ỨNG DỤNG LASER ND:YAG TRONG Y TẾ

Lêi nãi ®Çu

XuÊt ph¸t tõ ph¸t minh thiªn tµi cña nhµ vËt lý vÜ ®¹i A. Einstein (§øc) vÒ hiÖn

tîng ph¸t x¹ cìng bøc n¨m 1917, c¸c nhµ vËt lý kh¸c ®· nghiªn cøu vµ chÕ t¹o

thµnh c«ng m¸y laser ®Çu tiªn vµo n¨m 1960. Cho ®Õn nay ®· cã hµng tr¨m lo¹i

laser ®îc chÕ t¹o vµ chóng ®· th©m nhËp vµo hÇu hÕt c¸c lÜnh vùc nghiªn cøu

khoa häc, c¸c nghµnh kinh tÕ vµ cuéc sèng con ngêi. øng dông laser trong y

häc lµ mét trong nh÷ng híng ph¸t triÓn m¹nh nhÊt, hiÖu qu¶ nhÊt cña trµo lu

trªn.

Bøc x¹ laser khi t¬ng t¸c víi c¬ thÓ t¹o ra nh÷ng hiÖu øng ®Æc biÖt. §ã lµ hiÖu

øng kÝch thÝch sinh häc, quang hãa, quang nhiÖt, quang c¬…Trªn c¬ së hiÓu

biÕt ®Çy ®ñ vÒ c¸c hiÖu øng sinh häc cña bøc x¹ laser, trong h¬n 40 n¨m ph¸t

triÓn kü thuËt nµy hµng lo¹t c¸c thiÐt bÞ laser chuyªn dông cho ®iÒu trÞ vµ chuÈn

®o¸n ®· ra ®êi, ®îc thö nghiÖm thµnh c«ng vµ ®a vµo øng dông t¹i hÇu hÕt c¸c

ngµnh vµ chuyªn khoa y tÕ. Laser ®· chøng minh u thÕ tuyÖt ®èi cña m×nh trong

nhiÒu lÜnh vùc nh quang ®«ng ®Ó hµn bong vâng m¹c gióp ch÷a trÞ hµng triÖu

ngêi khái mï lßa, phÉu thuËt xö lý c¸c u ¸c tÝnh h¹n chÕ møc ®é di c¨n vµ c¸c

hiÖu øng phô, t¹o h×nh m¹ch, mæ tim cÊp cøu, ph¸ sái, chuÈn ®o¸n sím bÖnh tËt

®Æc biÖt lµ ung th…§Õn nay viÖc øng dông laser trong y tÕ ®· h×nh thµnh mét

chuyªn ngµnh y häc míi – chuyªn ngµnh y häc vµ ngo¹i khoa laser.

T¹i ViÖt Nam c¸c thiÕt bÞ laser ®· trë thµnh nh÷ng thiÕt bÞ y tÕ phæ biÕn, ®îc sö

dông réng r·i t¹i hÇu hÕt c¸c bÖnh viÖn trªn toµn quèc. Trong nh÷ng n¨m gÇn

®©y viÖc nghiªn cøu, chÕ t¹o c¸c thiÕt bÞ laser trong y tÕ ®· cã nh÷ng bíc ph¸t

triÓn lín. Tríc ®©y chóng ta míi chØ dõng l¹i ë viÖc nghiªn cøu øng dông hai

lo¹i laser ®¬n gi¶n lµ laser He-Ne vµ laser CO2. HiÖn nay chóng ta ®· di s©u

nghiªn cøu nh÷ng lo¹i laser phøc t¹p h¬n vµ cã nh÷ng øng dông cao h¬n nh

laser YAG, laser excimer…

Em ®· chän ®Ò tµi vÒ laser lµm néi dung cho ®å ¸n tèt nghiÖp cña m×nh. Trong

®å ¸n em tr×nh bµy vÒ nh÷ng øng dông cña laser trong y tÕ, t×m hiÓu mét lo¹i

laser cô thÓ lµ laser Nd: YAG vµ thiÕt bÞ laser nµy trong y tÕ.

1

Trong qu¸ tr×nh thùc hiÖn ®å ¸n em xin bµy tá lßng c¶m ¬n tíi tiÕn sÜ NguyÔn

§øc ThuËn, c« §inh ThÞ Nhung , KS Lª Huy TuÊn vµ phßng ®iÖn tö y tÕ- trung

t©m c«ng nghÖ laser ®· gióp ®ì em hoµn thµnh ®å ¸n nµy.

