لیزر، نور شگفت

1. مقدمه

بدون اغراق می توان گفت که لیزر یکی از درخشانترین اختراعات فیزیک قرن بیستم است. کلمه لیزر (LASER) به همین شکل در همه فرهنگ های جهان نفوذ کرده است و جایگزینی برای آن وجود ندارد. امروزه همه ما در اطرافمان وسایل بسیاری را می بینیم که از فناوری لیزر در آنها استفاده شده است. وسایل صوتی، تصویری و کامپیوتری که از DVD و CDهایی استفاده می کنند که با استفاده از لیزر اطلاعات بر روی آنها منتقل و همچنین از روی آنها خوانده می شود.

چاپگرهای لیزری بهترین کیفیت را دارند و Barcode هایی که امروزه تقریباً روی هر وسیله ای دیده می‌شود، با استفاده از پرتو لیزر خوانده می‌شوند. کابردهای لیزر محدود به موارد بالا نمی‌شود و کاربردهای بسیاری در پزشکی، ماشین سازی، عکاسی، نقشه برداری، جاده سازی، جداسازی ایزوتوپ‌ها، مخابرات و عملیات کامپیوتری دارد.

در فیزیک لیزر آنقدر اهمیت داشته است که از یک وسیله صرف خارج شده است و نامش یکی از شاخه‌های دانش جدید نورشناسی شده است. دانش لیزر هم در زمینه‌های نظری و هم در کاربرد به سرعت در حال رشد و تکامل است و از زمان ابداع آن همیشه با اخباری دربارة ابداعات و وسایلی که از نور لیزر استفاده می‌کنند روبرو بوده‌ایم و در آینده نیز این روند ادامه خواهد داشت.

فهم دقیق علم لیزر نیاز به آشنایی با مباحثی از جمله الکترومغناطیس، مکانیک کوانتوم و نورشناسی جدید دارد. البته در این مقاله برآنیم اصول نظری کاربرد و انواع لیزرها را به زبانی ساده و بدون استفاده از روابط ریاضی پیچیده شرح دهیم.

2. تاریخچه:

در سال 1917 فرآیندهای جذب اتمی، گسیل خودبخودی و گسیل برانگیخته که اساس تولید نور لیزر است، توسط اینشتین بیان شدند. براساس این فرآیندها، با تلاش دانشمندانی چون تاونز[1]، پروخوروف[2] و بازوف[3] وسیله با ارزشی به نام « میزر[4] » پدید آمد که یک تقویت کننده میکرو موج کم نوفه بود. تقریباً بلافاصله بعد از آغاز کار میزر، این فکر به وجود آمد که آیا همین روش را می توان به ناحیه نوری طیف نیز گسترش داد؟ در سال 1958 تاونز و آرنورد شاولاو شرایط کلی فیزیکی برای ایجاد لیزر را پیشگویی کردند و سپس در ژونیه سال 1960 تئودور مایمن[5] نخستین عملکرد موفقیت آمیز یک لیزر را اعلام کرد. این لیزر به صورت پالسی کار می‌کرد. در 1961 هم علی جوان و همکارانش اولین لیزر گازی را که به صورت پیوسته عمل می‌کرد را به دنیا عرضه کردند. و به واقع دنیا به عصر تکنولوژی لیزر وارد شد.

3. اساس کار لیزر

فرض کنید مجموعه‌ای اتم چنان که مثلاً در یک جامد گاز یا مایع موجودند، داشته باشیم. هر اتم (به عنوان سیستمی متشکل از یک هسته و ابر الکترونی)، دارای مقدرای انرژی داخلی است و هر یک بر آن است که پیکر بندی مربوط به پایینترین انرژی خود را حفظ کند این حالت را برای آن نوع اتم، حالت پایه می‌نامند. به علاوه، هر اتم می‌تواند در پیکربندیهای ویژه، و کاملاً مشخص؛ متناظر با انرژیهای بالاتر از حالت پایه وجود داشته باشد هر یک از این پیکربندیها حالتهای برانگیخته نامیده می‌شوند.

