آشنایی با ساختار لیزر و انواع لیزر های موجود
لیزر نوع کاملا جدیدی از نور است و درخشان تر و شدید تر از نوری است که در طبیعت یافت می شود. نور لیزر می تواند سخت ترین فلزات را سوراخ کند یا به راحتی از جسم سختی مثل الماس عبور کند و در آن ایجاد حفره کند. برعکس باریکه های کم قدرت و فوق العاده دقیق انواع دیگر لیزر را می توان برای انجام کارهای بسیار ظریف مثل چشم انسان به کار برد. نور لیزر را می توان خیلی دقیق کنترل کرد و به صورت باریکه مداومی به نام موج پیوسته یا انفجارهای سریعی به نام پالس استفاده کرد. واژه لیزر(LASER ) مخفف عبارت: Amplification by Stimulated Emission of Radiation به معنی تقویت نور به وسیله گسیل القایی تشعشع می باشد. مساله اصلی در تولید اشعه لیزر کنترل نوسانی الکترونی درون اتم ها است به نحوی که تمامی توده اتم ها بتوانند ذرات نور را با هم پرتاب کنند.
خواص اشعه لیزر
اشعه لیزر دارای ماهیتی مشابه نور معمولی است یعنی اجزای تشکیل دهنده آن همان فوتون ها هستند اما دارای سه خاصیت مهم است که آن را از نور معمولی متمایز می کند. این سه خاصیت عبارتند از:
- تک فام ( monochromatic ): نور لیزر تنها دارای یک طول موج و یا به عبارت دیگر یک رنگ تنها می باشد که این خاصیت را خاصیت تک فامی نور لیزر می نامند برای تولید نور تک رنگ کافی است منبع تولید اشعه لیزر تنها با یک فرکانس مشخص تحریک شود تا نور لیزر با همان فرکانس تولید شود
- هم راستایی ( Collimated ): اشعه لیزر معمولا به صورت یک اشعه کاملا باریک و موازی تولید می شود که قادر است مسافت های طولانی را با پراکندگی خیلی کم طی کند . برای ایجاد نور باریک لیزر در محفظه مولد اشعه لیزر از آینه های خاصی استفاده شده است که باعث می شود اشعه لیزر در راستاهای مختلف توسط آینه ها باز تاب کرده و تنها از مسیر مشخص شده و به طور موازی خارج شوند.
- همدوسی ( Coherent ): خاصیت همدوسی در نور لیزر به این معناست که امواج تولید شده نور لیزر کاملا هماهنگ با یکدیگر در زمان و مکان حرکت کرده و یا به عبارت دیگر هم فاز هستند.
ماهیت اشعه لیزر
ماهیت اشعه لیزر با ماهیت نور معمولی یکی است اما تفاوت عمده آن در نحوه گسیل پرتوهاست. گسیل پرتوها توسط الکترون های برانگیخته در اتم به دو صورت امکان پذیر است:
- گسیل خودبخودی: فرض کنید e2 و e1 دو تراز متوالی از یک اتم با انرژی های E2 و E1 باشد و الکترونی در تراز e1 در حالت پایه خود قرار گرفته باشد. اگر به هر دلیلی این الکترون از تراز e1 به تراز بالاتر e2 برود گفته می شود اتم تحریک شده است یا در حالت برانگیخته قرار دارد. چون این حالت یک حالت ناپایدار است اتم تمایل دارد هرچه زودتر به حالت پایدار باز گردد به همین دلیل الکترون مزبور بلافاصله به حالت قبلی در تراز e1بر خواهد گشت از طرفی چون این دو تراز اختلاف انرژی E1 و E2 دارند بنابراین اصل پایستگی انرژی اضافی الکترون به صورت تابش با فرکانس U حین بازگشت به تراز اول گسیل می شود به این فرایند گسیل خودبخودی می گویند.
