Hoạt động của Laser

Năng lượng (Energy) và công suất (Power): lực (Force) được xác định khi thay đổi vị trí của một khối lượng. Energy là lực sinh ra trong một quãng đường, có khả năng hoạt động.  Energy có thể được chuyển đổi từ dạng này sang dạng khác, nhưng không tự sinh ra và không tự mất đi. Tổng năng lượng sinh ra không thay đổi.
Có rất nhiều dạng năng lượng (động năng, điện năng, điện từ trường, hóa năng...), và rất nhiều đơn vị được sử dụng để đo đạc năng lượng, bao gồm BTU, calories…. đơn vị quốc tế để đo năng lượng là Joule, tên của nhà vật lý người Anh James Prescott Joule, là đơn vị đầu tiên xác định sự tương quan giữa biến đổi nhiệt và cơ học.

Một Joule năng lượng bằng:

·        Động năng được phóng thích khi làm rớt điện thoại di động

·        Nhiệt năng tạo ra bởi 1 người lúc nghỉ trong 0.01 giây

·        Năng lượng chứa trong 1/4 oz. bia

·        Năng lượng cần thiết cho 10,000,000 con muỗi bay được  

Công suất (Power) là tỉ lệ năng lượng biến đổi. Một Joule trong một giây bằng 1 Watt, là đơn vị quốc tế của công suất, đôi khi người ta cũng sử dụng các đơn vị khác như: mã lực (Horsepower), BTU/giờ, Volt Amperes (VA) … công suất quang học là tỉ lệ trung bình của năng lượng biến đổi từ bức xạ điện từ trường.

Watt tương đương:

·        Máy xe hơi = 200 kilowatts (kw)

·        Sức nóng của bóng đèn= 60 W

·        Lò sưởi trong nhà = 35 kw

·        Người lúc nghỉ = 100 W

·        Người lúc hoạt động tối đa = 4 kw

Đơn vị năng lượng và công suất thưởng được sử dụng hoán chuyển cho nhau trong từ vựng thông thường, nhưng ý nghĩa khác nhau, ví dụ 2 người trải qua 1 quãng đường dài 1 mét, một người chạy với vận tốc 6 mét/ phút, người kia đi bộ với vận tốc 3 mét/ phút. Cả hai đều sản sinh năng lượng giống nhau, nhưng người chạy sẽ hoàn tất quãng đường của mình trong thời gian ngắn hơn 1 nửa so với người đi bộ, có nghĩa là sinh ra công suất gấp đôi.

Để thấy rõ sự khác biệt giữa năng lượng và công suất, xem công suất của 1 Joule của một xung laser tăng lên khí thời gian xung (độ rộng xung) giảm dần:

Năng lượng (energy)  / thời gian (giây) = công suất (power)

1 J của 1 xung laser có độ rộng xung 1 giây= 1W

1 J của 1 xung laser có độ rộng xung 1 mili giây (1/1000 giây) = 1,000 W

1 J của 1 xung laser có độ rộng xung 1 micro giây (1/1,000,000) = 1,000,000 W

1 J của 1 xung laser có độ rộng xung 1 nano giây (1/1,000,000,000) = 1,000,000,000 W

Năng lượng xung laser thường được đo ở mili Joule (mJ)

1 J = 1,000 mJ

Hoạt động của Laser: Laser có thể hoạt động ở chế độ liên tục- Continuous Wave (CW) hay chế độ xung (Pulsed mode).

CW laser là laser được pump liên tục, tình trạng đảo cực diễn ra đều đặn và năng lượng đầu ra liên tục thực, năng lượng sinh ra thường được thể hiện ở đơn vị công suất hay watts.

