شروع اختراع لیزربه زمان آلبرت انیشتین و نظریه ی نشر القایی باز می گردد 

(1917) ولی شاید خود انیشتین هم نمی توانست در ذهن ، کاربردی به این وسعت را

برای لیزر در نظر بگیرد تا این که بعد از سالها مطالعه و تلاش ،دانشمند آمریکایی

میمن موفق به ساخت اولین لیزر و استفاده از تئوری نشر القایی گردید (1960) .

در این زمان بود که نظرات فراوانی در مورد استفاده های مختلف از لیزر در ذهن دانشمندان و نویسندگان داستان های عملی تخیلی شکل می گرفت و هر یک با ابداع وسیله ای تخیلی نحوه ی استفاده از نور لیزر را در آینده توصیف می کردند.

به دلیل هزینه های خیلی سنگین در راه تولید لیزرهای پرتوان ، لیزر در سال های اولیه کاربرد زیادی نداشت و استفاده از نور لیزر محدود به مراکز دانشگاهی و آزمایشگاه های تحقیقاتی بود. ولی به تدریج با پیدا کردن کاربردهای جدیدو سرمایه گذاری در تولید صنعتی آن ، از هزینه ها کاسته شده و با گذشت کمتر از نیم قرن از ساخت اولین لیزر ، این تکنولوژی به کارآمدترین ابزار مورد استفاده ی بشر در آمده است. امروزه لیزر با زندگی بشر متمدن آمیخته شده به ترتیبی که در کلیه ی مراحل زندگی ، بشر به صورت غیر قابل انکاری وابسته به لیزر شده است.

 به عنوان مثال می توان از دستگاه های  CD-ROM و DVD_ROM   در مصارف خانگی و یا دستگاه های Barcode Reader در فروشگاه های زنجیره ای یا فیبر های نوری در مخابرات و بمب های لیزری در صنایع نظامی نام برد. جدیدترین وسیله ی تولید نور لیزر ، دیود های لیزر هستند که با طول موج های متفاوت و توان های از 0.5 میلی وات تا 50  وات بیشترین کاربرد را در صنعت و پزشکی پیدا کرده اند. به علت سهولت کار با این دیود ها ، قیمت نسبتا مناسب و حجم کوچک آنها ،امکان بهره گیری از این کشف بزرگ در جای جای زندگی بشر فراهم شده است.

در این مقاله بیشتر سعی در توضیح تئوری و اصول فیزیک لیر و نحوه ی تولید آن شده است بنحوی که مقاله بیشتر کاربرد آموزشی به عنوان مبانی فیزیک لیزر داشته باشد.

فیزیک لیزر:

نام Laser  برگرفته از حروف Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation  ( تقویت نور از طریق تحریک انتشار موج القایی ) می باشد. ماهیت امواج لیزر از نوع امواج الکترومغناطیسی همانند امواج رادیویی و مایکروویو ( در محدوده ی نامرئی ) و امواج نور مرئی مثل نور خورشید می باشد. نور لیزر ارز نوع امواج غیر یونیزه بوده و با امواج یونیزه مثل موج گاما و x تفاوت دارد. تفاوت های موجود بین امواج مرئی و امواج لیزر باعث اثرات ویژه و منحصر بفرد آن می شود.

این تفاوت ها عبارتند از :

 1- نور لیزر ، تک رنگ یا Monochrome   می باشد ولی نور مرئی از ترکیب چند رنگ تشکیل شده است . اگر نور مرئی مثلا نور خورشید را از یک منشور عبور دهیم در طرف دیگر منشور طیف رنگی ( هفت رنگ اصلی ) تشکیل دهنده ی آن قابل تشخیص است در حالی که در مورد نور لیزر بعد ز عبور از منشور تنها یک رنگ مشاهده می شود.

2- نور لیزر بصورت موازی یا Collimated  منتشر می شود در حالی که نور مرئی به صورت واگرا منتشر می شود. ( مثل نوری که از چراغ قوه یا پراژکتور منتشر می شود.

3- نور لیزر ماهیت یگانه یا Coherent  داشته و همجنس می باشد در حالی که نور مرئی به علت چند رنگ بودن از ماهیت یگانه ای برخوردار نیست. ( منظور هم فاز بودن و داشتن طول موج یکسان است.) همانطور که اطلاع دارید ، ساختمان مواد به صورت اتم از دو جزء هسته و الکترون ها که به دور هسته در گردش هستند تشکیل شده است. هسته محل قرار گرفتن ذرات با وزن سنگین تر و با بارهای مثبت و یا خنثی ( پروتن ها و نوترون ها ) می باشد. الکترون ها با وزن خیلی سبک تر ولی با بار منفی در فضایی به صورت ابر الکترونی با فاصله ی ثابت به دور این هسته در گردش هستند. این حالت را حالت پایدار یا Ground State   می نامند.