در یک چشمه نوری مناسب، نظیر لامپ معمولی، انرژی به درون اتمهای واکنش کننده که در این حالت در داخل رشته جای گرفته‌اند دمیده می‌شود. در نتیجه این اتمها به حالتهای برانگیخته «صعود» می‌کنند. سپس هر یک از آنها می‌تواند به طور خود به خودی (بدون هیچ انگیزش خارجی) به حالت پایه برگردد و انرژی در آن دمیده را به شکل یک فوتون با جهت کاتوره‌ای گسیل کند. اتمها در این نوع چشمه اساساً به طور مستقل از یکدیگر تابش می‌کنند. فوتونهای موجود در مسیل رابطة فازی ویژه‌ای با هم ندارند و نور ناهمدوس است فاز آن از نقطه ای به نقطه دیگر و از لحظه ای به لحظه دیگر تغییر می‌کند.

اکنون فرض کنید که نور به نوعی سیستم اتمی برخورد می‌کند. اگر یک فوتون فرودی دارای انرژی کافی باشد. یک اتم می تواند آن را در جذب كند و سپس به حالتی برانگیخته ارتقا پیدا کند. در سال 1917 انیشتن نشان داد که یک اتم برانگیخته از راه گسیل فوتون، و از طریق دو ساز و کار متمایز می‌تواند به یک حالت پایین‌تر (که نیازی هم نیست که لزوماً حالت پایه باشد) برگردد. در یک مورد، اتم انرژی را به طور خود به خود گسیل می‌کند، در حالی که در مورد دیگر از طریق حضور تابش الکترومغناطیسی با بسامد ویژه‌ای وادار به گسیل می‌شود. فرآیند اخیر گسیل القایی نامیده می‌شود و کلیدی برای عمل لیزر است. در هر یک از دو حالت فوتون خروجی، اختلاف انرژی hv_if بین حالت بالاتر اولیه (i) و حالت پایینتر نهایی، (f) را با خود حمل می کند یعنی

E_i-E_f=hv_if

که E_i و E_f انرژی مربوط به دو تراز انرژی هستند.

اگر موج الکترومغناطیس فرودی، اتم برانگیخته را وادار به گسیل القایی کند باید دارای بسامد v_if باشد. جنبه مهم این فرآیند آن است که فوتون گسیلیده، با موج محرک، همفاز، و هم قطبش بوده و در همان جهت انتشار می‌یابد. لذا فوتون فروردی به فوتون گسیل القایی اضافه شده و چگالی شار آن را افزایش می‌دهد. ولی چون اغلب اتمها معمولاً در یک حالت پایه هستند، در آشامی بسیار محتملتر از گسیل القایی است.

فرايندهاي جذب( يك فوتون توسط اتم جذب مي‌شود و اتم به حالت برانگيخته مي‌رود) شكل بالاتر، گسيل خودبخودي (يك اتم برانگيخته با تابش به حالت با انرژي پايين تر ميرود. شكل وسط) و گسيل القايي شكل پايين كه در توليد نور ليزر اهميت اساسي دارند.

 

 

سئوال مهم اینست که: اگر درصد قابل توجهی از اتمها را بتوان به نحوی برانگیخت که با ترک حالتهای پایینتر آنها را خالی گذاشته و به حالتهای بالاتر روند چه اتفاقی خواهد افتاد؟ به دلایل واضح این پدیده وارونی جمعیت[6] نامیده می شود.

گسيل القايي در زمان ايجاد وارونی جمعیت

در چنین صورتی یک فوتون فرودی با بسامد ویژه می‌تواند بهمنی از فوتونهای برانگیخته را که هم فازند، به راه اندازد. تا زمانی که فرآیند رقیب عمده‌ای (مثل پراکندگی) وجود نداشته باشد به نحوی که بتوان وارونی جمعیت را حفظ کرد، موج اولیه به موجودیت خود ادامه خواهد داد. در واقع، باید انرژی (الکتریکی، شیمیایی، نوری و مانند اینها) دمیده شود تا وارونی جمعیت را حفظ کند. وسیله‌ای که این کار را انجام می‌دهد یک تقویت کنندة نوری است. و آن را لیزر از حروف اول واژه‌های جملة

Light Amplification by Stimulated Emission of radiation

به معنی تقویت نور با گسیل برانگیخته تابش، گرفته شده است.

