لیزر قسمت 3و4
چه چیزی لیزر را به چاقو تبدیل می‌کند؟
کلمه لیزر( Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation = LASER) که از حروف نخست پنج کلمه تشکیل شده است به معنی تقویت نور نشر برانگیخته می‌باشد. ایده اولیه نشر برانگیخته توسط انیشتین در سال 1917 مطرح گردید اما این فکر پش از دهها سال تحقق علمی بخود گرفت. سال‌ها کارهای تحقیقاتی توسط دهها دانشمند و محقق شرایط را به گونه‌ای فراهم کرد تا این که در سال 1960 پرفسور میمن توانست اولین لیزر را با کمک کریستال یاقوت ایجاد نماید.
خواص پرتو لیزر
1- تک فامی: تمامی منابع نوری موجود در جهان از قبیل لامپ، نور خورشید، آتش و... از یک پهنای بینابی وسیع تشکیل شده‌اند. اگر بطریقی بتوان خطوط بینابی یک نور سفید ناشی از یک لامپ فلورسنت را از یکدیگر تفکیک نماییم متوجه می‌شویم که رنگ‌های مختلفی از جمله قرمز، زرد، نارنجی و آبی در این رنگ به کار گرفته شده است.
اما نور لیزر از قدرت تک فامی برخوردار است، به این معنا که هر لیزر یک طول موج مشخص را ایجاد می‌کند. هنگامی که نور لیزر هلیوم نئون را مورد مطالعه بیناب سنجی قرار می‌دهیم متوجه می‌شویم که این لیزر فقط طول موج قرمزی را از خود منتشر می‌کند. لیزر گاز کربنیک نیز قادر است طول موج 10.6 میکرو را از خود خارج نماید.
مهندسی لیزر براحتی می‌تواند شرایطی را فراهم کند که هر یک از طول موج‌ها به صورت انتخابی از لیزر خارج شوند. نحوه انجام این کار جاگزین نمودن یک توری اپتیکی و یا منشور بجای آینه عقب لیزر می‌باشد. در این آزمایش کافیست که با چرخاندن آرام توری و یا منشور هر بار یکی از طول موجهای بالقوه لیزر را از محیطهای لیزری خارج نمود.
2- همدوسی: نور لیزر یک نشر برانگیخته است در حالی که نور معمولی از نوع نشر خود به خودی است. در نوع دوم فوتون‌های ایجاد شده به جهت فازی هیچگونه ارتباطی با یکدیگر ندارند اما در نشر برانگیخته تمامی فوتون‌های ایجاد شده با یکدیگر هم فاز می‌باشند. به عبارت دیگر در نشر خود به خودی فوتون‌ها از جهت فاز، طول موج و فرکانس با یکدیگر اختلاف دارند اما در نشر برانگیخته فوتون‌ها به جهت شناسنامه‌ای کاملا مشابه یکدیگر هستند.
3- واگرایی کم: نور لیزر در هنگام خروج از دستگاه لیزر دارای واگرایی اندکی می‌باشد. این واگرایی و یا میزان باز شدن اشعه لیزر می‌تواند از یک سدم میلی رادیان تا چند میلی رادیان باشد.
امروزه مهندسی لیزر و نور امکاناتی را فراهم کررده است که بتوان میزان واگرایی را کم و یا زیاد نمود.
کاربردهای لیزر
نور لیزر به جهت ویژگی منحصر به فرد خود شامل شدت بالا، تک رنگی، همدوسی و واگرایی کم کاربردهای فراوانی از خود نشان داده است. این که کدامیک از ویژگیهای بالا نقش مهمی در کاربردهای لیزر داشته است قدر مسلم بستگی به نوع کاربرد دارد. اینک به طور مختصر و جهت آشنایی بیشتر با لیزر به تعدادی از کاربردهای مهم آن می‌پردازیم.
از آنجایی که لیزرها بیشتر با کاربردهای صنعتی شناخته شده است لذا ابتدا کاربردهایی از این شاخه بیان میشود.
1- برش کاری:
با توجه به این که نور لیزر قادر است در اندازه های چند میکرون متمرکز شود لذا به راحتی می توان شدت‌هایی در حدود kW/cm^2 فراهم نمود. این میزان شدت کافی است تا فلزی را به بخار تبدیل نماید.
