آشنايي با ساختار ليزرها و انواع ليزرهاي موجود
مقدمه
نور ليزر نوع كاملاً جديدي از نور است و درخشانتر و شديدتر از نوري است كه در طبيعت يافت مي شود.نور ليزر مي تواند سخت ترين فلزات را سوراخ كند، يا به راحتي از جسم سختي مثل الماس عبوركند و در آن ايجاد حفره كند. بر عكس باريكه هاي كم قدرت و فوق العاده دقيق انواع ديگر ليزر را مي توان براي انجام كارهاي بسيار ظريف مثل جراحي روي چشم انسان به كار برد.
نور ليزر را مي توان خيلي دقيق كنترل كرد و بصورت باريكه مداومي به نام موج پيوسته يا انفجارهاي
سريعي به نام پالس استفاده كرد.
در پزشكي ليزرها كاربردهاي جديدي در درمان توسط ليزر پيدا كرده اند.در صنعت از ليزرها براي عمليات گرمايي فلزات به كار گرفته شده است.همچنين ليزرها را همراه با فيبرهاي نوري براي انتقال بهتر داده ها و بهبود ارتباط تلفني بكار مي برند.در تكنولوژي ديسكهاي فشرده از باريكه هاي ليزري براي رمزگذاري اطلاعات و خواندن آنها استفاده مي شود.نور معمولي مثلاً نور رشته چراغ از ميليونها اتم كه ذره هاي نور را در دراز مدت در تمامي جهات منتشر مي كنند، ايجاد مي شود. اما نور ليزر از ميليونها اتم موجود در بلور، مخلوط گازي يا يك ديود نيمه هادي پديد مي آيد كه همگي ذرات نور را باهم و دقيقاً در يك جهت گسيل مي كنند. نور در واقع نوعي از انرژي است، كه در نور معمولي اين انرژي نامرتب و ناهماهنگ است. كارهايي كه نور معمولي مي تواند انجام دهد بسيار محدودند. مثلاً نور معمولي مي تواند روشنايي توليد كند يا اگر به قدر كافي نيرومند باشد
مي تواند جسمي را بسوزاند.اما در نور ليزر انرژي كاملاً متشكل و هماهنگ است و اشعه ليزر قدرت زيادي براي انجام كارهاي مختلف دارد.
مخفف عبارت: (LASER) واژه ليزر
(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)
مي باشد. « تقويت نور به وسيله انتشار تحريك شده تشعشع » به معني مسئله اصلي در توليد اشعه ليزر، كنترل نوسانهاي الكتروني درون اتم ها است، به نحويكه تمامي توده اتم ها بتوانند ذرات نور را با هم پرتاب كنند.در دهه 1950 ، فيزيكدان آمريكايي ”چارلز تاونير“ توانست به راه حل اين مشكل دست يابد.در سال 1960 دانشمند ديگر آمريكايي ”تئودور مايمن“ توانست نخستين ابزار مولد ليزر را كه ليزر ياقوتي بود را بسازد.
خواص اشعه ليزر
اشعه ليزر داراي ماهيتي مشابه نور معمولي است، يعني اجزاء تشكيل دهنده آن همان فوتون ها هستند، اما داراي سه خاصيت مهم است كه آنرا از نور معمولي متمايز مي كند.
اين سه خاصيت عبارتند از:
(Monochromatic)١) تك فامي
(Collimated) ٢) هم راستايي
(Coherent) ٣) همدوسي
(Monochromatic) -1 تك فامي
نور ليزر تنها داراي يك طول موج و يا به عبارت ديگر يك رنگ تنها مي باشد، كه اين خاصيت را خاصيت تك فامي نور ليزر مي نامند. براي توليد نور تك رنگ كافي است، منبع توليد اشعه ليزر تنها با يك فركانس مشخص تحريك شود تا نور ليزر با همان فركانس توليد شود.البته هنگام دريافت انرژي به دليل متحرك بودن مولكولها يا اتم، فوتون هاي ساطع شده از آنها در اثر پديده داپلر مقداري تغيير فركانس داده و فركانسي متمايز با فركانس تحريك خواهند داشت.بنابراين نور ليزر دقيقاً تك فركانس نبوده بلكه داراي طيف باريكي از فركانس مي باشد.
