لیزر کشفی علمی است که نقش آن به‌عنوان یک تکنولوژی در زندگی مدرن امروز کاملاً جا افتاده است. لیزرها به‌طور گسترده در تولیدات صنعتی، ارتباطات، نقشه‌برداری و … مورد استفاده قرار می‌گیرند. لیزرها همچنین در پژوهش‌های علمی و برای محدوده وسیعی از دستگاه‌های علمی مورد استفاده قرار می‌گیرند. برتری لیزر نسبت به دیگر منابع نوری در این است که منبعی از نور و تابش‌های کنترل‌شده، تکفام، همدوس و پرتوان تولید می‌کند. در اواخر قرن بیستم بود که لیزر به‌عنوان یک ابزار مؤثر در دست جراحان قرار گرفت و حالا یکی از مهمترین اکتشافات قرن بیستم به شمار می‌رود. کلمه LASER در واقع متشکل از حروف ابتدای کلمات Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation است که بهمعنی تقویت نور به‌وسیله گسیل القایی تابش است. بنیاد کار لیزر براساس گسیل نور برانگیخته است. لیزر یک گردهمایی و دسته شدن قابل‌ملاحظه فوتونهای تابیده‌شده در فازی است که اجازه می‌دهد یک دسته اشعه پیوسته و بسیارقوی به‌دست آید. نور لیزر از نظر ماهیت هیچ تفاوتی با نور عادی ندارد و تنها ویژگی‌های خاص فیزیکی نور لیزر آن را از نورهای منابع نوری دیگر متمایز می‌کند. با تبیین ویژگی‌های خاص لیزر بستری بزرگ برای کاربردهای گوناگون این سامانه در علوم گوناگون به‌ویژه صنعت، پزشکی و نظامی ایجاد شده است. در سال ۱۹۱۷ میلادی امکان وجود و تولید این پدیده توسط آلبرت انیشتین پیشبینی شد. مدت‌ها این پیشبینی مورد توجه قرار نگرفت تا اینکه در سال ۱۹۴۰ میلادی یک دانشمند روسی به نام فابریکانت در تز دکترای خود تولید تابش‌های اجباری تقویت‌شده را اثبات کرد. تئودور میمن آمریکائی در سال ۱۹۶۰ میلادی دستگاه لیزری با بلور یاقوت ساخت و عنوان مخترع لیزر را به خود اختصاص داد.
یک سال بعد دانشمند ایرانی علی جوان لیزر گازی هلیوم نئون را در آزمایشگاه بل طراحی و ارائه کرد و بعد از آن تکمیل و ایجاد لیزرهای جدید به‌سرعت گسترش یافت. با این حال اختراع لیزر را نمی‌توان مدیون تنها یک فرد دانست چرا که از گذشته تا به امروز دانشمندان زیادی زمان زیادی را برای توسعه آن صرف نموده‌اند. امروزه شاهد ورود لیزرهای جدیدی به دنیای صنعت هستیم که توانسته‌اند این فناوری را به‌سرعت رشد دهند. لیزر در ابتدا در درمان بیماریهای پوستی و سپس در تخصص‌های دیگر به کار گرفته شد. امروزه لیزر وسیله‌ای جدید و مؤثر در مقابله با بیماری‌ها است و در بسیاری از شاخه‌های پزشکی دارای جایگاهی ویژه است. لیزر به‌واسطه ویژگی‌های خاص خود توانایی بیشتری به جراح می‌دهد. کاربرد نادرست و ناصحیح آن نه‌تنها مفید نیست بلکه آسیب آن در مقایسه با وسائل جراحی عادی بسیار بیشتر است. جنس لیزر از فوتونهای امواج الکترومغناطیسی است بنابراین از نظر ماهیت و رفتار، تابع کلیه قوانین حاکم بر رفتار فوتونهای نوری در محیط‌های مختلف است. با ساخت لیزر دی اکسید کربن در سال ۱۹۶۴ میلادی کاربرد لیزر به دلیل دقت بالا و خطای ناچیز خود در زمینه‌های پزشکی افزایش یافت و این امکان را به جراحان داد تا به هجای تیغ‌های جراحی از فوتونهای همدوس استفاده کنند. روزانه هزاران نفر با استفاده از لیزرهای پزشکی تحت درمان قرار می‌گیرند. امروزه شعار شرکتهای سازنده لیزرهای پزشکی عمل‌های بدون خونریزی است چراکه عمل جراحی با لیزر را می‌توان بدون خونریزی یا حداقل خونریزی انجام داد و به نوعی از درمان غیرتهاجمی دست یافت. اشعه لیزر یک جهت بیشتر ندارد و دسته‌های اشعه با هم موازی هستند و عملاً از نظر انتشار تا بینهایت از یکدیگر جدا نمی‌شوند. حالت واگرائی آنها نیز فقط به پدیده‌های انقطاع و انحراف نور بستگی دارد.