- گسیل القایی: اگر الکترونی در تراز e2 در حالت پایه خود قرار داشته باشد و ما با استفاده از یک فوتون با انرژی E2-E1=hu اتم را تحریک کنیم در اثر این القا الکترون مزبور تراز e2 را ترک کرده و به تراز e1 می رود و حین این انتقال فوتون تابش می کند. فوتون برهم کنش کننده هم بدون آنکه تغییری در ان ایجاد شود به راهش ادامه می دهد. پس در این حالت با دو فوتون هم فاز که همراه یکدیگر هستند روبرو هستیم.
- در گسیل خودبخودی تابش های گسیل شده در تمام جهات گسترده است. اما در گسیل القایی جهت تابش در یک راستای معین خواهد بود. از طرفی در گسیل خودبخودی فوتون های تابشی در اثرگذار بین اتم های ترازهای اتمی یا مولکولی مختلف و متفاوت از هم به وجود می ایند. پس این تابش ها طیف گسترده ای از فرکانس ها را شامل می شود. اما در گسیل القایی تابش در اثر گذار بین تراز های اتمی یا مولکولی مشابه گسیل می شود . بنابراین همه تابش ها تقریبا فرکانس یکسانی دارند. معمولا در لیزر از فرایند گسیل القایی استفاده می شود برای داشتن گسیل القایی طولانی مدت به مولکول هایی شامل دو تراز که تراز بالایی آن پر و تراز پایینی آن خالی باشد نیاز داریم. اما آنچه که نظریه های کوانتومی بیان می کند این است که بنا به قاعده گزینش در اتم ها ابتدا تراز های پایین تر پر می شوند بنابراین به وضعیت به وجود امده در لیزر وارونگی جمعیت گفته می شود.
انواع لیزرها:
لیزرها را می توان براساس شکل و ماده تولید کننده اشعه لیزر به انواع زیر تقسیم کرد:
- لیزرهای گازی
- لیزرهای جامد
- لیزرهای مایع
- لیزرهای نیمه رسانا
- لیزرهای گازی: یک مولد اشعه لیزر گازی از بخش های زیر تشکیل شده است:
الف- محیط فعال: اصلی ترین قسمت مولد لیزر محیطی است که بتواند نور لیزر را فعال و تقویت کند. در لیزر های گازی نوع خاصی گاز یا مخلوطی از چند گاز (هلیوم – نئون – آرگونو…) داخل یک اتاقک شفاف بدون درز در جریان است. گاز در حین جریان از میان دو الکترود که یکی دارای بار مثبت و دیگری بار منفی است می گذرد. الکترون هایی که بین دو الکترود جریان دارد باعث پمپ کردن الکترون های داخل اتم های گاز در حال جریان به تراز های انرژی بالاتر می شوند.به دلیل اینکه گاز می تواند جریان داشته باشد با جریان گاز در داخل لوله اتم های برانگیخته موقع دور شدن از الکترودها به تراز پایین تر انرژی می افتند.الکترونهای اتم های برانگیخته با افتادن به تراز انرزی پایین تر فوتون هایی گسیل می دارند. این فوتون ها بین آینه ها به جلو و عقب بازتاب می کند. وقتی که نور لیزری در سطح قابل استفاده برقرار شد باریکه از طریق آینه خروجی نیم شفاف خارج می شوداین تابش نسبتا تک فام هست زیرا عمل تحریک طوریست که عمل گذار بین تراز های یکسان اتفاق بیفتد. در مولد لیزرگازی عامل تحریک الکتریکی است که به دو صورت منبع مستقیم و یا متناوب استفاده می شود.
ب-دریچه های بروستر: در قسمت دیگر مولد لیزردردو جداره ابتدا وانتها از دو اینه صاف که با زاویه معلوم نسبت به افق قرار دارد استفاده می شود به چنین بخشی دریچه های بروستر گفته می شود کاربرد این دریچه ها در قطبیده کردن پرتو هااست (نور قطبیده به نوری گفته می شود که ارتعاشات ان دریک امتداد باشد . این دریچه ها برای یک جهت قطبیدگی خاص شفاف است ولی برای عبور قطبیدگی عمود بران ضریب عبور صفردارد وتمام نور باز تابیده خواهد شد . استفاده از این وسیله درلیزر موجب قطبیدگی خطی نورخروجی از لیزر خواهد شد .