Do thêi gian h¹n chÕ nªn ®å ¸n cña em cßn nhiÒu thiÕu sãt. Em rÊt mong nhËn

®îc ý kiÕn nhËn xÐt, ®¸nh gi¸ cña thÇy c« vµ c¸c b¹n.

Ch¬ng i: lý thuyÕt chung vÒ laser

2

I: Laser lµ g×?

Laser lµ mét trong nh÷ng ph¸t minh khoa häc quan träng nhÊt cña thÕ kû XX.

ThuËt ng÷ Laser lµ khuyÕch ®¹i ¸nh s¸ng b»ng ph¸t x¹ bøc x¹ cìng bøc (Light

Amplification by Stimulated Emision of Radiation). ¤ng tæ cña laser chÝnh lµ

nhµ vËt lý thiªn tµi Albert Einstein, ngêi ®· ph¸t minh ra hiÖn tîng ph¸t x¹ cìng

bøc (Stimulated Emision of Radiation) vµo n¨m 1917. Cßn ngêi ph¸t minh ra

nguyªn lý c¬ b¶n cña m¸y laser lµ nhµ vËt lý ngêi Mü Townes vµo n¨m 1964.

Cïng ®ång thêi trong n¨m ®ã hai nhµ vËt lý ngêi Liªn X« lµ Prochorow vµ

Babov còng c«ng bè c¸c c«ng tr×nh ph¸t hiÖn nguyªn lý laser. Do ph¸t minh nµy

ba nhµ vËt lý trªn ®· ®îc nhËn gi¶i thëng Nobel vËt lý n¨m 1964. M¸y laser ®Çu

tiªn ®îc chÕ t¹o bëi nhµ vËt lý mü Meiman vµo n¨m 1960 trªn c¬ së sö dông

oxit nh«m tinh khiÕt (Al2O3) cã phñ ion crom gäi lµ laser Ruby. Sau thµnh c«ng

nµy trong mét thêi gian ng¾n, ngêi ta ®· ph¸t hiÖn hµng lo¹t chÊt cã kh¶ n¨ng

ph¸t tia laser nh hçn hîp khÝ He vµ Ne (laser He- Ne), tinh thÓ b¸n dÉn Gallium

Arsenid (laser diode GaAs), tinh thÓ Yttrium Aluminium Garnet (laser Nd:

YAG), c¸c chÊt mµu pha láng kh¸c nhau (laser mµu).

HiÖn nay laser ®· ®îc øng dông rÊt réng r·i trong hÇu hÕt c¸c ngµnh khoa häc,

c«ng nghÖ vµ y tÕ. §Æc biÖt trong y tÕ, nh÷ng øng dông laser ®· ®em l¹i nh÷ng

thµnh tùu næi bËt.

II: Nguyªn lý ho¹t ®éng cña laser

2.1: C¸c hiÖn tîng quang häc c¬ b¶n

Phæ n¨ng lîng cña c¸c hÖ vi h¹t kh«ng ph¶i lµ liªn tôc mµ lµ gi¸n ®o¹n. Trong

®iÒu kiÖn c©n b»ng, kh«ng cã kÝch thÝch bªn ngoµi, hÖ vi h¹t thêng chiÕm nh÷ng

møc n¨ng lîng thÊp nhÊt ®îc gäi lµ nh÷ng møc n¨ng lîng c¬ b¶n.

Khi cã t¸c dông cña c¸c yÕu tè bªn ngoµi nh t¸c dông cña bøc x¹, t¬ng t¸c cña

c¸c h¹t ®iÖn tö, ion, nguyªn tö kh¸c, t¸c dông cña ®iÖn trêng, nhiÖt ®é, hÖ vi m«

cã thÓ bÞ kÝch thÝch chuyÓn lªn c¸c tr¹ng th¸i víi møc n¨ng lîng cao h¬n. c¸c

tr¹ng th¸i víi n¨ng lîng cao h¬n tr¹ng th¸i c¬ b¶n ®îc gäi lµ c¸c tr¹ng th¸i kÝch

thÝch. Cã c¸c hiÖn tîng quang häc c¬ b¶n sau ®©y:

3

2.1.1: HiÖn tîng hÊp thô ¸nh s¸ng

C¸c nh©n tö kh¸c nhau cã sè ®iÖn tö kh¸c nhau vµ nh vËy cã sè quü ®¹o kh¸c

nhau t¬ng øng víi nã lµ c¸c møc n¨ng lîng kh¸c nhau. Gi¶ sö ta cã mét hÖ

nguyªn tö cã hai møc n¨ng lîng nh h×nh vÏ:

H×nh 1.1: Møc n¨ng lîng.

