این نور همه کاره است

اولین لیزر گازی در سال ۱۹۶۱ توسط پروفسور علی جوان و همكارانش در آزمایشگاه بل ساخته شد كه در آن از مخلوط گازهای هلیوم ونئون به عنوان محیط لیزری, استفاده شده بود

● لیزر و كاربرد آن در پزشكی و دندانپزشكی

كلمه لیزرخلاصه شده عبارت ‎‏ ‏Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation‏ به معنی تقویت نور به‌ وسیله گسیل تحریكی تابش است. در ۱۶ مه ۱۹۶۰ دكترتئودورمایمن ‏‎ Theodor Maimen)‎‏) اولین لیزر را در آزمایشگاههای شركت هوایی هیوز در كالیفرنیای آمریكا با موفقیت به كار انداخت. در این آزمایش میله‌ای از یاقوت مصنوعی در درون لامپ درخش مارپیچی قرار گرفته بود و دو انتهای تخت یاقوت به دقت صیقلی و با نقره پوشش داده شده بود. ظهور ناگهانی نور قرمز لیزر كه روشنتر از نور خورشید بود، از انتهای یاقوت بیرون جست و به این طریق انرژی مهار شده ولیزر اختراع شده بود.

اولین لیزر گازی در سال ۱۹۶۱ توسط پروفسور علی جوان و همكارانش در آزمایشگاه بل ساخته شد كه در آن از مخلوط گازهای هلیوم ونئون به عنوان محیط لیزری، استفاده شده بود. در همان آزمایشگاه اولین لیزر نئودمیوم ( ‏neodmium‏) توسط جانسون و همكارانش ساخته شد. لیزر نیمه رسانا نیز برای اولین بار در سال ۱۹۶۲ توسط هال در آزمایشگاه تحقیقات الكتریكی عمومی طراحی و پیاده‌سازی شد. همزمان با آن، تحقیقات گسترده‌ای برای ساخت لیزر اگزایمر در سال ۱۹۷۵ توسط اوینگ ( ‏Ewing‏) انجام شده است. سرانجام در سال ۱۹۸۵ مهمترین نوع لیزر، لیزر اشعه ایكس، توسط ماتئوس (‏Matteus‏) و همكارانش در لیورمور ساخته شد. ‏

● خواص نور لیزر و كاربرد‌های آن

از نخستین روزهای ساخت لیزر پی برده شد كه نور لیزر خواص مشخصه‌ای دارد كه آن را از نورهای ایجاد شده از سایر منابع، متمایز می‌كند. در ابتدا به این ویژگی‌ها و نحوه ایجاد آنها توسط لیزر اشاره خواهیم كرد.

لیزر دارای سه ویژگی مهم است:

▪ تك‌فامی

در توضیح این ویژگی لازم است ابتدا با مفهوم گسیل القایی ( نشر القایی)آشنا شویم. گسیل پرتو توسط الكترونهای برانگیخته در داخل اتم به دو صورت است:

۱) گسیل خود به‌خودی

۲) گسیل القایی

فرض كنید ‏‎۱ ‎‏ ‏e‏ و ‏e۲‎‏ دو تراز متوالی از یك اتم با انرژی‌های ‏‎۱‎‏ ‏E‏ و‏‎۲‎‏ ‏E‏ باشد و الكترونی در تراز ‏‎ e۱ در حالت پایه خود قرار گرفته باشد. اگر به هر دلیلی این الكترون از‎ ‎تراز ‏‎۱‎‏ ‏e‏ به تراز بالاتر ‏‎۲‎‏ ‏e‏ برود گفته میشود اتم تحریك شده است یا در حالت برانگیخته قرار دارد. چون این حالت یك حالت‏‎ ‎‏ ناپایدار است اتم تمایل دارد هرچه زودتر به حالت پایدار باز گردد. به همین دلیل الكترون مزبور بلافاصله به حالت قبلی در تراز‏‎۱‎‏ ‏e‏ بر خواهد گشت. از طرفی چون این دو تراز اختلاف انرژی ‏‎۱‎‏ ‏E‏ ‏E ۲-‎‏ دارد بنا بر اصل پایستگی انرژی، انرژی اضافی الكترون به صورت تابش با فركانس ‏V، حین بازگشت به تراز اول گسیل می‌شود. به این فرآیند گسیل خودبه‌خودی گویند. حال اگر الكترونی در تراز‏‎۲‎‏ ‏e‏ در حالت پایه خود قرار داشته باشد و ما به طریقی اتم را تحریك كنیم ( میدان الكترومغناطیسی، تابش، حرارت و... ) در اثر این القا الكترون مزبور تراز ‏‎۲‎‏ ‏E‏ را ترك نموده وبه تراز ‏‎ E۱‎برود و حین این انتقال ( بنا به اصل پایستگی انرژی ) تابش گسیل كند به این تابش گسیل القایی یا نشر القایی گویند. ‏

