Lịch sử phát triển Laser

Nguyên lý của phát xạ cưỡng bức là nền tản hoạt động của laser. Xây dựng lý thuyết vào năm 1900 bởi Max Planck người đầu tiên chứng minh rằng năng lượng của sóng điện từ trường được diễn tả như những gói rời rạc, hoặc các lượng tử-quanta, với mức năng lượng tương ứng với tần số của sóng, Albert Einstein đã đưa ra định đề về lý thuyết của phát xạ cưỡng bức.

Ngành khoa học mới-cơ học lượng tử xác định sự hình thành năng lượng rời rạc quy chuẩn bởi các điện tử có thể xảy ra; điện tử quay quanh nhân ở một quỹ đạo cao hơn, hay hình thành năng lượng “bị kích thích” sẽ bằng với năng lượng hình thành do quá trình phân rã xảy ra đồng thời ở quỹ đạo thấp hơn và giải phóng năng lượng lượng tử trong quá trình này. Một số lượng lớn điện tử bị kích thích sẽ phát ra những lượng tử này nhiều hay ít hơn 1 cách ngẫu nhiên, hiện tượng này được biết đến như là huỳnh quang- fluorescence.

Einstein cho rằng một trong số những lượng tử này (sau này gọi là lượng tử ánh sáng- photon) va đập vào điện tử bị kích thích sẽ gây ra phân rã, giải phóng một lượng tử ánh sáng thứ cấp giống hệt về bước sóng, phase và hướng. Ở hầu hết các nguyên tử có các điện tử bị kích thích, một tầng lượng tử ánh sáng giống nhau được tạo ra theo cách này.

Sự thiếu sót của ứng dụng hiển nhiên này, phát xạ cưỡng bức chỉ được cho là tính hiếu kỳ mà thôi trong suốt 30 năm, nhưng chiến tranh thế giới thứ II nổ ra, người ta quan tâm nhiều về một thế hệ siêu sóng- microwaves cho radar. Để đáp ứng nhu cầu siêu sóng cực ngắn (milli mét), nhà vật lý người Mỹ Charles Townes làm việc tại Bell Laboratories và nhà vật lý người Nga Nikolay Basov và Alexander Prokhorov tại viện vật lý Lebedev, đã đề xuất độc lập nhau ở đầu thập niên 50 rằng siêu sóng có thể được tạo ra 1 cách hiệu quả bằng phát xạ cưỡng bức của các phân tử. Năm 1954, Townes, cùng với James P. Gordon và Herbert Zigler tại đại học Columbia, đã chế tạo thành công máy đầu tiên tạo ra được siêu sóng (Molecular) khuếch đại bức xạ cưỡng bức phát ra hay còn gọi là MASER từ khí ammonia. (Townes, Basov và Prokhorov chia nhau giải Nobel 1964 cho lĩnh vực này).

Năm 1958, Townes và đồng sự của ông Arthur Schawlow đã xuất bản tạp chí khoa học và đăng ký bằng sáng chế và cho rằng "MASER quang học" có thể được sử dụng để tạo ra tia hồng ngoại và thậm chí ánh sáng nhìn thấy được. Tuy nhiên chỉ vài tháng trước đó, Gordon Gould, một nghiên cứu sinh cũng đang làm việc tại đại học Columbia, độc lập đưa ra khái niệm về buồng quanh học- optical resonator sử dụng các kính (mirrors) tại các đầu của một ống thẳng hàng (linear cavity), cho phép một mức năng lượng trung bình đạt được tạo ra năng lượng quang để duy trì một sự đảo ngược và tạo ra ánh sáng chuẩn trực, liên kết. Gould đã ghi nhận kết quả và tính toán cuả ông vào trong ghi chép của mình notebook, cho rằng thiết bị của ông là một LASER (Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation). Ghi chép này đã gây ra tranh cãi 30 năm về bản quyền của lasers và các chỉ định của laser.

