مقاله در مورد لیزر

بخشی از مقاله

لیزر

ليزر در بر هم كنش با ماده
ليزرها به دليل داشتن مشخصات ويژه اي كه دارند مي توانند به صورت هاي مختلف با مواد مختلف بر هم كنش نشان دهند. به اين دليل در كاربردهايي نيز فرآوري مواد ، پزشكي ، جوش هسته اي ، و غيره از جايگاه خاصي برخوردار شده اند به عبارتي ليزرها ابزار قدرتمندي هستند كه مي توانند در صنعت براي جوش دادن ، سوراخ كردن ، جوش دادن و به عمل آوري گرمايي به كار روند. استفاده از ليزر به جاي روشهاي موسوم در قطع و جوش و سوراخ كردن از مزايايي برخوردار است كه مي

توان به موارد زير اشاره نمود. اولاً : نور ليزر يك انرژي تميز مي باشد و ضمن كار هيچگونه ناخالصي وارد نمي كنند. ثانياً : انرژي حاصل از نور ليزر را مي توان در نقطه اي بسيار كوچك كانوني نمود و گرما را در سطح كوچكي متمركز كرد. ثالثاً : مقدار انرژي به سادگي كنترل مي گردد و رابعاً : نور ليزر مي تواند از مواد شفاف عبور كند و بدون آنكه به محيط انرژي بدهد وارد محيط بعدي يا اعماق داخلي گردد. البته بايد اشاره نمود ، كه ليزرها وسايل نوري بسيار گران قيمت اند. و كار با آن نيز نياز به تخصص خاص دارد كه جنين چيزي در روش هاي معمول كمتر وجود دارد .

نور ليزر مي تواند بر روي مواد مختلف تاثير گذار باشد. مواد مي توانند از سخت ترين مواد مانند الماس تا نرم ترين آنها مثل پلاستيك ها را شامل شوند.
براي مثال ، از ليزرها مي توان در صنايع پلاستيك ، چرم و كاغذ استفاده كرد و سوراخ ها ، برشها با اشكال ظريف بر روي آن ها ايجاد كرد و يا مي توان بر روي الماس سوراخ هايي به قطر چند ميكرون ايجاد نمود. از كاربردهاي جالب ليزرها مي توان به موارد زير اشاره كرد:
1 ـ ليزر به عنوان مته : باريكه هاي ليزر مي توانند مانند مته عمل كنند و سوراخ هايي با ابعاد و اندازه هاي مختلف بر روي اجسام چه نرم و چه سخت ايجاد كنند و در اين عمل سوراخ ها كاملاً صاف ، بدون خرده و بدون دندانه ساخته مي شود . سوراخ هايي ريز براي افشانه هاي آثروسل جهت پراكندگي مايعات و گازها به كار مي روند و گاهي قطر روزنه به حدود چند ميكرون مي رسد. با ليزرها مي توان سوراخ هايي ريز و ظريفي بر يك عدسي تماسي ايجاد كرد تا مايعات آزادانه روي سطح چشم حركت كنند و ضمناً ديده نيز نشوند.
2 ـ جوش كاري : جوش دادن يا متصل كردن قطعات به يكديگر از قطعات بسيار كوچك تا صفحات بزرگ در صنعت لازم و حائز اهميت مي باشد و با ليزرها مي توان نقاط را به يكديگر متصل نمود بدون آن كه به نقاط مجاور آسيبي وارد شود. بسياري از شركت هاي اتومبيل سازي ، هواپيما سازي ، با استفاده از جوش ليزري با سرعت بسيار زياد قطعات را به هم متصل مي كنند كه با روش هاي معمول امكان آن وجود ندارد.
3 ـ برش هاي ليزري : برش اجسام با ليزر با سرعت و دقت بسيار زياد انجام مي شود ليزرها مي توانند هر ماده اي را ببرند. بر خلاف برش هايي كه به روش هاي معمول مثل تيغه هاي اره يا قوس الكتريكي انجام مي شود ، برش هاي صاف تر و دقيق تر است. ضمناً به لبه هاي جدا شده از

