سلاحهای لیزری

[رزیتا]

لیزرهای گازی



نگاه اجمالی

حتماً تا کنون درباره DVD یا CD و یا جراحی چشم با لیزر و غیره چیزهایی شنیده‌اید و حتما این بزرگترین اختراع علوم را تا کنون به عناوین مختلف استفاده کرده‌اید؛ بدون آنکه از خودتان سؤال کرده باشید که مخترع لیزر چه کسی بوده است. آیا می‌دانید که مخترع لیزر یک ایرانی بوده است؟ اولین نوع لیزر ؛ لیزر گازی بود (که در سیستم درمانی و صنایع بطور گسترده بکار برده می‌شود) که توسط آقای علی جوان متخصص فیزیک اختراع شد.

لیزر هلیوم _ نئون اولین لیزری بود که در دسامبر 1960 با خروجی 1.15 میکرومتر بطور پیوسته عمل کرد. عمل برانگیختگی در این لیزر از طریق تخلیه الکتریکی ، در مخلوط از هلیوم و نئون انجام می‌شد. از آن زمان انواع زیادی از لیزرهای گازی در گستره وسیعی از طول موج از 100 نانومتر فرابنفش خلا تا فروسرخ دور یا حتی امواج میلیمتری ، تولید شده‌اند. بیش از 5000 خط لیزری شناسایی شده‌اند. در بیشتر موارد گاز بوسیله تخلیه الکتریکی یا دمش اپتیکی ، به یاری ساز و کارها و روشهای متعددی برانگیخته می‌شود.
گزیده‌ای از سخنان پروفسور علی جوان در مورد اختراع لیزر

در دنیای علمی و علوم ، این مثل همیشه گفته می‌شود که وقتی که زمان برای یک اختراع یا یک کشف درست شده و شما آنرا انجام ندهید، کس دیگری انجام خواهد داد. این مثل تا حد زیادی حقیقت دارد، اما همیشه اینطور نیست. بعضی وقتها آدمها یک فکر خوب را از دست می‌دهند. وقتی که نوبت برسد به لیزر ، لیزر گازی ، می‌توانست در سال 1930 اختراع شده باشد، نه پس از سی سال در سال 1960 که من آنرا اختراع کردم. اگر شما به تاریخ علم نگاه کرده باشید، مخصوصا به فیزیکدانان اروپایی ، آنها به اختراع لیزر در سالهای 1937 و 1938 خیلی نزدیک شده بودند.

دانشمندان در حال مطالعه بر روی اتمها بودند، که چگونه امواج نوری را بیرون بدهند (تقویت نور در گازها بوسیله گسیل القائی پرتوافکنی) و آنها به اختراع لیزر خیلی نزدیک شده بودند. از نوشتجات آنها شما می‌توانید ببینید که آنها به راه درست رفته بودند، اما بعدا راه را اشتباه رفته و از مسیر اصلی منحرف شدند. اگر من در همان سالها بودم مطمعنا آنرا اختراع می‌کردم، مبالغه نمی‌کنم و می‌دانم که آنرا انجام می‌دادم.

نمایی از لیزر گازی دکتر علی جوان.
مجله "Smithsonian" آوریل 1971.




من می‌دانم که این دانشمندان چرا آنرا از دست دادند؛ آنها عمیقا درگیر با داراییهای موضوع در تعادل گرمایی بودند. با این وجود در لیزرها ، اتمها باید در یک حالت تعادل غیر گرمایی باشند؛ که این قدری پیچیده می‌شود و از حوصله این بحث خارج است. البته تمام آنها اکنون تمام شده است، ولی آن دانشمندان پیشروان این راه بوده‌اند. موقعی که من نظریه‌ام را در رابطه با لیزر گازی دادم، بعضی از قسمتهای آنرا ، نه تمام آن ، بر اساس گرفتاری من در کارهایی بود که مشغول انجام آن بودم. اما من می‌دانستم که بالاخره این لیزر گازی را می‌توانم اختراع کنم، در غیر اینصورت اصلا دنبال آن کار را نمی‌گرفتم.

کسانی که از همان ابتدا نظر من را می‌دانستند، خیلی به آن بدبین بودند. حتی آنهایی که در تیم من بودند و با من کار می‌کرند، در این رابطه شک داشتند. من این شک را در بسیاری از آنها دیده‌ام. حتی فیزیکدانان خوب هم بعضی وقتها در عقاید خودشان نامطمئن هستند و آنها با تردید منزلزل می‌شوند.
تفاوت لیزر گازی با جامدات

استفاده از گازها به عنوان ماده فعال لیزری تفاوت جالبی با جامدات دارد. به دلیل آنکه جمعیت معکوسی که می‌توان در گازها بدست آورد، خیلی کمتر از جامدات است، یک میله Nd-YAG تقریبا 6X1025 اتم Nd در مترمکعب دارد، ولی در لیزر He_Ne فقط 1021 اتم Ne در هر مترمکعب وجود دارد. بنابراین انتظار داریم که لیزرهای گازی پرقدرت خیلی حجیم و بزرگ باشند. از سوی دیگر ، گازها بسیار یکنواخت‌تر و همگن‌تر از جامدات هستند و می‌توان برای خنک کردن و دوباره پر کردن آنها را در یک مدار بسته به حرکت در آورد.

تئوری لیزر گازی

برای گازها بطور کلی پهن شدگی ترازهای انرژی نسبتا کوچک است (در مرتبه چند گیگا هرتز یا کمتر) چون ساز و کارهای پهن شدگی خط ضعیفتر از جامدات است، برای گازهایی در فشار پایین (چند تور) که اغلب در لیزرها بکار می‌روند، پهن شدگی القا شده در اثر برخورد خیلی کوچک است و بنابراین پهناهای خط اساسا با پهن شدگی دوپلری تعیین می‌شوند. بدین دلیل دمش اپتیکی با لامپهای بکار رفته برای لیزر حالت جامد ، در مورد گازها انجام نمی‌شود.