برخی از مزایای لیزر در پزشکی
- نتایج درمان را بهبود می‌بخشد.
- موجب کاهش آلودگی و عفونت می‌شود.
- کاهش خونریزی در عمل را به همراه دارد.
- محدوده جراحی را کاهش می‌دهد.
- کنترل دقیق در عمل‌های جراحی دارد.
- بهبود سریع جراحی و کاهش زمان درمان را در پی دارد.
- نسبت به سایر روش‌های موجود اقتصادی‌تر است.
خاصیت موجی نور
نحوه انتشار فوتونهای نوری به گونه موجی شکل است. فوتون‌ها متشکل از میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی هستند که علاوه بر اینکه بر یکدیگر عمود هستند دامنه این میدان‌ها ثابت نیست و به‌صورت نوسانی تغییر می‌کند. امتداد انتشار این امواج بر صفحه ارتعاشات این میدان‌ها عمود است. به همین دلیل امواج نوری از نوع امواج عرضی‌اند. سرعت انتشار هر حرکت موجی و از آن جمله نور تابع رابطه است. در این رابطه فرکانس نوسانات [ مقدار نوسان در ثانیه ]طول موج ارتعاشات[ فاصله‌ای که ذره حین یک نوسان کامل طی می‌کند] و سرعت انتشار موج است. سرعت انتشار نور در هوا است. اما سرعت انتشار نور در ماده همیشه از سرعت انتشار آن در هوا کمتر خواهد بود.
خاصیت ذره‌ای نور
نور علاوه بر آنکه بهروش موجی جابه‌جا می‌شود ضمناً به‌صورت ذره‌ای است که این ذره دارای حرکت موجی است. درواقع یک واحد نوری متشکل از یک بسته انرژی به نام فوتون است. انرژی فوتون از رابطه مشهور پلانک به‌دست می‌آید: در این رابطه ثابت پلانک و فرکانس ارتعاشات فوتون است. واحد معمول در بیان انرژی فوتونهای نوری الکترون ولت است.
طیف امواج الکترومغناطیس
درصورت افزایش فرکانس فوتون انرژی فوتون افزایش و با افزایش طول موج، انرژی آن کاهش می‌یابد. طول موج یا انرژی فوتون نوری برحسب آنکه چقدر باشد در گروه‌های به‌خصوصی از طیف امواج الکترومغناطیس دسته‌بندی می‌شود. دسته‌بندی طیف امواج الکترومغناطیسی به شرح زیر است:
- طول موجهای کوتاه‌تر از ۱۰۰ نانومتر [ انرژی بالاتر از ۱۲/۴ الکترون ولت ] را اشعه ایکس یا گاما مینامند.
- طول موجهای بین ۱۰۰ تا ۴۰۰ نانومتر[ ۳/۱ الکترون ولت ] را نور فرابنفش [Ultra-Violet] مینامند.
- طول موجهای بین ۴۰۰ تا ۸۰۰ نانومتر[ ۱/۵ الکترون ولت ] را نور مرئی [Visible-Light] مینامند.
- طول موجهای بین ۸۰۰ تا ۱۰۰۰۰۰۰ نانومتر را فروسرخ مینامند.
- امواج با طول بالاتر از ۱۰۰۰۰۰۰ نانومتر را امواج رادیویی مینامند.
گستره طول موجهای ذکرشده بالا دارای ویژگی‌های به‌خصوصی است که موجب تقسیم‌بندی بالا شده است. طول موجهای کمتر از ۱۰۰ نانومتر دارای انرژی کافی برای یونیزه کردن اتمها و مولکول‌های بیولوژیکی هستند که به آنها پرتوهای یونیزان نیز گفته می‌شود. این دسته از پرتوها می‌توانند موجب آسیب‌های بیولوژیکی از جمله موتاسیون شوند که در به کارگیری آنها باید حفاظت‌های ایمنی ویژه‌ای رعایت شود. طول موجهای فرابنفش به بالا که طول موج آنها بزرگتر می‌شود قادر نیستند تا اتمها و مولکول‌های بیولوژیکی را یونیزه کنند و فقط می‌توانند موجب اثرات بیولوژیکی از طریق ایجاد واکنش‌های شیمیایی ویژه‌ای شوند. بدین لحاظ این پرتوها دارای اثرات شیمیایی هستند. طول موجهای ناحیه مرئی، فروسرخ و رادیویی در بافت‌های بیولوژیکی اثرات متفاوتی دارند. لیزرهای ساخته‌شده مربوط به طول موجهای فرابنفش[ اگزیمر لیزر ]مرئی[ آرگون، هلیوم – نئون، KTP] هستند.