Khi chiÕu mét chïm ¸nh s¸ng ®¬n s¾c (chïm ¸nh s¸ng cã c¸c photon gièng hÖt

nhau vµ n¨ng lîng cña mçi photon ®óng b»ng hiÖu n¨ng lîng cña hai møc-E)

th× khi photon ®i vµo m«i trêng nã cã thÓ bÞ c¸c ®iÖn tö ë møc thÊp E1 hÊp thô

vµ nhê cã n¨ng lîng nµy ®iÖn tö cã thÓ nh¶y lªn møc E2. HiÖn tîng nµy ®îc gäi

lµ hiÖn tîng hÊp thô.

H×nh 1.2: HiÖn tîng hÊp thô.

Nh vËy, hiÖn tîng hÊp thô ¸nh s¸ng lµ qu¸ tr×nh c¸c ®iÖn tö ë møc thÊp hÊp thô

photon vµ nh¶y lªn møc n¨ng lîng cao h¬n. hÊp thô lu«n lu«n lµm ¸nh s¸ng

yÕu ®i.

2.1.2: HiÖn tîng ph¸t x¹ tù do.

§©y lµ qu¸ tr×nh x¶y ra hoµn toµn ngÉu nhiªn, ®iÖn tö khi nh¶y lªn møc kÝch

thÝch sau mét thêi gian nhÊt ®Þnh ( gäi lµ thêi gian sèng cña ®iÖn tö ë møc kÝch

thÝch) nã l¹i trë vÒ møc c¬ b¶n. Khi trë vÒ møc thÊp mét n¨ng lîng sÏ ®îc t¹o ra

díi d¹ng nhiÖt hoÆc ¸nh s¸ng.

∆E

E

2

E

1

E

E

2

E

1

4

H×nh 1.3: HiÖn tîng ph¸t x¹ tù do.

C¸c chuyÓn møc ph¸t x¹ tù do x¶y ra ngÉu nhiªn vµ ®éc lËp víi nhau, nªn c¸c

photon ph¸t ra tuy cã cïng tÇn sè nhng cã pha kh¸c nhau, cã híng kh¸c nhau,

cã mÆt ph©n cùc kh¸c nhau.

2.1.3: HiÖn tîng ph¸t x¹ cìng bøc.

Còng nh hiÖn tîng hÊp thô khi ta chiÕu chïm ¸nh s¸ng ®¬n s¾c víi n¨ng lîng

cña tõng photon b»ng E vµo m«i trêng cã hai møc n¨ng lîng th× photon cã kh¶

n¨ng sÏ t¬ng t¸c víi ®iÖn tö ë møc trªn vµ cã kh¶ n¨ng cìng bøc c¸c ®iÖn tö nµy

bá møc kÝch thÝch sím h¬n thêi gian sèng cña nã.

H×nh 1. 4: HiÖn tîng ph¸t x¹ cìng bøc.

Sù chuyÓn møc n¨ng lîng nµy sÏ ph¸t x¹ ra photon cã n¨ng lîng E vµ cã c¸c

tÝnh chÊt gièng hÖt víi photon ®· cìng bøc ®iÖn tö nh¶y xuèng nh híng truyÒn,

®é ph©n cùc, pha, tÇn. Trong trêng hîp nµy photon kÝch thÝch kh«ng bÞ mÊt m¸t

nh trong trêng hîp hÊp thô. Photon ban ®Çu nµy vÉn tån t¹i vµ duy tr× nh÷ng

tÝnh chÊt ban ®Çu cña nã . ta kh«ng thÓ ph©n biÖt ®îc sù kh¸c nhau gi÷a photon

ban ®Çu víi photon sinh ra tõ dÞch chuyÓn cìng bøc ®iÖn tö.

