بخشی از مقاله
ليــزر
________________________________________
مقــدمــه
بدون شك ليزر يكي از برجسته‌ترين ابزار علمي و فني قرن بيستم بشمار مي‌آيد .
پيشرفت سريع تكنولوژي ليزر از سال 1960 ميلادي ، هنگامي كه اولين ليزر با موفقيت تهيه شد ، شروع گرديد . ليزر امروزه در زمينه‌هاي گوناگون از قبيل بيولوژي ، پزشكي ، مدارهاي كامپيوتر ، ارتباطات ، سيستم‌هاي اداري ، صنعت ، اندازه‌گيري در زمينه‌هاي مختلف و … بكار برده مي‌شود . ليزر يك منبع نور خاص است و بطور كلي با نور لامپهاي معمولي ، چراغ برق ، نور فلورسانت و غيره تفاوت فاحش دارد و در مقايسه با ساير منابع نور : در رده‌اي با مشخصات فوق‌العاده نوري قرار دارد . اين مطلب با عنوان اينكه نور ليزر از همدوستي (coherence) فوق‌العاده برخوردار است ، بيان مي‌شود .
ليزر را مي‌توان در مقايسه با ساير مولد‌هاي نوري كه فقط نور را منتشر مي‌كنند ، يك فرستنده نوري پنداشت . تا قبل از ظهور ليزر محدوده فركانس امواج راديوئي و محدوده نوري از نقطه نظر همدوستي با يكديگر اختلاف داشتند . در فيزيك راديوئي بطور گسترده‌اي امواج همدوس مورد استفاده قرار مي‌گيرند و اين در حالي است كه امواج نوري (اپتيكي) غير همدوس نيز در اختيار است . در گذشته كتب درسي تنها مكاني بود كه امواج ليزري مورد بحث قرار مي‌گرفت . اين امواج هنگامي واقعيت پيدا كردند كه ليزر اختراع گرديد .
دانش مربوط به ليزر در حقيقت علم تابش نور همدوس (coherence radiation) است گرچه اين رشته از دانش فيزيك در حدود 20سال است ظهور نمود و در حال تكامل است . معذالك نمودهاي نوظهور آن در معرض كاربردهاي جالب قرار گرفته‌اند .
آنچه در اين تحقيق مورد بحث قرار مي‌گيرد كاربردهاي ليزر و ليزر به عنوان سلاح مخرب و نحوه مقابله با سلاحهاي ليزري و قوانين بين‌الملل در مورد اين تكنولوژي برتر مي‌باشد .
بســوي ليــزر
Light amptificationaly stimnlatcd emission of radiation
فكر ساختن وسيله‌اي كه نور همدوس توليد كند ، مدتها دانشمندان قرن حاضر را به خود مشغول داشته بود . در سال 1985 فيزيكدان مشهور آمريكايي چالز تاونز راه اين كار را پيدا كرد . دو سال بعد دانشمند ديگر آمريكايي ، تئودور مايمن به نظريه تاونز جامه عمل پوشاند و اولين ليزر را با بلوري از ياقوت مصنوعي ساخت اين دو بعداً به دريافت جايزه نوبل نايل آمدند . يك ليزر ياقوتي ساده از سه بخش تشكيل مي‌شود : استوانه‌اي از ياقوت مصنوعي ، يك چشمه نور ـ مثلاً يك لامپ گزنون كه مانند لامپ نئون كار مي‌كند . ( گزنون و زنون هر دو از گازهاي بي‌اثرند يعني اتمهايشان با اتمهاي ديگر مولكول نمي‌سازد . ) ـ و يك بازتابنده كه نور را از لامپ گزنون به ياقوت هدايت مي‌كند
استوانه ياقوتي ، بخش اصلي دستگاه است . قطر آن در حدود 7 ميليمتر و طولش 3.5 تا 5 cm است . دو قاعده استوانه صيقل خورده و نقره اندود شده است تا آينه كاملي باشد . قاعده ديگر نيز نقره اندود است ولي نه كاملاً به طوري كه مي‌تواند قسمتي از نور را از خود عبور دهد .
ياقوت بلور اكسيد آلومينيوم است كه در آن تعداد نسبتاً كمي اتم كروم معلق است . اتمهاي كروم از طريق گسيل القايي ، كوانتوم نور توليد مي‌كنند ، اتمهاي اكسيژن و آلومينيم كه بقيه بلور را تشكيل مي‌دهند فقط اتمهاي كروم را در جايشان نگه مي‌دارند. اتمهاي كروم نسبتاً بزرگ است و تعداد زيادي الكترون در مدارهايشان دارد . در اين جا فقط الكتروني مورد توجه ماست كه بيش از ديگران برانگيخته مي‌شود .
