mở đầu một kỷ nguyên mới của quang tử học cùng các ứng dụng rực rỡ đa dạng, đa lĩnh vực của bức xạ laser trong thế kỷ 21 và tương lai. Theo lý thuyết cơ học lượng tử, các electron được tìm thấy trong các mức năng lượng rời rạc của nguyên tử, trong đó phần lớn nằm ở trạng thái cơ bản khi không có tác động bên ngoài. Electron có thể hấp thụ năng lượng từ ánh sáng hoặc nhiệt chỉ khi có sự chuyển đổi giữa các mức năng lượng phù hợp với năng lượng do photon hoặc phonon cung cấp. Các photon có bước sóng xác định có thể khiến một electron nhảy từ mức năng lượng thấp hơn lên mức cao hơn.
Đó là cơ chế quá trình hấp thụ. Nhưng khi một electron bị kích thích ở mức năng lượng cao hơn với sự chênh lệch năng lượng ΔE, nó sẽ không duy trì trạng thái kích thích mãi mãi mà sau một thời gian ngắn, nó sẽ chuyển về trạng thái thấp hơn bằng cách phát ra một photon tương ứng với hiệu năng lượng giữa hai mức. Sự chuyển đổi sang các mức khác nhau có hằng số thời gian khác nhau. Quá trình này được gọi là quá trình phát xạ tự nhiên.
Phát xạ tự phát là một hiệu ứng cơ lượng tử và là một biểu hiện vật lý trực tiếp của nguyên lý bất định Heisenberg. Photon phát ra có hướng ngẫu nhiên, nhưng bước sóng của nó phù hợp với bước sóng hấp thụ của quá trình chuyển đổi. Đây là cơ chế phát huỳnh quang và phát nhiệt (phát xạ phonon). Einstein, cũng tồn tại một cơ chế khác, trong đó một photon có bước sóng xác định bị hấp thụ bởi một quá trình chuyển đổi cũng có thể làm cho electron khác giảm từ mức cao xuống mức thấp hơn, phát ra một photon mới.
Photon phát ra khớp chính 4 xác với photon ban đầu về bước sóng, pha và hướng. Quá trình này được gọi là phát xạ kích thích (Hình 1.1 Cơ chế phát xạ cưỡng bức Tuy nhiên để tạo được bức xạ laser, cần có môi trường khuếch đại bao gồm một số lượng lớn nguyên tử được đưa vào trạng thái kích thích bởi một nguồn năng lượng bên ngoài, gọi là nguồn bơm. Môi trường khuếch đại của laser thường là vật liệu có độ tinh khiết, kích thước, nồng độ và hình dạng xác định, và có thể ở bất kỳ trạng thái nào: khí, lỏng, rắn hoặc plasma. Môi trường khuếch đại hấp thụ năng lượng bơm, làm tăng một số điện tử lên trạng thái lượng tử năng lượng cao hơn, tạo nên môi trường mật độ đảo lộn.
Phát xạ kích thích tạo ra các photon cùng bước sóng, pha và hướng, còn gọi là các photon kết hợp (coherent photon). Ở trạng thái mật độ đảo lộn, tốc độ phát xạ kích thích lớn hơn tốc độ hấp thụ ánh sáng trong môi trường, và do đó ánh sáng được khuếch đại. Hệ thống có đặc tính này được gọi là bộ khuếch đại quang học. Khi một bộ khuếch đại quang được đặt bên trong một hốc quang cộng hưởng, thường là không gian giữa hai tấm gương, người ta sẽ thu được bức xạ laser.
