اصول کار با لیزر
لیزر ... از اعجاز‌آمیز‌ترین موهبت‌های طبیعت است كه برای مصارف گوناگون سودمند است. پلینی، تاریخ طبیعی، جلد 22. ص 49 (قرن اول میلادی)
برداشت از نوشته‌های پلینی بزرگ:
لیزر در دوران تمدن یونان ـ روم
در دوران تمدن یونان ـ روم (تقریباً از قرن ششم پیش از میلاد تا قرن دوم میلاد) لیزر بخوبی شناخته شده و مشهور بود. گیاهی خودرو بود (احتمالاً از رده گیاهان چتری) كه در ناحیه وسیعی در اطراف سیرن (لیبی امروز) می‌رویید. گاهی هم «لیزر پیتیوم» نامیده می‌شد و به علت خواص اعجاز‌گرش آن را هدیه‌ای از جانب خداوند می‌دانستند. این گیاه برای درمان بسیاری از بیماری‌ها از ذات‌الریه گرفته تا بسیاری از بیماری‌های واگیر‌دار به كار می‌رفت. پادزهر مؤثری بود برای مارزدگی، عقرب زدگی و نیش پیكان‌های زهر‌آلود دشمن از طعم لذیزش به عنوان چاشنی عالی در بهترین آشپزی‌ها استفاده می‌شد. این گیاه آنچنان پرارزش بود كه منبع اصلی سعادت سیرنیها به حساب می‌آمد و به یونان و روم صادر می‌شد. در مدت استیلامی رومی‌ها تنها خراجی كه سیرینها به روم می‌دادند این گیاه بودكه همراه با شمشهای طلا در خزانه‌ها نگهداری می‌شد. شاید بهترین گواه ارزش لیزر در آن روزگار نقش بر جام مشهور آركسیلائو (كه اكنون در موزه سیرن است.) باشد كه باربران را در حال بار كردن لیزر در كشتی تحت سرپرستی شاه آركسیلائو نشان می‌دهد، هم یونانی‌‌ها و هم رومی‌ها بسیار كوشیدند كه بتوانند لیزر را در نقاط مختلف «آپولیا» و «آیونا» (در قسمت جنوبی ایتالیا) به كشت بنشانند. نتیجه آن شد كه لیزر بیشتر و بیشتر كمیاب شد و به نظر می‌رسد كه در حوالی قرن دوم میلادی كاملاً از میان رفت. از آن زمان تا به حال علی‌رغم كوشش‌های بسیار كسی موفق نشد كه لیزر را در صحرا‌های جنوبی سیرن پیدا كند و بدین ترتیب لیزر به صورت گنجینه گمشده تمدن یونان-روم درآمد.
از زمان ابداع نخستین لیزر توسط maiman در 1960 ، کاربرد های متنوع لیزر در شاخه های مختلف مورد بررسی قرار گرفته است. جراحی لیزری قطعا ار مهمترین این کارها و یکی از برجسته ترین تحولات در پزشکی قرن حاضر به شمار می آید. در واقع می توان گفت که انواع گوناگون لیزر ها به عنوان ابزار بی رقیبی در پزشکی نوین مطرح گردیده اند . دو دهه پیش کاربرد های بالینی لیزر فقط به شاخه چشم پزشکی محمدود می شد و از جمله جالب ترین جراحی های لیزری که امروزه نیز به طور گسترده ای متداول است به کار گیری لیزر یونی ارگون در درمان جدا شدگی شبکیه چشم می باشد. اما در حال حاضر به جرت می توان گفت که لیزر به تمامی شاخه های پزشکی رسوخ کرده و گسترش چشم گیری داشته است. این امر به دلیل گوناگونی سیستم های لیزری موجود ، تنوع پارامتر های فیزیکی و نیز اشتیاق شدید برخی گروه ها پژوهشی بوده است که بدین ترتیب تقریبا تمامی شاخه های جراحی در به کار گیری لیزر ها حمت گمارده اند . البته در برخی موارد به ویژه در شاخه ی موسوم بر انگیزش بیولوژیک ، پژوهشگران سمت گیری مناسبی را اتخاذ نکرده بودند و با سعی فراوان به چاپ مقالات بیشتر اهتمام می ورزیدند و تولید کنندگان برخی از سیستم های لیزری نیز به منظور سود بیشتر به تبلیغ محصولات خود می پرداختند اما سر انجام در یافتند که برخی از این سیستم ها دارای کارایی مناسب نیستند اما از سوی دیگر بسیاری از روش های لیزری که با یاری