Dựa theo ấn bản của Townes' và Schawlow's năm 1958, Theodore Maiman, làm việc tại trung tâm nghiên cứu Hughes, đã tạo ra máy laser đầu tiên sử dụng 1 thanh rod bằng ruby với các kính tạo quang ở hai đầu bằng 1 bóng đèn phát tia xoắn bịt kín trong 1 xylanh bằng nhôm. Ông công bố kết quả đạt được này tại buổi họp báo tại New York City vào tháng 7, 1960, và bị báo chí cho rằng đây là sáng chế của "tia tử thần".

Sau đó những gì đạt được sau công bố đặc biệt của Maiman rằng ông đã chứng minh được các laser lên quan rất dễ dàng được tạo ra. Ông cũng giới thiệu khái niệm laser hoạt động dạng xung-pulsed laser operation (cho đến thời điểm đó người ta chỉ tập trung vào xung liên tục- continuous wave "optical MASER), khả năng cung cấp mức năng lượng lớn trong một thời gian phát xung rất ngắn, mở ra 1 tiềm năng to lớn về các ứng dụng bao gồm tương tác quang học và non-linear optics.

Tiếp theo sau đó là những khám phá thú vị về lasers, và suốt vài năm kế tiếp, laser khí Helium-Neon (HeNe-Ali Javan, Bell Labs, 1961), Nd: Glass laser (Elias Snitzer, American Optical, 1961), và laser chất bán dẫn (semiconductor laser) đầu tiên ra đời (Robert Hall, GE Labs, 1962), CO2 laser (Kumar Patel, Bell Labs, 1963) được sản xuất.

Đầu năm 1961, các nhà tiên phong như bác sĩ Leon Goldman bắt đầu nghiên cứu sự tương tác của ánh sáng laser trên cơ thể sống bao gồm những nghiên cứu lâm sàng đầu tiên trên cơ thể người, và ấn phẩm đầu tiên của ông là "Pathology of the Effect of the Laser Beam on the Skin" được xuất bản năm 1963. Goldman khám phá ra nhiều chỉ định của laser như xóa xăm, điều trị sang thương mạch máu và sắc tố và giúp cho sự phát triển của các loại laser như Ruby, Argon, và hơi đồng- Copper Vapor ứng dụng trong y học. Bác sĩ Goldman là người thành lập American Society for Lasers in Medicine and Surgery.

Sự hấp dẫn của các chỉ định dâng cao, nhưng thời gian phát tia chậm và thỉnh thoảng công suất đầu ra yếu và các mô hấp thu kém các bước sóng của ánh sáng có màu đỏ và tia hồng ngọai dẫn đến những kết quả đáng thất vọng và mâu thuẫn trong những năm đầu. Giữa thập niên 60 người ta giới thiệu hệ thống Ruby Laser trong phẫu thuật mắt. Năm 1964, Argon Ion Laser được phát triển. Laser khí này có bước sóng 488nm và liên tục rất dễ kiểm soát và nó được hấp thu cao bởi hemoglobin và rất phù hợp cho phẫu thuật mắt. Hệ thống cho điều trị lâm sàng bệnh võng mạc đều sẵn sàng, nhưng không thay thế hết cho ruby laser trong chỉ định này.

Trải nghiệm với sự phát triển mới của CO2 laser được sản xuất bởi American Optical Corporation vào năm 1965 đưa đến việc giới thiệu hệ thống laser phẫu thuật đầu tiên vào năm 1967. CO2 laser là một laser khí, sóng liên tục phát ra ánh sáng hồng ngoại có bước sóng 10,600nm rất dễ thao tác và hấp thu mạnh bởi nước. Bởi vì mô mềm chứa đa phần là nước, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng tia CO2 laser có thể cắt mô như dao mổ nhưng ít gây mất máu hơn. Sử dụng laser này vào phẫu thuật mạnh vào năm 1967-1970 bởi các nhà tiên phong như bác sĩ Thomas Polanyi, Geza Jako, Stanley Stellar, M. Stuart Strong và Charles Vaughn, cũng như Leon Goldman, và đầu thập niên 70, sử dụng CO2 laser trong phẫu thuật tai mũi họng và phụ khoa được đưa vào chương trình giảng dạy trong các bệnh viện và các trường đại học.