Do đặc điểm quá trình vật lý như đã mô tả, nguồn laser khác với các nguồn ánh sáng khác ở chỗ nó phát ra ánh sáng kết hợp. Tính kết hợp (coherence) thể hiện thông qua tính kết hợp không gian cho phép tập trung tia laser trong chùm tia hẹp và truyền đi với khoảng cách xa và tính kết hợp thời gian cao cho phép chúng phát ra ánh sáng với 5 quang phổ rất hẹp hoặc tạo ra các xung ánh sáng siêu ngắn với quang phổ rộng nhưng thời lượng vô cùng ngắn cở femto giây. Tính chất quan trọng đó đã tạo nên các đặc trưng chính sau của bức xạ laser: - Tính đơn sắc - Tính định hướng - Tính kết hợp - Mật độ công suất cao. Laser được sử dụng trong nhiều ứng dụng phổ biến như ổ đĩa quang, máy in laser, máy quét mã vạch, thiết bị phân tích DNA; trong truyền dẫn sợi quang với ứng dụng lớn nhất là truyền dữ liệu viễn thông, truyền dẫn thông tin quang học trong không gian tự do; trong công nghệ gia công cơ khí và vi cơ khí, nổi bật nhất trong sản xuất chip bán dẫn (photolithography); trong đo lường chính xác về phạm vi và tốc độ, cũng như nhiều đại lượng vật lý gián tiếp khác; trong công nghệ chiếu sáng laser phục vụ giải trí; trong quân sự, công nghệ an ninh quốc phòng [98].
Riêng trong lĩnh vực y học, laser đã đóng góp đắc lực, đưa y khoa lên một tầm cao mới với sự hỗ trợ đắc lực của công nghệ tiên tiến trong chẩn đoán, điều trị và cả tầm soát phòng chống theo quan điểm y khoa 4P (dự đoán, dự phòng, cá nhân hóa và tham gia hóa – predictive, preventive, personalized, participated) [99]. Quá trình phát triển ứng dụng laser trong y học là một quá trình liên tục với những tiến bộ có tính chất nhảy vọt. Từ chỗ ứng dụng laser như phương tiện hỗ trợ, bổ sung cho các phương pháp điều trị truyền thống, laser trở thành phương tiện độc lập và trong nhiều trường hợp đem lại những kết quả tốt mà không phương pháp nào trước đây có thể đạt được. Laser được ứng dụng đa dạng trong y học trong cả lĩnh vực chẩn đoán chính xác cho đến lĩnh vực điều trị đa dạng và hiệu quả.
Riêng trong lĩnh vực điều trị, có thể phân loại thành hai hướng ứng dụng chính bao gồm ứng dụng laser công suất cao và ứng dụng laser công suất thấp. Ứng dụng laser công suất cao trong điều trị chủ yếu trong Laser ngoại khoa, sử dụng chủ yếu tác dụng nhiệt của mật độ công suất cao tạo nên các hiệu ứng chính: - Hiệu ứng quang đông. 6 - Hiệu ứng bốc bay hơi tổ chức. - Hiệu ứng quang bóc lớp.
- Hiệu ứng quang động học. Laser bán dẫn là loại laser có mối tiếp xúc p-n, trong chất bán dẫn các chuyển mức của điện tử từ các trạng thái năng lượng thấp ở vùng hóa trị lên trạng thái năng lượng cao ở vùng dẫn một khoảng bằng năng lượng vùng cấm gọi là sự kích thích. Điện tử tồn tại một thời gian ở vùng năng lượng cao sẽ quay về trạng thái năng lượng thấp, đây là quá trình tái hợp của điện tử và lỗ trống, có 02 loại tái hợp bức xạ và không bức xạ. Tái hợp bức xạ phát ra các photon ánh sáng, với độ rộng vùng cấm của bán dẫn ở lớp tích cực ta có các bước laser khác nhau.
Các laser bán dẫn thường được chế tạo trên cơ sở các bán dẫn vùng cấm thẳng loại A3B5 như GaAs, InP vv. Khi photon ánh sáng có năng lượng Eg chiếu vào chất bán dẫn có thể xảy ra sự hấp thụ. Quá trình hấp thụ xảy ra khi điện tử chuyển từ trạng thái năng lượng thấp trong vùng hóa trị lên trạng thái năng lượng cao trong vùng dẫn, sau đó điện tử trong vùng dẫn có thể tái kết hợp với lỗ trống ở vùng hóa trị (sau thời gian sống nhất định) và phát ra photon một cách ngẫu nhiên gọi là tự phát. Phát xạ cưỡng bức là quá trình ánh sáng chiếu tới gây ra sự phát xạ điện tử ở trạng thái kích thích.