سطوح انرژی اتمی و تولید فوتون
اتمها متشکل از هسته و لایه‌های انرژی در اطراف آن هستند. لایه‌های مختلف در اطراف اتمها دارای سطوح انرژی متفاوتی هستند. هرچه فاصله الکترون از هسته‌اتم کمتر باشد سطح انرژی آزاد آن کمتر و انرژی اتصال بیشتری به هسته دارد. انرژی هر تراز را با الکترون ولت [ev] بیان می‌کنند. لایه‌های دورتر از هسته دارای انرژی پیوندی کمتری به هسته هستند. بر روی هر لایه از انرژی حداکثر تعداد معینی الکترون می‌تواند قرار بگیرد. درصورتی که تعداد الکترون‌های اتمی زیاد باشد الکترونها ابتدا لایه‌های پایینتر را پر کرده و سپس در لایه‌های بالاتر جایگزین می‌شوند. الکترونها با جذب انرژی می‌توانند به لایه‌های بالاتر منتقل شوند. درصورت وقوع چنین حالتی جای خالی آن الکترون توسط الکترون‌های لایه بالاتر پر خواهد شد. از آنجاکه انرژی آزاد الکترون در لایه‌های بالاتر بیشتر از لایه‌های پایینتر است هنگام انتقال یک الکترون از لایه بالاتر به لایه پایینتر معادل اختلاف انرژی بین دو لایه یک فوتون آزاد می‌شود. فوتون آزادشده برحسب آنکه چه انرژی دارد ممکن است مربوط به هر کدام از بخشهای طیف امواج الکترومغناطیسی باشد. زمانیکه یک الکترون از یک لایه اتمی به یک لایه بالاتر [ تحریکى ] منتقل می‌شود معمولاً مدت زمان بازگشت آن به حالت پایدار در اتم‌های مختلف متفاوت می‌باشد. این بازگشت گاهی اوقات می‌تواند بلافاصله صورت پذیرد [ عناصر غیر لومینسانس ] و گاهی ممکن است بین زمان انتقال به لایه بالاتر و بازگشت آن، فاصله زمانی قابل ملاحظه‌ای وجود داشته باشد [ عناصر لومینسانس]. این تفاوت زمان بازگشت از حالت تحریک می‌تواند اثرات مختلفی را به وجود آورد. اگر انرژی لایه اول و انرژی لایه دوم باشد انرژی فوتون تابشی برابر با خواهد بود.
لیزر یا تابش تحریکی
در صورت تحریک الکترونی از یک لایه اتمی یا مولکولی ازآنجاکه حالت پایدار اتم مربوط به زمانیست که الکترون به حالت اولیه برگردد، بنابراین الکترون با تابش یک فوتون از حالت تحریکی به تراز زمینه خود باز می‌گردد. در این حالت یک فوتون با طول موج مشخص ایجاد می‌شود. گاهی ممکن است الکترون تحریکی برای مدت زمان قابل‌توجهی بر روی تراز تحریکی باقی بماند که در این حالت اگر فوتون دیگری با طول موج مشابه با اختلاف انرژی بین دو لایه حالت زمینه و تحریکی به آن اتم بتابد دو حالت ممکن است اتفاق بیفتد:
- فوتون موجب تحریک الکترون دیگری از حالت زمینه می‌شود.
- فوتون موجب تحریک الکترون تحریک‌شده و بازگشت آن به حالت زمینه می‌شود که در این حالت دو فوتون با طول موج یکسان خواهیم داشت. این حالت را انیشتین در سال ۱۹۱۷ پیشبینی و تابش حاصل از آن را تابش تحریکی [Stimulated Emission] نامید که مبنای ایجاد لیزر قرار گرفت.