دانشمندان توسعه یافته است در عمل نیز ثمر بخش بوده اند . در حال باید همواره توجه داشت که این روش های درمانی به وسیله ی دیگر محققان نیز تایید شد و نتایج تحقیقات با ارئه مدارک مستدل در ژورنالهای معتبر علمی انتشار یابد . علاوه بر روش ها ی متداول معالجه لیزری ، امروزه برخی تکنیک های تشخیصی جالب نیز به مجموعه کاربرد ها افزوده شده است. در اواخر دهه 60 میلادی لیزر ها در شاخه های دیگر پزشکی نیز وارد شدند و امروزه مجموعه ای بزرگ از روش های لیزری در سرتاسر جهان به کار گرفته می شود اغلب آن ها به خانواده موسوم به « جراحی با حداقل اثر تهاجمی » تعلق دارند که به معنای جراحی بدون تماس و با کمترین میزان خون ریزی است . دو ویژگی فوق ، باعث شده تا لیزر به عنوان یک تیغ جراحی منحصر به فرد و وسیله کمک در مانی ارزشمندی مطرح شود . بسیاری از بیماران و همچنین جراحان ، لیزر را به مثابه ابزاری شگفت انگیز باور داشته اند که البته این ممکن است تا حدی گمراه کننده باشد و همواره لیزر نتواند خواسته های غیر عهادی یا بلند پروازانه ما را بر آورده سازد. باید توجه داشت که همیشه به داوری دقیقی در مورد پیشرفت های نوین لیزری نیازمندیم و به صرف گزارش هایی که در مورد معالجه با لیزر منتشر می شود نمی توادن ارزش درمانی آن را تضمین کرد، مگر آن که مطالعات مستقل نیز به ارزیابی و تایید مجدد آن بپردازد. یک نوع بر همکنش لیزری ممکن است در درمان نوعی بیماری به کار آید. اما همان اثر در معالجه بیماری دیگر فاجعه آمیز باشد . به عنوان مثال گرم کردن بافت سرطانی توسط پرتو دهی لیزر می تواند به مرگ نسوج ( نگروزه شدن ) تومور سرطانی منجر گردد که مورد نظر ماست. اما به کار گیری همین پارامتر های لیزری به منظور انعقاد شبکیه ای به ایجاد سوختگی در شبکیه و نا بینایی بازگشت ناپذیر منجر می گردد . آثار حرارتی در دمای بیش از c60 درجه منجر به ایجاد صدمات بازگشت ناپذیر می گردند. سیستم های لیزری به 2 دسته لیزر های موج پیوسته و لیزر های پالسی تقسیم بندی شده اند اغلب لیزر های گازی و برخی لیزر های حالت جامد به گروه اول تعلق دارند ، حال آن که خانواده لیزر ها پالسی عمدتا ً شامل لیزر های دیگر حالت جامد، اگزایمر و لیزر های رنگینه ای است.
در جدول فهرستی از انواع لیزر های پزشکی به هموراه دو پارامتر مشخصه آن ها یعنی طول موج و عرض پالس ( یا زمان پرتو دهی در لیزر های موج پیوسته ) داده شده اند. این فهرست بر حسب عرض پالس مرتب شده است زیرا مدت پرتو دهی یک پرامتر مهم در تعیین نوع برهمکنش لیزر با بافت طول موج ، دومین پارامتر مهم لیزر است که تعیین کننده عمق نفوذ تابش لیزر درون بافت می باشد و بیانگر آن است که پارامتر های جذب و پراکندگی تا چه میزان موثر می باشند . پارامتر موسم یعنی چگالی انرژی لیزر نیز حائض اهمیت است و اندازه آن یک شرط لازم برای تعیین نوع اثر بر همکنش لیزر با بافت ومحدوده آن به شمار می آید با کاربرد های پزشگی در چگالی های انرژی بین j/cm 1 تا j/cm 1000 به و قوع می پیوندند و این گستره نسبتا باریک در مقایسه با بازه عرض پالس می باشد که در مطالعه آثار برهمکنشی لیزر با فت تا 15 مرتبه بزرگی قابل تغییر است. پارامتر چهارم یعنی شدت پرتودهی ( چگالی توان سطحی باریک لیزر ) که بنا به تعریف نسبت چگالی انرژی به عرض پالس می باشد نیز قابل توجه است.