‏هر كدام از این فرآیندها ویژگی‌های خاص خود را دارد. در گسیل خودبه‌خودی تابش‌های گسیل شده به صورت كاتوره‌ای و در تمام جهات گسترده است. اما در گسیل القایی جهت تابش در یك راستای معین خواهد بود. از طرفی در گسیل خودبخودی فوتونهای تابشی در اثر گزار بین اتمهای ترازهای اتمی یا مولكولی مختلف و متفاوت از هم به وجود می‌آیند پس این تابش‌ها طیف گسترده‌ای از فركانس‌ها را شامل می‌شود. ‏

اما در گسیل القایی تابش در اثر گزار بین ترازهای اتمی یا مولكولی مشابه گسیل می‌شود. بنابراین همه تابش‌ها تقریبا فركانس یكسانی دارد. معمولا در لیزر از فرآیند گسیل القایی استفاده می‌شود. اما برای داشتن گسیل القایی طولانی مدت به مولكول‌هایی شامل دوتراز كه تراز بالایی آن پروتراز پایینی آن خالی باشد، نیاز داریم. اما آنچه كه نظریه‌های كوانتومی بیان می‌كنند این است كه بنا به قاعده گزینش در اتم‌ها ابتدا ترازهای پایین‌تر پر می‌شود. بنابراین به وضعیت به‌وجود آمده در لیزر، وارونگی جمعیت گویند. نحوه ایجاد وارونگی جمعیت بسته به نوع لیزر متفاوت است. مثلا در لیزر هلیوم نئون مخلوط كردن این دو گاز منجر به جفت شدن برخی تراز‌ها ی اتمی آن دو شده و وارونگی جمعیت مورد نیاز را تامین می‌كند. به این ترتیب لیزر قادر به ایجاد تابشی تك فركانس خواهد بود. با این وجود برای تك فركانس شدن بیشتر از یك عنصر اپتیك مانند بازآواگر( سنجه) نیزدر لیزر استفاده می‌شود. ‏

ویژگی تك‌فامی نور لیزر بیشتر كاربرد شیمیایی دارد. به عنوان مثال برای جدا سازی ایزوتوپ‌های یك عنصر به یك منبع تك‌فام مانند لیزر نیاز است. ایزوتوپ‌های یك عنصر از نظر محتوا باهم متفاوت است پس فركانس‌های جذب آنها نیز اندكی متفا وت خواهد بود كه تنها نور لیزر قادر به تفكیك آنها است. تمایل زیاد به استفاده از این كاربرد در صنایع هسته‌ای نیز غیرمنتظره نیست. ‏

▪ همدوسی

تابش الكترو مغناطیس به وسیله بارهای الكتریكی نوسان كننده تولید می‌شود. بسامد نوسان نوع تابشی را كه گسیل می‌شود، معین می‌كند. اگر در یك چشمه، بارها ی الكتریكی به طور هماهنگ نوسان كند چشمه را همدوس و تابش حاصل را تابش همدوس می‌نامیم. همانطور كه قبلا گفته شد در لیزر از گسیل القایی استفاده می‌شود.

در این فرآیند می‌توان اتم را به نحوی تحریك كرد كه همه الكترونهای برانگیخته فقط به تراز‌های خاصی برود و در نتیجه فركانس تابشی آنها همه در یك محدوده خواهد بود. پس تمام این تابش‌ها با هم هماهنگ است كه این همان تعریف چشمه همدوس است. از همدوسی نور لیزر می‌توان در تمام‌نگاری استفاده كرد. تمام‌نگاری روشی جهت تهیه تصاویر سه بعدی است. در این روش تصویر ویژه‌ای به نام تمام نگاشت روی فیلم عكاسی تشكیل می‌شود كه بر خلاف دیگر تصاویر متداول عكاسی، حاوی اطلاعاتی نه تنها پیرامون شدت بلكه در مورد فاز نور بازتابیده از جسم نیز هست. واضح است كه منبع نور آشفته چون خود دارای پرتو هایی با فازهای مختلف است قادر به تشكیل چنین تصویری نخواهد بود. تنها مشكل موجود برای چنین تصاویری آن است كه تنها امكان تهیه تمام نگاشت‌های تك‌فام وجود دارد زیرا برای تشخیص رنگهای واقعی جسم باید از تابش طول موج‌های مختلف به طور همزمان استفاده كرد كه در آن صورت اطلاعات مربوط به فاز از بین می‌رود. ‏

