Tìm hiểu Laser và các ứng dụng của Laser
I. KHÁI NIỆM VỀ LASER :
Laser là tên của những chữ cái đầu của thuật ngữ bằng tiếng anh “Light Amplification by
Stimulated Emission of Radiation ’’ (Sự khuếch đại ánh sáng bằng bức xạ kích hoạt).
Laser là nguồn ánh sáng nhân tạo thu được nhờ sự khuếch đại ánh sáng bằng bức xạ phát
ra khi kích hoạt cao độ các phần tử của mộtt môi trường vật chất tương ứng. Laser là ánh
sáng có nhiều tính chất đặc biệt hơn hẳn ánh sáng tự nhiên hay nhân tạo khác và có những
công dụng rất hữu ích có thể áp dụng trong rất nhiều lĩnh vực khoa học kỹ thuật và đời sống,
tạo nên cả một cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật sau khi nó ra đời.
Sự ra đời cùa Laser bắt nguồn từ Thuyết Lượng tử do nhà bác học A. Einstein phát minh ra
năm 1916. Đến năm 1954, các nhà bác học Anh, Mỹ đã đồng thời sáng chế ra máy phát tia
laser ứng dụng vào thực tế. Các thử nghiệm laser trên người bắt đầu từ những năm 1960. Từ
năm1964, đã bắt đầu ứng dụng laser trong các trị liệu về Da (chuyên khoa da liễu).
1. Nguyên lý phát sinh LASER:
Theo những khái niệm cơ bản của
vật lý lượng tử, khi ta chiếu một
chùm ánh sáng vào một môi
trường vật chất (thuật ngữ vật lý
học gọi là hệ vật lý tượng tử) thì
chùm ánh sáng sẽ yếu dần đi do
bị hấp thu bởi môi trường vật chất.
Bản chất quá trình bị hấp thu ấy
là các hạt ánh sáng (photon) đã
truyền năng lượng kích hoạt các
phân tử vật chất “nhảy” từ trạng
thái ổn định A lên một trạng thái
B với mức năng lượng cao hơn.
Vì B là một trạng thái không ổn
định, nên sau một thời gian nhất
định, các phân tử đang ở mức B
lại “nhảy” về mức A và trong lúc “nhảy về” đó nó cũng phát ra một photon mang năng lượng
bằng năng lượng nó đã hấp thu, theo kiểu “vay gì trả nấy”. Đó là hiện tượng bức xạ. Tuy
nhiên các hạt photon bức xạ này không nhiều, vì nó tỉ lệ với số phân tử có ở mức B, mà số
phân tử ở trang thái B bao giờ cũng ít hơn số phân tử ở trạng thái ổn định A. Các photon bức
xạ này phát ra theo mọi hướng một cách tự do nên còn gọi nó là bức xạ tự do.
Khi ta làm cho các photon tương tác bởi các phân tử ở mức cao B, bắt nó trở về A sớm hơn
và phát sinh ra photon, các photon có đồng mức năng lượng và đúng bằng mức năng lượng
các photon của nguồn chiếu đã truyền cho nó thì đó là bức xạ kích hoạt.
Khi tạo ra bức xạ kích hoạt ở mức độ cao cho các photon bức xạ phát ra liên tục ở mức cao
nhất, rồi được chọn lọc và khuyếch đại để chúng phát về cùng một hướng với những tính chất
giống nhau ta sẽ thu được chùm sáng laser. Như vậy nguyên lý của máy phát laser chính là
làm sao cho nguồn sáng chiếu vào môi trường hoạt chất laser không bị yếu đi để có thể kích
hoạt liên tục các phần tử vật chất cho số phân tử ở mức B luôn nhiều hơn ở mức A, như vậy
số photon bức xạ sẽ được phát sinh nhiều đến mức tối đa. Khi đó, bằng các thiết bị đặc biệt,
nguồn sáng bức xạ này sẽ được chọn lọc và khuyếnh đại để phát ra một chùm ánh sáng đơn
sắc, gồm những tia sáng có cùng hướng, có bước sóng gần tương đương và có độ tập trung
cao. Đó chính là laser.