يكديگر آسيبي نمي رساند. از ليزرها مي توان در برش مواد سراميكي براي صنعت الكترونيك استفاده نمود و يا مي توان در برش لباس به صورت توليد انبوه استفاده كرد. مثلاً مي توان بيش از چند صد دست لباس را با يك برش دقيق و به طور هم اندازه قطع نمود و در اين حالت لبه ها سوزانده شده و نيازي به سر دوخت هاي بعدي نمي باشد . از مشخصات برش ليزري مي توان به خودكار كردن فرآيند اشاره كرد زيرا به سادگي مي توان از يك رايانه استفاده نمود كه فرمان هاي لازم را به پرتو ليزري بدهد و عمل برش بر طبق برنامه تعيين شده انجام گردد.

4 ـ آلياژ كاري سطحي : مي تواند با عمليات حرارتي توسط باريكه ليزري سطوح را پردازش نمود و يا نوع سطح را تغيير داد كه در آن ماده ديگري براي سطح جسم اول ذوب شده با سطح نمونه آلياژي با مشخصات دلخواه توليد مي كنند.
عمليات و فرآوري حرارتي ليزري مي تواند باعث ايجاد سختي در جسم و آلياژها گردد كه از اين خاصيت در ساخت چرخ دنده ها و سيلندرها با صافي و استحكام زياد استفاده مي شود.
5 ـ علامت گذاري و مينياتوري : از باريكه هاي پر قدرت ليزري مي توان به عنوان ايجاد علامت بر سطح اجسام استفاده نمود و در نتيجه مي توان حتي بر سطوح بسيار كوچك و ريز نقش هاي دلخواه را به وجود آورد. و يا بر سطح نوشته هاي ظريف و موئينه حك نمود .
از ليزرها در توليد تراشه هاي الكترونيكي مانند ترانزيستورها استفاده مي شود . به طوري كه امروزه از ليزر در صنعت ميكرو الكترونيك بهره هاي زيادي برده شده است.
كد گذاري ليزري بر روي اجناس مختلف و يا مشابه نيز بسيار مرسوم شده است و به استفاده از نشانه هاي ثبت شده بر روي جسم و بازخوان آنها توسط يك ليزر مي توان مشخصات و قيمت را تعيين كرد.

از ليزرهاي مهمي كه در صنعت به كار برده مي شود مي توان به ليزر گازكربنيكCo2 با طول موج 6/10 ميكرون و Nd:YAG با طول موج 1.06ميكرون اشاره كرد . اين دو ليزر مي توانند در حالت پيوسته و يا تيپي انرژي لازم را تامين نمايند. البته ، بايد اشاره كرد كه امروزه صدها نوع ليزر ساخته و ممكن است مورد استفاده واقع شوند. اما ، چون دو ليزر فوق در طول موج مادون قرمز كار مي كنند و اثرات حرارتي زيادي از خود بر جاي مي گذارند بيشتر مورد توجه اند.

ليزر در پزشكي
بكارگيري ليزر در پزشكي در دو دهه اخير گسترش چشمگيري يافته است به طوري كه در بعضي از شاخه هاي پزشكي استفاده از آن كاملاً رايج شده است و در بعضي موارد ديگر امكان بكارگيري آن مورد تحقيق و بررسي است.
امواج الكترومغناطيس شامل امواج راديويي ، مادون قرمز ، ماوراء بنفش و پرتو X و گاما سالها است كه در خدمت پزشكي است. اما ، ليزرها به دليل ويژگي هاي مهمي كه دارند امروزه به سرعت مورد بهره برداري در پزشكي قرار گرفته اند. خاصيت تكافمي ليزر اين امكان را فراهم مي سازد كه با انتخاب طول موج مشخصي كه توسط رنگدانه معيني جذب مي شود واكنشهاي شيميايي خاصي را تقويت و واكنشهاي موجود ديگر را تضعيف نمود و اين امر باعث مي گردد كه فرايند هاي بيوشيميايي در جهت دلخواه سوق داده شود. خواص كانوني پذيري و درخشندگي زياد باعث مي شود كه بتوان انرژي زيادي بر سطح بسيار كوچك در حد ميكرون متمركز و دما را بطور موضعي افزايش داد و يا آن كه در مقياس هاي كوچك حتي در حد سلولي به بررسي دگرگوني هاي انجام شده پرداخت. با ليزرها مي توان حتي عناصر تشكيل دهنده يك سلول را تجزيه و تحليل نمود.
بطور كلي ، كاربرد ليزر در پزشكي بر اثرات گرمايي ، يونيزاسيون و نور شيميايي آنها استوار است. در حالت اول فوتونهاي ليزر توسط رنگدانه بافت جذب و باعث ارتعاشات مولكولي و اتمي مي شوند كه اين حركت مولكولي منجر به گرم شدن و ازدياد درجه حرارت سلول و يا بافت مي شود. براي مثال ، پرتو ليزر يون آرگون مي تواند توسط رنگدانه هاي هموگلوبين و ملانين پوست جذب ش