ج-بازآواگر: باز اواگر وسیله ای اپتیکی است که ازدو آینه (تخت یا خمیده ) تشکیل می شود به طوری که محیط فعالدرمیان ان ها قرار دارد . تابش خروجی از محیط فعال پس از قطبیده شدن توسط دریچه های بروستر به یکی از این آینه ها برخورد کرده جزئی از پرتو عبور وجزئی ازان باز تاب میابد . پرتو بازتابیده دوباره مصیر محیط فعال ودریچه بروستر را پیموده وبه آینه سمت مقابل برخوردمی کند . به این ترتیب عمل عبورو باز تاب .بارها تکرار می شود نهایتا نور خروجی ازتقویت کننده در اثر رفت و امد بین دوآینه به صورت یک موج هم راستا وموازی درمی اید.لازم به ذکر است که برای خروج انرژی از بازاواگر یکی از دوآینه به طور جزئی شفاف است .
- لیزرهای جامد: لیزر جامد شامل یک ماده جامد نیمه شفاف نظیر یاقوت است که توسط یک پالس نور از یک لامپ جرقه زن گزنون به داخل یک وضعیت تحریک شده پمپ می شود لیزر یاقوت متداول ترین نوع لیزر جامد و اولین نوع لیزر ساخته شده است یک لیزر یاقوتی ساخته شده از سه بخش تشکیل می شود:
-استوانه ای از یاقوت مصنوعی
-یک چشمه نور مثل یک لامپ گزنون
-یک بازتابنده که نور را از لامپ گزنون به یاقوت هدایت می کند
- لیزرهای مایع : لیزرهایی که از مایعات به عنوان محیط فعال استفاده می کنند این مزیت را دارند که از گازها متراکم تراندو مایعات را می توان به گردش انداخته و خنک کرد. در سال۱۹۶۶ سوره کین ولانکارد در مرکز تحقیقات واتسون اولین لیزر رنگینه ای مایع را به معرض تماشا گذاشتند و از آن به بعد صدها رنگینه فلئورسنت پیدا کردند که عمل لیزری ایجاد می کنند در لیزر مایع رنگینه محیط فعال است که این رنگینه ها را محلول های برخی ترکیبات آلی از قبیل مایعاتی نظیز اتانول متانول یا آب تشکیل می دهد. رنگینه معمولا در مایع حلالی مثل الکل یا اتیلن گلوکل (ضد یخ)حل می شود .چشمه انرژی در لیزر رنگینه ای مایع معمولا لامپ درخشی یا لیزر دیگر است.رنگینه ها می توانند باریکه های لیزری را در گستره وسیعی از طول موج ها گسیل دارند و این مزیت بزرگ را دارند که قابل تنظیم هستند.
- لیزرهای نیمه رسانا: در لیزر نیمه رسانا که لیزر دیود نیز نامیده می شود از الکتریسیته به عنوان چشمه انرژی استفاده می شود. ساختار آن با سایر لیزر های جامد بسیار متفاوت است ولی خیلی شبیه دیود نور گسیل(LED)است. این نوع لیزر به علت کوچکی و قابلیت مدولاسیون برای فرکانس های بالا یک ابزار مهم بهعنوان منابع نور فیبر های نوری در مخابرات می باشد.
کاربردهای لیزر در پزشکی:
در حال حاضر کاربرد لیزر در پزشکی به خصوص در جراحی ها بسیار زیاد و متنوع است. مزایای جراحی لیزری برحسب نوع عمل و نوع لیزر و بعضی اوقات از حالتی به حالت دیگر متفاوت است حصول تمامی این مزایا به شرطی مقدور است که لیزر به طور صحیح مورد استفاده قرار گیرد بعضی از این مزایا عبارت است از:
- میدان جراحی خشک (بدون خون ریزی)
- کاهش اتلاف خون
- کاهش تورم
- انتقال از طریق رشته های نوری
- تداخل نداشتن با لوازم تحریک کننده
- دقت زیاد
- کاهش وسایل جراحی در زمینه عمل جراحی
- کاهش دردهای بعد از عمل
کاربرد لیزر در درمان بیماری های پوستی:
لیزرهای کم انرژی در درمان رگ های واریسی پوست و لکه های عروقی وماه گرفتگی و همچنین کاهش موهای زائد به کار می روند لیزر های کم انرژی در واقع اشعه های نورانی خنکی هستند که به سطح پوست نفوذ می کنند اما هیچ گونه تخریب یا عارضه ی بدی به جای نمی گذارند.