(Directionality) -2 هم راستايي
اشعه ليزر معمولاً به صورت يك اشعه كاملاً باريك و موازي توليد مي شود كه قادر است مسافتهاي طولاني را با پراكندگي خيلي كم طي كند. براي ايجاد نور باريك ليزر، در محفظه مولد اشعه ليزر از آينه هاي خاصي استفاده شده است كه باعث مي شود اشعه ليزر در راستاهاي مختلف توسط آينه ها بازتاب كرده و تنها از مسير مشخص شده و به طور موازي خارج شود.
(Coherence) -3 همدوسي
خاصيت همدوسي در نور ليزر بدين معنا است كه امواج توليد شده نور ليزر كاملاً هماهنگ بايكديگر در زمان و مكان حركت كرده و يا به عبارت ديگر با هم فاز هستند.
ماهيت اشعه ليزر
ماهيت اشعه ليزر با ماهيت نور معمولي يكي است اما تفاوت عمده آن در نحوه گسيل پرتو ها است.
گسيل پرتوها توسط الكترونهاي برانگيخته در اتم، به دو صورت امكان پذير است:
١) گسيل خودبه خودي
٢) گسيل القايي
(Spontaneous Emission) -1 گسيل خودبخودي
اگر به الكترون هاي يك اتم انرژي داده شود، برانگيخته شده و به سطح انرژي بالاتر مي روند.
الكترون هاي برانگيخته تمايل دارند به مدارهاي با انرژي كمتر فرو افتند.اين فرو افتادن با از دست دادن انرژي به صورت اامواج الكترومغناطيسي همراه است. نور لامپهاي روشنائي، نور خورشيد و نور چراغهاي نئون همگي از اين نوع هستند.
(Stimulated Emission) -2 گسيل القايي
اگر الكتروني در آغاز در سطح پرانرژي يا سطح انرژي بالاتر جا داشته تحريك شود، الكترون مجبور به فرو افتادن hä باشد و با فوتوني با انرژي به سطح انرژي پايين تر خواهد شد.در اين فرو افتادن اتم فوتوني در همان راستاي فوتون تحريك كننده تابش مي كند.
تفاوت بين گسيل خودبخودي و القايي
در گسيل خودبه خودي تابش هاي گسيل شده در تمام جهات گسترده است. اما در گسيل القايي جهت تابش در يك راستاي معين خواهد بود.در گسيل خودبخودي فوتونهاي تابشي در اثر گزار بين اتمهاي ترازهاي اتمي يا مولكولي مختلف و متفاوت از هم به وجود مي آيند و اين تابش ها طيف گسترده اي از فركانس ها را شامل مي شود.اما در گسيل القايي تابش در اثر گزار بين ترازهاي اتمي يا مولكولي مشابه گسيل مي شود. بنابراين همه تابش ها تقريبا فركانس يكساني دارند.
ماده فعال و وارونگي جمعيت
درصورتيكه اكثر اتم هاي يك ماده برانگيخته باشند و اگر تابشي با فركانس مناسب از اين ماده عبور كند، اين تابش به وسيله ماده تقويت خواهد شد. به چنين ماده اي ماده فعال يا محيط فعال گويند. برانگيخته كردن اتم هاي ماده فعال را دمش يا پمپاژ گويند. در اين حالت گفته مي شود جمعيت اتم ها يا مولكول هاي ماده فعال وارونه شده است.در توليد نور ليزر دمش ممكن است به صورت اپتيكي، الكتريكي و يا شيميايي باشد.محيط فعال نيز ممكن است به صورت جامد، مايع يا گاز باشد.