لازم به ذكر است واژه ليزر از حروف اول (( تقويت نور بوسيله گسيل برانگيخته تابش )) در زبان انگليسي گرفته شده كه آن را مي‌توان توسعه “maser” تقويت ميكروويو بوسيله گسيل برانگيخته تابش در محدوده فوتوني طيف امواج الكترومغناطيسي دانست .
در سال 1917 اينشتين براي اولين بار وجود دو فرايند براي گسيل تابش را بصورت زير پيشگويي كرد .
1 . گسيل خودبخود spantaneous
2 . گسيل برانگيخته stimulated
دانشمنداني همانند townes و schawlow در امريكا و basov و prochror از روسيه قديم امكان استفاده از روش دوم (گسيل برانگيخته) را براي يك طراحي نور همدوس كشف كردند . در سال 1958 ميلادي مي‌من ( muiman ) اولين ليزر ياقوت سرخ ruby را به نمايش گذاشت . در سال 1960 ميلادي علي ج.ان در امريكا اولين ليزر گازي He_Ne را ساخت و از آن به بعد ليزرهاي گوناگون بمانند گازي ، مايعات ، مواد شيميايي ، جامدات و تهيه رساناها با قابليت‌هاي متفاوت و ويژگيهاي گوناگون براي كاربردهاي مختلف ساخته و بكار گرفته شد .
اجــزاي اصلـي در يـك ليــزر:
محيط فعال (active medium) : محيط فعال مجموعه‌اي از اتم‌ها و مولكول‌ها ، با يونها در حالت جامد ، مايع يا گازي است كه همانند تقويت‌كننده عمل مي‌كند .
منبع تحريك :وسيله‌اي براي ايجاد شرايط لازم جهت گسيل ليزري كه اين شرايط اساسي را وارونگي جمعيت (inrerted population) مي‌نامند و ممكن است منبع تحريك نوراني و يا الكتريكي و … باشد . مثلاً در ياقوت قرمز اين منبع از يك لامپ فلاش و در ليزر He - Ne پتانسيل الكتريكي در حدود چند هزار ولت است . اگر در محيط فعال چگونگي تقويت يا تضعيف را بررسي كنيم خواهيم ديد كه شدت تحريك I با وارونگي جمعيت وابستگي كمي دارند .
اصــول كــار ليـــزر
محيط فعال و عناصر ديگر در داخل مشدد نوري قرار دارند . مشدد محور نور در ليزر را تعيين و نور ساطع شده در امتداد محور تابش مي‌كند . بايد توجه داشت كه يك ليزر مي‌تواند نور را در يك يا دو امتداد مخالف در امتداد محور نوري ساطع كند . ماشه تحريك يك ليزر بوسيله سيستم پمپاز شروع بكار مي‌نمايد . كار اين سيستم تحريكي عناصر فعال است كه در اثر آن جمعيت وارونه (inrerted population) سطوح تابش‌كننده ايجاد مي‌گردد . مشدد نور (همراه با عناصر) اضافي عمل گزينش را بر روي حالات فوتوني تدارك مي‌بينند . در نتيجه ، يك تابش فوق‌العاده همدوس موسوم به تابش ليزر در امتداد محور حاصل مي‌شود .
محيـط‌هـاي فعـال و روش‌هـاي تحـريـك:
مواد فعال زير در ليزرها بكار برده مي‌شوند :
گازها و يا مخلوطي از گازها (ليزرهاي گازي)
بلورها و شيشه‌هاي ممزوج با يونهاي مخصوص (ليزرهاي جامد)
مايعات (ليزرهاي مايع)
نيمه‌هادي‌ها (ليزرهاي نيمه‌هادي)
كـاربـردهـاي ليـزر
مقــدمــته
امروزه ليزر كاربردهاي بيشماري دارد كه همه زمينه هاي مختلف علمي و فني فيزيك-شيمي-زيست شناسي - الكترونيك و پزشكي را شامل مي شود. همه اين كاربردها نتيجه مستقيم همان ويژگي هاي خاص نور ليزر است.