این لامپها زیاد کارآیی ندارند، چون طیف گسیلشان کم و بیش پیوسته است. در حالی که در محیط فعال هیچ نوار جذب پهنی وجود ندارد. تنها موردی که عمل لیزر در گاز بوسیله این نوع دمش اپتیکی حاصل شده است، دمش Gs با لامپ حاوی He است. در این مورد وضعیت برای دمش اپتیکی کاملا مناسب است، چون برخی از خطوط گسیل He منطبق بر خطوط جذب Cs هستند، ولی اهمیت این لیزر بیشتر از جنبه تاریخی آن است.
مکانیزم لیزرهای گازی

لیزرهای گازی معمولا با ابزارهای الکتریکی برانگیخته می‌شوند، یعنی دمش با عبور جریان به اندازه کافی قوی (dc یا تپی) از گاز انجام می‌شود. ساز و کارهای اصلی دمشی که در لیزرهای گازی صورت می‌گیرد، با عبور جریان الکتریکی مناسبی از گاز حاصل می‌شود. یونها و الکترونهای آزاد بوجود می‌آیند و چون این ذرات در اثر میدان الکتریکی شتابدار می‌شوند، انرژی جنبشی اضافی بدست می‌آورند و می‌توانند با برخورد و به اتمهای خنثی آنها را برانگیخته کنند. دمش الکتریکی گاز معمولا با یکی از دو فرآیند زیر انجام می‌گیرد:

• در گازی که تنها شامل یک گونه باشد، برانگیختگی فقط با برخورد الکترونی ایجاد می‌شود.
• گازی که شامل دو گونه باشد (مثلا نوع A و نوع B) در اثر برخورد بین اتمهای دو نوع گاز نیز برانگیختگی ایجاد می‌شود.

ترازهای لیزر زایی لیزر هلیوم _ نئون
ساختار یک لیزر گازی

از آنجایی که اتمها خطوط جذبی بسیار باریکی در گازها دارند، تقریبا غیر ممکن است که بتوان به کمک تحریک (دمش) نوری در آنها جمعیت معکوس ایجاد نمود و به جای آن معمولا از روش تخلیه الکتریکی استفاده می‌شود. یک طرح شماتیک لیزر گازی با فشار کم مانند لیزر هلیوم _ نئون که در آن گاز تحت فشار تقریبا کم ، داخل لوله تخلیه با آند و کاتد در دو طرف آن قرار دارد. اگر آینه‌های تشدید کننده خارج از لوله تخلیه باشند، پنجره‌های بروستر در دو انتهای لوله قرار می‌گیرند تا اتلاف در اثر بازتاب را کاهش دهند، این عمل البته باعث پلاریزه شدن نور خروجی می‌شود.

ولتاژ چندین کیلوولت در سرتاسر لوله اعمال می‌شود تا تخلیه الکتریکی انجام شود. در بعضی موارد گاز ممکن است قبلا کمی یونیزه شود. این عمل به کمک پالس ولتاژ بالا که به یکی از الکترودها اعمال شود و یا یک سیم کوتاهی که به دور لوله پیچیده شود، انجام می‌گیرد. در این روش تخلیه الکتریکی هم الکترونها و هم یونها و هم اتمهای خنثی وجود دارند. الکترونهای آزاد توسط میدان الکتریکی در تخلیه شتاب می‌گیرند و به سمت آند حرکت می‌کنند و اگر در بین راه به اتمها و یونها برخورد کنند، مقداری و یا همه انرژی خود را از دست می‌دهند و آن را به تراز بالای لیزری دمش می‌کنند.
طبقه بندی مواد لیزر گازی

• لیزرهای اتم خنثی : معمولترین لیزر گازی خنثی لیزر هلیوم _ نئون است.
• لیزرهای یونی : در اتم یونیده ، مقیاس ترازهای انرژی گسترده می‌شوند و در اولین برخورد اتم خنثی را یونیزه می‌کنند.
• لیزرهای مولکولی : در این لیزرها از گذار بین ترازهای انرژی مولکول استفاده می‌شود.
• لیزرهای اگزیمر : کلمه اگزیمر از عبارت « دیمر تحریک شده » بدست آمده است، یعنی یک مولکول دو اتمی وقتی در حالت تحریکی واقع است، پایدار است و در حالت پایه ، ناپایدار است.

طبقه بندی روش برانگیختگی لیزر گازی

• لیزر تخلیه الکتریکی
• لیزر شیمیایی
• لیزر دمش اپتیکی
• لیزر دمش باریکه الکترونی

[رزیتا]

همدوسی



اگر نوری را که از یک چشمه خارج می‌شود، بطریقی به دو قسمت تقسیم کنیم و با هر یک از آنها یک چشمه جدید ایجاد کنیم، به اصطلاح دو چشمه ثانویه از یک چشمه اولیه ساخته می‌شود. هر نوع تغییر کاتوره‌ای در فاز که در یکی از آنها ایجاد شود، در دیگری نیز عینا تکرار می‌شود، لذا فاز چشمه‌های ثانویه ثابت می‌مانند. دو چشمه را که به این ترتیب از یک چشمه اولیه مشتق شده‌اند و رابطه فاز ثابتی دارند، همدوس و امواج نوری حاصل از آنها را امواج همدوس می‌گویند.
مقدمه

یکی از بارزترین نمونه‌های امواج همدوس لیزر است. باریکه نور خارج شده از لیزر می‌تواند دارای خاصیت تقریبا همدوس کامل باشند. اما منابع نوری معمولی مانند لوله فلورسانس ، لامپ الکتریکی تنگستن ، خورشید و همدوس هستند. البته می‌توان از این منابع نیز نور همدوس ایجاد کرد. ولی شدت نور حاصل به اندازه‌ای ضعیف خواهد بود که زیاد مفید نخواهد بود. برای مقاصد علمی فقط نور لیزر است که می‌تواند باریکه نور همدوس و پرقدرتی ایجاد کند. این خواص که قبل از کشف لیزر قابل حصول بودند، لیزر را در رده کشفیات بسیار مهم فیزیک نوین قرار می‌دهد.
شرایط همدوسی

برای همدوس بودن موج باید دو شرط زیر برقرار باشند:

1. موج حاصل باید با تقریب زیادی تک فرکانس باشند. یعنی پاشیدگی فرکانس با پهنای خطی کوچک باشند.
2. جبهه موج باید شکل خاصی داشته باشند، به گونه‌ای که نسبت به زمان تغییر نکنند. جبهه موج سطحی است که از نقاط با فاز یکسان تشکیل شده است. یک منبع نور نقطه‌ای موجی تولید می‌کند که فاز آن در فواصل یکسانی از منبع ثابت است.