4. ویژگیهای نور لیزر

بعضی از مهمترین ویژگیهای نور لیزر عبارتند از:

الف) جهتمندی[7]

نور لیزر به صورت یک باریکه نازک با ضخامت چند میلی متر تولید می‌شود و بدون آن که ضخامتش به مقدار چشمگیری افزایش یابد تا فاصله‌های دور منتشر می‌شود. باریکه لیزر شاید باز شود ولی در عمل یک واگرایی درحد چند ثانیه زاویه‌ای در آن اتفاق می‌افتد و علت آن پراش نور ضمن انتشار است.

ب) تک رنگی[8]

اصولاً نور لیزر تنها از یک طول موج تشکیل می‌شود که در نتیجه گذار القایی از یک مجموعه از سطوح انرژی اتمی است.

پ) همدوسی[9]

فوتونهای ایجاد شده در نور لیزر به نحوی هستند که امواج مربوط به آنها کاملاً همدوس یا هم فازند و یا می‌توان گفت که طول همدوسی (طول قطار موج) منابع لیزر بسیار بزرگ و به حدود چند کیلومتر می‌رسد طول همدوسی یک منبع متناسب است با عکس پهنای بیناب نور آن منبع است و چون پهنای بیناب نور لیزر کوچک است طول همدوسی زیاد است. برعکس نور سفید از طول همدوسی کوچکی برخوردار است.

ت) درخشندگی زیاد

توان تولید لیزرهای معمولی نسبتاً کم است. لیزرهای آزمایشگاهی آموزشی مانند لیزر هلیوم نئون توانی در حدود میلی وات دارند. این در حالی است لامپ روشنایی معمولی از توان زیادی برخوردار است. توان یک لامپ روشنایی معمولی 100 وات است که البته 5 درصد این توان به نور تبدیل می‌شود و در فاصله 10 متری شدت انرژی آن تقریباً 09/0 وات متر مربع است. در حالی شدت یک لیزر یک میلی واتی با شعاع پرتو یک میلی‌متر تقریباً 700 وات برمتر مربع است. به همین دلیل حتی یک لیزر نیم رسانای که امروز جزء وسایل بازی بچه‌ها می باشد و از دو باتری ساعت تغذیه می‌شود می‌توان به چشم آسیب برساند.

5. انواع لیزر

اگر چه انواع مختلف لیزرها وجود دارند ولی اصول کار همه آنها یکسان است این اصول عبارتند از:

1-    یک چشمة انرژی وارونی جمعیت را به صورت پالسی (تپی) ناپیوسته انجام می‌دهد. در لیزر گازی هلیوم – نئون، چشمة انرژی یک سیستم تخلیة انرژی است که انرژی را از طریق برخوردهای اتمی به گاز می‌دهد. در لیزرهای بلوری، وارونی جمعیت با درخشهای شدید و پهن طيف صورت می‌گیرد. فرایند برانگیزش با روشنایی شدید را پمپ کردن یا دمش نوری می نامند.

2-    یک محیط لیزری حداقل دارای سه تراز انرژی، شامل یک حالت پایه، یک حالت میانی (ناپایدار) با عمر نسبتاً طولانی t_s ، و یک حالت دمش انرژی زیاد است. برای ایجاد وارونی جمعیت، t_s باید از t₁ یعنی عمر تراز پاینتر یا تراز نهایی، بیشتر باشد. ضمناً توجه کنید که عمل تقویت فقط با دو تراز صورت نمی‌گیرد، زیرا چنین سیستمی نمی‌تواند وارونی جمعیت را ایجاد کند. بالاخره با دمیدن بسیار شدید نور، می توانیم جمعیت حالت بالا را تاحدی بالا ببریم که با جمعیت حالت پایین مساوی شود. دمش بیشتر، فقط باعث انگیزش گذارهای مساوی رو به پایین و رو به بالا می‌شود، زیرا احتمال جذب با احتمال گسیل القايي در یک گذار معین، مساوی است. برای ایجاد وارونی جمعیت، جذب انرژی باید در گذاری متفاوت با گذار گسیل القايي صورت گیرد. به این علت، دست کم به یک سیستم سه ترازی نیازمندیم.