لیزرهای CO2 و Nd:YAG از جمله لیزرهایی هستند که در برش کاری فلزات متنوع با ضخامت‌های مختلف نقش فراوانی دارند. در این نوع کاربرد، ابتدا پرتو لیزر توسط آینه‌های ویژه‌ای هدایت، آنگاه با کمک یک عدسی بر روی فلز متمرکز میشود. سپس با حرکت دادن پرتو لیزر بر روی ورقه فلزی یا چوبی میتوان هرگونه شکل و طرحی را در اسرع وقت اسجاد نمود.
2- سوراخکاری:
از دیگر کاربردهای مهم لیزر در صنعت سوراخکاری می‌باشد. اصولا ایجاد سوراخهایی با قطر‌های کوچک و یا بزرگ بر روی پاره‌ای از مواد بخاطر خواص ارتجاعی و یا شکننده آنها امری مشکل و تا حدودی محال است. برای مثال ایجاد سوراخ بر روی یک لاستیک و یا سرامیک امکان خراب نمودن ماده را به همراه دارد. اما این عمل به سادگی با لیزر فراهم میشود. ایجاد سوراخهایی با قطر 50 میکرون بر روی سرامیک و یا لاستیک از توانمندیهای اولیه لیزر است. با متصل نمودن لیزر به کامپیوتر و نیز سیستم‌های CNC میتوان در هر ثانیه دهها سوراخ بر روی مواد ایجاد کرد.
3- علامت گذاری:
این عمل ترکیبی از سوراخکاری و برش‌کاری است که می‌تواند اشکال مختلفی را بر روی مواد مختلف حک نماید. امروزه ساخت مهرها و یا اشکال برجسته کاربردهای فراوانی پیدا کرده است که انجام آن توسط لیزرهایی با قدرت خروجی کم براحتی قابل انجام است.
4- ارتباطات:
یکی از تحولات چشمگیر کاربردهای لیزر در عرصه مخابرات است. لیزرها با پهنای باند وسیع قادر هستند که زمینه انتقال هزاران کانال مخابراتی را فراهم کنند.
جهت ارسال سیگنال‌های لیزری از کابل نوری استفاده می شود. ماده اصلی این کابل از جنس شیشه است، بسیار ارزان بوده و به در طبیعت قابل بازیافت است. قطر کامل یک فیبر نوری با پوشش محافظ آن در حدود 5 میلیمتر است.
پرتو لیزر در داخل کابل نوری با توجه به پدیده فیزیکی شکست داخلی بدون تلفات فراوان منتشر میشود. مزایای بکارگیری کابل نوری این است که میزان کنده‌کاری جهت نصب کابل را کاهش داده و هیچگاه دچار خوردگی نمی‌شود.
لیزرهای شیمیایی یکی از انواع لیزرهای نظامی هستند. این لیزرها که در ناحیه مادون قرمز کار می‌کنند دارای قدرت فراوان و نیز میزان جذب کمی در محیط هستند. به همین خاطر هنگام برخورد پرتو لیزر با اجسام حرارت فراوانی ایجاد میشود که سبب نابودی اهداف پرنده و یا ثابت میشود
5- کاربردهای نظامی
اساسا وارد شدن در این مقوله نیازمند زمان فراوانی است. نور لیزر به خاطر شدت بالای خمود، همچنین حرکت به صورت یک باریکه موازی با واگرایی کم می تواند به عنوان یک سلاح مخرب مورد بهره برداری قرار گیرد.
امروزه دانشمندان توانسته اند لیزرهایی با قدرت‌های چندین مگاوات ایجاد کنند که این میزان کافیست برای نابود کردن اهداف فضایی.
دست یابی بشر به سلاحی که بتواند با سرعت نور حرکت کند او را قادر میسازد که در کمترین مدت ممکن دشمن خود را نابود سازد. دقت شود که موشک‌های قاره پیما جهت برخورد با اهداف خود به چندین دقیقه زمان نیاز دارند اما با اگر با لیزر بتوان هدفی را در یک گوشه‌ای از کره زمین نابود کرد به زمانی کمتر از یک ثانیه نیاز است.
لیزرهای شیمیایی یکی از انواع لیزرهای نظامی هستند. این لیزرها که در ناحیه مادون قرمز کار می‌کنند دارای قدرت فراوان و نیز میزان جذب کمی در محیط هستند. به همین خاطر هنگام برخورد پرتو لیزر با اجسام حرارت فراوانی ایجاد میشود که سبب نابودی اهداف پرنده و یا ثابت میشود.
از دیگر کاربردهای نظامی لیزر میتوان به موشک‌های لیزری اشاره کرد که توسط لیزر هدایت و کنترل می‌شوند. برای هدایت این نوع موشک نیاز چندانی به لیزرهای پر قدرت نیست. لیزر CO2 یکی از لیزرهایی است که در زمینه هدایت موشک قابلیت‌های خوبی دارد.