انواع همدوسی

با توجه به شرایط همدوسی دو نوع همدوسی قابل تصور است.
همدوسی زمانی

در شرایط همدوسی ، اولین شرط همدوسی را تک فرکانس بودن موج بیان کردیم. اگر این شرط برقرار باشد، در این صورت همدوسی را همدوسی زمانی می‌گویند. منظور از همدوسی زمانی این است که باید فازهای نسبی بین دو نقطه زمانی در فاصله زمانی نسبتا طویلی ثابت باشند. به این ترتیب با همدوسی زمانی امکان پیش بینی فاز و دامنه پس از فاصله زمانی معلوم بین شاهدات اولیه و نهایی ممکن است. اگر این فرایند پیش بینی بتواند مدتی بعد تکرار شود، در این صورت گفته می‌شود که همدوسی زمانی به بزرگی مساوی و با فواصل پیش‌بینی‌ها موجود است.

همدوسی مکانی

به عنوان اولین شرط از شرایط همدوسی گفتیم که باید شکل جبهه موج نسبت به زمان تغییر نکند. اگر این شرط برقرار باشد، در این صورت نور حاصل را همدوسی فضایی می‌گویند. به بیان دیگر یک موج زمانی همدوس فضایی خوانده می‌شود که اختلاف فاز ثابتی بین هر دو نقطه انتخابی در روی جبهه موج وجود داشته باشند. عبارت ثابت ، متضمن مدت زمان کافی برای انجام عملیاتی در روی جبهه موج از قبیل مشاهده با چشم یا عکسبرداری است. به بیان دیگر همدوسی فضایی مستلزم ثابت ماندن فازهای نسبی بین دو نقطه فضایی در فاصله زمانی نسبتا طولانی است. در هر یک از این موارد هر چه فاصله زمانی طولانی تر باشد، همدوسی بزرگتر است. برای اینکه یک منبع نوری همدوس کامل باشد، باید علاوه بر همدوس زمانی دارای همدوس فضایی نیز باشد.

[رزیتا]

ماهیت نور همدوس لیزر

مقدمه

عمل لیزرها بستگی به گسیل القایی دارد. که بوسیله ضریب انیشتین B21 مشخص می شود. میزر ‏به معنی تقویت کهموج بوسیله گسیل القایی تابش است و لیزر به همان معنی برای نور است. ‏میزرها مدتی قبل از لیزرها بوجود آمدند. علت عمده اینکه ، اتلاف انرژی حاصل از فرآیند رقیب گسیل خود به خودی در طول موجهای بلند خیلی کمتر است (A21.B21 = V3).‏

مجموعه‌ای از اتمها یا مولکولها با ترازهای انرژی (1) و (2) را در نظر می‌گیریم که تحت ‏تابش نوری به فرکانس V12 قرار گرفته‌اند. هر اتم در حالت (1) دارای احتمال در واحد زمان (B12P (V12 برای اضافه کردن یک فوتون و در نتیجه تضعیف نور است در حالی که هر اتم حالت (2) دارای ‏احتمال (B12P(V12 برای اضافه کردن یک فوتون و در نتیجه تقویت نور است.‏

مکانیزم تابش همدوس لیزری

سرشتیهای تابش لیزر بطور کامل از این واقعیت ناشی می‌شود که تابش گسیل شده دقیقا دارای ‏همان فاز و جهت تابش القایی است. به عبارتی اگر تقویت بر تضعیف فزونی یابد اتمهای بسیاری را ‏می‌توان وادار به تابش همدوس کرد. در حالتهای عادی ، تعداد اتمها در حالت (1) بیشتر از اتمهای حالت (2) هستند. بطوری که در تعادل گرمایی ، جذب با ضرب e-hv/KT که گسیل القایی غالب می‌آید. برای بدست آوردن تقویتی خالص باید تجمع معکوس گردد.

این کار ، به هر میزانی ، در ناحیه مرئی ، به تنهایی کافی نیست. زیرا تعداد زیادی از اتمهای ‏برانگیخته بطور خود به خودی یعنی غیر همدوس فرو می‌افتند و از نقطه نظر تقویت همدوس تلف ‏می‌شوند. برای جبران کردن این اتلاف ، تقویت همدوس را ، با در برگرفتن تابش یک در حفره تشدید ‏کوک شده به فرکانس V12 ، می‌افزایند. در نواحی مرئی و فرو سرخ یک چنین حفره‌ای زوج آینه ‏موازی با ضریب انعکاس بالا ، هر کدام واقع در یک انتهای ماده مورد تجمع معکوس حاصل می‌شود.‏


امواج ایستاده حاصل از انعکاسات متعدد بین دو انتهای این حفره دامنه‌ای به مراتب بیشتر از امواج ‏متحرکی دارند که تنها عبور ساده‌ای از درون ماده را ارائه می‌کنند. از آنجایی که حفره برای نور ‏دقیقا عمود بر آینه تنظیم شده است. لذا باریکه فرودی از انتهای آینه (یکی از آینه‌ها کمی قابلیت ‏عبور دارد) به شدت جهت دار است.
عوامل اتلاف تابش لیزری

پاشندگی را می‌توان تا حد ده سانتیمتر در هر کیلومتر کوچک کرد. علاوه بر آن چون رفتار تابش ‏طوری است که گویی از یک نوسانگر غیر میرای تنها ، بجای تعداد زیادی نوسانگر نامربوط به هم ‏، منشأ گرفته است. لذا ناشی از جابه جایی دوپلر یا فشار ، یا حتی ناشی از طول عمر طبیعی ، هیچ ‏پاشندگی فرکانسی بوجود نمی‌آید. بنابرین نوار طول موج می‌تواند فوق العاده باریک باشد و ‏محدودیت آن اساسا توسط پارازیتهای گرمایی یا پایداری حفره تشدید معین می‌شود.