يك ليزر سه ترازي

3-    یک روش شامل فوتونهای گسیل شدة اولیه در لیزر، به طوری که این فوتونها بتوانند باعث انجام گسیلهای بیشتر در اتمهای برانگیختة دیگر بشوند. درعمل، این کار معمولاً با قرار دادن آینه هایی در دو انتهای محیط لیزری صورت می‌گیرد، در نتیجه فوتونها چندین بار از محیط لیزری عبور می‌کنند. بنابراین، لیزر را می‌توان به عنوان یک تشدید کننده یا نوسانگر نوری با دو باز تابانندة متقابل عمود بر باریکة لیزر در نظر گرفت. به این ترتیب، امواج تختی که در جهتهای مخالف یکدیگر حرکت می‌کنند، یک موج ایستادة بسیار تکفام تولید می‌کنند، که وقتی تعداد درستی از نصف طول موجها در میان بازتاباننده‌ها تولید می‌شوند، قویترین تشدید ایجاد می‌شود. برای خروج باریکة بسیار موازی از لیزر، یکی از آینه های موازی اندکی نور را عبور می‌دهد. در نتیجه کمی از انرژی از کاواک لیزری عبور می‌کند.

از یک نظر می‌توان لیزرها را به چهار دسته‌ی لیزرهای حالت جامد، لیزرهای گازی، لیزرهای مولکولی و لیزر الکترون آزاد تقسیم بندی کنیم در ادامه بعضی از انواع لیزرها را توضیح می‌دهیم.

 

 

1-    لیزر یاقوت [10] (لیزر حالت جامد)

لیزر یاقوت اولین لیزری است که توسط میمن در سال 1960 ساخته شد و هنوز هم دارای کاربردهای زیادی است.

ليزر ياقوت

بلور یاقوت با وارد کردن ناخالصی اکسید کروم، Cr₂O₃ (به مقدار 05/0 درصد) در اکسید آلومینیوم (Al₂O₃) رشد داده می‌شود. محیط فعال در حقیقت اتم های کروم یونیده هستند. برای اجرای عمل لیزری به صورت پالسی از لامپ فلاش پر از زنون یا جیوه استفاده می‌شود که برای برقراری تماس بیشتر، به دور کریستال یاقوت مدادی شکلی (ruby) پیچیده شده است. لیزر یاقوت یک سیستم سه ترازی است بدین معنی که با درخشش لامپ الکترونهای اتمهای کروم یونیده به تراز بالایی انتقال می‌یابد (عمل دمش) الکترونها در این تراز بسیار ناپایدار هستند و با فرو افتنی سریع به تراز میانی سقوط می‌کنند. این تراز نسبت به تراز بالایی پایدارتر است. لذا اتمهای زیادی از کروم در این حالت قرار می‌گیرند. با تحریک القایی توسط فوتونهای موجود در محیط الکترونها با انتقال از تراز میانی به تراز پایین (حالت پایه)، عمل تولید نور لیزر صورت می‌گیرد.

چكونگي عمل دمش و توليد نور ليزر در ياقوت

بعضی از کاربردهای لیزر یاقوت اندازه گیری فواصل، اندازه گیری دما و تمام نگاری یا هولوگرافی هستند.

لیزر هلیوم نئون (لیزر گازی)

لیزر هلیوم نئون اولین لیزر گازی بود که برخلاف لیزرهای حالت جامد که معمولاً به صورت پالسي کار می‌کنند، به صورت پیوسته (CW) کار می‌کرد. چند ماه بعد از ساخت اولین لیزر توسط میمن علی جوان و همکارانش آن را ابداع کردند. نوسانی که او مشاهده کرد در طول موج nm1150و مربوط به تراز در اتم نئون بود. اما این لیزر می توان در ناحیه نور مرئی (نور قرمز nm8/632) نیز کار کند. که مربوط به گذار در اتم نئون است.

