زمینه ای از فیزیک لیزر 

تابش الکترومغناطیسی

امواج الکترومغناطیس در اشکال مختلف نظیر نور خورشید و نورهای مصنوعی (مانند لامپ) و همچنین فرستنده های رادیویی، تلویزیونی و مخابراتی وجود دارند. این تابش، شکلی از انرژی است که از فوتون ها یا همان بسته های حاوی انرژی تشکیل می شود که با سرعت نور (300000 کیلومتر بر ثانیه در خلاء) حرکت می کند. هر فوتون، بسته كوچكي از انرژي است كه عناصر موج را تشكيل مي دهد و هر موج شامل يك طول موج معين و فركانس تعریف شده است (مانند امواج آب و امواج صوت).

ارتباط بین طول موج و فرکانس:

λ × V = C

سرعت نور در محیط مورد نظر = C

λ × V = C / n

شاخص انکسار و یا انحراف = n

این فرمول در محیط های غیر از خلاء کاربرد دارد. در قسمتی از طیف امواج الکترومغناطیسی که امواج رادیویی نامیده می شوند به جای طول موج از فرکانس استفاده می شود. در قسمت دیگری از طیف امواج مجبوریم از طول موج به جای فرکانس استفاده کنیم زیرا اعداد بزرگی را بعنوان فرکانس خواهیم داشت.

انرژی فوتون

فوتون ها با طول موج هاي مختلف، سطوح انرژي متفاوتي دارند. انرژي فوتون (E) متناسب با فركانس (V) است و با رابطه زير بيان مي شود:

E = h × V = h × C / λ

در این فرمول، v بيانگر فركانس موج، λ بيانگر طول موج، c بيانگر سرعت نور و h ثابت پلانكPlanck’s Constant مي باشد. اگر به جاي فركانس از طول موج استفاده كنيم، انرژي فوتون با طول موج فوتون رابطه معکوس خواهد داشت. به اين معني كه فوتون ها با طول موج بلندتر، دارای انرژي كمتر هستند، در حاليكه فوتون ها با طول موج كوتاه، انرژي بيشتري دارند.

مکانیسم حفاظتی

انسان همواره در معرض تابش خورشید است. خورشید تمامی تشعشعاتی که در زیر می بیند را ساطع می کند.          (شکل1) در حالیکه فقط امواج رادیویی، میکرویوها، مادون قرمز (تشعشعات گرمایی نور مرئی) و امواج فرابنفش با طول موج بلند توسط اتمسفر جذب نمی شوند و به سطح زمین می رسند. در بین امواجی که به زمین می رسند، قسمت کوچکی از امواج فرابنفش (UV) که به نام UBV شناخته شده اند، برای انسان خطرناک می باشند که خوشبختانه در برابر آن یک مکانیسم حفاظتی توسعه یافته داریم. سلولهای ملانوسیت در لایه خارجی پوست ملانین تولید می کنند که تشعشعات UV را جذب می کنند و از رسیدن آن به لایه های عمیق تر و حساس تر بدن جلوگیری می کنند.

شکل 1 : طیف امواج الکترومغناطیس

منابع طبیعی تشعشعات

خورشيد اصلی ترین منبع طبيعی تشعشعات و انرژی است و دارای طیف وسیعی می باشد که ترکیبی از فوتون ها با طول موج های متفاوت است. بر روی سطح زمین، تشعشعات خورشید بیشترین شدت خود را در طول موج 440 نانومتر دارد (نور آبی) که بالاتر و پایین تر از این طول موج شدت تشعشعات کاهش می یابد. خورشید در حقیقت آبی است ولی برای ما زرد به نظر می رسد زیرا چشمان ما به نور زرد حساس تر می باشند (طول موج کمتر از 550 نانومتر).  پایین تر از طول موج 440 نانومتر شدت تشعشعات نور خورشید کم می شود و در طول موج 290 نانومتر به صفر می رسد (به دلیل حضور لایه ازون). قسمتی از تشعشعات خورشید که طول موجی بین 290 تا 320 نانومتر دارند، کارسینوژن[1] می باشند که با نام UVB شناخته شده اند. شدت تشعشعات با طول موج بلند برای انسان محدودیتی ندارند به گونه ای که در طول موج های بسیار بلند (مانند امواج رادیویی) شدت بسیار کم و بدون خطر می باشد.