ود و به اين دليل مي توان با اين ليزر جراحي پلاستيك انجام دهند كه در آن بافت هاي مرده اي كه باعث چين و چروك شده اند حذف و بافتهاي نيمه مرده به تحرك بيشتر وارد شوند و فعاليت بيشتري از خود نشان دهند. با ليزر مي توان خالها و لكه هاي رنگي پوستي و زائد را حذف كرد و اين به دليل جذب پرتو ليزر توسط رنگدانه هاي موضعي مي باشد.
از مزاياي كاربرد اين تكنيك در ضايعات سطحي اين است كه عروق خوني اطراف برش منعق

د مي شوند و زمينه عمل بدون خونريزي را فراهم مي شود. علاوه بر ليزر يوني ارگون از ليزرهاي گاز كربنيك و Nd:YAGو ليزرهاي اگزايمر براي جراحي پلاستيك استفاده مي شود و بخصوص قابليت جذب انرژي پرتو ليزر Co2 در تمام بافت هاي زنده و در تمام ضايعات سطحي پوستي و مخاطي وجود دارد.
در حالت دوم يعني اثر يونيزاسيون ، انرژي فوق العاده زياد پرتو در هدف باعث جدا شدن الكترونهاي مي شود و مولكولها يونيزه مي گردد. در نتيجه ، حالت چهارم ماده يعني پلاسما توليد مي شود . حالت پلاسما حالتي بين مايع و گاز است كه ماده به صورت مجموعه اي از الكترونها و يونها ظاهر مي شود.
اين حالت پلاسماي ايجاد شده نياز به فضاي بيشتري دارد و نتيجه عمل يونيزاسيون باعث حجيم شدن و به دنبال آن متلاشي شدن بافت مي شود. در واقع ، دقيقاً مانند يك چاقوي ظريف بافت را باز مي كند. در اين حالت نگراني ، عوارض اعمال جراحي عادي نظير خونريزي و يا عفونت وجود ندارد. البته بروز ضايعات حاصل از اين پديده سئوالي است كه تاكنون پاسخ داده نشده است و تحت بررسي و تحقيق قرار دارد.
در حالت سوم يعني اثر فوتو شيميايي ، با تابش پرتو پر انرژي ماوراء بنفش بر روي بافت ، ارتباط و باندهاي قوي بين مولكولي شكسته شده و ذرات مولكولي تبخير مي شوند و برش دقيق از نظر وسعت و عمق حاصل مي شود. از كاربردهاي مهم ليرز درمان بيماريها و معايب شكستي چشم است. مثلاً با استفاده از ليزر مي توان خونريزي شبكيه چشم را كنترل نمود و يا سلول هاي بينايي از كار افتاده را ترميم نمود و يا مي توان با ليزرها برش بسيار دقيق از نظر جهت ، وسعت ، شكل و عمق در اندازه چند ميكرون بر روي قرينه ايجاد كرد و نسبت به درمان معايب شكستي چشم نظير نزديك بيني و يا دوربيني اقدام نمود. در اين حالت نيازي به استفاده از عينك وجود ندارد ضمناً چون تغييرات بسيار كوچك مي باشد از نظر ظاهري براي فرد مشكلي ايجاد نيم كند و قرينه چشم به حالت طبيعي خود ديده مي شود.
از ليزر در جراحي اعصاب و اورولژي ، جراحي قلب و عروق نيز استفاده مي شود. در اورولژي مي توان با تيپ هاي ليزر Nd:YAG به آساني سنگ كليه را متلاشي نمود يا در جراحي قلب و عروق مي توان انسداد شريان را با شليك اشعه ليزري كه انرژي گرمايي كمي دارد باز نمود . اين تكنيك را انرژيو پلاستي كورنري ليزري ناميده اند. از ليزرها در جراحي گوش حلق و بيني نيز استفاده مي شود. ليزرهاي Co2 و گاز يوني ارگون براي اين منظور مناسبند.
از ليزر در دندانپزشكي نيز استفاده مي شود. با پرتو ليزر مي توان قسمت هاي پوسيده