 

چكونگي عمل دمش و توليد نور در ليزر هليوم-نئون

تا قبل از استفاده از لیزرهای نیمه هادی یکی از پرمصرف ترین لیزرها در آزمایشگاه و صنعت بود. بهرة بالا و عمر بالای 20000 ساعت، هزینه کم و سادگی ساخت از مزیتهای آن در لیزرهای گازی معمولاً اتمها را مستقیماً با جریان یکسو یا تخلیه الکتریکی برانگیخته می‌کنند. در اثر عبور جریان، الکترونها و یونها با برخورد به اتمهای خنثی پلاسمای درخشانی از اتم های و یونهای برانگیخته تولید می‌شود. در اکثر لیزرهای هلیوم نئون، مخلوطی از 5 قسمت هلیوم و یک قسمت نئون استفاده می‌شود. الکترونهای پرانرژی در تخلیه تعداد زیادی از اتمهای هلیوم را برانگیخته و به حالتهای مختلف می‌برند و اتم‌های هلیوم با اتمهای نئون برخورد می‌کنند و آنها را برانگیخته می‌کنند و به حالتهای 2S و 3S نئون می‌برند گذار این حالتهای نئون موجب گسیل لیزر با طول موج تقریبی 1100 نانومتر (فروسرخ) 8/632 نانومتر در قسمت سرخ طیف مرئی می شوند. بهرة لیزر با قطر لوله He-Ne نسبت به عکس دارد. پخش اتمها به دیواره ها باعث می‌شود اتمها سریع تر به حالت پایه بروند و عمل وارونی جمعیت بهتر انجام شود. برای تشدید و تقویت نور در دو انتهای لوله آینه هایی با انعکاس کامل و 99 درصد قرار می‌دهند.

 

نماي كلي يك ليزر هليوم نئون

لیزرهای نیم رسانا

یکی از مهمترین چشمه های نور برای مخابرات با تارهای نوری، لیزر نیم رسانا است. زیرا اندازه آنها کوچک (چند دهم میلی متر)، بازده زیاد (25 تا 35 درصد)، سادگی، عمر طولانی (حدود 100 سال) و داراي پاسخ سریع (در گسترة گیگاهرتز) است.

 

ساختار يك ليزر نيم رسانا

لیزر نیم رسانا چیزی جز یک دیود نور گسیل LED نیست، با این تفاوت که برای ایجاد وارونگی جمعیت لازم است در نیم رسانای P و N به شدت ناخالص شده و غلظت دهنده یا پذیرنده به بیش از 10¹⁸ اتم بر سانتی متر مکعب برسد. هنگامی که دیود پیوندی شدیداً ناخاصل شده، به طور مستقیم تغذیه کنیم، الکترونها و حفره ها به تعداد زیادی به داخل ناحیه پیوندگاه تزریق شده و وارونگی جمعیت را به وجود می‌آید. و باز ترکیب الکترونها و حفره ها نور تولید می‌کند. برای عمل تقویت در دو وجه از شش وجه دیود را در امتداد صفحات بلور موازی بریده و صاف و پرداخت می کنند، و چهار وجه دیگر بدون پرداخت باقی می مانند، تا پرتوهای ناخواسته و پراکنده حذف گردند.

2-    ليزر الكترون آزاد (FEL ) [11]

يكي از جديد ترين انواع ليزر كه از نظر ساختار با ليزرهاي مرسوم تفاوت هاي قابل توجه دارد ليزر الكترون آزاد است. از مهمترين ويزگيهاي آن شدت، كيفيت بالاي نور ليزر و تنظيم پذيري آن در يك طيف بسيار كسترده نسبت به ساير ليزر ها است. اموزه كشورهاي پيشرفته توان زيادي را در تحقيق روي اين ليزر صرف مي‌كنند.

وقتي يك ذره بار دار شتاب دار شود، از خودش تابش الكترومغناطيس متساطع مي‌كند؛ هر چه شتاب وارد شده بيشتر باشد توان اين تابش بيشتر خواهد شد. حال اگر اين ذره داراي سرعتي نسبيتي باشد، تابشي جهتمند خواهد داشت. اين اساس كار ليزر الكترون آزاد¹ مي‌باشد. و روش مرسوم براي شتاب وارد كردن بر ذره بار دار وجود دارد: يكي شتاب درجهتسرعت ديگري شتاب در جهت عمود بر سرعت حركت ذره. براي روش اول نياز به دستگاهبسيار حجيمي مي باشد، زيرا در حين وارد كردن شتاب لازم بر ذره بار دار، چون سرعتذره نسبيتي است مسافت بسيار زيادي را طي خواهد كرد، ولي با روش دوم همان شتاب را بايك حجم محدودي مي‌توان تامين كرد. براي وارد كردن شتاب عرضي نياز يك نيرويعرضي مي‌باشد. براي اين كار از آهنرباهاي مخصوص كه جهت ميدان مغناطيسي آنهاعمود بر جهت حركت ذره باردار مي‌باشد استفاده مي‌شود. ذره بر اثر نيروي مغناطيسيلورنتس مسير دايره اي را طي مي‌كند. ولي چون مي‌خواهيم ذره در حين نوسان در راستای سرعت اوليه اش حركت كند بايد جهت ميدان مغناطيسي به طور متناوب عوض شود. بههمين علت از تعدادي آهنربا كه جهت ميدان مغناطيسي آنها يك در ميان عوض مي‌شوداستفاده مي‌كنيم. چون اين آهنرباها باعث نوسان ذره بار دار ميشوند آنها را جنباننده يا ويگلر² مي‌نامند.