2. Cấu tạo máy phát laser: bao gồm các bộ phận chính:
- Hoạt chất laser: Là môi trường chứa các hoạt chất có khả năng phát ra bức xạ laser khi
được kích hoạt bằng một nguồn năng lượng.
- Nguồn nuôi: Là nguồn năng lượng để duy trì hoạt động của môi trường hoạt chất laser, giữ
cho hoạt chất luôn luôn ở trạng thái có số phần tử ởø mức B nhiều hơn ở mức A.
- Buồng cộng hưởng: Bao gồm 1 gương phản xạ toàn phần và 1 gương bán mờ
(độ phản xạ từ 70% đến 99%)
Buồng cộng hưởng cho phép nguồn sáng kích thích chất nhiều lần và chùm tia sáng bức xạ
sẽ được khuyếch đại và chọn lọc qua gương phản xạ toàn phần và gương mờ cho đến khi ổn
định để phát ra chùm sáng laser.
3. Phân loại laser:
Tùy theo loại hoạt chất laser ta sẽ thu được các tia laser với tên gọi khác nhau:
- Laser rắn có môi trường hoạt chất ở thể rắn. Có hàng trăm loại như Laser Ruby, Laser
YAG, Laser bán dẫn, Laser thủy tinh, vv…….
- Laser lỏng có môi trường hoạt chất ở thể lỏng. Có 50 loại khác nhau. Các hoạt chất thể lỏng
có màu sẽ cho ta laser màu, là những laser rất thông dụng hiện nay.
- Laser khí có môi trường hoạt chất ở thể khí . Cũng có hơn trăm loại khí được dùng làm hoạt
chất laser như laser CO2 , laser heli-Neon, laser Argon, vv ….
Người ta còn phân loại theo tính chất như: laser nóng như laser CO2, Argon) và laser lạnh
(như Laser He-Ne, Laser hồng ngoại).
4. Các tính chất của tia Laser :
- Độ đơn sắc cao
Laser là chùm ánh sáng mà các tia sáng của nó có mức chênh lệch bước sóng nhỏ nhất, so
với các chùm sáng đơn sắc khác. Sự chênh lệch bước sóng này còn gọi là phổ ánh sáng của
chùm ánh sáng.
Và dĩ nhiên là phổ càng hẹp thì độ đơn sắc của chùm sáng càng cao. Trước khi có laser các
nhà vật lý đã tạo được các chùm ánh sáng đơn sắc có chênh lệch bước sóng từ 1Ao đến
10nm, nhưng để sử dụng trong nghiên cứu khoa học. Trong khi đó mức chênh lệch bước
sóng của chùm ánh sáng laser có thể tới 0,1 Ao.
Tính chất này 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 độ đơn sắc này.
- Độ định hướng cao
Khác với các nguồn sáng khác, các tia sáng Laser được chọn lọc chỉ phát ra những tia vuông
góc với gương, nên hầu như song song với nhau (hay nói theo ngôn ngữ vật lý là góc mở giữa
các tia là rất nhỏ). Nhờ vậy, laser có độ định hướng lý tưởng, có thể chiếu đi rất xa, đến mức
người ta có thể dùng laser để đo những khoảng cách trong vũ trụ.
- Mật độä phổ (độ chói) rất cao
Độ chói của nguồn sáng được tính bằng cách chia công 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, hay nói cách
khác là độ chói rất cao so với các nguồi sáng khác.
Ví dụ: laser có công suất thấp là laser He-Ne cũng có độ chói gấp hàng vạn lần độ chói của
ánh sáng mặt trời. Những laser có công suất lớn có độ chói cao gấp hàng triệu lần mặt trời.
- Công suất của laser
Tùy loại laser mà có nguồi sáng công suất khác nhau. Có những loại laser công suất mạnh
tương đương công suất 1 vạn nhà máy điện 1 triệu KW. Nhựng nguồn laser công suất mạnh
có thể sử dụng trong công nghiệp nạêng như khoan cắt vật liệu, hay chế tạo các loại vũ khí,
khí tài quân sự.