و كرم خورده دندانها را از بين برد و در اين عمل به نقاط سالم و مجاور آسيبي وارد نمي شود. از آنجا كه هر تيپ ليزري فقط چند هزارم ثانيه طول مي كشد ، بيمار هيچ گونه دردي را احساس نمي كند. از ليزرها براي پيشگيري از فساد دندانها نيز استفاده مي شود. جدول زير بعضي از ليزرهاي مهم قابل كاربرد در پزشكي را مشخص مي كند.
نوع ليزر طول موج نانومتر تـوان موارد استفاده
اگزيمر 248-193
جراحي ، پرش تبخير ، … بينايي سنجي ، درمان امراض قلبي و مفصلي

ارگون يوني 488 10Wپيوسته جوش تبخير ، جراحي عمومي و انعقاد نوري
Nd:YAG 1.06 ميكرون مادون قرمز 10Wپيوسته اورولژي ، بينايي سنجي امراض پوستي
Co2 1.06 ميكرون KW تبخير سلولي ، جراحي ، بينايي سنجي ، امراض چشم و اورولژي

طيف سنجي ليزري
طيف سنجي مطالعة اندركنش نور با ماده است و در نتيجه اين اندركنش مي توان اطلاعات فراواني از ترازهاي انرژي اتم ها يا مولكولهاي تشكيل دهنده جسم به دست آورد. در طيف سنجي جذبي ، نورهاي تك رنگ وارد محيط شده و ميزان عبور به صورت تابعي از طول موج اندازه گيري مي شود. بيشترين جذب هنگامي است كه انرژي فوتون تابشي با تفاوت دو تراز انرژي اتم يا مولكول ماده برابري داشته باشند و لذا با بررسي خطوط جذب مي توان وضعيت ترازها را مشخص كرد.
يكي از روشهاي معمول براي به دست آوردن نور تك رنگ استفاده از منابع با پهناي بيناب زياد (مانند لامپ پرفشار جيوه) و استفاده از پالايه ها است. اما پالايه باعث كم شدن شديد شدت نور شده و ضمناً خود داراي يك پهناي باند عبوري هستند و در واقع نور خروجي تك رنگ كامل نيست. ليزرها منابع تك رنگ اند و علاوه بر اين ليزرها مي توانند كوك شده و در طول موجهاي مختلفي توليد نور نمايند و لذا ، با ساخته شدن ليزرها كه منابع پر انرژي تك رنگ هستند . مطالعة بيناب اجسام ساده تر و دقيق تر گرديده است. امروزه با استفاده از ليزرهاي بسيار تك رنگ مي توان حتي بيناب هاي مختلف ايزوتوپهاي يك جسم را تشكيل داد و اثر نوترون اضافي موجود درهسته ايزوتوپهاي عناصر را بر ترازهاي انرژي بررسي نمود. البته ، طيف سنجي جذبي به دليل اثر پهن شدگي دوپلري در دماهاي معمولي كاري دقيق نيست و لذا اغلب به خصوص در گازها در دماهاي پايين عمل طيف سنجي انجام مي شود.