Công suất ra trên một đơn vị diện tích còn gọi là mật độ công suất- Power density (PD), irradiance, hay  cường độ quang học (optical intensity), đo bằng Watts/cm²

Ở chế độ xung (pulsed mode), phát xung gây ra quá trình đảo cực và bức xạ cưỡng bức của ánh sáng laser. Công suất ra của ánh sáng dừng lại khi quá trình đảo cực bị xả hết ra, nhưng phát xung liên tục sẽ duy trì quá trình đảo cực và công suất ra của laser. Bởi vì công suất ra của laser là một chuỗi xung năng lượng, vì vậy để cho thuận tiện người ta biểu thị năng lượng dưới dạng joules (công suất trung bình- average power có thể được tính bằng cách nhân năng lượng từng xung với tần số lặp lại).

Năng lượng ra (energy output) trên đơn vị diện tích gọi là mật độ năng lượng- energy density, hay còn gọi là Fluence, được tính bằng Joules/cm².

Đơn vị đo năng lượng ra của laser phát từng xung có thể gây nhầm lẫn, đặc biệt là trong y khoa. Mặc dù fluence được sử dụng trong điều trị thường biểu thị bằng "joules", fluence là năng lượng trên một đơn vị diện tích.

Năng lượng mỗi xung nhân với tần số, hay công suất trung bình là cách tốt nhất để đo khả năng tạo photon của máy laser.

Hầu hết các máy laser và ánh sáng sử dụng trong y khoa đều hoạt động ở chế độ xung. Ở laser rắn- Solid State "bulk" laser, năng lượng để pump laser được cung cấp bởi bóng đèn và được tập trung tại buồng có hình dạng ellipe, với thanh rod bằng pha lê có phủ nguyên tố hiếm của vỏ trái đất hoặc kim loại trao đổi ions tại điểm tập trung khác (hay còn gọi là "pump chamber"). Sự sắp xếp này giúp tối đa hóa sự hấp thu của năng lượng được pump. Ánh sáng Laser tạo ra từ gain medium được giữ lại giữa 2 kính phản xạ highly reflective (HR) và partially reflective (output coupler, or OC), và xuất ra ngoài qua hệ thống truyền dẫn.

Hệ thống thực hiện phát xung- Pulse Forming Network (PFN) lưu giữ năng lượng từ một tụ điện sạc cung cấp năng lượng- Capacitor Charging Power Supply, nó sẽ kích cho bóng đèn phát sáng. Hồ quang ion được duy trì bởi một Simmer Supply, để làm giảm tải và kéo dài tuổi thọ của bóng đèn. Mặc dù bóng đèn flashlamps hiệu quả hơn bóng đèn thường (7% vs. 50%), lượng nhiệt khổng lồ được sinh ra được kiểm soát bằng một hệ thống làm lạnh, nói chung nước không chứa ion (nước cất) sẽ ra vào trực tiếp pump chamber và thải nhiệt.

Hoạt động ở chế độ CW thì tương tự nhau, bóng đèn huỳnh quang- arclamp hoạt động liên tục là nguồn pump tốt hơn là bóng đèn flashlamp và thường được sử dụng. Máy hoạt động ở chế độ CW có công suất lặp lại cao hơn là các máy hoạt động ở chế động dạng xung, với các thành phần đáp ứng mạnh hơn và yêu cầu làm lạnh nhiều hơn. Gain medium cũng được huy động tối đa cho hoạt động ở chế độ CW.

Lasers cũng có thể hoạt động ở chế độ Quasi CW mode, các xung được lặp lại với tần số rất cao (kHz) (khả năng đáp ứng quá trình đảo cực), giống như chế độ CW và công suất lặp lại thì thấp hơn nhiều.

Q-Switching có thể được sử dụng để gia tăng công suất (không phải là năng lượng!) của laser phát ở chế độ xung. Chữ Q, là Quality- chất lượng của buồng laser, năng lượng để pump được giữ lại cho đền khi quá trình đảo cực hoàn tất và gain medium bão hòa năng lượng. Khi Q được lưu giữ, hoạt động của laser trở nên rất nhanh và xả hết mật độ đảo cực, sinh ra một xung cực ngắn (trong thời gian nano giây) nhưng rất hữu dụng cho xung ánh sáng laser. Power = Energy/time (công suất bằng năng lượng chia cho thời gian), các xung phát ra rất hữu hiệu, năng lượng trung bình đầu ra của Q-Switched laser thực sự thấp hơn của laser dạng xung. Q-Switching với tần số rất cao (kHz) có thể được mở ở chế độ Quasi CW mode giống như chế độ CW hay dạng xung nhưng công suất cao hơn rất nhiều.