Cuối thập niên 70 và đầu thập niên 1980, các loại laser nhỏ hơn nhưng công suất mạnh hơn được sử dụng rộng rãi trong các bệnh viện công lập và ngay cả ở các phòng mạch tư. Đa phần các máy laser được sử dụng là CO2 laser, sử dụng trong cắt đốt và làm bay hơi tổ chức, Argon laser sử dụng trong phẫu thuật nhãn khoa. Nd: YAG và KTP laser được sử dụng trong vài bệnh viện cho lĩnh vực mới như phẫu thuật nội soi ổ bụng. Tuy nhiên, những laser “thế hệ hai” này tất cả đều sử dụng xung liên tục (continous wave -CW), có khuynh hướng gây ra tổn thương nhiệt không chọn lọc (non-selective) đáng kể, cải tiến không đáng kể so với phương thức điều trị truyền thống.

Một cải tiến đáng kể nhất trong việc sử dụng laser trong y khoa là khi có thuyết "phân hủy nhiệt chọn lọc-Selective Thermolysis” được xuất bản lần đầu tiên vào năm 1983 bởi R. Rox Anderson và Simon Parrish, họ đã chỉ ra rằng sử dụng năng lượng laser trong thời gian phát xung phù hợp tốt hơn xung liên tục cho phép tiêu hủy có chọn lọc các mô không mong muốn hay bất thường trong khi không làm ảnh hưởng đến các mô bình thường xung quanh. Laser đầu tiên ứng dụng nguyên lý này "selective thermolysis" là Pulsed Dye Lasers được giới thiệu vào cuối năm 1980 trong điều trị u máu phẳng- port wine stains và u máu nhỏ (strawberry marks) ở trẻ em, không lâu sau đó, Q-switched medical lasers đầu tiên được sử dụng xóa xăm. Nguyên lý ly giải quang nhiệt chọn lọc (Selective Photothermolysis) làm thay đổi bộ mặt của laser y tế từ đắt đỏ và phức tạp khi quang đông mô thành công cụ chính xác trong việc “vi phẫu thuật” chọn lọc gây ra ít hoặc không tổn thương cho các cấu trúc bình thường xung quanh. Điều trị các tổn thương mạc máu là cuộc cách mạng bởi tính ưu việc của laser mạch máu dạng xung (pulsed vascular laser), và lần đầu tiên điều trị xóa xăm hiệu quả không gây sẹo trở thành hiện thực.

Thiết bị quét (Scanning) trở nên phổ biến ở đầu năm 1990, sử dụng máy tính điều khiển chính xác tia laser. Scanned và laser dạng xung (pulsed laser) là cuộc cách mạng trong phẫu thuật thẩm mỹ và tạo hình bởi tính an toàn, tái tạo bề mặt phù hợp cũng như gia tăng sự nhận thức của công chúng về laser trong y khoa và phẫu thuật. Laser điều trị triệt lông được giới thiệu vào giữa thập niên 90 và nhanh chóng trở thành chỉ định phổ biến nhất của laser y khoa. Sang thế kỷ mới, nhiều bước sóng mới được giới thiệu cùng với phương pháp làm lạnh da trở nên tinh vi hơn, khi đó các nhà nghiên cứu, kỹ sư và nhà vật lý học sẽ gia tăng sự hiểu biết hơn nữa về sự tương tác giữa ánh sáng mô sinh học.

Laser y học và các chỉ định của nó chỉ mới là 1 phần rất nhỏ trong lĩnh vực lượng tử quang học mới mẻ này, nhưng với các máy móc mới và giá trị này được trang bị cho các nhà điều trị có thể điều trị được cho những chỉ định mà vài năm trước đây không thể hoặc khó điều trị. Bệnh nhân được hưởng lợi do việc tăng hiệu quả và giảm chi phí điều trị. Trong vài năm qua, các nghiên cứu và phát triển tập trung chính của laser y học vào triệt lông, điều trị sang thương mạch máu bất thường bằng laser đa bước sóng (multi-wavelength), các chỉ định thẩm mỹ bao gồm tái tạo bề mặt da từng phần (fractional skin resurfacing), phân hủy mỡ (laser-assisted lipolysis "laser hút mỡ"), quang hóa trị liệu (photo-dynamic therapy) và nhiều lĩnh vực khác nữa.