Tãm l¹i, ph¸t x¹ cìng bøc lµ sù ph¸t x¹ c¸c photon gièng hÖt nhau do sù dÞch

chuyÓn cìng bøc cña c¸c ®iÖn tö díi t¸c dông cña c¸c photon. HiÖn tîng ph¸t

x¹ cìng bøc mang tÝnh chÊt khuyÕch ®¹i theo ph¶n øng d©y chuyÒn : 1 sinh ra

2, 2 sinh ra 4.

E2

E1

E2

E1

5

2.2: Nguyªn lý ho¹t ®éng cña laser

2.2.1: Nguyªn lý

Nh ë trªn ®· xem xÐt 3 hiÖn tîng quang häc c¬ b¶n x¶y ra trong mét m«i trêng

bÊt k× khi chiÕu mét chïm ¸nh s¸ng. §ã lµ:

- HiÖn tîng hÊp thô lµm suy yÕu chïm ¸nh s¸ng.

- HiÖn tîng ph¸t x¹ tù do lµm chïm s¸ng m¹nh lªn.

- HiÖn tîng ph¸t x¹ cìng bøc còng l¸m cho chïm s¸ng m¹nh lªn.

M«i trêng ë tr¹ng th¸i c©n b»ng th× sè ®iÖn tö ë møc thÊp ( quy íc lµ n1) bao giê

còng lín h¬n sè ®iÖn tö ë møc kÝch thÝch ( quy íc lµ n2). HiÖn tîng hÊp thô tØ lÖ

víi n1 cßn hiÖn tîng ph¸t x¹ tù do vµ ph¸t x¹ cìng bøc th× tØ lÖ víi n2 , víi hÖ sè

tØ lÖ gÇn nh nhau. V× nguyªn nh©n ®ã nªn hÊp thô bao giê còng m¹nh h¬n ph¸t

x¹ cìng bøc vµ ph¸t x¹ tù do, do ®ã chïm ¸nh s¸ng ®i qua m«i trêng b×nh thêng

bao giê còng yÕu ®i.

§Ó cã hiÖu øng Laser, tøc lµ chïm ¸nh s¸ng ®îc khuyÕch ®¹i th× th× ta ph¶i t¹o

ra mét m«i trêng ®Æc biÖt mµ ë ®©y hiÖn tîng ph¸t x¹ cìng bøc x¶y ra ph¶i

m¹nh h¬n hiÖn tîng hÊp thô. HiÖn tîng nµy chØ x¶y ra trong m«i trêng mµ t¹i

®ã c¸c ®iÖn tö ë møc trªn n2 lín h¬n sè ®iÖn tö ë møc díi n1. M«i trêng nh vËy

®îc gäi lµ m«i trêng nghÞch ®¶o nång ®é (®¶o ngîc ®é tÝch luü) víi n2> n1.

M«i trêng ®Æc biÖt cã sù ®¶o ngîc ®é tÝch luü nh ta nãi ë trªn lµ yÕu tè c¬ b¶n

cña mäi Laser. M«i trêng ®ã gäi lµ ho¹t chÊt cña Laser hay gäi ng¾n gän lµ ho¹t

chÊt.

Khi ¸nh s¸ng ®i qua m«i trêng nghÞch ®¶o mËt ®é cêng ®é ¸nh s¸ng t¨ng theo

hµm mò víi :

e e

x

I x I I

x α

α

( ) = (0) = (0)

−

ë ®©y α < 0.

6

Ngoµi ho¹t chÊt, mçi Laser bÊt k× cßn ph¶i cã yÕu tè kh¸c lµ nguån nu«i, yÕu tè

cung cÊp n¨ng lîng cho ho¹t chÊt laser ®Ó t¹o vµ duy tr× sù ®¶o ngîc ®é tÝch luü

c¸c ®iÖn tö ë m«i trêng laser vµ buång céng hëng

Nh vËy tiÒn ®Ò cho qu¸ tr×nh khuyÕch ®¹i lµ:

- T¹o ra vµ duy tr× m«i trêng ®¶o mËt ®é, qu¸ tr×nh nµy ®îc gäi lµ qu¸ tr×nh

b¬m.

- T¹o ®iÒu kiÖn ®Ó ph¸t x¹ cìng bøc ¸p ®¶o ph¸t x¹ tù nhiªn. §Ó thùc hiÖn

®îc ®iÒu nµy ngêi ta sö dông c¸c lo¹i buång céng hëng.