اخیراً دو پیشرفت مهم در فناوری لیزر سهم به سزایی در متحول ساختن تحقیقات پزشکی داشته است. این دو عبارتند از لیزر های دیودی و لیزر الکترون آزاد. لیزر های دیودی می توانند به صورت موج پیوسته یا پالسی گسیل نمایند و به طور خارق العاده ای کوچک می باشند اما در عوض لیزر های الکترون آزاد که با استفاده از باریکه ها چند مگاالکترون ولتی ( mev ) شتاب دهنده های الکترونی کار می کنند قادر به تولید پالس های لیزری بسیار کوتاه می باشند ولی چون ماشین های قول پیکر و عظیمی هستند ، فقط در مکان خاصی می توانند نسب و مورد استفاده قرار گیرند .
پیشرفت کنونی در جراحی لیزری به توسعه سریع سیستم های لیزری پالسی وابسته است.
در حال حاضر بسیاری از لیزر های پزشکی یا تابش موج پوسته دارند و یا پالس های با عرض بیش یک میکرو ثانیه گسیل می کنند بنابراین آشکارا می تواند گفت که در ارتباط با این لیزر ها تحقیقات در آثار گرمایی محدود شده است. اما هنگلمی که پالس های لیزری کو تاه تری تولید شوند آنگاه امکان وقوع انواع دیگر بر همکنش های لیزر با بافت وجود خواهد داشت. این آار عمدتا از انواع غیر حرارتی بوده و بر اساس سازو کار های کندگی مانند نور کندگی ، کندگی القایی پلاسمایی و با فر آیند گسیختگی نوری می با شد که در مقیاس های نانو ثانیه و پیکو ثانیه روی می دهند .
به طور کلی می تواند چنین خلاصه نمود که توسعه و تکامل سیستم های لیزری که قادر به تولید غالب های کوتاه تری می باشند همواره کاربد های نوین و جالبی را با خود به همراه آورد.
|
بازه عرض پالس
|
طول موج (nm)
|
نوع لیزر
|
|
( موج پیوسته) cw
Cw
Cw
پالسی یا cw
پالسی یا cw
پالسی یا cw
Us250-1
Us250- ns100
Us250- ns100
Us250- ns100
Us250- ns100
Us250- ns100
Us100- ns50
Ns300-20
Ns20-10
Ns20-10
Ns20-10
Ps100-30
Ps100-30
Ps10-2
Ps100- fs10
|
514-488
647-568-531
633
Um6/10
900-450
900-670
694
1053
1064
2120
2780
2940
800-720
308
351
248
193
1053
1064
6000-800
1000-700
|
یونی آرگونی argonion
یونی کریپتونkrypton ion
هلیون- نئونhe-ne
گاز کربنیک co
لیزر رنگینه ای dye laser
لیزر دیوگی diode laser
یاقوت ruby
نئود یمیوم وای ال افnd:ylf
نئودیمیوم یاگnd:yag
هولمیوم یاگ er:yag
Er:ysgg
اربیوم یاگer:yag
الکساندر ایتalexandrite
زنون- کلرایدxecl
زنون – فلوراید xef
کریپتون – فلورایدkrf
آرگون –فلوراید arf
( به روش قفل شدگی مد)nd:ylf
(به روش قفل شدگی مد )nd:yag
لیزرئ الکترون آزادfel
(free electron laser )
تیتانیوم – سفایرti:sapphire
|
نخستین لیزر یک لیزر یاقوت با دمش لامپ درخش زنون بود . خروجی این لیزر به صورت پالس بسیار تیز مشخص می شد. معمولاً مدت زمان گسیل لیزری توسط لامپ درخش تعیین می گردد که به طول عمر تراز بالایی لیزر مطابقت دارد و در مورد یاقوت حدود ms 1 است. با ابداع سوئیچ Q ، پالسهایی تا حدود ns 50 بهدست آمد . ابزار مکانیکی مانند آینه های چرخان یا دریچه های دوار و ابزار نوری همچون کریستالهای پاکلز آکوستواپتیکی یا الکتروپتیکی می توانند