BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆN ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ CHƯƠNG TRÌNH KHCN CẤP NHÀ NƯỚC KC.01/06-10
“NGHIÊN CỨU, PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ THÔNG
TIN & TRUYỀN THÔNG”

BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ:
TỔNG QUAN VỀ LASER DIODE CÔNG SUẤT CAO
ỨNG DỤNG TRONG Y TẾ

ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG LASER DIODE CÔNG SUẤT CAO
ĐỂ THIẾT KẾ, CHẾ TẠO CÁC THIẾT BỊ ĐIỀU TRỊ VÀ GIẢI
PHẪU TRONG Y TẾ
Mã số: KC.01.07/06-1

Cơ quan chủ trì đề tài: Trung tâm công nghệ Laser
Chủ nhiệm đề tài: KS. Thái Quang Tùng


V. KẾT LUẬN 64
TÀI LIỆU THAM KHẢO 65 ii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1. Cấu trúc nguyên tử mô hình Bohr và 2
mô hình các mức năng lượng tương ứng 2
Hình 2. Các hiện tượng quang học cơ bản 3
a – hấp thụ; b – phát xạ tự do; c – phát xạ cưỡng bức. 3
Hình 3. Cấu trúc điển hình của laser và tiến trình hình thành tia laser 4
Hình 4. Quá trình khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ cưỡng bức 6photon điện tử ở mức
kích thích 6
Hình 5. Góc mở chùm tia laser 7
Hình 6. Mức năng lượng và phân bố các hạt dẫn theo các mức năng lượng trong bán d
ẫn
thuần 12
Hình 7. Mức năng lượng Fermi, phân bố tập trung hạt dẫn trong a) bán dẫn loại n; b)
bán dẫn loại p 15
Hình 8. Năng lượng điện tử của tinh thể bán dẫn chuyển dời thẳng 16
Hình 9. Năng lượng điện tử của tinh thể bán dẫn chuyển dời xiên 17
Hình 10 18
Hình 11 18
Hình 12 19
Hình 13 19
Hình 14 20
Hình 15. Laser diode 26
Hình 16. Trạng thái điện tử của tinh thể bán dẫn 27
Hình 17. Năng lượng vùng cấm theo hằng số mạng 28
Hình 18 29

khoa, góp phần to lớn trong điều trị. Các loại laser điều trị phổ biến hiện nay
là laser khí (CO
2
, He-Ne…), laser rắn (YAG-Nd, laser Rubi, laser KTP, laser
excimer, laser diode…).
Trong vài năm gần đây laser diode bước sóng trong vùng hồng ngoại gần
đang dần dần thay thế các loại laser truyền thống trong phẫu thuật như laser CO
2
,
laser YAG-Nd do laser diode có kích thước nhỏ gọn, linh động, tuổi thọ cao và
có thể ghép nối với các thiết bị nội soi để ứng dụng trong phẫu thuật nội soi cũng
như phẫu thuật đa năng khác.
Cùng với sự phát triển của thế giới, y học Việt Nam cũng không ngừng
phát triển và cập nhật những tiến bộ khoa học kỹ thuật hiện đại. Hiện nay
thiết b
ị laser công suất cao ứng dụng trong phẫu thuật đang bước đầu được
nghiên cứu, chế tạo và ứng dụng trong nước ; trong chương này chúng ta sẽ
tìm hiểu khái niệm chung về laser, laser diode công suất cao và những ứng
dụng của nó trong y tế đã được công bố. Đây cũng là cơ sở lý thuyết để
nghiên cứu, thiết kế chế tạo và ứng dụng laser công suất cao tại nước nhà.
II. LASER VÀ NHỮNG VẤN
ĐỀ CHUNG
Năm 1917, nhà vật lý thiên tài Albert Einstein đã phát minh hiện tượng
bức xạ cưỡng bức (Stimulated Emission of Radiation), trên cơ sở đó thuật ngữ
“LASER” chính thức được ra đời, đây là từ viết tắt các chữ cái đứng đầu của
mỗi từ có nghĩa của cụm từ tiếng Anh: Light Amplification by Stimulated &
Emission of Radiation – Sự khuếch đại ánh sáng bằng bức xạ cưỡng bức). Năm