انواع ليزرها
ليزرها را مي توان بر اساس شكل و ماده توليدكننده اشعه ليزر به انواع زير تقسيم كرد:
1) ليزرهاي جامد
2) ليزرهاي گازي
3) ليزرهاي مايع
4)ليزرهاي نيمه رسانا
-1 ليزرهاي جامد
ليزر جامد شامل يك ماده جامد نيمه شفاف، نظير ياقوت است كه توسط يك پالس نور از يك لامپ جرقه زن گزنون، به داخل يك وضعيت تحريك شده پمپ مي شود.ليزر ياقوت، متداول ترين نوع ليزر جامد و اولين نوع ليزر ساخته شده است.
يك ليزر ياقوتي ساده از سه بخش تشكيل مي شود:
– استوانه اي از ياقوت مصنوعي،
– يك چشمه نور مثل يك لامپ گزنون
– يك بازتابنده كه نور را از لامپ گزنون به ياقوت هدايت مي كند
استوانه ياقوتي ، بخش اصلي دستگاه است . قطر آن در حدود 5 تا 7.5 سانتيمتر است. و طولش 5دو قاعده استوانه صيقل خورده و نقره اندود شده است تا آينه كاملي باشد. قاعده ديگر نيز نقره اندود است ولي نه كاملاً به طوري كه مي تواند اندازه كمي از نور را از خود عبور دهد.
-1 ليزرهاي جامد
ياقوت ها به طور طبيعي در طبيعت يافت مي شوند، اما به طور مصنوعي نيز از بلور اكسيد آلومينيوم كه در آن تعداد نسبتاً كمي اتم كروم معلق وجود دارد، ساخته مي شوند. اتمهاي كروم از طريق گسيل القايي، كوانتوم نور توليد مي كنند. اتمهاي اكسيژن و آلومينيم كه بقيه بلور را تشكيل مي دهند فقط اتمهاي كروم را در جايشان نگه مي دارند.اتمهاي كروم نسبتاً بزرگ هستند و تعداد زيادي الكترون در مدارهايشان دارند.
اتم هاي كروم، طول موج هاي بنفش، آبي و سبز را از نور سفيد جذب مي كنند كه باعث مي شود، به يك وضعيت انرژي بالاتر پمپ شوند. برخي از اتم هاي كروم برانگيخته شده به سطح يكم و باقيمانده به سطح دوم
انرژي بر مي گردند. برگشت به سطح دوم بدون تابش پرتو بوده و امواج گرمائي به وجود مي آورد.
نخستين فوتون توليد شده در اثر برخورد با اتم برنگيخته شده ديگر، دومين فوتون را از اتم همسايه خود بيرون مي اندازد. دو فوتون ياد شده بر اثر برخورد با اتم هاي برانگيخته شده ديگر دو فوتون بيرون مي اندازند و روي هم رفته چهار فوتون به وجود مي آيد. اين كار چندين بار تكرار مي شود تا شمار بسياري فوتون همدوس به وجود آيد.
-2 ليزرهاي گازي
يك مولد اشعه ليزر گازي از بخشهاي زير تشكيل شده است:
الف) محيط فعال يا تقويت كننده
ب) دريچه هاي بروستر
ج) بازآواگر
الف) محيط فعال (تقويت كننده
اصلي ترين قسمت مولد ليزر محيطي است كه بتواند نور ليزر را فعال و تقويت كند. در ليزرهاي گازي نوع خاصي گاز يا مخلوطي از چند گاز ( هليوم، نئون، آرگون و... ) داخل يك اتاقك شفاف بدون درز در جريان است.گاز در حين جريان از ميان دو الكترود كه يكي داراي بار مثبت و ديگري بار منفي است، مي گذرد.
الكترونهايي كه بين دو الكترود جريان دارند باعث پمپ كردن الكترونهاي داخل اتمهاي گاز در حال جريان به ترازهاي انرژي بالاتر مي شوند. به دليل اينكه گاز مي تواند جريان داشته باشد، با جريان گاز در داخل لوله، اتم هاي برانگيخته موقع دور شدن از الكترودها به تراز انرژي پايين تر مي افتند.