تولید لیزر پیوسته و پالسی
نکته مهم این است که تنها وجود مادهای با الکترون‌های تحریکی در لایه یا لایه‌های بالاتر از حالت زمینه برای ایجاد لیزر کافی نیست و باید تعداد الکترونها در لایه تحریکی از لایه پایینتر بیشتر باشد که اصطلاحاً این پدیده را جمعیت معکوس[Inversion Population] مینامند. عناصری که در آنها پدیده IP اتفاق نیفتد قادر به ایجاد لیزر نیستند. عموماً تأمین شرایط IP مربوط به عناصری است که علاوه بر وجود لایه تحریکی، یک حالت انرژی واسطه‌ای که دارای سطح انرژی بین حالت زمینه و حالت تحریکی است نیز وجود داشته باشد. بگونه‌ای که تعداد الکترون‌های موجود در حالت واسطه‌ای معمولاً کمتر از حالت تحریکی[ در موقع تحریک اتمها]باقی می‌ماند. شرط چنین وضعیتی آن است که عمر الکترونها در لایه تحریکی از عمر آنها در حالت واسطه‌ای بیشتر باشد. به عبارت ساده‌تر بازگشت الکترونها از لایه تحریکی به حالت واسطه‌ای با تأخیر انجام شود و بازگشت الکترونها از لایه واسطه‌ای به حالت زمینه سریعاً صورت پذیرد. در چنین حالتی همواره امکان وقوع IP وجود خواهد داشت. اگر چنین وضعیتی داشته باشیم می‌توان با تحریک پیوسته الکترونها از حالت زمینه به حالت تحریکی تولید لیزر مداوم کرد.
سیستمی که دارای چنین ویژگی باشد می‌تواند به‌عنوان یک منبع تولید لیزر پیوسته به کار رود. در بعضی مواد الکترونها در حالت واسطه دارای طول عمر محدودی هستند. بنابراین پس از تحریک الکترونها و انتقال آنها به حالت تحریکی موقع بازگشت الکترونها به حالت واسطه‌ای الکترونها بر روی این مدار برای مدت محدودی باقی می‌ماند تا وضعیت IP را بر هم بزنند و تا زمانی که الکترونها از حالت واسطه به حالت زمینه منتقل نشوند و IP برقرار نشود لیزر ایجاد نخواهد شد. این وضعیت موجب ایجاد لیزرهای پالسی خواهد شد. لیزر پالسی می‌تواند وقتی وضع بالا بین حالت زمینه و تحریکی بدون وجود حالت واسطه وجود داشته باشد نیز اتفاق بیفتد. برای مثال لیزر تولید لیزر پیوسته و لیزر اگزیمر تولید لیزر پالسی می‌کند.
اجزاء اصلی لیزر
اجزاء اصلی یک سیستم لیزر عبارت‌اند از: ۱- ماده ایجادکننده لیزر: این محیط حاوی اتمها و مولکول‌های ماده واسط یا ماده اصلی قابل یونیزه شدن است که بتواند با گرفتن انرژی از یک منبع نوری توسط تابش تحریکی اشعه تولید کند. برای ایجاد لیزر مادهای مورد نیاز است که دارای ترازهای انرژی تحریکی باشد بگونه‌ای که الکترونها بر روی این لایه‌ها دارای نیمه‌عمر کافی باشند. به عبارت ساده‌تر پس از انتقال الکترونها به این لایه تحریکی نباید الکترونها به‌سرعت به تراز زمینه بازگردنند. علاوه بر آن این ماده بایستی دارای یک لایه واسطه‌ای باشد به گونه‌ای که تراز انرژی لایه تحریکی کمتر و از تراز زمینه بیشتر باشد. همچنین نیاز است تا عمر الکترون‌های انتقالی بر روی این لایه کم باشد به‌طوری که الکترونهایی که از لایه تحریکی به آن منتقل می‌شوند به‌سرعت به تراز زمینه انتقال یابند. در این صورت همواره دانسیته الکترونی لایه واسطه‌ای کمتر از لایه تحریکی است و همیشه محل کافی بر روی آن جهت انتقال الکترون از لایه تحریکی به لایه واسطه‌ای وجود دارد. انرژی فوتونهای لیزری معمولاً برابر با اختلاف انرژی بین لایه تحریکی و لایه واسطه‌ای است. مواد متعددی وجود دارند که چنین خاصیتی دارند. این مواد می‌توانند به صورت گاز، مایع و جامد باشند.