2
1954, nhà vật lý người Mỹ Townes và hai nhà vật lý Liên Xô là Prochorov và

∆E
E
2

2
E
1

E
Hình 1a Hình 1b
E
2
E
13
hình của nguyên tử Bohr ta có thể biểu diễn dưới dạng sơ đồ các mức năng
lượng như hình 1b. Mức năng lượng thấp nhất gọi là mức cơ bản, còn các
mức năng lượng ở trên mức cơ bản gọi là mức kích thích.
Các nguyên tử khác nhau có số điện tử khác nhau và do vậy có số quỹ
đạo khác nhau và tương ứng với nó là các mức năng lượng khác nhau. Giả sử

ta có một hệ nguyên tử có 2 mức năng lượng như ở hình 1b và chiếu một
chùm ánh sáng đơn sắc, tức là chùm ánh sáng có các photon giống hệt nhau
và năng lượng của mỗi photon đúng bằng hiệu năng lượng của 2 mức tức là
bằng E. Khi photon đi vào môi trường, nó có thể bị các điện tử ở mức thấp E
1

hấp thụ và nhờ có năng lượng của photon, điện tử này có thể nhảy lên mức

2
E
1

4
tự do (hình 2b) thông thường các photon sinh ra do phát xạ tự do đi ra theo
mọi hướng.
Hiện tượng phát xạ cưỡng bức Hình 3. Cấu trúc điển hình của laser và tiến trình hình thành tia laser
Cũng như hiện tượng hấp thụ ta chiếu vào môi trường có 2 mức năng
lượng chùm sáng đơn sắc với năng lượng của từng photon bằng E. Photon sẽ
tương tác điện tử ở mức trên và có khả năng cưỡng bức các điện tử, các điện
tử này rời bỏ mức kích thích sớm hơn thời gian sống của nó (hình 2c). Cùng
với sự dịch chuy
ển này sẽ phát ra photon cũng có năng lượng E và có tính
chất khác giống hệt với photon đã cưỡng bức điện tử nhảy xuống mức thấp dễ

dịch chuyển cưỡng bức của các điện tử dưới tác dụng của các photon. Hiện
tượng phát xạ cưỡng bức mang tính chất khuếch đại theo phản ứng dây
chuyền: 1 sinh ra 2, 2 sinh ra 3, 3 sinh ra 4 (hình 4)
II.2 CẤU TRÚC VÀ CÁC TÍNH CHẤT CƠ BẢ
N CỦA LASER
II.2.1 Cấu trúc điển hình của laser
Có 3 hiện tượng quang học cơ bản xảy ra trong một môi trường bất kỳ
khi chiếu một chùm sáng: hiện tượng hấp thụ làm suy yếu chùm sáng, phát xạ
tự do và phát xạ cưỡng bức làm cho chùm sáng mạnh lên.
Môi trường ở trạng thái cân bằng thì số điện tử ở mức thấp (gọi là n
1
)
bao giờ cũng lớn hơn số điện tử ở mức kích thích (gọi là n
2
). Hiện tượng hấp
thụ tỉ lệ với n
1
còn phát xạ cưỡng bức và phát xạ tự do tỉ lệ với n
2
với hệ số tỉ
lệ gần như nhau. Vì thế cho nên hấp thụ bao giờ cũng mạnh hơn phát xạ
cưỡng bức và phát xạ tự do, do vậy chùm ánh sáng đi qua môi trường bình
thường bao giờ cũng suy yếu. Để có hiệu ứng laser tức là chùm sáng được
khuếch đại thì ta phải tạo ra môi trường đặc biệt mà ở đấy phát xạ cưỡng bức
phải mạnh hơn hiện tượ
ng hấp thụ. Hiện tượng này chỉ xảy ra ở môi trường
mà các điện tử ở trên mức n
2
phải lớn hơn số điện tử ở mức dưới n
1