بعنوان ابزار سوئیچ Q به خدمت گمارده شوند. در هر دو حالت تلفات درون تشدید گر ( کاواک ) به طور مصنوعی به میزان بالایی نگهداشته شده تا آن که وارونی بسیار بزرگی در ترازهای انرژی گذار لیزری حاصل شود. آن گاه به هنگام برداشت تلفات ، تمامی انرژی انباشته شده در محیط فعال لیزر به ناگهان توسط فرآیند گسیل القایی در تشدیدگر به بارکه لیزر تبدیل می شود. تولید پالسهای زمانی کوتاه تر نیز با بکارگیری قفل شدگی مد درون کاواک لیزر قابل دستیابی است. در حین عمل قفل شدگی مد ، مدولاسیون میدان الکترومغناطیسی با بکارگیری کریستالهای مدوله ساز سریع ( قفل شدگی مد فعال ) یا با کمک جاذب های اشباع پذیر ( قفل شدگی مد غیر فعال ) انجام می پذیرد . بدینوسیله فاز های کلیه مد های طولی نوسان کننده لیزر اجباراً همپوشانیده می شوند که در نتیجه آن پالسهای پیکوثانیه ای بدست خواهند آمد. یک نمونه از چنین لیزر هایی ، لیزر nd:yag با پهنای باند اپتیکی در مرتبه nm 1 می باشد. این پهنای باند ، کوچکترین عرض پالس قابل حصول را فقط به چند پیکو ثانیه محدود خواهد ساخت .از این رو به منظور ساخت لیزر های فمتو ثانیه ای اساساً می بایست در ساخت محیطهای فعال لیزر با پهنای باند اپتیکی وسیع تر تحولی حاصل می شد که امروزه این امر با تولید کریستال هایی نظیر ti:sapphire یا cr:lisaf میسر شده که پالسهای لیزری به کوتاهی fs 5/8 تولید می کنند . این امر در مقاله zhou (1994 ) نیز بیان گردیده است. این بازه زمانی از نظر گستره مکانی ، معادل با چند طول موج است. مهمترین روشهای تولید پالس در کتاب ارزشمند siegman (1986) به نگارش در آمده است.
1ـ 1 گسیل خودبخود، گسیل القایی و جذب
الكترونیك كوانتومی رشته‌ای از الكترونیك است كه پدیده‌های با طبیعت كوانتومی را بررسی می‌كند. در این جا نمونه خاصی از الكترونیك كوانتومی، یعنی اصول فیزیكی لیزر و رفتار آن را مورد بررسی قرار می‌دهیم. پیش از بحث در جزییات؛ كمی درباره‌ی مبانی نظری لیزر به زبان ساده صحبت كنیم.
در لیزر از سه پدیده‌ی اساسی كه نتیجه‌ی برهم كنش موج الكترومغناطیس با ماده‌اند، استفاده می‌شود. برای اینكه بتوانیم از ماهیت پرتوی لیزری آگاه شویم، به تشریح این پدیده‌ها یعنی فرایندهای گسیل خودبخود، گسیل القایی و خذب می‌پردازیم.
اگر جه ادعای پیشگویی اصول لیزر توسط اینشتین ممكن است بحث برانگیز باشد، اما او با تشریح فرایندهای جذب اتمی، گسیل خودبخودی و گسیل برانگیخته در سال 1917 اصول لیزر را بیان كرد. تقریباً 40 سال بعد چارلز تاونز، تئودور ماین تخستین لیزری را كه با یاقوت مصنوعی كار می‌كرد را ساخت و این نخستین لیزری است كه به جامعه علمی عرضه گردید. در سال 1916 علی جوان دانشمند ایرانی نخستین لیزر گازی را كه مخلوطی از گاز هلیم و نئون كار می‌كرد را بوجود آورد. امروزه صدها نوع ماده لیزری و هزاران خط لیزری شناخته شده است كه علاوه بر مسائل پژوهشی كاربردهای متنوعی دارند.
1ـ 1ـ 1 گسیل خودبخود
در نوع نخست برهم‌كنش اتم در یك حالت برانگیخته با گسیل یك فوتون به حالت پایین‌تر می‌رود.