برای یک لیزر گازی ν/ν∆ که معرف پاشندگی نوری لیزر می‌باشد، ممکن است از مرتبه 14-10 ‏باشد. که همان مرتبه افت و خیز گرمایی و مکانیکی آینه است. این را می‌توان با حد دوپلر عادی که ‏حدود 6-10 است، مقایسه کرد. این چگالش انرژی چه از نظر فضایی و چه طیفی علت اصلی شدت ‏زیاد میزرها و لیزرهاست.

در اکثر موارد انرژی به صورت تپه‌هایی به طول عمر چند میکرو ثانیه یا کمتر گسیل می‌شود، یعنی ‏چگالش نیز زود گذر است. قدرت قله‌ای تابش حاصل از یک لیزر یاقوت چند مگاواتی چیزی حدود 1012 مرتبه بیشتر از قدرت تابش خورشید در همان زاویه باریک فضایی و نوار فرکانسی است. اما این ‏تپه فقط -710 ثانیه عمر دارد. از طرق مختلف دستیابی به تجمع معکوس در اینجا بحث نخواهد شد، ‏زیرا تعداد کتابهای قابل دسترس در این زمینه بسیار زیاد است.

پمپاژ لیزر

اصل عمومی ، عبارت از انتخاب یک تراز فرا پایدار (2) و تجمع آن از طریق فروافت از تراز بالاتر ‏‏(3) است که خود بوسیله جذب تابش به طول موجهای کوتاه تر ، از حالت پایه به آن حالت رسیده ‏است، این فرآیند به پمپاژ نوری (1) موسوم است. بطور مثال ، در لیزر یاقوت نور قرمز 6943 ‏آنگستروم از طریق فرو افت اتمهای ناخالص کرومیوم از یک تراز فرا پایدار (2) به حالت پایه (1) بوجود می‌آید.

روش دیگر پمپاژ نوری بوسیله لیزر گازی هلیوم - نئون نشان داده شده است. از آنجایی که تمام ‏ترازها تیزند. لذا انرژی فقط می‌تواند در نوارهای بسیار باریک فرکانس جذب شود و برانگیزش ‏توسط درخشی از تابش پیوسته بسیار نامؤثر خواهد بود. در عوض تراز (2) در نئون از طریق ‏برخورد با اتمهای هلیوم فرا پایدار به همان انرژی ، حاصل از یک تخلیه الکتریکی مداوم تجمع می‌یابد. گذار لیزری (1) <--- (2) به حالت پایه پایان نمی‌یابد. بنابراین تراز (1) تجمع نسبتا کوچکی دارد ‏و عمل معکوس کردن تجمع می‌تواند بدون فرا پایدار شدن تراز (2) تحقق پذیرد. در واقع هر دو ‏تراز (1) و (2) به زیر ترازهای متعددی شکافته می‌شوند. در این فرآیند خطوط متعدد فروسرخ و لیزر با نور قرمز ایجاد می‌شود.

لیزر پالسی
‏برخلاف آنچه در حالت جامد انتظار می‌رود تراز (2) به جای نوار ، یک تراز تیز است، زیرا تراز پر ‏3d یون کرومیوم توسط الکترونهای خارجی از تأثیر میدانهای بلور محفوظ می‌ماند. این تراز بوسیله گدازهای غیر تابشی از نوار عریض (3) تجمع می‌یابد، در این حالت انرژی به شبکه کریستالی ‏منتقل می شود. درخشی از تابش پیوسته برای برانگیختن اتمها به تراز (3) بکار می‌رود. به علت ‏برانگیزش درخشی و نیاز به اتلاف انرژی شبکه ، این لیزر به صورت تپش کار می‌کند. بازتابهای ‏متعدد به صیقل کردن و نقره اندود کردن سطوح انتهایی خود یاقوت حاصل می‌شود.
طیف نمایی با لیزرها و میزرها

• گونه‌های وسیعی از میزرها و لیزرهای گازی و جامد تا کنون ساخته و پرداخته شده‌اند که تمامی ‏ناحیه طیفی از کهموج تا فرابنفش نزدیک را ، هر چند عموما در فرکانسهای ثابت معینی ، در بر می‌‏گیرند.
• ایجاد لیزرها برای ناحیه فرابنفش دور موضوع به مراتب مشکلتری است. زیرا در فرکانسهای بالا ‏گسیل خود به خودی و اتلاف از طریق بازتاب به سرعت افزایش می‌یابند.
• تا این اواخر استفاده از لیزرها در طیف نمایی به علت عدم قابلیت کوک آنها به فرکانسهای دلخواه ‏، محدود بود و معمولا بطور تصادفی می‌شد از یک منبع با فرکانس ثابت برای تجربه معین استفاده ‏کرد.
• طیف نمایی رامان یک استثناء در این مورد است: طول موج تابش فرودی می‌تواند کاملا دلخواه ‏انتخاب شود و شدت زیاد لیزر بطور قابل توجهی مشکلات ناشی از ضعیف بودن خطوط رامان را ‏کاهش می‌دهد.