Ground State:

بر طبق تئوری نشر القایی ، الکترون های لایه ی خارجی بعضی مواد ( به صورت مولکول یا اتم) می تواند با جذب انرژی ( به صورت نور ) برانگیخته شده و به مدار بالاتری از لحاظ سطح انرژی بروند. این حالت ماده را حالت برانگیخته یا Excitation State  می نامند.

Excitation State 

این مدار بالاتر ( از لحاظ سطح انرژی) خیلی پایدار نبوده و الکترون می تواند با از دست دادن انرژی ( به صورت فوتون نوری ) به سطح اولیه و پایدار خود باز گردد. این پدیده در مورد بعضی الکترون ها خود به خودی صورت می گیرد که به آن Spontaneous Emission  یا نشر خود به خودی می گویند.

Spontaneous Emission

فوتون های حاصل از نشر خود به خودی به هر سمت و جهتی ممکن است منتشر شوند.( درست مثل فوتون های نور معمولی ) ولی در هنگام حرکت اگر با الکترون برانگیخته ای که در سطح بالاتری از انرژی قرار دارد برخورد کنند، آن را وادار با از دست دادن انرژی به صورت فوتون نوری و بازگشت به سطح Ground State  می کنند.این حالت را نشر القایی یا Induced Emission  می نامند.

Induced Emission 

در نشر القایی از برخورد یک فوتون به یک الکترون برانگیخته دو فوتون که در تمام خصوصیات با هم مشابه هستند به وجود می آید. یعنی این دو فوتون از لحاظ سطح انرژی و طول موج کاملا با هم یکسان بوده با هم هم جهت بوده و هم فاز نیز هستند. این مرحله ی اول تقویت موج نور بوده ، نور حاصل دو برابر نور اولی قدرت دارد. ولی برای تبدیل شدن این نور به نور لیزر هنوز راه زیادی در پیش است.

هرگاه بتوان به وسیله ای این فوتون های نوری را میلیون ها بار یا یکدیگر ترکیب و تقویت نماییم ، نور حاصل از قدرت و توانی فوق العاده برخوردار خواهد شد و بدین ترتیب موفق به ساخت نور لیزر خواهیم شد. پیدا کردن راهی برای انجام این مهم سالیان سال در دستور کار آزمایشگاه های تحقیقاتی فیزیک و دانشمندان این رشته قرار داشت.

 سرانجام در سال 1960 یک دانشمند آمریکایی بنام میمن با استفاده از کریستال یاقوت موفق به انجام این کار شد و برای اولین بار نور لیزر را در آزمایشگاه تولید کرد.

 در این روش نور حاصل از نتشار القایی را میلیون ها بار بین دو آینه ی موزی به حرکت در آورده و عمل تقویت را تا رسیدن به نتیجه ی نهایی ادامه می دهند.

در ساختمان یک لیزر چهار جزء اصلی وجود دارد که عبارتند از:

1-     منبع انرژی یا Power Source  که ممکن است نور حاصل از یک Flash Lamp  انرژی حاصل از تخلیه ی بار الکتریکی و یا حتی نور یک لیزر دیگر باشد. وظیفه ی منبع انرژی تحریک الکترون های ماده ی واسط و انتقال آنها به سطح انرژی بالاتر از طریق فوتون های نوری پر قدرت است.

2-     ماده ی واسط یا Lasing Medium  که می تواند از نوع گاز (Co2) ، یا مایع (Dye) ، یا جامد ( Nd-Yag Alexindrite)  باشد. مادهی واسط باید خصوصیات ویژه ای داشته باشد از جمله این که باید قابلیت عبور دادن نور را داشته باشد ( شفاف باشد ) و از طرفی در ساختمان مولکولی خود الکترون هایی داشته باشد که قابلیت تحریک شدن توسط فوتون و افزایش سطح انرژی را دارا باشند.

3-     فضای اپتیک ( Optical cavity) مناسب برای تشدیدو تقویت نور ، یا فضایی که منبع انرژی و ماده ی واسط را در داخل آن قرار می دهند تا نور تولید شده توسط منبع انرژی به طور تقریبا کامل به Laser Media تابانده شود و به اصطلاح برای ایجاد راندمان بیشتر طراحی شده است.