الكترون هاي اتم هاي گاز برانگيخته با افتادن به تراز انرژي پايين تر فوتون هايي گسيل مي دارند. اين فوتونها بين آينه ها به جلو وعقب بازتاب مي كنند. وقتي كه نور ليزري در سطح قابل استفاده برقرار شد، باريكه از طريق آينه خروجي نيم شفاف خارج مي شود .اين تابش نسبتا تك فام است، زيرا عمل تحريك طوري است كه عمل گذار بين تراز هاي يكسان اتفاق بيفتد. در مولد ليزر گازي، عامل تحريك، الكتريكي است كه به دو صورت منبع مستقيم و يا متناوب استفاده مي شود.
ب) دريچه هاي بروستر
در قسمت ديگر مولد ليزر در دوجداره ابتدا و انتها، از دو آينه صاف كه با زاويه معلوم نسبت به افق قرار دارند، استفاده مي شود به چنين بخشي، دريچه هاي بروستر گفته مي شود.كاربرد اين دريچه ها در قطبيده كردن پرتوهاست. (نور قطبيده به نوري گفته مي شود كه ارتعاشات آن در يك امتداد باشد)اين دريچه ها براي يك جهت قطبيدگي خاص شفاف است ولي براي عبور قطبيدگي عمود بر آن ضريب عبور صفر دارد و تمام نور بازتابيده خواهد شد. استفاده از اين وسيله در ليزر موجب قطبيدگي خطي نور خروجي از ليزر خواهد شد.
ج) بازآواگر
بازآواگر وسيله ي اپتيكي است كه از دو آينه (تخت يا خميده) تشكيل مي شود به طوري كه محيط فعال در ميان آنها قرار دارد.تابش خروجي از محيط فعال پس از قطبيده شدن توسط دريچه هاي بروستر به يكي از اين آينه ها برخورد كرده جزئي از پرتو عبور و جرئي از آن بازتاب مي يابد. پرتو بازتابيده دوباره مسير محيط فعال و دريچه بروستر را پيموده و به آينه سمت مقابل بر خورد مي كند. به اين ترتيب عمل عبور و بازتاب بار ها تكرار
مي شود.نهايتاً نور خروجي از تقويت كننده در اثر رفت و آمد بين دو آينه به صورت يك موج هم راستا و موازي در مي آيد.لازم به ذكر است كه براي خروج انرژي از بازآواگر يكي از دو آينه به طور جزئي شفاف است.
انواع ليزرهاي گازي
ليزر هليم- نئون:اكنون ليزرگازي هليم-نئون يكي از معمولترين ليزرهاي گازي است. همانطور كه از اسم آن بر مي آيد، محيط فعال تقريباً شامل مخلوطي از ده قسمت گاز هليم و يك قسمت گاز نئون است.در ليزرهاي گازي هليم- نئون باريكه ي ليزري توسط اتم هاي نئون ايجاد مي شود.ليزرهاي گازي هليم-نئون آنقدر ايمن هستند كه در مدارس و آزمايشگاه ها براي آزمايش بكار مي روند. از ديگر مصارف اين ليزرها درصنايع ساختماني و نمايشهاي هنري است.اندازه ليزرهاي هليم -نئون كوچك و نسبت به ساير ليزرها ازانترند.
ليزر آرگون:
برعكس ليزر هليم - نئون ليزر آرگون بر اساس گذار بين دو تراز انرژي اتم يونيزه كار مي كند.براي تك يونيدن اتم هاي آرگون يعني خارج كردن يك الكترون از هر اتم بايد مقدار قابل ملاحظه اي انرژي به گاز آرگون داده شود از اين رو منابع تغذيه يك ليزر آرگوني قطورتر و به مراتب پيچيده تر از منابع تغذيه ليزر هليم- نئون
هستند، هر چند خروجيهاي حاصل از آن بسيار بزرگترند با اين حال، كارآيي كلي تقريبا يكسان است.