کاربردهای نور همدوس لیزر

• برای سایر شاخه های طیف نمایی توسعه لیزرهای رنگین دورنمای هیجان انگیزی را عرضه می ‏دارد. لیزرهای رنگین در گستره وسیعی از طول موجها نور تاباند، و تقویت در هر طول موج دلخواه ‏از نور مرئی تا فروسرخ را می توان با انتخاب یک رنگ مناسب و جدا کردن نوار موجی مورد نیازاز ‏طریق توری پراش تا تداخل سنج بدست آورد.
• از طریق روش دو برابر کردن فرکانس می‌توان گستره طول موج را به ناحیه فرابنفش گسترش داد. ‏با بکار بردن یک لیزر رنگین کوک پذیر به عنوان منبع پایه برای طیف نمایی جذبی می‌توان از یک ‏طیف نگار متعارف صرف نظر کرد.
• شدت یک لیزر رنگین را می‌توان به آسانی تا حدی بزرگ کرد که بتواند تجمع هر حالت ‏برانگیخته شده مناسبی را ، که از طریق یک گذار تابشی از حالت اساسی بدست می‌آید، اشباع ‏کند. این بدان معنی است که می‌توان تجمع حالت پایه و حالت برانگیخته شده را واقعا با همدیگر ‏برابر کرد. در این صورت می‌توان اثرهای گوناگونی را در حالت برانگیخته نظیر جذب به حالتی ‏باز هم بالاتر ، فرآیندهای فرو پاشی برخوردی و تابشی و انتقال انرژی برانگیختگی به حالتهای مجاور را مورد بررسی قرار داد.
• باید اضافه کرد که لیزرها وسیله‌ای فوق العاده مفید در یک آزمایشگاه طیف نمایی برای کارهای ‏ساده ولی اساسی نظیر تنظیم طیف نگارها ، میزان کردن تداخل سنجها و بدست آوردن شکلهای خطی ، دستگاههای مفیدی هستند.
• از لیزرها بطور وسیعی در طیف سنج پلاسما به عنوان وسایل تشخیص برای اندازه گیری ‏مستقیم دما و چگالی الکترونی استفاده می‌شود.‏

[رزیتا]

کاربرد پزشکی لیزر


دید کلی

امروزه بطور نسبی همه لیزر و موارد کاربرد آن را می‌دانند. در تمام دنیا استفاده از لیزر و مشتقات آن بطور شگفت انگیزی افزایش داشته است. هر کس خالی داشته باشد که آن را مزاحم بداند به سراغ لیزر می‌رود. بنابراین بررسی علمی این موضوع مفید و لازم به نظر می‌آید. البته نور و طیف آن می‌تواند اثرات مفید و مضر برای بدن و پوست ایجاد کند. اثرات نور بنفش نقش تعیین کننده و مفیدی بر تغذیه و متابولیسم سلولی ایفا می‌کند. اینگونه اثرات سلامت بخش و مفید نور از زمانهای کهن نیز برای انسان تا حدود زیادی روشن بوده است.

بر اساس شواهد و مدارک موجود یونانیها و رومیها هر دو از اثرات مفید و درمانی نور بطور تجربی اطلاع داشته و از آن در درمانهای مختلف بهره می‌جستند. در اوایل سال 1903 دانشمندان اثرات درمانی نور را در شکلی علمی مطرح نمودند و در همین سالها یک فیزیکدان بنام Nife finsen Ryberg بخاطر کشفها و تحقیقاتش روی قابلیتهای درمانی اشعه‌های ناشی از طیفهای مختلف نور موفق به دریافت جایزه نوبل گردید. او دستگاهی را اختراع کرد که طول موجهای مختلف نور خورشید را مجزا نموده و آنها را در مسیرهای معین هدایت می‌نمود.
کاشف واقعی لیزر کیست؟

انیشتین نخستین دانشمندی بود که مقوله لیزر را در قالبی علمی مطرح کرد و در سالهای بعد از آن آمریکاییها و روسها در طول جنگ سرد تحقیقات و پژوهشهای متعددی در مورد چگونگی بکارگیری لیزر در صنایع جنگی انجام دادند. نخستین لیزر طبی به نام Robust که در قالب یک ماشین ثابت با حجمی سنگین و در اندازه‌ای بزرگ طراحی شده بود در درمانهای جراحی مورد استفاده قرار گرفت.

پس از آن جهان طب شاهد تکامل سریع و غیر منتظره در تولید انواع لیزر طبی و ارائه شدن نسلهای مختلف لیزر به جامعه پزشکی بوده به رغم اشکال متنوع و چند کاره بودن دستگاه لیزر در حوزه‌های مختلف پزشکی یک اصل اساسی از ابتدا تا کنون هرگز تغییر نکرده و آن بکار گیری بهینه از انرژی حاصل از لیزر در حوزه‌های مختلف علمی ، پزشکی ، جراحی و زیباسازی پوست می‌باشد.
اثرات لیزر روی بدن

• تحریک سلولی: لیزر باعث تشدید رشد و ترمیم مجدد سلول در پوست ، اتصالات ، مفاصل ، بافتها و ... می‌گردد.
• افزایش فعالیت بافتها: تولید سلولهای زایا افزایش تولید آنزیمها و پروستا گلاندینها و ... را باعث می‌شود.
• ترمیم و تشدید فعالیت DNA : لیزر در RNA بافت کلاژن تغییراتی را ایجاد می‌نماید.