با به كارگيري ليزر در طيف سنجي و ابداع روشهاي جديدتري از جمله طيف سنجي پرتو مولكولي ، طيف سنجي اشباعي و طيف سنجي دو فوتوني بسياري از اشكالات طيف سنجي جذبي بر طرف شده است.
در طيف سنجي مولكولي ، اتمها با مولكولها به صورت باريكه أي كانوني شده منتشر مي شود و پرتوهاي ليزري به صورت عمود بر آن ها تابيده مي شود ، واضح است كه ذرات در جه

اشباعي پرتو ليزر به دو قسمت تقسيم مي شود. اين دو پرتو در دو جهت مخالف وارد محيط مي گردند . يكي از پرتو ها به نام پرتو اشباعي بسيار شديدتري از پرتو دوم يا پرتو نشانه است. هنگامي كه بسامد پرتو اشباعي با يكي از حالت هاي گذار ماده برابري كند فوتون جذب ماده شده و حالت برانگيختگي بوجود مي آيد و اين امر سبب مي شود كه پرتو نشانه از محيط عبور كند. البته ، اين حالت وقتي روي مي دهد كه سرعت مولكول در جهت پرتو صفر باشد. تحت اين شرايط پرتو نشانه مدوله دامنه نيز مي گردد. هنگامي كه پرتو ليزر تغيير بسامد مي دهد و از حالت اوليه مركزي خارج مي شود پرتو نشانه نمي تواند با مولكولها برهم كنش نمايد و لذا مدوله دامنه از بين مي رود و به اين ترتيب مي توان تراز انرژي را مشخص نمود.
در روش طيف سنجي دو فوتوني بر خلاف حالت قبل اندازه دو پرتو اشباعي نشانه هم شدت انتخاب مي شوند . در اين حالت بسامد پرتوها به دليل پديده دوپلري با دو بسامد :
و كه در آن Vr مولفة سرعت مولكول در جهت پرتوهاست نمايان مي شود. اگر مولكول بتواند فوتوني را از دو پرتو به طور همزمان جذب كند ، در اين صورت انرژي سيستم به اندازة 2hv كه مستقل از Vr است ، تغيير مي كند. وجود چنين جذبي با بررسي ميزان جذب در يكي از پرتوها و يا با مطالعه حالت فلوئورساني ايجاد شده قابل تعيين است.
علاوه بر روشهاي فوق مي توان با ليزر طيف سنجي رامان را نيز انجام داد. در اين روش ليزر با بسامد V به محيط مي تابد و بخشي از نور پراكنده شده و بسامد نور پراكنده به مي رسد كه مربوط به بعضي از گذارهاي محيط است.
در اين حالت انرژي فوتون تابشي يا كاهش و يا افزايش مي يابد. هنگامي كه انرژي كاهش مي يابد. يعني بسامد است خط طيفي ايجاد شده را خط استوكس مي نامند و زماني كه انرژي افزايش مي يابد خط را پاد استوكس گويند. از روشهاي طيف سنجي رامان بيشتر براي مطالعه ارتعاشات و چرخش هاي مولكولي استفاده مي شود. از ليزرهايي كه براي اين نوع طيف سنجي استفاده مي شود ، مي توان به ليزرهاي آرگون GaAs,Nd:YAG اشاره كرد.
كاربرد تسليحاتي ليزرها

يكي از مهمترين كاربردهاي ليزر كاربردهاي نظامي آن است و در اين نوع كاربرد مي توان به فاصله يابي با ليزر ، علامت گذاري و سلاحهاي هدايت شونده و متلاشي كننده اشاره كرد. در فاصله يابي با ليزر تحت عنوان (ليدار مشابه رادار است. در رادار از تپ هاي ميكرو موجي استفاده مي شود اما در ليدار از تپ هاي ليزري) تپ هاي كوتاه پر انرژي و اغلب غير قابل مشاهده به سمت مانع ارسال مي گردد و نور پراكنده برگشتي دريافت و آشكار مي گردد با تجزيه و تحليل امواج برگشتي فاصله مشخص مي گردد. از ليزرهاي تپي Nd:YAG و گازكربنيك (Co2 ) براي اين منظور استفاده مي شود.