ليزر كريپتون:اين ليزر تقريباً با ليزر آرگون يكسان است به جز اينكه لوله با گاز كريپتون پر مي شود.اين ليزر يك ناحيه جديد از طول موجها را در زرد و قرمز و يا سبز- آبي ايجاد مي كند.
ليزر دي اكسيد كربن:
اين نوع ليزر كارآمد ترين ليزر گازي و پرتوان ترين ليزر پيوسته و يكي از ليزرهاي چندكاره موجود در بازار مي باشند. 50موج پيوسته در طول موج -500w اين ليزر داراي توان خروجي 6.10ميكرومتر فرو سرخ مي باشد.ليزرهاي گازي دي اكسيد كربن در مقايسه با انواع ديگر ليزرها بازده بيشتري دارند و براي برش پلاستيك، لاستيك و فلزات تا ضخامت يك سانتيمتر به كار مي روند.
باريكه خروجي ليزر دي اكسيدكربن وقتي كانوني شود، مي تواند صفحات الماس و فولاد ضخيم را در عرض چند ثانيه برش دهد.
3. ليزرهاي مايع
ليزرهايي كه از مايعات به عنوان محيط فعال استفاده مي كنند، اين مزيت را دارند كه از گازها متراكم ترند و مايعات را مي توان به گردش انداخته و خنك كرد.
درسال 1966 سوره كين و لانكارد در مركز تحقيقات واتسون اولين ليزر رنگينه اي مايع را به معرض تماشا گذاشتند. از آن به بعد صدها رنگينه فلوئورسنت پيدا كرده اند كه عمل ليزري ايجاد مي كنند.در ليزر مايع، رنگينه محيط فعال است كه اين رنگينه ها را محلولهاي برخي تركيبات آلي رنگين از قبيل مايعاتي نظير اتانول ، متانول يا آب تشكيل مي دهد.رنگينه معمولاً در مايع حلالي مثل الكل يا اتيلن گلوكول (ضد يخ)، حل مي شود. چشمه انرژي در ليزر رنگينه اي مايع معمولاً لامپ درخشي يا يك ليزر ديگر است. رنگينه ها مي توانند باريكه هاي ليزري را در گستره وسيعي از طول موجها گسيل دارند و اين مزيت بزرگ رادارند كه قابل تنظيم هستند.
4. ليزرهاي نيمه رسانا
در ليزر نيمه رسانا كه ليزر ديود نيز ناميده مي شود، از الكتريسته به عنوان چشمه انرژي استفاده مي شود.ساختار آن با ساير ليزرهاي جامد بسيار متفاوت است ولي خيلي است. (LED) شبيه ديود نور گسيل
اين نوع ليزر به علت كوچكي و قابليت مدولاسيون براي فركانسهاي بالا، يك ابزار مهم به عنوان منابع نور فيبرهاي نوري در مخابرات مي باشد.
كاربردهاي ليزر در پزشكي
در حال حاضر كاربرد ليزر در پزشكي به خصوص در جراحي ها بسيار زياد و متنوع است. مزاياي جراحي ليزري بر حسب نوع عمل، نوع ليزر و بعضي اوقات از حالتي به حالت ديگر متفاوت است.حصول تمامي اين مزايا به شرطي مقدور است كه ليزر به طور صحيح مورد استفاده قرار گيرد.
بعضي از اين مزايا عبارت است از:
–ميدان جراحي خشك (بدون خونريزي)،
–كاهش اتلاف خون،
–كاهش تورم،
–انتقال از طريق رشته هاي نوري،
–تداخل نداشتن با لوازم تحريك كننده،
–دقت زياد
–كاهش وسايل جراحي در زمينه عمل جراحي،
–كاهش درد هاي بعد از عمل
كاربرد ليزر در درمان بيماريهاي پوستي:
ليزرهاي كم انرژي در درمان رگ هاي واريسي پوست، لكه هاي عروقي و ماه گرفتگي ها و همچنين كاهش موهاي زايد به كارمي روند.ليزرهاي كم انرژي در واقع اشعه هاي نوراني خنكي هستند كه به سطح پوست نفوذ مي كنند اما هيچ گونه تخريب يا عارضه بدي به جاي نمي گذارند.