 

ويگلر يا جنبانده قسمت اصلي ليزر الكترون آزاد است

انتخاب الكترون بعنوان ذره باردار در اين ليزر به خاطر بهينه بودن آن، چه ازلحاظ عملي و چه از لحاظ نظري است. تقريبا تمام تابشهاي گسيل شده در يك لحظه توسطالكتروني كه در ميدان مغناطيسي ويگلر در مسير تناوبي در حال حركت است، در داخل يك مخروط با زاويه راس خيلي كوچك محصور است اين زاويه گسيل از نظر عددي حدوداًبرابر نسبت انرژي سكون الكترون به انرژي كل الكترون مي‌باشد. بنابراين تابش گسيل شده را مي توان بعنوان باريكه اي از پرتوهاي موازي كه از نظرهندسي خيلي شبيه پرتوهاي باريك ليزرهاي مرسوم هستند تلقي كرد.

در ليزر الكترون آزاد الكترونها مقيد به باندهاي انرژي اتمي يا مولكولي(در مقايسه با ليزرهاي معمولي) نيستند. تابش در ليزرهاي الكترون آزاد معمولا بر اساس عبور الكترونها از ميدان مغناطيسي يك آندولاتور يا ويگلر كه باعث مي‌شود الكترونها در فضا يك مسير تناوبي را طي كنند بوجود مي‌آيد.

 

 

ساختار نوعي يك ليزر الكترون آزاد

اين نوع ليزر براي مطالعه ساختار نوارهاي انرژي الکترون در نيمه رساناها، تقسيم اشتراکي خطوط طيفي در ميدانها شديد الکتريکي و برانگيزش خطي و غير خطی فونونها (امواج صوتي کوانتيده ) در بلورها استفاده مي‌شود. علاوه بر كاربردهای پژوهشي ليزر الکترون آزاد در زمينه‌هاي مانند پزشکي، مخابرات، رادار وگرم کردن پلاسما قابل استفاده است. كاربردهاي پزشکي اين نوع ليزر به خصوص برای جراحي قابل تاملند. از اين ليزرها مي‌توان هم براي بريدن و هم براي انجام عمل فوتون–جوش ( انقعاد از طريق داغ کردن ) استفاده کرد. براي بريدن معمولاً نورفروسرخ 3 ميکروني لازم است. اما براي جوش دادن به طول موجهاي ميان صفر تا 5/1ميکرون نياز است. اساساً ليزر الکترون آزاد را مي توان در حين عمل جراحی بنا به ضرورت روي طول موجهاي کوتاه و بلند تنظيم کرد.

کاربرد بحث انگيز ليزرهاي الکترون آزاد با توان زياد و تپ بلند، در امور نظامي ازجمله در انهدام موشکهاي بالستيک است.

6. بعضي از کاربرد هاي لیزر

کاربردهای لیزر بسیار گسترده و متنوع است و امکان بیان حتی فهرست‌وار آن نیست ولی بعضی از کاربردهای جالب آن را در زیر معرفی می کنیم.

1-    جداسازی ایزوتوپها

از بدو اختراع لیزر یکی از کاربردهای مهمی که برای این ابزار جدید پیشنهاد شد استفاده از آن در کاربردهای فتوشیمی است. از کلیه برهمکنش هایی که به کمک لیزر اجرا می شود. جداسازی ایزوتوپ مورد توجه بسیار قرار گرفت و علت آن کاربردهای وسیع ایزوتوپها در پزشکی، صنعت، نظامی و مسائل علمی است.