6- کاربردهای آموزشی:
از همان ایتدا اختراع لیزر، خصوصا لیزر گازی هلیوم-نئون، کاربرد آموزشی آن نقش مهمی را ایفا نمود.
اصولا در مباحث فیزیک موضوعات فراوانی در خصوص نور و اپتیک وجود دارد که لازم است دانشجویان با این مفاهیم اشنایی دقیق و کافی داشته باشند.
وجود یک لیزر هلیوم-نئون با تعدادی از قطعات اپتیکی می‌تواند زمینه بسیار خوبی برای این مهم فراهم کند. برای مثال اندازه گیری فاصله کانونی یک عدسی و یا آینه، ضریب شکست شیشه، میزان جذب و... دهها عنوان دیگر از جمله مواردی هستند که در فیزیک پاسه و کاربردی نقش مهمی دارند. از آنجایی که لیزر هلیوم-نئون بسیار ارزان، کوچک و در ناحیه بینایی است اکثر مراکز تحقیقاتی و یا دانشگاهی را متوجه بکارگیری آن به عنولن یک وسیله اندازه‌گیری و آموزشی نموده است.
7- فاصله یابی:
نور لیزر به خاطر واگرایی کم و شدت بالا قادر است مسافت‌های زیادی را طی کند بدون اینکه مقدار زیادی از انرژی آن کاسته شود.
در این کاربرد، یک پالس لیزر به سمت هدف نشانه گرفته شده و سپس رها میشود. هنگام خارج شدن پالس لیزر، یک زمان سنج نیز شروع به کار می‌کند. در برخورد پرتو لیزر با هدف، نور لیزر در زوایای مختلفی پخش میشود.
بر روی مسافت یاب یک آشکار ساز نوری نصب شده که قادر است فوتون‌های این نوع لیزر را دریافت کند. هنگامی که فوتون‌های برخوردی با شی در زوایای مختلف منتشر می‌شوند بخش اندکی از آنها به سمت فاصله یاب حرکت می‌کنند.
هنگامی که اولین فوتون‌های لیزر به آشکار ساز می‌رسد آنگاه زمان سنج به طور اتوماتیک قطع میشود. حال با این زمان که مدت رفت و برگشت پرتو لیزر با شی مورد نظر است به راحتی میتوان فاصله خود را از رابطه زیر محاسبه نمود:
فاصله = زمان * سرعت
امروزه مسافت یاب‌های کوچکی با لیزرهای نیمه هادی ساخته شده‌اند که در کنار دوربین‌ها معمولی قرار گرفته‌اند. این فاصله یاب‌ها قادرند فاصله اشیا تا دوربین را با دقت چند سانتی متر نمایش دهند. همچنین عمل فاصله یابی برای فواصل دور نیز انجام میشود. برای مثال بر روی کره ماه منعکس کننده های بزرگی نصب شده است، هنگامی که یک پالس لیزر به سمت کره ماه نشانه گرفته شود در حقیقت منعکس کننده را مورد برخورد با پرتو لیزر قرار میدهد. در بازگشت لیزر به سمت کره زمین آشکارسازهای قوی نور برگشتی را دریافت می‌کنند. با اندازه‌گیری زمان رفت و برگشت به راحتی فواصل دور نیز محاسبه میشود.
کاربرد های لیزر در پزشکی
امروز شاهد هستیم که لیزر به عنوان یک ابزار قدرتمند سهم بسزایی در گسترش دانش بشری و تکنولوژی جدید دارد.
در سال 1958 هنگامی که پروفسور شاولو مقاله فنی خود را در خصوص اصول لیزر ارائه نمود خیلی سریع مشخص شد که این تکنیک کاربردهای فراوانی دارد.
جدای از کاربردهای نظامی، لیزر پزشکی یکی از مهمترین کاربردهای لیزر محسوب میشود که هر روز هزاران نفر با آن تحت درمان قرار می‌گیرند. در سال 1964 با اختراع لیزر CO2، راه برای بکارگیری لیزر در جراحی باز شد. در آن مقطع زمانی بود که فکر بکارگیری فوتون بجای چاقوی جراحی در جراحیهای دقیق و ظریف مطرح شد. از آن تاریخ به بعد دانشمندان و محققین در یک رابطه تنگاتنگ با متخصصان پزشکی توانسته‌اند انواع لیزر، با طول موجهای مختلف را در کنار دیگر ابزارهای دقیق بسازند تا شرایطی فراهم شود که عملهای جراحی که تا چند سال غیر ممکن و یا با مشکلات هدیده‌ای رو به رو بود، به راحتی انجام پذیرد.