Hình 4. Quá trình khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ cưỡng bức
photon điện tử ở mức kích thích.
Tóm lại, laser là máy phát ánh sáng đơn sắc có cấu trúc điển hình gồm 3
thành phần: hoạt chất laser, nguồn nuôi và buồng cộng hưởng.
II.2.2 Các tính chất của laser
Laser là một nguồn sáng nhưng đây là nguồn sáng đặc biệt, chính những
tính chất đặc biệt ấy đảm bảo hiệu quả rất cao việc ứng dụng laser vào các
lĩnh vực khác nhau của cuộc sống. Laser có 4 tính chất điển hình sau:

7
a. Độ định hướng cao
Từ cấu trúc của laser cho thấy laser phát theo một hướng vuông góc với
gương của buồng cộng hưởng. Tia laser phát ra hầu như dưới dạng chùm sáng
song song. Tuy vậy do ảnh hưởng nhiễu xạ ở các biên chùm tia, tia laser phát
ra với một góc mở nhất định (hình 5).

Hình 5. Góc mở chùm tia laser
Từ lâu con người rất cần những nguồn sáng song song, trước hết dùng
để đo xa, liên lạc, soi đường như các đèn pha, đèn chiếu, phòng không
Những thiết bị này có góc mở cỡ vài độ góc và chiếu xa khoảng 5-10km. Còn
đối với laser có góc mở có thể đạt giá trị rất nhỏ cỡ vài phút góc (1 phút góc =
1/60 độ góc), có trường hợp chỉ vài giây góc. Vì vậy laser có thể chiếu đi rất
xa cỡ hàng nghìn cây số phục vụ đo xa, định vị
, chiếu xa rất chính xác.
b. Tính đơn sắc cao
Độ đơn sắc của nguồn laser được hiểu là chùm sáng có một màu và khả

với thời gian ngắn như v
ậy. Những laser này có ứng dụng to lớn nhất là trong
các ngành khoa học cơ bản, kể cả trong y tế.
e. Công suất phát laser
Công suất của laser rất thay đổi tuỳ thuộc vào từng loại cụ thể. Có những
loại laser phát xung (phát xung ngắt quãng) đạt công suất cỡ 1-100 triệu kW
như laser thuỷ tinh Nd. Những laser liên tục cũng có thể đạt công suất cỡ tối
đa 1000kW.
Laser với công suất như vậy thường dùng làm vũ
khí tiêu diệt mục tiêu
đối phương cách xa hàng nghìn cây số. Trong y học thường sử dụng laser
Excimer, laser YAG:Nd phát xung với công suất 10.000kW đến 10 triệu kW,
laser CO
2
, laser Argon phát liên tục từ 1 - 100W và trong vật lý trị liệu thông

9
thường sử dụng laser He-Ne và laser bán dẫn có công suất trung bình từ 0,1 –
10mW.
Bảng 1. Các thông số vật lý của laser
Ký hiệu Đơn vị Công thức tính

Bước sóng
laser

λ
1µm=1/1000m
1nm=1/1000µm
1Ǻ=1/10nm
λ=c/γ

S: tiết diện điểm chiếu laser
D: Mật độ công suất laser
t: thời gian phát laser

Tóm lại, laser là nguồn ánh sáng đơn sắc nhân tạo với những tính chất
độc đáo và phong phú về chất và lượng. Chính vì vậy laser đã được ứng dụng
vô cùng rộng rãi trong mọi lĩnh vực hoạt động của xã hội. Để ứng dụng laser
trong y tế, chúng ta cần quan tâm đến các thông số trong bảng 1.