Các loại laser sử dụng trong y học là những laser có công suất thấp như laser He – Ne công
suất chỉ khoảng từ 2MW đến 10MW.
5. Những công dụng của laser:
Ngày nay, người ta đã chế tạo ra được gần 500 loại laser khác nhau, ứng dụng trong rất
nhiều lĩnh vực:
- Đo đạc những khoảng cách cực lớn, như trong nghành thiên văn (đo khoảng cach từ trái đất
đến các hành tinh và khoảng cách giữa các hành tinh trong vũ trụ).
- Thiết lập dẫn đường như các loại bom, tên lửa được dẫn đường bằng laser.
- Thông tin liên lạc
- Công nghiệp nặng: hàn cắt kim loại
- Công nghiệp chế tạo vũ khí.
- Cải tạo giống
- Trong y học (chuẩn đoán và điều trị bệnh, săn sóc thẩm mỹ)
II. ỨNG DỤNG CỦA LASER TRONG Y HỌC
Khi chiếu tia sáng laser vào một hệ sinh vật như cơ thể con người, sẽ có những hiệu ứng sinh
học xảy ra trong cơ thể. Những hiệu ứng sinh học này là cơ sở để sử dụng laser trong y học
phục vụ con người.
Khi sử dụng laser để điều trị thì yếu tố quyết định hiệu quả là liều chiếu, bao gồm các tham
số:
- Công suất
- Độ hội tụ (mật độ công suất )
- Thời gian chiếu
- Số lần chiếu
- Khoảng cach giữa các lần chiếu
Bên cạnh đó đặc điểm của tổ chức cơ thể nơi chiếu cũng là yếu tố quan trọng góp phần tạo
nên kết quả tốt trong điều trị.
Các ứng dụng cơ bản của laser trong y học:
1. Trong chuẩn đoán: có nhiều thiết bị chuẩn đoán sử dụng laser như :
- Máy Dopler Laser thăm dò, đo dòng máu trong cơ thể.
- Máy chụp cắt lớp laser.
- Các máy dò tìm, đo đạc, dẫn đường trong chuẩn đoán.
2. Trong điều trị:
Ứng dụng của laser trong điều trị rất phong phú:
- Da liễu : tẩy xóa các u, mụn, các đốm sắc tố như nốt ruồi tàn nhang, các bớt bẩm sinh vv…
- Nhãn khoa: rất nhiều ứng dụng như điều trị hàn gắn các tổn thương võng mạc, điều trị các
tổn thương giác mạc, trong các phẩu thuật sửa chữa các tật khúc xạ của mắt và phẩu thuật
điều trị các bệnh lý khác của mắt.
- Hệ thống tiêu hóa: Tán sỏi ống mật chủ, trong các thủ thuật ngoại khoa điều trị các khối u
đựng tiêu hóa, trong tạo hình thực quản, trong việc hàn gắn các tổn thương mạch máu nội
tạng như trong các trường hợp ung thư, viêm loét đường tiêu hóa, vv…..
- Sản phụ khoa: Điều trị các tổn thương bệnh lý cổ tử cung để tránh nguy cơ ung thư hóa.
- Tai – Mũi – Họng: Điều trị các tổn thương của dây thanh êm, các bệnh lý và tổn thương
vùng họng hầu.
- Thần kinh: Điều trị các tổn thương dạng u do hệ thống thần kinh.
- Hô hấp: Điều trị các khối u phổi, các tổn thương bệnh ly không phải do u, và hàn gắn cả các
tổn thương khí quản do đặt ống nội khí quản khi gây mê hay do thủ thuật mở khí quản cấp
cứu.
- Tim mạch: Phá hủy các mảng xơ vữa ở thành động mạch.