آثار ضد التهابی لیزر

• کاهش بافت فیبروز: درمان زخمها توسط لیزر امکان پذیر می‌باشد.
• آثار استریلیزاسیون و میکروب کشی
• اثرات ضد ویروسی
• تحریک فعالیتهای بافت عصبی
• افزایش قدرت دفاعی بدن: تولید اینترفرون (مولکول واسطه در سیستم ایمنی) را باعث می‌شود.
• تقویت نمودن رشد مجدد موها
• کاهش دادن رشد موها و محو موهای ناخواسته
• ایجاد واسکولاریزاسیون: شکل گیری عروق جدید خونی که باعث خونگیری بهتر بافتها می‌گردد را باعث شده که این خاصیت لیزر عامل اساسی در جوان شدن مجدد پوست می‌باشد.
• افزایش تراکم بافتی با لیزر

استفاده از لیزر در درمان بیماریها

• کاربرد در درماتولوزی: درمان سوختگیها و زخمهای مقاوم به درمان آکنه ، اگزما ، پسوریاسیس ، ضایعات و اقدامات پیشگیرانه مثل جلوگیری از پیر شدن پوست توسط لیزر امکان پذیر شده است.
• بیماریهای عضلانی - اسکلتی و ارتوپدی: در درمان کشیدگیهای تاندونی آرتریت روماتوئید ، رفع اختلالات موجود در اتصالات عضلانی کمر دردها و کشیدگیها بکار می‌رود.
• بیماریهای دهان و دندان: درمان پوسیدگیهای دندانی پریودنتیتها بیماریهای مخاط دهان اختلالات جویدن و ... توسط لیزر صورت می‌پذیرد.
• در حوزه عصبی:درمان سردردها و میگرن توسط لیزر امکان پذیر می‌باشد.
• بیماریهای عروقی:درمان واریسهای وریدی ضایعات عروقی حاصله از بدو تولد و ... .

موارد منع استفاده از لیزر در پزشکی

• تقریبا هیچ موردی در منع استفاده از لیزر وجود نداشته و فقط به هنگام حاملگی به علت عدم وجود اطلاعات کافی بهتر است این وسیله با احتیاط استفاده شود.
• در مورد انواع مختلف پوست و یا داروهایی که فرد مورد استفاده قرار می‌دهد باید لیزر را با احتیاط بیشتری بکار برد. برای مثال استفاده از هپارین و وارفارین (داروهایی که معمولا برای رقیق کردن خون بکار می‌روند) منعی در استفاده از لیزر ندارند.
• پس از کشف پنی سیلین کشف لیزر و شناخت قابلیتهای آن در طب بزرگترین انقلاب می‌تواند باشد.

[رزیتا]

کاربرد لیزر در اندازه گیری و بازرسی

خصوصیات جهت‌مندی، درخشایی، و تکفامی لیزر باعث کاربردهای مفید زیادی برای اندازه گیری و بازرسی در رشته‌مهندسی سازه و فرایندهای صنعتی کنترل ابزار ماشینی شده است. در این بخش تعیین فاصله بین دو نقطه و بررسی آلودگی را نیز مد نظر قرار می دهیم.

هم محور کردن


:یکی از معمولترین استفاده های صنعتی لیزر هم محور کردن است. برای اینکه یک خط مرجع مستقیم برای هم محور کردن ماشین آلات در ساخت هواپیما و نیز در مهندسی سازه برای ساخت بناها پلها و یا تونلها داشته باشیم استفاده از جهتمندی لیزر سودمند است. در این زمینه لیزر به خوبی جای وسایل نوری مانند کلیماتور و تلسکوپ را گرفته است. معمولا از یک لیزر هلیم - نئون با توان کم استفاده می شود و هم محور کردن عموما به کمک آشکارسازهای حالت جامد به شکل ربع دایره ای انجام می شود. محل برخورد باریکه لیزر روی گیرنده با مقدار جریان نوری روی هر ربع دایره معین می شود. در نتیجه هم محور شدن بستگی به یک اندازه گیری الکتریکی دارد و در نتیجه نیازی به قضاوت بصری آزمایشگر نیست. در عمل دقت ردیف شدن از حدود 5µm تا حدود 25µm به دست آمده است.

مسافت سنجی


:از لیزر برای اندازه گیری مسافت هم استفاده شده است. روش استفاده از لیزر بستگی به بزرگی طول مورد نظر دارد.

:برای مسافتهای کوتاه تا 50 متر روشهای تداخل سنجی به کار گرفته می شوند که در آن ها از یک لیزر هلیم - نئون پایدار شده فرکانسی به عنوان منبع نور استفاده می شود. برای مسافتهای متوسط تا حدود 1 کیلومتر روشهای تله متری شامل مدوله سازی دامنه به کار گرفته می شود. برای مسافت های طولانی تر می توان زمان در راه بودن تپ نوری را که از لیزر گسیل شده است و از جسمی بازتابیده می شود اندازه گیری کرد.

در اندازه گیری تداخل سنجی مسافت از تداخل سنج مایکلسون استفاده می شود. باریکه لیزر به وسیله یک تقسیم کننده نور به یک باریکه اندازه گیری و یک باریکه مرجع تقسیم می شود باریکه مرجع با یک آینه ثابت بازتابیده می شود در حالی که باریکه اندازه گیری از آینه ای که به جسم مورد اندازه گیری متصل شده است بازتاب پیدا می کند. سپس دو باریکه بازتابیده مجددا با یکدیگر ترکیب می شوند به طوری که با هم تداخل می کنند و دامنه ترکیبی آن ها با یک آشکار ساز اندازه گیری می شود. هنگامی که محل جسم در جهت باریکه به اندازه نصف طول موج لیزر تغییر کند سیگنال تداخل از یک ماکزیموم به یک مینیموم می رسد و سپس دوباره ماکزیموم می شود. بنابراین یک سیستم الکترونیکی شمارش فریزها می تواند اطلاعات مربوط به جابجایی جسم را به دست دهد. این روش اندازه گیری معمولا در کارگاههای ماشین تراش دقیق مورد استفاده قرار می گیرد و امکان اندازه گیری طول با دقت یک در میلیون را می دهد. باید یادآوری کرد که در این روش فقط می توان فاصله را نسبت به یک مبدا اندازه گیری کرد. برتری این روش در سرعت دقت و انطباق با سیستم های کنترل خودکار است.

