Ứng dụng của Laser trong các ngành khoa học

Laser là một ánh sáng đặc biệt, hiện đã và đang được nghiên cứu một cách cụ thể. Laser là ánh sáng đặc biệt vì nó có nhiều tính chất và công dụng hơn hẳn các ánh sáng thông thường khác. Hiện người ta dựa váo các tính chất và công dụng của nó để ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Vậy những tính chất và ứng dụng đó như thế nào? để làm rõ điều đó tôi chọn đề tài nghiên cứu:“ Ứng dụng của laser”

MỤC LỤC

Mở đầu 2

1 ỨNG DỤNG CỦA LASER TRONG Y HỌC 3

1.1 Trong chuẩn đoán 3

1.2 Trong điều trị 4

1.3. Một số ví dụ 5

1.4 Laser trong thẩm mỹ 7

2 ỨNG DỤNG CỦA LASER TRONG CÔNG NGHIỆP 10

2.1 Các phương pháp gia công vật liệu 10

2.2 Ứng dụng của các phương pháp trong sản xuất 11

3 ỨNG DỤNG CỦA LASER TRONG CÁC NGÀNH KHOA HỌC KHÁC 12

3.1 Thông tin liên lạc 12

3.2 Trong nghiên cứu vũ trụ 13

3.3 Trong khí tượng 13

3.4 Trong đo lường tiêu chuẩn 14

3.5 Trong nông nghiệp 14

3.6 Trong quân sự 14

3.7 Trong công nghệ bán dẫn 16

4 TRIỂN VỌNG 18

4.1 Chip laser 18

4.2 Tạo xung cực ngắn 18

4.3 Tạo từ trường cực mạnh nhờ laser 18

BÁO CÁO MÔN QUANG HỌC KỸ THUẬT

Đề tài: ỨNG DỤNG CỦA LASER

Mở đầu

Laser là một ánh sáng đặc biệt, hiện đã và đang được nghiên cứu một cách cụ thể Laser

là ánh sáng đặc biệt vì nó có nhiều tính chất và công dụng hơn hẳn các ánh sáng thông thường khác

Hiện người ta dựa váo các tính chất và công dụng của nó để ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau

Vậy những tính chất và ứng dụng đó như thế nào? để làm rõ điều đó tôi chọn đề tài nghiên cứu:“ Ứng dụng của laser”

1 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, baogồm các tham số:

- Công suất

- Độ hội tụ

- Thời gian chiếu sáng

- 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:

1.1.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

Hình 1:Máy Dopler Laser thăm dò, đo dòng máu

Hình 2: Máy chụp cắt lớp laser

1.2.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, v v

- 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

1.3. Một số ví dụ

1.3.1 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 dẫn 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

- Áp 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…

Hình 3: Dao mổ laser

1.3.2 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

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

1.3.3 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

1.3.4 Nội soi tán sỏi bằng laser

Đây là phương pháp dùng tia laser để “bắn phá” làm vỡ sỏi thành những viên rất nhỏ, từ

đó sỏi sẽ được lấy ra ngoài Nhờ tính ưu việt đó mà tán sỏi laser qua nội soi ngược dòng đã dần thay thế một số phương pháp điều trị khác như mổ mở, mổ n ội soi sau phúc mạc… Phương pháp tán sỏi nội soi ngược dòng bằng laser có thể tán được tất cả các loại sỏi, tán được những viên sỏi có kích thước lớn, không gây tổn thương niệu quản, thời gian tán sỏi trung bình chỉ 50 phút, thời gian nằm viện ngắn (trung bình là 2 ngày) Quan trọng hơn là do

ít hoặc không làm thương tổn đường tiết niệu nên tránh được các biến chứng như nhiễm khuẩn, chảy máu và ít gây đau đớn cho bệnh nhân

v

Hình 4: Máy nội soi tán sỏi bằng laser.

1.4.Laser trong thẩm mỹ

Cũng trên cơ sở những hiệu ứng sinh học của laser và những ứng dụng của laser trong y học, chúng ta nhấn mạnh thêm những ứng dụng của laser trong thẩm mỹ Trong thẩm mỹ sử dụng laser theo 2 hướng: Giải phẫu thẩm mỹ và săn sóc thẩm mỹ (Nội khoa thẩm mỹ) Được sử dụng phổ biến và hiệu quả cao như LASER CO2, ND- YAG, Erbium,Q-Nd, Fraxel, V-beam, Ruby, laser kết hợp CO2 – erbium/YAG, vv…

1.4.1 Trong giải phẩu thẩm mỹ

Thường sử dụng laser nhiệt như một con dao mổ, phổ biến nhất là laser CO2, laser Argon

và laser YAG

- Trong giải phẩu dùng laser để cắt như một con dao mổ với sự dẫn đường của laser