كاربرد ليزر در چشم پزشكي:
چند عارضه جدي چشم انسان از جمله آب مرواريد، آب سياه وانواع مختلفي از آسيب هاي شبكيه مي توانند باعث كوري شوند. امروزه بسياري از اين عارضه ها را مي توان با جراحي ليزري چشم تصحيح كرد.همچنين جراحي ليزري چشم، ليزيك براي اصلاح نزديك بيني، دوربيني و آستيگماتيسم كاربرد دارد.
استفاده از ليزر به عنوان چاقوي جراحي:
در چاقوي جراحي ليزري معمولاً از ليزرهاي متمركز شده مثل ليزر گازي دي اكسيدكربن استفاده مي شود.
اين باريكه اشعه به شدت توسط مولكول هاي آب موجود در بافت ها جذب مي شود و موجب بخار شدن آنها و در نتيجه برش بافت مي شود.
چاقوهاي ليزري دقت جراحي ها را تا حد ميكروسكوپي بالا برده است. همچنين با محاسبات دقيق مي توان در نواحي غيرقابل دسترس به جراحي با ليزر پرداخت. مثل جراحي هاي حلق، ناي، گوش مياني و جراحي هاي مغز واعصاب.همچنين استفاده از ليزر به عنوان چاقوي جراحي امكان خون ريزي هاي غيرقابل كنترل درحين جراحي را از بين برده است.
استفاده از ليزر در دندانپزشكي:
با استفاده از ليزر، دندانپزشك قادر است بافت پوسيده دندان را بدون آسيب رساندن به مينا از حفرات خارج كند.ساير موارد استفاده ليزر در دندانپزشكي عبارت اند از:
–تراشيدن زير لثه با ليزر،
–درمان زخم هاي دهاني و غير حساس كردن عاج دندان هاي بي حفاظ.
كاربرد ليزردر جراحي مغز:
اولين ليزر به كار گرفته شده در جراحي مغز، ليزر گازي دي اكسيد كربن بوده است و همچنان توانسته است موجوديت خود را در اين رشته حفظ كند.ليزر دي اكسيد كربن به علت كانوني شدنش به يك سوراخ كوچك از فاصله دور و همچنين دقت اين دستگاه در كاربرد هاي ميكروسكوپي ايده آل است. ليزر نئوديميوم-ياگ (يكي از انواع ليزرهاي جامد) يك ليزر الحاقي بسيار مفيد ديگر در اين زمينه است. اين ليزر براي از بين بردن بسياري از تومور هاي عروقي به كار رفته است و اخيرا از آن در درمان ناهنجاري شرياني و وريدي استفاده مي شود.
موارد ايمني كار با ليزر
ثابت شده كه در بيماري هاي بدخيم، ليزر قدرت فعال كردن بيماري را دارد. بنابراين استفاده از اين اشعه در مبتلايان به بدخيمي ممنوع است.به دليل همين اثر تحريك زيستي، ليزر قادر است تيروييد را پركار كند. پس در بيماران مبتلا به پركاري تيروييد هم نبايد استفاده شود. البته اگر بادقت زياد و در منطقه اي خاص به كار رود، خطرساز نخواهد بود. در درمان مشكلات بيماران مبتلا به صرع هم بهتر است براي درمان ليزر به كار نرود.
از ديگر موارد منع استفاده از ليزر بارداري است چون هنوز بي خطر بودن آن براي جنين اثبات نشده است.به جز اين موارد بايد به خاطر داشت كه تاباندن مستقيم نور به شبكيه چشم خطرناك است و بايد از اين كار اجتناب كرد.قبل از شروع درمان با ليزر بايد به بيمار هشدار داد كه هيچ گونه مواد دارويي يا آرايشي روي پوست خود استفاده نكند. در صورت وجود اين مواد با تاباندن ليزر خطر ايجاد آسيب هاي زيادي در بافت توسط انرژي فوتون ها وجود دارد.