4-     سیستم انتقال انرژی یا Delivery System یا جزئی که عمل جمع آوری انرژی حاصل و هدایت آن تا محل مصرف را به عهده دارد و ممکن است از نوع فیبر نوری یا Articulated Arm و لنز های فوکوس کننده ی متعدد باشد.

در یک Laser Head منبع انرژی ، الکترون های موجود در مولکول های ماده ی واسط را تحریک کرده و به صورت برانگیخته در می آورد . تعدادی از الکترون ها به صورت خود بخود ی به مدار اولیه برگشته و از خود فوتون آزاد می کنند.

این فوتون ها در طول Laser Medium به حرکت در آمده و با برخورد به الکترون های دیگر که در حالت برانگیخته قرار دارند آنها را وادار با از دست دادن و برگشت به حالت اولیه می کنند. بنابراین از برخورد یک فوتون به الکترون پر انرژی دو فوتون بهوجود می آید.

در یک انتهای Laser Medium، آینه ی کامل ( Max Reflector ) قرار گرفته که 100% نوری را که به آن برخورد می کند منعکس می نماید و در انتهای دیگر نیمه آینه یا Partial Reflector قرار دارد که 70% نور را منعکس کرده و 30 % آن را از خود عبور می دهد. فوتون های حاصل از Induced Emission  هزاران بار بین این دو آینه حرکت کرده و هر بار با برخورد با الکترون های برانگیخته شده آنها را وادار به از دست دادن انرژی می کنند و این روند به صورت واکنش زنجیره ای تا جایی که الکترونی در حالت برانگیخته وجود داشته باشد ادامه پیدا می کند.

30 درصد انرژی نورانی که از سمت Partial Reflector  یا نیمه آینه خارج می شود همان نور لیزر بوده که با حرکت بین این دو آینه توان و قدرت فوق العاده زیادی پیدا کرده و سه ویژگی نور لیزر را دارا می باشد . تک رنگ است ، به صورت موازی منتشر شده و ماهیتی یکسان دارد.

با کمی دقت می توان متوجه شد که چرا این ویژگی ها در نور لیزر وجود دارد:

1-     نور لیزر تک رنگ است زیرا تمام فوتون های تشکیل دهنده ی آن از یک واسطه خارج شده اند به عبارت دیگر تمام الکترون ها در Laser Media  تراز تحریک شده و تراز پایدار مشابهی داشته و در برگشت به Ground State فوتون هایی با طول موج مشابه تولید می کنند که علاوه برآن هم فاز هم هستند بنابراین این اثر تجمعی داشته و در هر رفت و برگشت به قدرت و توان آنها اضافه می شود)  Coherent + Monochrome ) .

2-     نور لیزر به صورت موازی منتشر می شود زیرا تنها ، فوتون هایی که جهت حرکت آنها در امتداد محور طولی Laser Media قرار داشته باشد شانس این را داشته اند که در طول این مسیر میلیون ها بار حرکت کرده و در هر رفت و برگشت  قدرت آنها تقویت شود.

به عبارت دیگر در انتشار خود به خودی و انتشار القایی فوتون هایی هم به وجود می آیند که مسیر حرکت آنها در جهت محور طولی  واسطه ی لیزر نبوده و بعد از چند رفت و برگشت از محدوده ی محور طولی واسطه ی لیزر خارج شده باشند و آنقدر عمل تقویت در آنها صورت نمی گیرد که تبدیل به نور لیزر شوند.

به طور کلی لیزر ها از نظر تولید نور لیزر به دو دسته ی اصلی Continuous و Pulsed تقسیم می شوند. در نوع اول منبع انرژی به صورت متناوب عمل کرده ( مثل فلاش دوربین عکاسی) و نور لیزر فقط در کسری از ثانیه تولید می شود. در حالی که در نوع دوم تولید نور توسط منبع انرژی و در نتیجه تولید نور لیزر به صورت ممتد ادامه دارد.

بعد از تولید نور لیزر در Laser Head نور حاصل توسط لنزهای مخصوصی بنام Focusing Lens جمع آوری شده و به کمک Articulated Arm  یا Optic Fiber  ( آینده های متعدد نصب شده در داخل بازوی متحرک ) به محل مصرف آن انتقال داده می شود.

مرجع: www.cspmedical.com

برگرفته از نشریه علمی تخصصی رادیولوژی – حامد پیرایی