10
III. LASER DIODE
III.1 MỞ ĐẦU
Bức xạ laser có được là nhờ năng lượng bơm thông qua hoạt chất đặt
trong buồng cộng hưởng. Thông thường, năng lượng này phải đi qua một
chuỗi biến đổi mới chuyển thành dạng bức xạ cưỡng bức. Ví dụ, ở các laser
được kích thích điện, điện năng trước hết được chuyển sang động năng của
các hạt tích đ
iện trong trường phóng xạ, rồi các nguyên tử hoạt chất trong sự
phóng điện được kích thích để bức xạ. Bức xạ không kết hợp này sẽ qua một
loạt quá trình trong buồng cộng hưởng mới đạt được khuếch đại và thành bức
xạ laser. Với các laser được kích thích quang, quá trình diễn ra cũng phức tạp
như vậy. Tuy nhiên, với laser diode, lại có sự chuyển trực tiếp điện năng sang
năng lượng bức xạ kết hợp. Sự chuyển hoá này xảy ra trong các laser diode
dạng phun. Ở đây sự kích thích là kết quả trực tiếp của công tạo nên bởi điện
trường đặt trên hạt tải điện trong vật chất. Quá trình phun hạt tải điện là quá
trình rất hữu hiệu đối với sự chuyển năng lượng điện sang năng lượng bức xạ

cưỡng bức. Tất nhiên, đây không phải là quá trình kích thích duy nhất trong
diode vì thực tế các laser diode có thể tạo nên nhờ kích thích quang, nhờ bắn
phá chùm điện tử cũng như nhờ sự đánh thủng thác lũ (avalanche

chúng tạo ra khả năng d
ẫn điện của bán dẫn.
Nồng độ của điện tử trong bán dẫn theo năng lượng được phân bố theo xác
suất Fermi-Dirac:
)exp(1
1
)(
KT
EE
EF
f
−
+
=
(1)
Trong đó:
F(E) là xác xuất tìm thấy điện tử tại mức năng lượng E.
E
f
là mức năng lượng tương ứng khi F(E
f
) = 0.5 hay còn gọi là năng
lượng Fermi.
Như vậy theo biểu thức (1) khi tăng nhiệt độ T thì xác xuất phân bố điện tử
trong vùng dẫn tăng lên, tức là luôn xuất hiện điện tử trong vùng dẫn. Ngược

12
lại khi nhiệt độ giảm tới không thì xác suất xuất hiện điện tử trong vùng dẫn
hầu như bằng không.


Trong đó: N
c
=
2
2/3
.22
h
KTm
e
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
π

M
e
là khối lượng của điện tử ;
K là hằng số Boltzmann ;
Phân bố lỗ
trống
Năng lượng
Vùng hoá trị

⎛
−
≈
KT
EE
Np
v
v
exp
(4)
với

(
)
2
2/3
.22
h
KTm
N
p
v
π
=

m
p
là khối lượng hiệu dụng của lỗ trống.
Các điện tử trong vùng hoá trị được kích thích bởi nhiệt độ sẽ dịch chuyển
lên vùng dẫn và để lại các lỗ trống tương ứng trong vùng hoá trị. Do đó trong

c
c
expexp
(5)
Hay :

⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
+=
c
v
g
N
N
KT
E
E ln
22
(6)
Trong đó: E
g
là độ rộng vùng cấm cuả bán dẫn. Do N
v
≈ N

⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−
=
=
KT
EE
NN
KT
EE
N
KT
EE
N
npn
vc
vc

KT
n
g
pei
2
exp
.22
4/3
2
2/3
π
(7)
Tóm lại, trong chất bán dẫn, nếu giữ nhiệt độ không đổi cả đối với bán dẫn
thuần và bán dẫn pha tạp và không phụ thuộc vào E
f
nhưng lại phụ thuộc vào
độ rộng vùng cấm của bán dẫn.
III.2.2 Bán dẫn pha tạp.
Để tăng khả năng dẫn điện của bán dẫn, người ta pha một lượng nhỏ các
nguyên tử tạp chất vào mạng tinh thể của bán dẫn. Có hai loại bán dẫn pha tạp
là:
Chất bán dẫn loại p (bán dẫn dương) có tạp chất là các nguyên tố thuộc
nhóm III, dẫn điện ch
ủ yếu bằng các lỗ trống.
Chất bán dẫn loại n (bán dẫn âm) có tạp chất là các nguyên tố thuôc
nhóm V, các nguyên tử này dùng 4 electron tạo liên kết và một electron lớp
ngoài liên kết lỏng lẻo với nhân, đấy chính là các electron dẫn chính.
Có thể giải thích một cách đơn giản về bán dẫn pha tạp nhờ vào lý thuyết
vùng năng lượng như sau: Khi pha tạp, sẽ xuất hiện các mức pha tạp nằm
trong vùng cấm, chính các mức này khiến cho điệ