كـاربـرد ليـزر در فيـزيك و شيمـي
اختراع ليزر و تكامل آن وابسته به معلومات پايه اي است كه در درجه اول از رشته فيزيك و بعد از شيمي گرفته شده اند. بنابراين طبيعي است كه استفاده از ليزر در فيزيك و شيمي از اولين كاربردهاي ليزر باشند
رشته ديگري كه در آن ليزر نه تنها امكانات موجود را افزايش داده بلكه مفاهيم كاملا جديدي را عرضه كرده است طيف نمايي است. اكنون با بعضي از ليزرها مي توان پهناي خط نوساني را تا چند ده كيلوهرتز باريك كرد ( هم در ناحيه مرئي و هم در ناحيه فروسرخ ) و با اين كار اندازه گيري هاي مربوط به طيف نمايي با توان تفكيك چند مرتبه بزرگي ( 3 تا 6) بالاتر از روش هاي معمولي طيف نمايي امكان پذير مي شوند. ليزر همچنين باعث ابداع رشته جديد طيف نمايي غير خطي شد كه در آن تفكيك طيف نمايي خيلي بالاتر از حدي است كه معمولا با اثرهاي پهن شدگي دوپلر اعمال مي شود. اين عمل منجر به بررسيهاي دقيقتري از خصوصيات ماده شده است.
در زمينه شيمي از ليزر هم براي تشخيص و هم براي ايجاد تغييرات شيميايي برگشت ناپذير استفاده شده است. ( فوتو شيمي ليزري) به ويژه در فون تشخيص بايد از روش هاي (پراكندگي تشديدي رامان ) و ( پراكندگي پاد استوكس همدوس رامان ) (CARS) نام ببريم. به وسيله اين روشها مي توان اطلاعات قابل ملاحظه اي درباره خصوصيات مولكولهاي چند اتمي به دست آورد ( يعني فركانس ارتعاشي فعال رامن - ثابتهاي چرخشي و ناهماهنگ بودن فركانس). روش CARS همچنين براي اندازه گيري غلظت و دماي يك نمونه مولكولي در يك ناحيه محدود از فضا به كار مي رود. از اين توانايي براي بررسي جزئيات فرايند احتراق شعله و پلاسما ( تخليه الكتريكي) بهره برداري شده است.
شايد جالبتري كاربرد شيميايي ( دست كم بالقوه ) ليزر در زيمنه فوتو شيمي باشد. اما بايد در نظر داشته باشيم به خاطر بهاي زياد فوتونهاي ليزري بهره برداري تجاري از فوتوشيمي ليزري تنها هنگامي موجه است كه ارزش محصول نهايي خيلي زياد باشد. يكي از اين موارد جداسازي ايزوتوپها است.
كـاربـرد در زيسـت شنـاسـي ▲
از ليزر به طور روزافزوني در زيست شناسي و پزشكي استفاده مي شود. اينجا هم ليزر مي تواند ابزار تشخيص و يا وسيله برگشت ناپذير مولكولهاي زنده يك سلول و يا يك بافت باشد. ( زيست شناسي نوري و جراحي ليزري)
در زيست شناسي مهمترين كاربرد ليزر به عنوان يك وسيله تشخيصي است. ما در اينجا تكنيك هاي ليزري زير را ذكر مي كنيم :
الف) فلوئورسان القايي به وسيله تپهاي فوق العاده كوتاه ليزر در DNA در تركيب رنگي پيچيده DNA و در مواد رنگي موثر در فتوسنتز
ب) پراكندگي تشديدي رامان به عنوان روشي براي مطالعه ملكولهاي زنده مانند هموگلوبين و يا رودوپسين ( عامل اصلي در سازوكار بينايي)
ج) طيف نمايي همبستگي فوتوني براي بدست آوردن اطلاعاتي در مورد ساختار و درجه انبوهش
انـواع ملكـولهـاي زنـده
د) روشهاي تجزيه فوتوني درخشي پيكوثانيه اي براي كاوش رفتار ديناميكي مولكولهاي زنده در حالت برانگيخته
به ويژه بايد از روشي موسوم به ميكروفلوئورمتر جريان ياد كرد. در اينجا سلولهاي پستانداران در حالت معلق مجبور مي شوند كه از يك اتاقك مخصوص جريان عبور كنند كه در آنجا رديف مي شوند و سپس يكي يكي از باريكه كانوني شده ليزر يوني آرگون عبور مي كنند. با قرار دادن يك آشكارساز نوري در جاي مناسب مي توان اين كميت ها را اندازه گيري كرد :
الف) نورماده اي رنگي كه به يك جزء خاص تشكيل دهنده سلول يعني DNA متصل ( كه اطلاعاتي راجع بع مقدار آن جزء تشكيل دهنده سلول را به دست مي دهد) امتياز ميكروفلوئورمتري جريان در اين است كه اندازه گيري ها را براي تعداد زيادي از سلولها در مدت زمان محدود ميسر مي سازد. به اين وسيله مي توانيم دقت خوبي براي اندازه گيري آماري داشته باشيم.