:برای فاصله های بزرگتر از روش تله متری مدوله سازی دامنه استفاده می شود و فاصله روی اختلاف فاز بین دو باریکه لیزر مدوله می شود و فاصله از روی اختلاف فار بین دو باریکه گسیل شده و بازتابیده معین می شود. باز هم دقت یک در میلیون است. از این روش در مساحی زمین و نقشه کشی استفاده می شود. برای فواصل طولانی تر از 1 کیلومتر فاصله با اندازه گیری زمان پرواز یک تپ کوتاه لیزری گسیل شده از لیزر یاقوت و یا لیزر CO2 انجام می گیرد. این کاربردها اغلب اهمیت نظامی دارند و در بخشی جداگانه بحث خواهد شد کاربردهای غیر نظامی مانند اندازه گیری فاصله بین ماه و زمین با دقتی حدود 20 سانتی متر و تعیین برد ماهواره ها هم قابل ذکر است.


سرعت سنجی


:درجه بالای تکفامی لیزر امکان استفاده از آن را برای اندازه گیری سرعت مایعات و جامدات به روش سرعت سنجی دوپلری فراهم می سازد. در مورد مایعات می توان باریکه لیزر را به مایع تابانده و سپس نور پراکنده شده از آن را بررسی کرد. چون مایع روان است فرکانس نور پراکنده شده به خاطر اثر دوپلر کمی با فرکانس نور فرودی تفاوت دارد. این تغییر فرکانس متناسب با سرعت مایع است. بنابراین با مشاهده سیگنال زنش بین دو پرتو نور پراکنده شده و نور فرودی در یک آشکار ساز می توان سرعت مایع را اندازه گیری بدون تماس انجام می شود. و نیز به خاطر تکفامی بالای نور لیزر برای برد وسیعی از سرعتها خیلی دقیق است.

:یکی از سرعت سنجهای خاص لیزر اندازه گیری سرعت زاویه ای است. وسیله ای که برای این منظور طراحی شده است ژیروسکوپ لیزرینامیده می شود و شامل لیزری است که کاواک آن به شکل حلقه ای است که از سه آینه به جای دو آینه معمول استفاده می شود. این لیزر می تواند نوسان مربوط به انتشار نور را هم در جهت عقربه ساعت و هم در خلاف آن به دور حلقه تامین کند. فرکانسهای تشدیدی مربوط به هر دو جهت انتشار را می توان با استفاده از این شرط که طول تشدید کننده ( حلقه ای ) برابر مضرب صحیحی از طول موج باشد به دست آورد. اگر حلقه در حال چرخش باشد در مدت زمانی که لازم است نور یک دور کامل بزند زاویه آینه های تشدید کننده به اندازه یک مقدار خیلی کوچک ولی محدود حرکت خواهد کرد. طول موثر برای باریکه ای در همان جهت چرخش تشدید کننده می چرخد کمی بیشتر از باریکه ای است که در جهت عکس می چرخد. در نتیجه فرکانس های دو باریکه ای که در خلاف جهت یکدیگر می چرخند کمی تفاوت دارد و اختلاف این فرکانسهای متناسب با سرعت زاویه ای تشدید کننده است . با ایجاد تپش بین دو باریکه می توان سرعت زاویه ای را اندازه گیری کرد. ژیروسکوپ لیزری امکان اندازه گیری با دقتی را فراهم می کند که قابل مقایسه با دقت پیچیده ترین و گرانترین ژیروسکوپ های معمولی است.


دیسکهای تصویری و صوتی


:کاربرد مصرفی دیگر و یا به عبارت بهتر کاربرد مصرفی واقعی عبارت از دیسک تصویری و دیسک صوتی است. یک دیسک ویدئو حامل یک برنامه ویدئویی ضبط شده است که می توان آن را بر روی دستگاه تلویزیون معمولی نمایش داد. سازندگان دیسک ویدئویی اطلاعات را با استفاده از یک سابنده روی آن ضبط می کنند که این اطلاعات به وسیله لیزر خوانده می شود. یک روش معمول ضبط شامل برشهای شیاری با طول ها و فاصله های مختلف است عمق این شیارها 4/1 طول موج لیزری است که از آن در فرایند خواندن استفاده می شود. در موقع خواندن باریکه لیزر طوری کانونی می شود که فقط بر روی یک شیار بیفتد. هنگامی که شیار در مسیر لکه باریکه لیزر واقغ شود بازتاب به خاطر تداخل ویرانگر بین نور بازتابیده از دیوارهای شیار و به آن کاهش پیدا می کند. به عکس نبودن شیار باعث یک بازتاب قوی می شود. بدین طریق می توان اطلاعات تلویزیونی را به صورت رقمی ضبط کرد.


نوشتن و خواندن اطلاعات


:کاربرد دیگر لیزرها نوشتن و خواندن اطلاعات در حافظه نوری در کامپیوترهاست لطف ای حافظه نوری هم در توان دسترسی به چگالی اطلاعات حدود مرتبه طول موج است. تکنیک ضبط عبارت است از ایجاد سوراخ های کوچکی در یک ماده مات یا نوعی تغییر خصوصیت عبور و بازتاب ماده زیر لایه که با استفاده از لیزرهای با توان کافی حاصل می شود. و حتی می تواند فیلم عکاسی باشد. اما هیچ یک از این زیر لایه ها را نمی توان پاک کرد. حلقه های قابل پاک کردن بر اساس گرما مغناطیسی فروالکتریک و فوتوکرومیک ساخته شده اند. همچنین حافظه های نوری با استفاده از تکنیک تمام نگاری نیز طراحی شده اند. نتیجتا اگر چه از لحاظ فنی امکان ساخت حافظه های نوری به وجود آمده است ولی ارزش اقتصادی آن ها هنوز جای بحث دارد.