منابع مصنوعی تشعشعات (ساخته انسان)

تمام منابع نوری قدیمی دارای پهنای باند باریک یا پهن هستند که بیشتر باندهای باریک، نورهایی هستند که از گازهای کم فشار تخلیه می شوند مانند نور نئون (قرمز) یا نور سدیم (زرد). این نورها بیانگر طول موج غالب آنها می باشد که بیان می کند فوتون ها بیشتر این طول موج را دارا هستند یا طول موجی نزدیک به این دامنه دارند. این منابع نور عملکردی دارند که گاهی یادآور لیزر است. منابع مختلفي براي تابش نور وجود دارد، ديودهاي فرستنده نورLight Emitted Diode (LED) ،لامپ فيلامان دار (لامپ معمولي)، لامپ فلورسنت (لامپ مهتابي) و ليزر LASER که آخرين و پيشرفته ترين منبع نور است.

LED :

منبع نور دیگری که دارای پهنای باند باریک است LED می باشد که یک لامپ نیمه هادی کوچک و ارزان است که نباید با لیزر اشتباه گرفته شود. LED نور قرمز، زرد، سبز، آبی و حتی سفید تولید می کند. LED هایی وجود دارد که مادون قرمز یا طول موجی پیرامون 950 نانومتر ساطع می کنند (کاملا نامرئی) که اغلب در ریموت کنترل تلویزیون بکار می روند.

لیزر:

همانطور که در بالا اشاره کردیم لیزر آخرین و پیشرفته ترین منبع نوری ما می باشد. واژه ليزر اختصار سه نام چندکلمه ای  “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation” به معني “تقويت نور توسط تابش گسيل القايي” است. به عنوان یک نکته جالب در ابتدا نامی که برای لیزر پیشنهاد شده بود، از سه نام کلمات Light Oscillation by Stimulated Emission of Radiation گرفته شده بود. تئوری لیزر آلبرت انیشتین در روند توسعه لیزر اعتبار یافت. تئوری او با نام Zur Quantum Theoriesder Strahlung در سال 1916 به چاپ رسید. او اولین کسی بود که از نام گسیل القایی (Stimulated Emission) استفاده کرد. در این میان گام های بلند و مهمی توسط Theodor Maiman وCharles Townes وArthur Shawlow برداشته شد. Maiman از اولین کاربرد لیزر (لیزر یاقوت) در ژولای1960 پرده برداشت.[2]

بر اساس استاندارد اروپا (IEC) لیزر اینگونه تعریف شده است، “هر وسیله ای که برای تولید یا تقویت تشعشعات الکترومغناطیسی، در محدوده طول موجی 1 تا 180 نانومتر ساخته شده و در مرحله اول بوسیله پروسه گسیل القایی کنترل شود.”

طراحي ليزر 

هر دستگاه لیزر چه کوچک و چه بزرگ، دارای سه قسمت زیر می باشد:

• منبع نیرو یا انرژي Energy Source
• تقويت كننده مياني Lasing (amplifying) medium
• محفظه رزونانسResonating Cavity

منبع نیرو یا انرژي مي تواند جريان الكتريكي، پرتو نوری ناشی از یک لامپ چشمك زن يا یک ليزر دیگر، امواج راديويي، امواج ميكروويو و يا انرژي حاصل از یک واكنش شيميايي باشد. نحوه تامين انرژي به ساختار تقويت كننده مياني وابسته است. تقويت كننده مياني يا ماده فعال، باید بتواند انرژی را بوسیله پروسه ای که “وارونی جمعیت” نام دارد، ذخیره کند. این انرژی ذخیره شده و سپس می تواند بصورت سازمان یافته ساطع شود که این روند با نام “گسیل القایی” تشعشعات شناخته شده است. اين كار از طريق ايجاد تغيراتي در ساختار اتمي مولكولها، اتم ها و يون هاي سازنده انجام مي شود. یک فوتون با مقدار صحیح انرژي، باعث برانگيخته شدن الكترون در میدان مغناطیسی اتم و رفتن آن به تراز بالاتر مي شود. الكترون در برگشت به تراز انرژي اصلي، مقداری از انرژی اش بصورت یک فوتون نوري -یکسان با فوتون اول- آزاد می شود. فوتون اول جذب نمی شود و از این رو هر دو فوتون جدید و قدیم می توانند اتم های دیگر در تقویت کننده میانی را تحریک کنند و باعث ساطع کردن انرژی ذخیره شده آنها شوند.