(8)

c
d
cfn
N
N
KTEE ln+=
(9)

15

⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−
==
KT
EE
NNp
vfp
va
exp
(10)


trung hạt dẫn
Năn
g
lượn
g
Vùn
g
hoá t
r
ị

E
c E
f
Vùn
g

d
ẫn
a
)

h
=h
với h là hằng số
Plank). Hàm năng lượng E có dạng các parabol (hình 8)
Đường parabol trên ứng với năng lượng điện tử ở vùng dẫn, đường parabol
dưới tương ứng với năng lượng lỗ trống ở vùng hoá trị. Tuỳ theo chất bán dẫn
mà đỉnh của các parabol sẽ nằm thẳng góc hay xiên góc.
Khi cực tiểu của parabol 1 và cực đại của parabol 2 nằm trên cùng đường
thẳng ta có loại bán dẫn chuyển dờ
i thẳng, ví dụ GaAs là bán dẫn chuyển dời
thẳng.
Khi các điểm nêu ở trên không nằm trên một đường thẳng ta có loại bán
dẫn chuyển dời xiên ví dụ GaP, SiGe là bán dẫn chuyển dời xiên (hình 9).
Khoảng cách giữa 2 điểm cực tiểu, cực đại nói trên xác định độ rộng vùng
cấm. Bình thường điện tử nằm ở vùng hoá trị và nó chỉ có thể chuyển sang
vùng dẫn nhờ tiếp thu năng l
ượng bên ngoài. Hình 8. Năng lượng điện tử của tinh thể bán dẫn chuyển dời thẳng 17

Hình 9. Năng lượng điện tử của tinh thể bán dẫn chuyển dời xiên
III.3.2 Sự hấp thụ và bức xạ trong bán dẫn
Khi có tác dụng của bức xạ bên ngoài, điện tử nằm ở vùng hoá trị sẽ hấp
thu năng lượng và chuyển sang vùng dẫn khi năng lượng hấp thu lớn hơn
năng lượng của vùng cấm, lúc này trong vùng hoá trị sẽ xuất hiện lỗ trống và
tạo nên sự di chuyển mức Fermi (hình 10)

()
vc
EE
c
−=
h
1
κ
của nó rất nhỏ so với hiệu các vectơ sóng ở trạng thái đầu
và cuối của điện tử. Như vậy theo định luật bảo toàn xung năng lượng trong
dịch chuyển này phải kéo theo sự bức xạ hay hấp thụ phonon đặc trưng bởi
vectơ sóng lớn nhưng có năng lượng nhỏ. Nhìn chung xác suất của quá trình
bức xạ này lớn hơn nhiều xác suất của quá trình bức x
ạ hai photon.

Hình 10.

Hình 11.

III.3.3
Sự biến đổi năng lượng ở lớp tiếp xúc p-n
Khi có hai chất bán dẫn loại p và loại n tiếp xúc với nhau, chúng ta sẽ tạo
được một lớp tiếp xúc p-n và trong đó có sự cân bằng mức Fermi (hình 12).
Nói chung khi mức Fermi dịch chuyển vào vùng hoá trị hay vùng dẫn chất

19
bán dẫn được gọi là suy biến. Theo lý thuyết bán dẫn, xác suất mà một trong
trạng thái trong vùng dẫn được chiếm, theo thống kê Fermi - Dirac sẽ là:

kT

mức Fermi đối với lỗ trống ở vùng hoá trị.

Hình 12

Hình 13