کاربرد لیزر در چشم پزشکی:
چند عارضه جدی چشم انسان از جمله اب مروارید و اب سیاه وانواع مختلفی از اسیب های شبکیه می توانند باعث کوری شوند امروزه بسیاری از این عارضه ها را می توان در جراحی لیزری چشم تصحیح کرد همچنین جراحی لیزری چشم لیزیک برای اصلاح نزدیک بینی و دور بینی و آستیگماتیسم کاربرد دارد.
استفاده از لیزر به عنوان چاقوی جراحی:
در چاقوی جراحی لیزری معمولا از لیزر های متمرکز شده مثل لیزر گازی دی اکسید کربن استفاده می شود. این باریکه اشعه به شدت توسط مولکول های اب موجود در بافت ها جذب می شود و موجب بخار شدن انها و در نتیجه برش بافت می شود.چاقوهای لیزری دقت جراحی ها را تاحد میکروسکوپی بالا برده است همچنین با محاسبات دقیق می توان در نواحی غیر قابل دسترس به جراحی با لیزر پرداخت مثل جراحی های حلق و نای و گوش میانی و جراحی های مغز و اعصاب و همچنین استفاده از لیزر به عنوان چاقوی جراحی امکان خونریزی های غیر قابل کنترل در حین جراحی را از بین برده است.
استفاده از لیزر در دندانپزشکی:
با استفاده از لیزر دندان پزشک قادر است بافت پوسیده دندان را بدون اسیب رساندن به مینا از حفرات خارج کند سایر موارد استفده لیزر در دندان پزشکی عبارتند از:
- تراشیدن زیر لثه با لیزر
- درمان زخم های دهانی و غیر حساس کردن عاج دندان های بی حفاظ
کاربرد لیزر در جراحی مغز:
اولین لیزر به کار گرفته شده در جراحی مغز لیزر گازی دی اکسید کربن بوده است همچنان توانسته است موجودیت خود را در این رشته حفظ کند لیزر دی اکسید کربن به علت کانونی شدنش به یک سوراخ کوچک از فاصله دور و همچنین دقت این دستگاه در کاربرد های میکروسکوپی ایده ال است. لیزر نئودینیوم-یاگ(یکی از انواع لیزر های جامد)یک لیزر الحاقی بسیار مفید دیگر در این زمینه است. این لیزر برای از بین بردن بسیاری از تومورهای عروقی به کار رفته است و اخیرا از ان در درمان ناهنجاری شریان و وریدی استفاده می شود.
موارد ایمنی کاربا لیزر:
ثابت شده که در بیماری های بدخیم لیزر قدرت فعال کردن بیماری را دارد بنابراین استفاده از این اشعه در مبتلایان به بدخیمی ممنوع است.به دلیل همین اثر تحریک زیستی لیزر قادر است تیروئید را پر کار کند پس در بیماران مبتلا به پر کاری تیروئید نباید استفاده شود. البته اگر با دقت زیاد و در منطقه ای خاص به کار رود خطر ساز نخواهد بود.در درمان مشکلات بیماران مبتلا به صرع هم بهتر است برای درمان لیزر به کار نرود از دیگر موارد منع استفاده از لیزر بارداری است چون هنوز بی خطر بودن آن برای جنین اثبات نشده است به جز این موارد باید به خاطر داشت که تاباندن مستقیم نور به شبکیه چشم خطرناک است و باید از این کار اجتناب کرد. قبل از شروع درمان با لیزر باید به بیمار هشدار داد که هیچ گونه مواد دارویی یا آرایشی روی پوست خود استفاده نکند. در صورت وجود این مواد با تاباندن لیزر خطر ایجاد اسیب های زیادی در بافت توسط انرژی فوتون ها وجود دارند.
نویسنده: دکتر محمد مهربهشتی