این روند مانند یک زنجیره عکس العملی است که ایجاد بهمنی از نور می کند که تمام فوتون های آن، انرژی دقیقاً یکسانی دارند. از این رو تشعشعات لیزر همیشه یک طول موج مشخص و ثابت دارند که بوسیله ساختار تقویت کننده میانی تعیین می شود. لیزر مانند منابع نوری دیگر دامنه وسیعی از طول موج ها را دارا نیست. در حال حاضر انواع مختلف از لیزر وجود دارد که نور مرئی ، UV ،IR با طول موج های متفاوت تولید می کنند. بطور معمول، هر دستگاه لیزر، یک طول موج خاص دارد، اگر چه گاهی ممکن است دامنه ای از طول موج ها را هم انتخاب کند. اندک لیزرهایی نیز وجود دارند که طول موج آنها قابل تغییر است که لیزرهای تنظیم پذیر نام دارند.

تقویت کننده میانی مي تواند گاز، مايع، كريستال جامد و يا نيمه رسانا باشد. در دستگاه هاي ليزر كه بعنوان ليزر درماني كم توان استفاده مي شود، ماده فعال گاز He-Ne يا نيمه رسانا مانند Ga-As و يا Ga-Al-As است.

محفظه رزونانس شامل دو آينه يا ساير سطوح بازتابنده است كه در دو طرف ماده فعال قرار مي گيرد. آينه ها با بازتابش فوتون ها به جلو و عقب در محيط فعال، بر شدت باريكه ليزر مي افزايند. به منظور خارج شدن نور ليزر از محفظه، يكي از آينه ها تا حدي (١٪‏ تا ٢٠٪‏) شفاف انتخاب مي شود، بنابراين ٨٠٪‏ تا ٩٩٪‏ نور ليزر از محفظه خارج نمي شود و همواره توان نور خارج شده، كمي از توان نور داخل محفظه است. (شکل 2)

شكل 2: قسمت هاي مختلف منبع توليد ليزر

گسیل القایی فقط زمانی اتفاق می افتد که فوتون دوم، دقیقاً انرژی برابر با فوتون آزاد شده اولیه داشته باشد. فوتون اول باعث آزاد شدن فوتون دوم بطور همزمان می شود به این معنی که فوتون دوم باید از نوسانات فوتون اول پیروی کند که در نتیجه، هر دو فوتون در یک فاز نوسان می کنند. این هم فازی و طول موج خاص و زنجیره عکس العملی فوتون، منجر به مشخصه هایی از لیزر به شکل تک طول موج و تک فاز می شود. بعلاوه تقویت کننده میانی به شکل طویل شده می باشد که غالباً یک کانال (لیزرهای گازی) یا یک میله باریک (لیزرهای حالت جامد) یا دوپ کانال (لیزرهای نیمه هادی) است که در هر دو انتهایش آینه قرار دارد. این آینه ها محفظه رزونانس را تشکیل می دهند. نور تولید شده در تقویت کننده میانی، چندین بار درون تقویت کننده بازتاب می شود و در عین حال تولید نور جدید را تحریک می کند. محفظه رزونانس از اهمیت مضاعفی برخوردار است زیرا باعث افزایش تقویت، تقویت کننده میانی می شود. طویل شدگی و چیدمان آینه ها از سوی دیگر امکان پدیدار شدن پرتوی موازی را به ما می دهند، که می تواند بر روی نقطه بسیار کوچکی متمرکز شود.[3]’[4]

[1]به هر نوع از مواد، رادیونوکلوئید یا اثر تابش گفته می شود که عامل مستقیم در ایجاد سرطان است

[2] Mester An. Mester Ad. Scientific background of laser biostimulation. LASER. Journ Eur Med Laser Ass. 1988;1(1): 23-29.

[3] Tuner J, Hode L. The new laser therapy handbook. 2010. Prima Books, Sweden

[4] Baxter G.D. Therapeutic Lasers; Theory and Practice. 1^st ed, 1994.