He – Ne có rất nhiều ưu điểm như đã nói ở phần trên

- Điều trị sẹo mụn trứng cá

- Điều trị các u máu

- Điều trị các u sắc tố

- Đốt, tẩy các nốt ruồi xấu

- Đốt mụn thịt

- Tẩy tàn nhang

- Tẩy vết nám

- Bớt bẩm sinh

- Lột da mặt ở các mức độ khác nhau

- Tẩy lông

- Điều trị sẹo lồi, sẹo phì đại

- Các vết tham sắc tố sau phẩu thuật

1.4.2 Trong săn sóc thẩm mỹ

Như đã nói ở phần trên, những ứng dụng của laser trong săn sóc thẩm mỹ cũng dựa trên những hiệu ứng sinh học mà chủ yếu là hiệu ứng kích thích sinh học của laser khi chiếu vào

tổ chức mô cơ thể người

Laser sử dụng trong săn sóc thẩm mỹ chủ yếu là laser lạnh, công suất thấp

Đặc biệt, laser được sử dụng ngày càng phổ biến trong các kỹ thuật chăm sóc da trong quá trình trẻ hóa da (Rejuvenation)

Các kỹ thuật trẻ hóa da thuộc 3 nhóm theo cơ thể khác nhau là:

- Cơ học (các dụng cụ mài da)

- Hóa học (dùng các loại hóa chất)

- Nhiệt (dùng các loại ánh sáng có năng lượng cao như laser)

Hay còn gọi là phương pháp chăm sóc thẩm mỹ da bằng ánh sáng đang rất được tin dùng

và ngày càng phổ biến trên thế giới

Tất nhiên như đã nói ở trên, việc sử dụng laser đòi hỏi phải nắm vững kỹ thuật và thành thạo để có chỉ định chính xác về liều chiếu, nơi chiếu và phương pháp chiếu, nhằm đạt hiệu quả cao nhất với sự an toàn tuyệt đối

Có nhiều loại laser được dử dụng và chúng có những đặc tính khác nhau (bước sóng, công

suất, mật độ công suất… ) vì vậy , mỗi loại laser sử dụng cho những phần da khác nhau (tác dụng chọn lọc) với liều chiếu khác nhau Ngoài các công dụng như đã nói ở phần ứng dụng trong giải phẩu thẩm mỹ, laser còn dùng để săn sóc da thuần túy với các kỹ thuật:

- Tẩy tế bào chết trên da

- Chiếu để kích thích các tế bào da phát triển và thay mới

- Kích thích tăng cường tuần hoàn dưới da để tăng nuôi dưỡng da và làm hồng hào da

- Kích thíc tăng sinh, tái tạo collagene và mô đệm để da căng đầy và mềm

mại Làm tăng độ đàn hồi của da để xóa các vết nhăn

- Chống lão hóa da

- Giữ gìn sắc diện tươi trẻ cho da

- Làm tan mỡ ở những vùng ứ đọng mỡ khơng mong muốn

- Làm săn chắc những bộ phận bị nhão, xệ

- Hồi phục và duy trì vóc dáng trẻ trung của cơ thể

Cần lưu ý: Laser có nhiều ứng dụng hiệu qua trong y học nói chung và thẩm mỹ nói riêng,

nhưng việc sử dụng laser trong thực tế đòi hỏi sự hiểu biết đầy đủ và tuân thủ nghiêm ngặt các qui định về chế độ an toàn cho cả bac sĩ và bệnh nhân

Ngày nay, ở các nước tiên tiến người ta đã chế tạo ra nhiều máy phát nhiều loại laser khác nhau dùng trong thẩm mỹ.Các máy laser hiện đại đều được chương trình

(computerized) nên rất tiện lợi cho việc sử dụng

Ở Việt Nam, từ hàng chục năm qua, laser đã được ứng dụng trong y học nói chung và trong giải phẫu thẩm mỹ cũng như săn sóc thẩm mỹ nói riêng, những người hành nghề trong lĩnh vực thẩm mỹ cũng đã luôn cập nhật những tiến bộ của thế giới và tiếp thu nhanh chóng công nghệ mới để sử dụng có hiệu quả trong thực tế Tuy nhiên, laser là công nghệ tiên tiến nên giá thành các thiết bị laser còn cao và đó cũng là một rào cản cho việc ứng dụng laser phục vụ con người

Dù vậy, nhiều loại máy laser thẩm mỹ tiên tiến đã có mặt tại việt nam để phục vụ kịp thời nhu cầu làm đẹp của người Việt Nam Hy vọng cùng với sự hội nhập của đất nước và sự phát triển nhanh chong của nền kinh tế toàn cầu, người Việt Nam chúng ta sẽ nhanh chóng được được hưởng kịp thời những tiến bộ khoa học kỹ thuật trong cuộc sống nói chung cũng như trong lĩnh vực chăm sóc sắc đẹp nói riêng