2.2.2: Qu¸ tr×nh b¬m

M«i trêng n»m trong tr¹ng th¸i nghÞch ®¶o mËt ®é lµ tr¹ng th¸i kh«ng bÒn vµ

c¸c nguyªn tö lu«n cã xu híng trë vÒ tr¹ng th¸i c©n b»ng. V× vËy, muèn duy tr×

tr¹ng th¸i nghÞch ®¶o mËt ®é ph¶i thêng xuyªn tiªu tèn mét n¨ng lîng ®Ó kÝch

thÝch hÖ h¹t. Qu¸ tr×nh kÝch thÝch hÖ h¹t nµy ®îc gäi lµ qu¸ tr×nh b¬m.

Qu¸ tr×nh b¬m , kÝch thÝch tuú thuéc vµo lo¹i hÖ, cã thÓ tùc hiÖn b»ng nhiÒu

c¸ch: ph¬ng ph¸p kÝch thÝch b»ng quang häc( b¬m quang häc), vµ ph¬ng ph¸p

kÝch thÝch b¨ng ®iÖn (b¬m ®iÖn).

*B¬m quang häc:

§©y lµ ph¬ng ph¸p kÝch thÝch hÖ b»ng bøc x¹ ®iÖn tõ nãi chung, bao gåm: viba,

hång ngo¹i, ¸nh s¸ng, tia tö ngo¹i …§©y lµ ph¬ng ph¸p kÝch thÝch ®îc dïng

phæ biÕn.

Trong m« h×nh hai møc n¨ng lîng, ë tr¹ng th¸i c©n b»ng nÕu E1 < E2 th× N1 >

N2. NÕu chóng ta kÝch thÝch hÖ b»ng c¸ch däi vµo hÖ ¸nh s¸ng cã tÇn sè ®¸p øng

®iÒu kiÖn hυ = E2- E1, th× N2 sÏ t¨ng lªn, N1 gi¶m xuèng vµ N1+ N2 = N = const,

N lµ sè nguyªn tö cña c¶ hÖ. Nh ®· biÕt nÕu t¨ng c«ng suÊt b¬m th× ∆N = N1- N2

sÏ gi¶m dÇn. Tuy nhiªn tÝnh to¸n cho thÊy r»ng ∆N chØ cã thÓ tiÕn tíi kh«ng,

nghÜa lµ N2→N1, chø kh«ng thÓ ®¹t ®îc N2 > N1. NghÜa lµ trong hÖ hai møc

n¨ng lîng, b»ng ph¬ng ph¸p b¬m quang häc ta kh«ng thÓ ®¹t ®îc m«i trêng ®¶o

mËt ®é. Trong trêng hîp ∆N = 0, N1= N2 ®îc gäi lµ hiÖu øng b·o hßa. HiÖu øng

b·o hßa cµng dÔ ®¹t ®îc khi thêi gian sèng cña tr¹ng th¸i øng víi E2 cµng lín.

7

Tr¹ng th¸i cña hÖ khi N1= N2 gäi lµ tr¹ng th¸i b·o hßa, trong tr¹ng th¸i nµy hÖ

kh«ng hÊp thô còng kh«ng ph¸t x¹. MÆc dï hiÖu øng b·o hßa kh«ng cho phÐp ta

t¹o ra m«i trêng ®¶o mËt ®é nhng nã ®ãng vai trß quan träng trong viÖc t¹o ra

m«i trêng ®ã b»ng m« h×nh ba møc, bèn møc.

H×nh 1.5: S¬ ®å ba møc n¨ng lîng

Gi¶ sö ta cã mét hÖ nguyªn tö cã ba møc n¨ng lîng nh ë h×nh trªn víi c¸c th«ng

sè E1, N1; E2, N2, τ2; E3, N3, τ3, trong ®ã E1 < E2 < E3 lµ n¨ng lîng t¬ng øng cña