A. Dao mổ laser:
Người ta sử dụng các laser nhiệt để phẫu thuật như một dao mổ bằng tia sáng laser. Điển
hình là dao mổ bằng laser CO2. Khi chiếu tia laser, tổ chức cơ thể nơi tia đi qua sẽ bay hơi
rất nhanh tạo nên một đường cắt sắt như dao. Do tác dụng của nhiệt, hai bên đường cắt sẽ
sẽ hình thành cột hàng rào sinh học bảo vệ vết mổ nên vết mổ rất vô trùng và không bị chảy
máu.Vì chùm tia laser CO2 không nhìn thấy nên trong máy phát laser phải gắn thêm laser
He –Ne công suất 1-2 mw phát tia màu đỏ dẫån đường.
Những ưu điểm của dao mổ laser:
Độ vô khuẩn cao vì laser tạo nhiệt độ cao tại đường rạch và không có sự tiếp xúc giữa dụng
cụ và cơ thể.
Laser CO2 có khả năng vùa rạch đường mổ vửa cầm máu.
Tạo ra hàng rào sinh học bảo vệ chung quanh đường rạch.
Ít gây tổn thương cho các tổ chức lân cận vết mổ.
- Thời gian mổ ngắn hơn.
- Săn sóc hậu phẩu thuận lợi hơn.
- Aùp dụng thuận lợi trong những trường hợp madao mổ thường ít hiệu quả.
Đặc biệt, dao mổ laser được sử dụng để phẩu thuật những bộ phận ở sâu trong cơ thể mà
không làm tổn thương những phần cơ thể nó đi qua. Nó chỉ tác dụng chọn lọc trên phần mô
tổ chức định sẵn. Như là phẩu thuật các tổn thương, các khối u sọ não, tủy sống, phẩu thuật
mắt vv….
B. Laser là phương tiện điều trị ít xâm lấn:
Khi chiếu laser vào tổ chứa cơ thể ở một nhiệt độ nhất định, laser sẽ làm đông protein của tổ
chức. Hiệu ứng này được áp dụng để can thiệp điều trị ít xâm lấn các tổn thương của cơ thể
kể cả can thiệp sâu vào bên trong cơ thể.
Do mỗi loại laser có độ hội tụ khác nhau và mỗi loại tổ chứa mô cơ thể có khả năng hấp thu
khác nhau nên người ta dựa vào đó để tính toán liều chiếu và cách chiếu sao cho laser chỉ
tác dụng chọn lọc tại một nơi theo ý đồ sử dụng.
Khả năng này được ứng dụng trong nhiều chuyên khoa y học như Mắt, Tai –Mũi Họng, phẫu
thuật thần kinh sọ não, phẫu thuật phá hủy các khối u trong cơ thể. Kể cả tổn thương bên
ngoài cơ thể như U máu, việc sử dụng laser để phá hủy khối u là phương pháp điều trị tối ưu.
C. Tác dụng kích thích sinh học:
Có rất nhiều loại laser công suất thấp được sử dụng để khai thác khả năng kích thích các
quá trình sinh học.
Nhiều công trình nghiên cứu cũng như thực tế ứng dụng lâm sàng cho thấy hiệu ứng kích
thích sinh học khi chiếu laser có rất nhiều ứng dụng mang lại hiệu quả cao trong công việc
phòng bệnh và chữa bệnh, duy trì sức khỏe con người.
° Chiếu điều trị vết thương:
+ Sát trùng vết thương
+ Tiêu hủy các tế bào mô chết
+ Tăng cường chống viêm, giảm đau
+ Tăng sinh các mô lành
+ Kích thích tổ chức hạt ở vết thương phát triển nhanh
+ Thúc đẩy nhanh quá trình lành sẹo và hồi phục chức năng
° Chiếu kích thích tổ chức lành:
+ Để hồi phục và tăng cường sức khỏe
+ Để duy trì và tăng cường hoạt động sinh lý bình thường của các cơ quan trong cơ thể
+ Điều chỉnh các rối loạn và tăng cường hoạt động của hệ tim mạch
+ Duy trì chức năng bình thường của các hoạt động tâm thần kinh
+ Châm cứu bằng laser
+ Tăng lưu lượng máu đến những vùng được chiếu