ذکر این نکته لازم است که لیزر تنها به عنوان یک چاقوی جراحی بکار گرفته نمی‌شود، بلکه بکارگیری آن مزایای فراوانی در امر پزشکی دارد که اهم آن را میتوان چنین بر شمرد.
1- بهبود نتایج درمان
2- کاهش الودگی و عفونت
3- کاهش خونریزی در عمل
4- کنترل دقیق در عملهای جراحی
5- کاهش محدوده جراحی
6- بهبود سریع جراحی و کاهش زمان درمان
7- کاهش میزان مصرف دارو
8- اقتصادی بودن آن نسبت به دیگر روش‌های موجود
با توجه به مزایای بیان شده بالا منطقی است که این شاخه پزشکی مورد توجه بیشتری قرار گیرد.
کاربردهای پزشکی لیزر برا ساس برهم کنش فوتون‌های لیزر با بافت می‌باشد. این نوع برهم کنش به پارامترهای مختلفی از جمله توان لیزر، طول موج و خواص اپتیکی بافت بستگی دارد
همان طور که در بالا گفتیم ایده اولیه لیزر پزشکی، هنگامی که اولین لیزر گاز کربنیک توسط پاتل اختراع شد مطرح گردید. طول موج منتشر یافته از لیزر گاز کربنیک 10.6 میکرو است. این طول موج به جهت قرار گرفتن در ناحیه مادون قرمز به راحتی توسط بافت که حدود 80% آن را آب احاطه کرده است جذب میشود.کاربردهای پزشکی لیزر برا ساس برهم کنش فوتون‌های لیزر با بافت می‌باشد. این نوع برهم کنش به پارامترهای مختلفی از جمله توان لیزر، طول موج و خواص اپتیکی بافت بستگی دارد.
در یک تقسیم بندی کلی برخورد نور با بافت را میتوان به صورت زیر تقسیم بندی کرد.
1- Non disturbing، در این اثر بافت زنده در برخورد با نور تغییر نمی‌کند.
2- Photodestructive، در این فرآیند فوتون برخوردی با بافت ایجاد حرارت کرده و نهایتا منجر به نابودی بافت میشود. این فرآیند خود شامل تقسیم بندی دیگری میشود.
3- Photochemical effect، فوتون جذب شده توسط بافت جهت واکنش شیمیایی بکار گرفته میشود. در این فرآیند انرژی جذب شده باعث تغییراتی در ساختار مولکول خواهد شد. جذب پرتو ماورائ بنفش توسط پوست یکی از این اثرات است.
یکی از کاربردهای مهم لیزر پزشکی ناشی از Thermal effect می‌باشد. در این پدیده فوتون‌های باریکه نور لیزر بر روی بافت متمرکز شده و با آن یک واکنش حرارتی ایجاد می‌کند. میزان شدت تابش بر روی بافت سبب میشود که حرارت زیادی بر روی بافت ایجاد شود. این میزان حرارت به گونه‌ای است که به راحتی می‌تواند بافت را تخریب کند. این پدیده سبب شده است که لیزر به عنوان یک چاقوی جراحی نقش ارزنده‌ای در بسیاری از عملهای پزشکی ایفا نماید.
در تعدادی از جراحیها امکان استفاده از چاقوی جراحی مشکل است، اما به کمک ابزارهای مختلفی میتوان لیزر را به داخل بدن هدایت و بر روی بافت مورد نظر تمرکز نمود. این عمل شرایطی را فراهم می‌کند که مانند یک چاقوی جراحی بتوان بافت مورد نظر را نابود کرد و یا به طریقی برش داد که از بدن خارج شود. مزایای لیزرهای جراحی در مقایسه با روش‌های متداول به گونه‌ای است که اکان آلودگی و عفونت را به حداقل خود می‌رساند.
امروزه یکی از شعارهای تحقق یافته اکثر سازندگان لیزرهای جراحی عملهای بدون خونریزی می‌باشد زیرا عمل جراحی با لیزر را میتوان با حداقل خونریزی و یا بدون خونریزی انجام داد.
از وبلاگ جهان یکه نگار اسفند89
اگر قبلا در بیان ثبت نام کرده اید لطفا ابتدا وارد شوید، در غیر این صورت می توانید ثبت نام کنید.