ba møc, N1+ N2+ N3 = N, N1, N2, N3 lµ nång ®é nguyªn tö ë ba tr¹ng th¸i, N lµ

nång ®é toµn phÇn. τ2, τ3 lµ thêi gian sèng cña tr¹ng th¸i E2, E3 t¬ng øng. NÕu

trong mét hÖ ba møc víi τ3 < τ2 chóng ta kh«ng thÓ dïng b¬m quang häc cã bíc

sãng hυ = E3- E1 ®Ó ®¹t ®îc tr¹ng th¸i b·o hßa N1= N3 v× chuyÓn møc tù ph¸t

E3→E2 lín. Tuy nhiªn cã thÓ b»ng c¸ch nµy lµm t¨ng nång ®é N2 vµ nhê ®ã mµ

thiÕt lËp ®îc sù ®¶o mËt ®é gi÷a hai møc E2 vµ E1 ®Ó thu ®îc ph¸t x¹ cìng bøc

hυ = E2- E1.

* B¬m ®iÖn

Trong trêng hîp laser khÝ ®Ó t¹o ®iÒu kiÖn nghÞch ®¶o nång ®é, ngêi ta dïng

hiÖu øng va ch¹m gi÷a nh÷ng nguyªn tö hoÆc ph©n tö khÝ víi nh÷ng ®iÖn tö tù

do chuyÓn ®éng nhanh díi t¸c ®éng cña ®iÖn trêng ngoµi. Do va ch¹m víi

nh÷ng ®iÖn tö nhanh, nh÷ng nguyªn tö hoÆc ph©n tö khÝ trong b×nh víi ¸p suÊt

thÊp sÏ bÞ ion hãa hoÆc kÝch thÝch hãa. Ngêi ta quan t©m nhiÒu tíi trêng hîp

kÝch thÝch hãa, khi ®ã nh÷ng ®iÖn tö cña nguyªn tö hay ph©n tö nhËn ®îc n¨ng

lîng do va ch¹m sÏ dÞch chuyÓn lªn møc n¨ng lîng cao h¬n, tøc lµ nh÷ng møc

kÝch thÝch. Nh÷ng dÞch chuyÓn tù ph¸t tõ nh÷ng møc kÝch thÝch ®ã xuèng møc

c¬ b¶n sÏ bøc x¹ n¨ng lîng lµm s¸ng chÊt khÝ phãng ®iÖn nh trong c¸c ®Ìn æn

B¬m Ph¸t x¹

E2

E1

8

E3

¸p cã khÝ…Trong laser khÝ chÝnh nh÷ng nguyªn tö hoÆc ph©n tö kÝch thÝch hãa

sÏ t¹o nªn nghÞch ®¶o nång ®é vµ cho bøc x¹ c¶m øng. Ngêi ta cã thÓ thùc hiÖn

phãng ®iÖn b»ng n¨ng lîng cao tÇn hoÆc ®iÖn ¸p mét chiÒu.

B¬m ®iÖn còng ®îc dïng trong laser b¸n dÉn b»ng c¸ch ®Æt ®iÖn ¸p vµo mÉu ®Ó

phun h¹t dÉn vµo mÉu t¹o ra m«i trêng ®¶o mËt ®é.

2.2.3: Buång céng hëng

Buång céng hëng lµ n¬i cho phÐp chïm s¸ng qua l¹i ho¹t chÊt nhiÒu lÇn tríc

khi ®¹t tr¹ng th¸i æn ®Þnh vµ ph¸t ra tia laser ®i qua g¬ng ë hai bªn. Do buång

céng hëng chØ ®îc giíi h¹n bëi hai mÆt ph¶n x¹ ë hai ®Çu cßn c¸c mÆt kh¸c ®Òu

hë nªn thêng gäi lµ buång céng hëng hë.

ViÖc sö dông buång céng hëng hë trong kü thuËt laser lµ mét ®iÒu b¾t buéc.

Buång céng hëng cã hai chøc n¨ng sau ®©y:

* Thùc hiÖn håi tiÕp d¬ng

Tuy m«i trêng ho¹t tÝnh ®Æt trong buång céng hëng cã kh¶ n¨ng khuÕch ®¹i tÝn

hiÖu ®i qua nã theo luËt hµm sè mò, nhng ®é khuÕch ®¹i nµy kh«ng lín v× chiÒu

dµi cña ho¹t chÊt lµ cã h¹n. §Ó cã ®îc khuÕch ®¹i lín ph¶i t¨ng kÝch thíc cña

ho¹t chÊt lªn rÊt nhiÒu lÇn. VÝ dô nÕu dïng ho¹t chÊt lµ khÝ CO2, ®Ó cã ®îc c«ng

suÊt ®Çu ra lµ 1W cÇn ph¶i sö dông mét èng chøa khÝ dµi 104

m, ®iÒu nµy kh«ng

thÓ thùc hiÖn ®îc. V× vËy, vÊn ®Ò t¨ng chiÒu dµi cña ho¹t chÊt ph¶i ®îc sö dông

b»ng c¸ch kh¸c. ChÝnh nhê buång céng hëng quang häc mµ mµ viÖc t¨ng chiÒu

dµi cña ho¹t chÊt ®îc gi¶i quyÕt mét c¸ch ®¬n gi¶n. Trong buång céng hëng tia

s¸ng ®îc ph¶n x¹ nhiÒu lÇn vµ ®©y chÝnh lµ biÖn ph¸p t¨ng qu·ng ®êng ®i cña

tia.

9

H×nh 1.6 : Sù h×nh thµnh håi tiÕp d¬ng trong buång céng hëng

Qu¸ tr×nh x¶y ra nh sau: Gi¶ sö, dÞch chuyÓn tù ph¸t cña nguyªn tö nµo ®ã trong

buång céng hëng xuÊt hiÖn mét sãng ¸nh s¸ng. Sãng sÏ ®îc khuÕch ®¹i lªn do

c¸c dÞch chuyÓn cìng bøc khi nã ®i qua líp ho¹t chÊt. Khi tíi mÆt ph¶n x¹, mét

phÇn sãng ¸nh s¸ng cã thÓ bÞ mÊt do hiÖn tîng hÊp thô hoÆc truyÒn qua, nhng

phÇn chñ yÕu ®îc ph¶n x¹ trë l¹i vµ ®îc tiÕp tôc khuÕch ®¹i lªn trªn ®êng ®i tíi

mÆt ph¶n x¹ kia. T¹i ®©y còng sÏ s¶y ra qu¸ tr×nh t¬ng tù vµ cø nh vËy, sau rÊt

nhiÒu lÇn ph¶n x¹ ta sÏ thu ®îc dßng bøc x¹ cã cêng ®é lín.

KhuÕch ®¹i ë ®©y kh«ng thÓ nµo lín v« cïng ®îc, nã bÞ giíi h¹n bëi c«ng suÊt

cña nguån b¬m. V× vËy cêng ®é bøc x¹ chØ t¨ng ®Õn khi thiÕt lËp ®îc ®iÒu kiÖn

c©n b»ng n¨ng lîng.

* T¹o ra bøc x¹ ®Þnh híng, ®¬n s¾c, kÕt hîp

Do buång céng hëng lµ hë nªn nh÷ng sãng truyÒn däc theo trôc cña buång

céng hëng sÏ ®i qua ho¹t chÊt nhiÒu lÇn vµ ®îc khuÕch ®¹i lªn. Nh÷ng sãng ¸nh

s¸ng nµy x¸c ®Þnh c«ng suÊt ra cña laser. Cßn nh÷ng sãng ¸nh s¸ng nµo lan

truyÒn díi nh÷ng gãc lÖch t¬ng ®èi lín so víi trôc cña buång céng hëng th× sau

mét vµi lÇn ph¶n x¹ sÏ tho¸t ra ngoµi. V× vËy bøc x¹ h×nh thµnh ë cöa ra cña

buång céng hëng cã tÝnh ®Þnh híng rÊt cao. Trong qu¸ tr×nh ph¶n x¹ nhiÒu lÇn

gi÷a hai g¬ng, pha cña sãng ¸nh s¸ng lu«n b¶o toµn vµ quan hÖ pha gi÷a c¸c

sãng ®ã còng kh«ng ®æi, do ®ã bøc x¹ ra lµ bøc x¹ kÕt hîp. Cuèi cïng nhê cã

buång céng hëng cã thÓ thùc hiÖn ®îc c¸c ph¬ng ph¸p chän läc dao ®éng kh¸c

nhau ®Ó thu ®îc bøc x¹ trong mét d¶i phæ rÊt hÑp, gÇn nh ®¬n s¾c. Nh vËy cã

thÓ nãi r»ng, buång céng hëng quang häc ®ãng vai trß quyÕt ®Þnh trong viÖc

h×nh thµnh c¸c tÝnh chÊt cña laser.

10