گرافیک لیزری


:آخرین کاربردی که در این بخش اشاره می کنیم گرافیک لیزری است. در این تکنیک ابتدا باریکه لیزر بوسیله یک سیستم مناسب روبشگر بر روی یک صفحه حساس به نور کانونی می شود و در حالی که شدت لیزر به طور همزمان با روبش از نظر دامنه مدوله می شود به طوری که بتوان آن را بوسیله کامپیوتر تولید کرد.( مانند سیستم های چاپ کامپیوتری بدون تماس ) و یا آنها را به صورت سیگنال الکتریکی از یک ایستگاه دور دریافت کرد( مانند پست تصویری). در مورد اخیر می توان سیگنال را به وسیله یک یک سیستم خواننده مناسب با کمک لیزر تولید کرد. وسیله خواندن در ایستگاه دور شامل لیزر با توان کم است که باریکه کانونی شده آن صفحه ای را که باید خوانده شود می روبد. یک آشکارساز نوری باریکه پراکنده از نواحی تاریک و روشن روی صفحه را کنترل می کند و آن را به سیگنال الکتریکی تبدیل می کند. سیستم های لیزری رونوشت اکنون به طور وسیعی توسط بسیاری از ناشران روزنامه ها برای انتقال رونوشت صفحات روزنامه به کار برده می شود.

[رزیتا]

کاربرد لیزر در هولوگرافی

مقدمه

تمام نگاری یک تکنیک انقلابی است که عکسبرداری سه بعدی (یعنی کامل) از یک جسم و یا یک صحنه را ممکن می‌کند. این تکنیک در سال 1948 توسط گابور ابداع شد (در آن زمان به منظور بهتر کردن توان تفکیک میکروسکوپ الکترونی پیشنهاد شد) و بصورت یک پیشنهاد عملی در آمد، اما قابلیت واقعی این تکنیک پس از اختراع لیزر نشان داده شد.
ایجاد هولوگرام

برای ایجاد هولوگرام به یک چشمه نور همدوس که در آن ، امواج همفاز هستند (نور لیزر) نیاز داریم. اساس تمام نگاری به این صورت است که باریکه لیزر بوسیله آینه که قسمتی از نور را عبور می‌دهد، به دو باریکه (بازتابیده و عبوری) تقسیم می‌شوند. باریکه بازتابیده مستقیما به صفحه حساس به نور برخورد می‌کند، در حالی که باریکه عبوری جسمی را که باید تمام نگاری شود روشن می‌کند. به این ترتیب قسمتی از نوری که از جسم پراکنده شده هم روی صفحه حساس (فیلم) می‌افتد. به علت همدوس بودن باریکه‌ها یک نقش تداخلی از ترکیب دو باریکه روی صفحه تشکیل می‌شود.

حالا اگر این فیلم ظاهر شود و تحت بزرگنمایی کافی بررسی شود، می‌توان این فریزهای تداخلی را مشاهده کرد. فاصله بین دو فریز تاریک متوالی معمولا حدود 1 میکرومتر است. این نقش تداخلی پیچیده است و هنگامی که صفحه را بوسیله چشم بررسی می‌کنیم به نظر نمی‌رسد که حامل تصویر مشابه با جسم اولیه باشد، اما این فریزهای تداخلی در واقع حامل ضبط کاملی از جسم اولیه است (هولوگرام انعکاسی یکی از انواع فراوان هولوگرامهاست).

مشاهده هولوگرام

برای مشاهده هولوگرام باید نور را تحت همان زاویه دسته پرتو اصلی که به هنگام عکسبرداری بر فیلم تابانده‌ایم، بر فیلم بتابانیم. در این صورت نمونه‌های تداخلی مضبوط بر فیلم نور را پراش داده چنان منعکس می‌کنند که جهت و شدت امواج تابشی اصلی ، که به هنگام عکسبرداری ایجاد شده است، مجددا بوجود آید. حال فرض کنید که صفحه ظاهر شده را دوباره به محلی که در معرض نور قرار داشت باز گردانیم و جسم تحت مطالعه را برداریم..

باریکه بازتابیده اکنون با فریزهای روی صفحه برهمکنش می‌کنند و دوباره در پشت صفحه یک باریکه پراشیده ایجاد می‌کند. بنابراین ناظری که به صفحه نگاه می‌کند جسم را در پشت صفحه می‌بیند، طوری که انگار هنوز هم جسم در آنجاست. هر یک از دو چشم ، هر نقطه مفروض را بواسطه یک نمونه تداخلی جداگانه مشاهده می‌کند. بدین ترتیب برای هر نقطه از تصویر ، ناظر یک تصویر مجازی سه بعدی را پشت صحفه هولوگرافی شناور است، می‌بیند. با تغییر شدت نور که در نتیجه تغییر زاویه مشاهده ، ایجاد می‌شود، چنین می‌نماید که شی در پشت هولوگرام واقعا وجود دارد.
خصوصیات تمام نگاری

یکی از جالبترین خصوصیات تمام نگاری این است که جسم بازسازی شده رفتار سه بعدی نشان می‌دهد، بنابراین با حرکت دادن چشم از محل تماشا می‌توان طرف دیگر جسم را مشاهده کرد. توجه کنید که برای ضبط تمام نگار باید سه شرط اصلی را برآورد:.

1. درجه همدوسی نور لیزر باید به اندازه کافی باشد تا فریزهای تداخلی در روی صفحه تشکیل شود.
2. وضعیت نسبی جسم ، صفحه و باریکه لیزر نباید در هنگام تاباندن نور به صفحه که حدود چند ثانیه طول می‌کشد تغییر کند. در واقع تغییر محل نسبی باید کمتر از نصف طول موج لیزر باشد تا از در هم شدن نقش تداخلی جلوگیری کند.
3. قدرت تفکیک صفحه عکاسی باید به اندازه کافی زیاد باشد تا بتواند فریزهای تداخلی را ضبط کند.

کاربرد

تمام نگاری به عنوان یک تکنیک ضبط و بازسازی تصویر سه بعدی بیشترین موفقیت را تا کنون در کاربردهای هنری داشته است تا در کاربردهای علمی. اما بر اساس تمام نگاری از یک تکنیک تداخل سنجی تمام نگاشتی در کاربردهای علمی به عنوان وسیله‌ای برای ضبط و اندازه گیری واکنشها و ارتعاشات اجسام سه بعدی استفاده شده است. عکس دو بعدی ، نور را در همه جهات، با شدتی یکسان منعکس می‌سازد.