, song những tài liệu quang học nói chung không 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 Hoàn thiện một cách có hệ thống và chi tiết hơn về Laser, đặc biệt công 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 Ngoài 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 hoàn toàn 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). Ông 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). Ông đã thành công và Maser đầu tiên đó không tạo ra tia sóng một cách liên tục. Cùng vào thời gian đó hai nhà khoa học của Liên Xô 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 nguyên 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 phòng 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 ông 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 không 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 ngoài, các nguyên tử này 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, 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 còn 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 ngoài. Khi đó các nguyên 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 E1 Trạng thái đầu 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 không 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 không 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 E2 E2 հν հν հν E1 E1 E1 Trạng thái đầu Trạng thái cuối Như vậy khi một photon thích hợp bay qua một nguyên 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 môi 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 nguyên 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 dòng 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 quá trình tự phát. Các trạng thái kích thích thường có thời gian sống không 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 mô 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 trò 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 thoát ra ngoài. 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 quá trình hấp thụ. Có thể kích thích bằng nguồn sáng kết hợp hoặc không kết hợp. Ví dụ: Laser Nd:YAG, laser Ruby,…  Kích thích bằng dòng 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 thoát ra khỏi ống, số còn 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 thoát 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 không có tác động của bên ngoài thì số nguyên 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 hòa 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 E1
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 E1
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