Sự điều biến chất lượng của buồng laser có thể ở 2 dạng: chủ động- active hay thụ động- passive. Ở chế độ active q-switching, công tắc được điều khiển trong bởi thiết bị quang điện, ở đó điện áp được sử dụng để thay đổi chỉ số khúc xạ của thể pha lê (Pockels cell), ngăn chặn hay cho ánh sáng đi qua buồng cộng hưởng.

Ở chế độ passive q-switching, công tắc là một chất hấp thu bão hòa saturable absorber nó làm suy giảm ánh sáng truyền đi dưới một ngưỡng đưa ra. Khi cường độ ánh sáng gia tăng, chất hấp thu trở nên bão hòa và truyền ánh sáng vào buồng cộng hưởng, có khả năng kích hoạt laser hoạt động. Chất hấp thu hết bão hòa sau khi laser phát xung, ngăn cản sự truyền sáng và cho phép lặp lại chu trình mới. Chất hấp thu bão hòa có thể là pha lê, chất màu hay chất bán dẫn, và vì là quá trình thụ động cho nên tần số rất cao và thiết kế đơn giản hơn active q-switching, nhưng khó kiểm soát hơn và năng lượng của xung laser thấp hơn.

Frequency Doubling (gấp đôi tần số), hay còn gọi là thế hệ họa ba thứ hai- Second Harmonic Generation, là một quá trình tần số của ánh sáng có thể nhân đôi và bước sóng giảm đi một nửa sau khi ánh sáng đi qua tinh thể pha lê cố định ở một góc đặc biệt. Và nó cũng làm cho năng lượng ánh sáng laser giảm đi một nửa. Thường thấy nhất của nhân đôi tần số để tạo ra ánh sáng xanh lá có bước sóng 532 nm (green) từ ánh sáng laser bước sóng hồng ngoại 1064 nm (infrared).

Potassium Titanyl Phosphate (KTP) là một non-linear crystal phổ biến được sử dụng để nhân đôi tần số cho các máy laser trong y tế, còn gọi là KTP laser.

Diode Lasers: giống như đèn LED, diode lasers là trong số các loại laser phổ biến và linh hoạt nhất. Năng lượng dùng để kích hoạt laser được sử dụng là dòng trực tiếp điện áp thấp qua một tấm P/N nối liền nhau bao gồm vật liệu lạ như Gallium Arsenide (GaAs) hay Indium Phosphide (InP), cấu trúc nguyên tử của nó cho phép phát ra ánh sáng. Chỗ nối của P/N được lắp ráp như là buồng cộng hưởng quang học.  

Hầu hết các loại  laser diodes hoạt động ở chế độ CW mode với bước sóng của ánh sáng màu đỏ và hồng ngoại (NIR), nhưng sự thay đổi vật liệu và cấu trúc cho phép thay đổi bước sóng, bao gồm màu xanh dương (như trong đĩa Blu-Ray), và tự chọn mức năng lượng. Bất tiện của diode lasers bao gồm: kén chọn năng lượng, chất lượng tia dẫn đường kém và công suất đầu ra thấp hơn so với các loại laser "truyền thống". Diode lasers có thể được "tích tụ-stacked" để cho công suất đầu ra cao, và có thể khuếch đại lên để làm năng lượng kích hoạt (pump laser) cho các loại laser khác. Hiện tại áp dụng vào y tế bao gồm: làm tia dẫn đường cho các loại máy laser khác, laser cắt đốt công suất thấp và quang đông mô, laser triệt lông và làm nguồn năng lượng kích hoạt cho DPSS và fiber lasers

Diode Pumped Solid State (DPSS) laser: Diode lasers là một nguồn năng lượng kích hoạt thuận tiện cho các loại laser khác, điển hình là các loại laser sử dụng gain medium rắn có Neodymium như là chất thêm vào (Neodymium:Yttrium Aluminum Garnet or Nd:YAG, Nd:Yttrium Vanadate hay Nd:YVO₄). Bước sóng 1064 nm là điển hình của frequency doubled để tạo 532nm. Các loại laser pointer ánh sáng xanh là DPSS laser.