در یك اتم مفروض، دو تراز 1 و 2 با انرژی را در نظر می‌گیریم (). این دو تراز ممكن است دو تراز منتخب از بینهایت تراز آن اتم باشند. اما برای آسانی فرض می‌كنیم تراز 1 را تراز پایه درنظر می‌گیریم. اكنون فرض می‌كنیم كه اتمی یا مولكولی از ماده ابتدا در تراز 2 باشد، از آنجا كه است، اتم به فروافتادن به تراز 1 گرایش پیدا می‌كند. بنابراین اختلاف انرژی باید آزاد شود. هنگامی این اختلاف انرژی به صورت موج الكترومغناطیسی گسیل می‌شود، به آن گسیل خودبخود یا تابشی می‌گویند. بسامد موج تابش شده از رابطه زیر بدست می‌آید:
(1ـ 1ـ 1)
فوتون + اتم اتم
شكل1ـ 1برهم كنش های تابش با ترازهای انرژی اتمی
كه در آن h ثابت پلانك است و علامت ستاره حاكی از حالت برانگیخته است. بنابراین گسیل خودبخودی با گسیل فوتونی به انرژی ، وقتی كه اتم از تراز 2 به تراز 1 فرو می‌افتد، مشخص می‌شود (شكل 1ـ 1). گسیل تابشی یكی از دو طریق ممكن در فرو افت اتم است. فروافت اتم از تراز 2 به تراز 1 بدون تابش نیز می‌تواند صورت بگیرد. در این فرایند اختلاف انرژی به صورت دیگری غیر از تابش موج الكترومغناطیسی به محیط منتقل می‌شود (مثلاً ممكن است به صورت انرژی جنبشی به مولكولهای محیط منتقل شود).
احتمال گسیل خوبخود را به طریق زیر می‌توان مشخص شود:
فرض كنیم در لحظه‌ی t تعداد اتم (در واحد حجم) در تراز 2 وجود داشته باشد. واضح است كه آهنگ فروافت این اتم‌ها در اثر گسیل خودبخود یعنی ، متناسب است با . بنابراین می‌توانیم بنویسیم:
(1ـ 1ـ 2)
ضریب A را احتمال گسیل خودبخود و یا ضریب A اینشتین می‌نامند. نخستین رابطه را برای A اینشتین با قوانین ترمودینامیك به دست آورد. كمیت را طول عمر گسیل خودبخود می‌نامند. مقادیر عددی A (یا ) به نوع گذار بستگی دارد.
1ـ 1ـ 2 گسیل القایی
برهم‌كنش دوم كه مسئول عملكرد لیزر به شمار می‌آید، گسیل القایی (یا تحریك شده) است. اكنون دوباره فرض می‌كنیم كه اتم در ابتدا در تراز 2 (حالت برانگیخته) قرار گرفته است و موجی الكترومغناطیسی با بسامد كه از رابطه‌ی (1ـ 1ـ 1) به دست می‌آید (یعنی بسامد موج فرودی با بسامد گسیل خودبخود برابر است) نیز بر اتم فرود آید. نظر به اینكه این موج دارای همان فركانس اتمی است احتمال معینی وجود دارد كه این موج، اتم را به گذار 1 2 وادارد. در این مورد اختلاف انرژی آزاد شده به صورت موج الكترومغناطیسی به موج فرودی افزوده می‌شود. این پدیده گسیل القایی است. ولی باید تفاوت اساسی میان گسیل القایی و گسیل خودبخودی را در نظر داشت: درباره‌ی گسیل القایی چون این فرایند با اعمال موج الكترومغناطیسی فرودی صورت می‌گیرد، گسیل هر اتم به صورت همفاز به موج فرودی افزوده می‌شود. علاوه بر این، موج فرودی جهت گسیل شده را تعیین می‌كند. یعنی دو فوتون خروجی درست در یك جهت با انرژی دقیقاً یكسان حركت می‌كنند و امواج الكترومغناطیسی مربوطه كاملاً همفاز (همدوس) هستند. به زبان نمادین : 2 فوتون + اتم فوتون + اتم
در این مورد نیز می‌ـوانیم فرایند را با معادلة:
(1ـ 1ـ 3)
مشخص كنیم كه آهنگ گذارهای در نتیجه گسیل القایی است و احتمال گذار القایی نامیده می‌شود. نیز مانند ضریب A كه با رابطه تعریف شد دارای بعد عكس زمان است. ولی ضریب بر خلاف ضریب A نه تنها به گذار بخصوصی بستگی دارد، بلكه بطور دقیقتر، برای موج تخت الكترومغناطیسی می‌توانیم بنویسیم:
(1ـ 1ـ 4)
كه در آن F شار فوتون موج فرودی است و كمیتی است كه دارای ابعاد سطح است و سطح مقطع گسیل القایی نامیده می‌شود و تنها به گذار بستگی دارد.