2 ỨNG DỤNG CỦA LASER TRONG CÔNG NGHIỆP

Laser là một loại công nghệ hiện đại mang lại nhiều lợi ích trong cuộc sống hiện nay Laser công nghiệp là các loại tia chủ yếu phục vụ trong công nghiệp như: gia công chế tạo vật liệu, chế tạo máy, cắt kim loại bằng laser hay khắc trên mọi vật liệu…

Phần lớn laser ứng dụng trong sản xuất và công nghiệp sử dụng mức công suất từ trung bình (vài chục W) tới mức công suất cao (vài kW) nhằm gia công các loại vật liệu bằng kim loại hay phi kim Hiện nay có rất nhiều loại laser khác nhau được ứng dụng trong gia công vật liệu, do đó việc định nghĩa hay phân loại khó có thể có ranh giới rạch ròi

2.1 Các phương pháp gia công vật liệu

2.1.1 Hàn laser

Là sử dụng chùm laser có mật độ năng lượng cao tập trung truyền nhiệt tại một miền hẹp làm nóng chảy vật liệu hàn và vật liệu các chi tiết kề nhau để chúng hòa lẫn với nhau, khi nguội các chi tiết bán chặt với nhau

Ưu điểm của hàn lazer

- Có thể hàn lazer cho các mối hàn cùng hoặc khác chất liệu

- Tia lazer có thể kiểm soát được độ chính xác cao, điểm hàn cũng có thể đặt được chính xác

- Tốc độ nung nóng cũng như làm nguội cao, vùng ảnh hưởng nhiệt là nhỏ do đó hàn lazer tốt cho các vị trí hàn có liên kết với các bộ phận dễ ảnh hưởng bởi nhiệt

- Quy trình hàn thu được mối hàn sạch và thường ít phải làm sạch mối hàn

Nhược điểm của hàn lazer

- Tốc độ hàn chậm ( từ 25->250mm/phút )

- Tốc độ nguội nhanh có thể gây ra các vấn đề với mỗi hàn thép cacbon cao

- Giá thành trong thiết bị là cao so với các phương pháp hàn khác

Ứng dụng của hàn lazer

Hàn lazer được sử dụng trong công nghiệp điện tử, hàn các thiết bị y tế, đồ trang sức, trong các hệ thống tự động sản xuất

2.1.2 Khoan cắt, phay bóc lớp vật liệu bằng laser

Nguyên lý chung gia công vật liệu bằng laser là sử dụng chùm laser có mật độ năng lượng cao dọi lên bề mặt chi tiết gia công ,do mật độ năng lượng lớn lại truyền tại phần tử hẹp bề mặt vật liệu ,nên nhiệt độ tăng cao đột ngột làm nóng chảy rồi hóa hơi từng lớp vật liệu cùng với áp suất lớn đẩy chúng khỏi chi tiết gia công

Ưu điểm của cắt kim loại bằng laser:

- Gia công trên mọi vật liệu khác nhau, kim loại, phi kim, nhựa, đồng nhôm, inox, cắt giấy…

- Có khả năng làm việc trong không khí, chân không, chất lỏng,rắn… nhờ vậy mà có nhiều ứng dụng đặc biệt không loại công nghệ nào làm được

- Khả năng tự động hóa cao, gia công đạt độ chính xác tuyệt đối, cắt được các bề mặt dày mỏng khác nhau, chi tiết cầu kỳ phức tạp…

Nhược điểm của gia công cắt laser kim loại:

- Giá thành rất cao

- Bảo trì khá phức tạp, gia công bằng tia laser khá nguy hiểm, gây khó khăn trong quá trình gia công

Hình 5: Máy cắt laser

2.2 Ứng dụng của các phương pháp trong sản xuất

Laser dùng trong cắt kim loại:Bởi những hệ laser công suất cao thậm chí có thể cắt được thép tấm dày đến vài chục milimet với vết gia công chỉ bằng sợi tóc, sản phẩm tạo ra có độ tinh xảo cao, không bị cháy xém… Nhờ có laser mà thời gian chế tạo mẫu cơ khí được rút ngắn đi đáng kể

- Laser trong công nghiệp phụ trợ: khắc tem mác hay khả năng in logo, in thông tin sản xuất, ngày sản xuất, hạn sử dụng hay khắc khuôn mẫu kim lo ại

-Laser trong quảng cáo và thủ công mỹ nghệ: Laser cắt và khắc rất tốt các vật liệu acrylic, vật liệu phi kim loại, được dùng trong nghành sản xuất quà tặng, quà lưu niệm, thiệp giấy…

- Laser trong may mặc: dùng để cắt vải, cắt khắc các hoa văn họa tiết, khắc cúc