▪ شدت زیاد

شدت زیاد، خاصیتی است كه بیش از سایر موارد همراه نور لیزر است و در حقیقت لیزرها بالاترین شدت‌های شناخته شده روی زمین را ایجاد می‌كند. از آنجا كه لیزر باریكه‌ای موازی از نور را نه در تمام جهت‌ها، بلكه در راستای مشخصی گسیل می‌كند. مناسب‌ترین معیار شدت، تابیدگی است. بنا بر رابطه بین توان تابش شده وتابیدگی: ‏I = P / A‏ كه در آن ‏P‏ توان و ‏A‏ مساحت است می‌توان در مورد شدت‌ها ی زیاد بحث كرد. ازآنجایی كه خروجی منابع نور معمولی اكثرا پرتو‌های واگرا است با دور شدن از چشمه به علت افزایش مساحت با ثابت ماندن توان (توان به ویژگی خود چشمه بستگی دارد )میزان شدت آن كاهش می‌یابد اما در لیزر به علت موازی بودن پرتوها، هر چه فاصله از منبع بیشتر شود با ثابت ماندن توان، مساحت سطح مقطع باریكه خروجی نیز تقریبا ثابت است و در نتیجه شدت در فاصله دوراز منبع همان مقداری را دارد كه پرتو خروجی از منبع دارد. ‏

اما اینكه چرا شدت خروجی از لیزر تا به این اندازه زیاد است، به توان لیزر بر می‌گردد. داخل لیزر سیستمی وجود دارد كه نور ورودی به هنگام خروج تقویت می‌شود. همچنین با استفاده از ابزارهای اپتیك مناسب در لیزر می‌توان به شدت‌هایی دست یافت كه از شدت خود منبع فراتر رود. ‏

لازم به توضیح است كه شدت نور خروجی از لیزر دارای توزیع گوسی است، یعنی شدت برای لحظه كوتاهی بیشترین مقدار خود را دارد. در ابتدا یك صعود ودر انتها یك نزول برای آن وجود دارد. پس یك طول عمر برای شدت حداكثر می‌توان تعریف كرد. طول عمر شدت ماكزیمم معمولا خیلی كوتاه است. یكی از كاربرد‌های كوتاه بودن عمر شدت‌های بالا در هرتپ، در چشم پزشكی است. مثلا پارگی شبكیه را كه باعث كوری موضعی می‌شود می‌توان با جوشكاری نقطه‌ای توسط تپ‌های پر شدت نور حاصل از لیزر آرگون با بافت نگهدارنده آن متصل كرد. به علت كوتاه بودن عمر یك تپ، حین عمل نیازی به بیهوشی، بی حركت كردن طولانی چشم و... وجود ندارد. در كاربرد‌های دیگر پزشكی كوتاه بودن طول عمرتپ مانع از احساس درد در بیماران می‌شود. چرا كه زمان هرتپ بسیار كوتاهتر از زمان لازم برای فرستادن پیغام توسط اعصاب به مغز و بازگشت آن به محل درد است. ‏

● ساختمان لیزر

ساختار اصلی در اكثر لیزرها مشابه است. لیزر در واقع یك نوسان كننده اپتیك است كه از یك محیط تقویت‌كننده نور كه در داخل یك بازآواگر قرار دارد تشكیل می‌شود. پس اصلی‌ ترین قسمت در لیزر محیطی است كه بتواند نور عبوری را تقویت كند. در لیزر‌های گازی از مخلوط یك یا چند گاز ( هلیوم، نئون، آرگون و... ) به صورت خالص به عنوان محیط تقویت كننده استفاده می‌شود. بخار فلزی كادمیوم، جیوه، سرب و... نیز در لیزر‌های گازی كاربرد دارد. از انواع دیگر لیزر‌های گازی، لیزر مولكول ازت( ‏‎۲‎‏ ‏N‏) و لیزر دی اكسید كربن (‏CO۲‎‏) است.‏