Diode lasers là nguồn năng lượng kích hoạt laser khác chắc chắn, hiệu quả và thực tiễn, nhưng đắt tiền so với kích hoạt laser bằng các bóng đèn truyền thống.

Fiber Lasers: Fiber lasers sử dụng một cáp quang đặc biệt được phủ một lớp ion hiếm của vỏ trái đất như là gain medium. Fiber lasers là laser điển hình được kích hoạt bằng năng lượng của diode lasers, và thay vì sử dụng gương HR và OC như thường lệ, người ta sử dụng Fiber Bragg Gratings (Distributed Bragg Reflectors) có thể được tích hợp vào trong fiber. Fibers có thể dài vài mét hoặc thậm chí vài kilometers, cung cấp nhiệt tuyệt vời ở các máy cần hoạt động với công suất cao. Cuộn fiber cho khả năng thiết kế khoẻ, chắc chắn, ít cần bảo dưỡng với chất lượng tia cao và spot size nhỏ.

Thin Disk Lasers ("Laser gương"): là loại mới của DPSS Lasers, thin disk lasers sử dụng một lớp rất mỏng gain medium (1-300 microns) đặt trên một bát nóng (heat sink), ở phía trước được kích hoạt bởi diode lasers. Với lớp phủ đặc biệt cho phép năng lượng kích hoạt phản xạ lại đĩa làm tối đa hóa hiệu quả năng lượng kích hoạt, cung cấp nhiệt được tăng lên bởi tích hợp với bát nóng. Lasers gương có khả năng cho công suất ra cao với tia dẫn đường chất lượng cao.

VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Lasers): ngược lại với diode lasers thường thấy, VCSELS sử dụng một buồng cộng hưởng bằng đá nguyên khối tích hợp với Distributed Bragg Reflectors ở vị trí của gương thường thấy, tương tác với một "quantum well" gain medium. Bức xạ từ bề mặt ngược lại với bức xạ của diode lasers truyền thống. Ưu điểm của loại laser này là tia dẫn chất lượng tốt, chế tạo sử dụng công nghệ chất bán dẫn truyền thống, và được sản xuất trên cho sở của cấu trúc đá nguyên khối.

Free Electron Laser: hiện nay mới chỉ là công cụ nghiên cứu, FEL sử dụng các hạt không chứa các điện tử được tạo ra trong một klystron hay sự di chuyển gia tốc ở tốc độ của thuyết tương đối như là một gain medium. Các nam châm "Wiggler" cảm ứng sự dao động trong dòng điện tử và phát ra ánh sáng. Bước sóng phát ra có thể điều hướng được dải sóng. Free electron lasers to lớn cồng kềnh và rất đắt tiền, nhưng có khả năng tạo ra bước sóng cho các chỉ định phẫu thuật 3000-6000 nm. Ứng dụng lâm sàng hiện nay còn đang nghiên cứu.

Intense Pulsed Light –ánh sáng dạng xung cường độ mạnh (IPL): mặc dù không phải là laser thật sự, nhưng các máy IPL được sử dụng rộng rãi cho các chỉ định lâm sàng, bao gồm điều trị các sang thương mạch máu, triệt lông và trẻ hóa da. Quang phổ có bước sóng từ 500-1200 nm phát ra từ bóng đèn flashlamp qua các kính lọc sóng phù hợp với chỉ định lâm sàng. Cấu tạo và phương thức hoạt động giống như các loại laser rắn, nhưng không có gain medium hay buồng cộng hưởng. Các máy IPL có spot sizes lớn, nhưng trong nhiều chỉ định lâm sàng các bước sóng của IPL thiếu tính chuyên biệt để tối ưu hóa điều trị.