Ánh sáng phát ra có cùng pha, bước sóng, phân cực và hướng lan truyền với ánh sáng chiếu tới. Trong bức xạ cưỡng bức có 02 photon sinh ra, một photon chiếu tới và một photon do bức xạ cưỡng bức, hai photon này tiếp tục kích thích các cặp điện tử khác cưỡng bức sinh ra các photon giống như vậy. quá trình này xảy ra tiếp tục trong môi trường khuếch đại quang. Laser bán dẫn thường có công suất thấp, tính định hướng và đơn sắc không cao.
Tuy nhiên, phổ rộng của laser bán dẫn lại có đáp ứng tốt cho ứng dụng đa bước sóng trong những áp dụng quang sinh, cùng với kích thước nhỏ gọn thuận tiện cho vietj thiết kế trường chiếu lớn tạo nên ưu thế của laser bán dẫn trong chế tạo các thiết bị ứng dụng trong y sinh. Các lĩnh vực ứng dụng chính của laser công suất cao có thể kể đến bao gồm phẫu thuật laser, phẫu thuật nhãn khoa, điều trị thẩm mỹ, nha khoa, điều trị ung thư, điều trị quang động học vv… Ứng dụng laser công suất thấp trong điều trị còn gọi phổ biến là liệu pháp laser mức độ thấp (Low Level Laser Therapy - LLLT) hoặc liệu pháp quang học điều biến 7 (Photobiomodulation Therapy) sử dụng chủ yếu hiệu ứng kết hợp quang – sinh – hóa không dùng nhiệt, gọi chung là kích thích sinh học. Ánh sáng kích hoạt các thay đổi sinh hóa trong tế bào và có thể được so sánh với quá trình quang hợp ở thực vật, nơi các photon được hấp thụ bởi các thụ thể quang của tế bào và gây ra các thay đổi hóa học. Do nội dung chính của luận án tập trung ứng dụng của lĩnh vực này, cơ sở vật lý của ứng dụng laser công suất thấp sẽ được trình bày chi tiết hơn.2 Các nghiên cứu trên thế giới.
Trong y học, việc sử dụng ánh sáng để điều trị nhiều chứng và bệnh đã được nghiên cứu và ứng dụng nhiều. Sau khi laser ra đời, việc tận dụng nguồn sáng mới cũng được triển khai phổ biến, nhưng phải đến năm 1967 E. Mester mới công bố kết quả đầu tiên chứng minh hiện tượng “kích thích sinh học bằng laser.” Năm 1999, Whelan H et al. trình bày công trình của mình về các ứng dụng y tế của điốt phát quang (LED) để sử dụng trên trạm vũ trụ NASA.
Sau đó, hơn vài trăm thử nghiệm ngẫu nhiên, mù đôi, có đối chứng với giả dược pha III đã được công bố, với hơn 4000 nghiên cứu trong phòng thí nghiệm về LLLT (Pubmed. LLLT là ứng dụng của bức xạ quang học thường là tia laser công suất thấp hoặc đèn LED có công suất trong khoảng 10mW – 500mW. Ánh sáng có bước sóng trong vùng hồng ngoại gần màu đỏ của quang phổ (660 nm – 905 nm) thường được sử dụng vì những bước sóng này có khả năng tối ưu xuyên qua da, các mô mềm và cứng (Hình 1.2) và được chứng minh trong các thử nghiệm lâm sàng là có tác dụng giảm đau, viêm và tái tạo mô tốt [40].2 Cửa sổ quang học của bức xạ quang học [4] Cơ chế của LLLT phần lớn hiện nay được giải thích như sau (Hình 1.3): để ánh sáng nhìn thấy hoặc gần hồng ngoại công suất thấp có tác dụng lên hệ sinh học, photon phải được hấp thụ bởi các mức hấp thụ electron của các nguyên tử thuộc chất nhận photon hoặc chất màu chromophore (định luật thứ nhất của quang sinh học [5]).