در زيست شناسي از ليزر براي ايجاد تغيير برگشت ناپذير در ملكولهاي زنده و يا اجزاي تشكيل دهنده سلول هم استفاده مي شود. به ويژه تكنيك هاي معروف به ريز - باريكه را ذكر مي كنيم. در اينجا نور ليزر ( مثلا يك ليزر Ar+ تپي ) به وسيله يك عدسي شيئي ميكروسكوپ مناسب در ناحيه اي از سلول با قطري در حدود طول موج ليزر (05 µm) كانوني مي شود منظور اصلي از اين تكنيك مطالعه رفتار سلول پس از آسيبي است كه با ليزر در ناحيه خاصي از آن ايجاد شده است.
در زمينه پزشكي بيشترين كاربرد ليزرها در جراحي است ( جراحي ليزري) اما در بعضي موارد ليزر براي تشخيص نيز به كار مي رود. ( استفاده باليني از ميكروفلوئورمتر جريان - سرعت سنجي دوپلري براي اندازه گيري سرعت خون - فلوئورسان ليزري - آندوسكوپي ناي براي آشكارسازي تومورهاي ريوي در مراحل اوليه
در جراحي از باريكه كانوني شده ليزر ( اغلب ليزر CO2 ) به جاي چاقوي جراحي معمولي ( يا برقي ) استفاده مي شود. باريكه فروسرخ ليزر CO2 به شدت به وسيله ملكولهاي آب موجود در بافت جذب مي شود و موجب تبخير سريع اين ملكولها و در نتيجه برش بافت مي شود. برتريهاي اصلي چاقوي ليزري را مي توان به صورت زير خلاصه كرد :
الف) دقت بسيار زياد به ويژه هنگامي كه باريكه با يك ميكروسكوپ مناسب هدايت شود ( جراحي ليزر)
ب) امكان عمل در نواحي غير قابل دسترس.. بنابراين عملا هر ناحيه از بدن را كه با يك دستگاه نوري مناسب ( مثلا عدسي ها و آينه ها) قابل مشاهده باشد مي توان به وسيله ليزر جراحي كرد.
ج) كاهش فوق العاده خونروي در اثر برش رگهاي خوني به وسيله باريكه ليزر ( قطر رگي حدود 0/5 mm )
د) آسيب رساني خيلي كم به بافتهاي مجاور ( حدود چند ميكرومتر) اما در مقابل اين برتريها بايد اشكالات زير را هم در نظر داشت :
الف) هزينه زياد و پيچيدگي دستگاه جراحي ليزري
ب) سرعت كمتر چاقوي ليزري
ج) مشكلات قابليت اعتماد و ايمني مربوط به چاقوي ليزري
با اين اشاره اجمالي به جراحي ليزري اكنون مي خواهيم به شرح مفصلتري از تعدادي از اين كاربردها بپردازيم . در چشم بيماران مبتلا به مرض قند استفاده شده است در اين مورد باريكه ليزر به وسيله عدسي چشم بر روي شبكيه كانوني مي شود. پرتو سبز ليزر به شدت به وسيله گلبول هاي سرخ جذب مي شود و اثر حرارتي حاصل باعث اتصال دوباره شبكيه يا انعقاد رگهاي آن مي شود. اكنون ليزر استفاده روزافزوني در گوش و حلق و بيني پيدا كرده است. استفاده از ليزر در اين شاخه از جراحي جذابيت خاصي دارد. زيرا با اعضايي مانند ناي - حلق و گوش مياني سروكار دارد كه به علت عدم دسترسي به آن ها جراحي معمولي مشكل است. اغلب در اين مورد ليزر همراه با يك ميكروسكوپ استفاده مي شود. همچنين ليزر براي جراحي داخل دهان نيز مفيد است ( براي برداشتن غده هاي مخاطي ). امتيازات اصلي در اينجا جلوگيري از خونريزي و فقدان لختگي خون و درد پس از عمل جراحي و بهبود سريع بيمار است. ليزر همچنين اهميت خود را در بهبود خونريزيهاي سنگين در جهاز هاضمه ثابت كرده است. در اين حالت باريكه ليزر ( معمولا ليزر نئودميوم يا آرگون يوني ) به وسيله يك تار
نوري مخصوص كه در داخل يك آندوسكوپي داخلي قرار گرفته است پرتو ليزر را به ناحيه مورد معالجه هدايت مي كند. ليزر همچنين در بيماري زنان مفيد است درحالي كه اغلب به همراه يك ميكروسكوپ استفاده مي شود. كاهش قابل ملاحظه درد و لخته شدن خون ارزش مجدد چاقوي ليزري را بيان مي كند. در پوست درماني اغلب از ليزر براي برداشتن خالها و معالجه امراض رگها استفاده مي شود. بالاخزه استفاده از ليزرها در جراحي عمومي و جراحي غده اميدوار كننده است.