۲- سیستم دمش: جهت تحریک اتم‌های ماده ایجادکننده لیزر و انتقال الکترونها از لایه زمینه به تراز تحریکی نیاز به انرژی است. منبع انرژی می‌تواند بسته به نوع ماده فعال به طرق مختلفی تأمین شود. معمول‌ترین منبع انرژی استفاده از لامپ‌های نوری یا فوتونهای نوری است. با تابش شدید نور به یک ماده که قادر به ایجاد لیزر است می‌توان الکترون‌های زمینه آن را تحریک و آنها را به لایه تحریکی منتقل کرد. منبع انرژی می‌تواند لامپ‌های پرقدرت، چشمه‌های لیزری، حرارتی یا تخلیه الکتریکی باشد. برای مثال در لیزر هلیوم نئون سیستم دمش جهت تحریک گازهای مخلوط از طریق تخلیه الکتریکی صورت می‌گیرد.
۳- آینه منعکس‌کننده: هنگامی که الکترونها از تراز زمینه به لایه تحریکی منتقل می‌شوند به‌تدریج این الکترونها به حالت پایدار برمیگردند. گروهی از این الکترونها در اثر بازگشت خودبه‌خودی به حالت زمینه ایجاد نور می‌کنند. نور از ماده تولیدکننده خارج می‌شود. حال اگر در دو طرف محفظه که ماده تولیدکننده نور در آن جای دارد دو آینه قرار دهیم به طوری که پس از تابش فوتون‌ها به‌وسیله آینه‌ها مجدداً به ماده تولیدکننده لیزر منعکس شوند دراینصورت در اثر این فوتون‌ها همانطور که قبلاً اشاره شد فوتونهای بیشتری ایجاد شده و در اثر تکرار انعکاس‌ها بین آینه‌ها، در انتها تعداد زیادی فوتون با فرکانس یکسان ایجاد می‌شود. نکته قابل توجه این است که جنس آینه‌ها باید از مادهای انتخاب شود تا ضریب تقویت آن بالا باشد و در نتیجه با وجود تلفات انرژی بتواند انرژی قابل‌توجهی ایجاد کند. آینه‌ها نقش یک تشدیدکننده اپتیکی را دارند.
ویژگی‌های لیزر
برخی ویژگی‌های مهمی که موجب اهمیت لیزر شده‌اند عبارت‌اند از: ۱- شدت: نور لیزر در مقایسه با دیگر چشمه‌های نوری دارای شدت زیادی است. شدت زیاد نور لیزر مربوط به توان همسوسازی مناسب آن است. زاویه پراکنده شدن پرتوهای لیزری بسیارکم است. نور لیزر که از یک چشمه لیزری ایجاد می‌شود روی خط تقریباً مستقیم و موازی حرکت می‌کند و لذا با افزایش فاصله پهنا و سطح مقطع دسته پرتو تغییر زیادی نمی‌کند. این در حالی است که شدت نور در چشمه‌های نور معمولی با افزایش فاصله از چشمه با عکس مجذور فاصله کاهش می‌یابد. ۲- خاصیت جهتی: باریکه نور لیزر به‌طور موازی حرکت می‌کند لذا مقدار کاهش شدت با طی مسافت بسیارکم است. اندازه پهن‌شدگی باریکه لیزری به ازاء هر متر طی مسافت تقریباً یک میلیمتر است. نور لیزر یک دسته پرتو موازی شده است. ۳- تکرنگی: تکفامی نوری در لیزر بستگی به طول موج ویژه نور و میزان خلوص آن دارد که در سایر منابع نورانی دیگر وجود ندارد. اشعه لیزر در یک محدوده فرکانس مشخص و از پیش تعیین شده بسته به نوع ماده، محیط فعال و فضای تشدیدکننده منتشر می‌شود. در عمل ایجاد نور تک‌رنگ تقریباً امکان پذیر نیست ولیکن با توجه به نحوه تولید لیزر می‌توان لیزرهایی با پهنای باند حدوداً ۰/۰۱ نانومتر ایجاد کرد. ۴- همدوستی: نورهای حاصله از یک چشمه لیزری همدوست هستند؛ یعنی فاز نور حاصله به لحظات قبل و بعد مربوط است و لذا تغییر فاز دسته پرتو لیزری در یک لحظه به‌خصوص با توجه به لحظات قبل قابل محاسبه است. به عبارت ساده‌تر همدوستی به معنای هم‌فاز و هم فرکانس بودن است. ۵- پلاریزاسیون: نور لیزر به‌طور ذاتی پلاریزه نیست اما در اکثر لیزرها به دلیل استفاده از پنجره‌های بروستر در خروجی آنها لیزرها پلاریزه هستند.
این مطلب اولین بار در ماهنامه مهندسی پزشکی و تجهیزات آزمایشگاهی به قلم ثمر نوین، مرتضی مقدس منتشر شده است.