محیط تقویت كننده معمولا توسط یك محرك بیرونی به كار می‌افتد و شروع به تابش می‌كند. در اثر این تحریك، الكترون‌های هر اتم مدار خود را ترك كرده به مدار پایین تر در اتم مربوط می‌رود. جهت برقراری اصل پایستگی انرژی (به علت وجود اختلاف انرژی بین دو مدار) حین این گذار تابش خواهند كرد. این تابش نسبتا تك فام است زیرا عمل تحریك طوری است كه عمل گذار بین تراز‌های یكسان اتفاق بیفتد. در لیزر نشان داده شده این محرك استفاده از روش تخلیه جریان الكتریكی است كه به دو نوع تخلیه جریان مستقیم و تخلیه جریان متناوب در لیزر‌های گازی متداول است. روش تخلیه جریان متناوب ساده‌ترین روش تحریك است چرا كه منبع تغذیه می‌تواند یك مبدل عمومی ولتاژ كه به الكترود‌های فلزی سرد در داخل لامپ متصل می‌شود، باشد. از روش‌های دیگر بر انگیزش الكتریكی محیط لیزری، می‌توان روش تخلیه الكترودی با بسامد بالا ( كه در اولین لیزر هلیوم نئون ساخته شده توسط جوان و همكارانش استفاده شده بود. ) و روش تپ‌های فشار قوی ( برای استفاده در لیزر‌های تپی پر توان) اشاره كرد. ‏

در قسمت دیگر یك لیزر در دوجداره ابتدا و انتها از دو آینه صاف كه با زاویه معلوم نسبت به افق به طور موازی با هم قرار دارد، استفاده می‌شود به چنین سیستم اپتیك، دریچه‌های بروستر گفته می‌شود. كاربرد این دریچه‌ها در قطبیده نمودن پرتوهاست. این دریچه‌ها برای یك جهت قطبیدگی خاص شفاف است ولی برای عبور قطبیدگی عمود بر آن ضریب عبور صفر است و تمام نور بازتابیده خواهد شد. استفاده از این وسیله در لیزر موجب قطبیدگی خطی نور خروجی از لیزر خواهد شد. ‏

قسمت مهم دیگر لیزر استفاده از بازآواگر است. بازآواگر وسیله‌ای اپتیكی است كه از دو آینه (تخت یا خمیده) تشكیل می‌شود به طوری كه محیط تقویت كننده در میان آنها قرار دارد. تابش خروجی از تقویت كننده پس از قطبیده شدن توسط دریچه‌های بروستر به یكی از این آینه‌ها برخورد نموده جزئی از پرتو عبور و جرئی از آن بازتاب می‌یابد. پرتو بازتابیده دوباره مسیر محیط تقویت كننده و دریچه بروستر را پیموده و به آینه سمت مقابل بر خورد می‌كند. به این ترتیب عمل عبور و بازتاب بار‌ها تكرار می‌شود. نهایتا نور خروجی از تقویت كننده در اثر رفت و آمد بین دو آینه به صورت یك موج ایستاده در می‌آید. لازم به ذكر است كه برای خروج انرژی از بازآواگر دو آینه به طور جزئی شفاف است. ویژگی پرتو خروجی از بازآواگر تك فام بودن آن است. در وواقع بازآواگر عمل گزینش فركانس را انجام می‌دهد. ‏

محیط لیزری، دریچه‌های بروستر، آینه‌های بازآواگر، سیستم مربوط به محرك، محیط لیز كننده و سایر جزئیات مورد نیاز مانند لایه محافظ و شفاف آلومینیومی جهت جلوگیری از خروج انرژی از دیواره‌ها و بازتاب آن به داخل محیط تقویت كننده در شكل نشان داده شده است. ‏

نویسنده: دكتر مجتبی صلوتی، گروه میكروبیولوژی، دانشگاه آزاد اسلامی زنجان

منابع:‏

‏۱) لیزر، تكنولوژی جدید نور، تالیف: چارلن بیلینگز، ترجمه: ناصر مقبلی

‏۲) لیزر در پزشكی، تالیف: استفان جوفی، ترجمه: دكتر حبیب تجلی

---