مثلاً در غنی سازی اورانیوم می توانیم از این روش استفاده کنیم. انرژی لیزر را طوری تنظیم می‌شود که از میان ایزوتوپهای مختلف فقط اورانیوم 235 هدف قرار گیرد. و همین اتم یونیزه گردد. بعد از یونیزاسیون، یون اورانیوم در یک میدان الکترواستاتیکی از سایر ایزوتوپها جدا می شود. میزان غنی سازی با این روش در مراحل اولیه حدود 50 درصد است. حال آنکه با روش های معمولی و استفاده از سانتریفوژ برای رسیدن غنی سازی حدود 4 درصد نیاز به دهها هزار سانتریفوژ و مراحل مختلف است.

2- ليزر در پزشكي

علاوه بركاربردهاي پرتوان در صنايع سنگين،‌ليزرها كاربردهاي زيادي در حوزه هاي ظريفتر مانند جراحي دارند. دقت زياد كنترل ليزرها – از نظر توان، طول موج، عمر پالس، و جهتشان – آنها را قادر به انجام دادن عملهاي بسيار پيچيده مي سازد. امروزه ليزرها از جملة تجهيزات استاندارد در بيشتر بيمارستانها شده‌اند.

يكي از اولين – و اينك يكي از متداولترين – عملهاي جراحي جوش دادن شبكيه است. شبكيه ناحية حساس به نور واقع در پشت چشم است و گاه از كرة چشم جدا مي‌شود، كه در نتيجه بينايي پرزحمت شده، آسيب خواهد ديد، و سرانجام به نابينايي خواهد انجاميد. به كمك يك باريكة حاصل از يك ليزر رنگينه‌اي پالسي، يا يك ليزر نئوديميم ياگ،‌كه در چشم جراحي براي انجام يك عمل ظريف به كمك باريكة ليزر به دقت متمركز شده، آماده مي‌شود.

متمركز مي‌شود، مي‌توان شبكيه را به جاي اوليه‌اش جوش داد. البته ليزر به دقت كنترل مي‌شود تا از وارد آمدن هر آسيبي جلوگيري شود و، در واقع، اين جوش كوچكي كه ايجاد مي‌شود ابداَ به بينايي لطمه نمي‌زند.

ماهيت تنظيم پذيري طول موج نورليزر نيز در جراحي مفيد است، زيرا بعضي طول موجها به طور انتخابي جذب مي‌شوند. براي مثال،‌ نقايص پوستي – خواه طبيعي، ‌مانند خال يا لك مادرزادي،‌ و خواه مصنوعي، مانند خال كوبي – نور را در طول موجهايي متفاوت با پوست عادي جذب مي‌كند. اگر ليزري كه در طول موج مناسب تنظيم شده، در جهت چنين نقصي قرار گيرد، نور ترجيحاَ به وسيلة نقص جذب مي‌شود كه گرم و بخار مي‌شود،‌ و بافتي داراي اثر زخم (جوشگاهي)‌ برجاي مي‌گذارد. البته بعداَ پوست عادي جاي آن را مي‌گيرد. جذب ترجيحي در معالجة بعضي سرطانها نيز به كار مي‌رود. «رنگينه هاي نشانگذار» خاصي وجود دارد كه، هنگامي كه به بدن تزريق مي‌شوند، تنها جذب سلولهاي سرطاني مي‌شوند، يا به آنها مي‌پيوندند. به كمك ليزري با طول موجي كه ترجيحاَ به وسيلة اين رنگينه ها جذب مي‌شود، ميتوان سلولهاي سرطاني را بدون آسيب رساندن به بافت سالم اطراف بخار كرد.

ليزرهاي كربن ديوكسيد،‌ با گرفتن جاي چاقوي جراحي، در «جراحي بدون خونريزي» به كار مي‌روند. هنگامي كه باريكة ليزر از گوشت مي‌گذرد و در نتيجه رگهاي خون را پاره مي ‌كند، انتهاي رگها را جوش مي‌دهد و مي‌بندد،‌ لذا از اتلاف خون جلوگيري مي‌كند. حوزة نويد بخش ديگر جراحي ليزري آنژيوپلاستي ليزري است. در اين عمل براي هدايت نور ليزر به درون سرخرگهاي كرونر (سرخرگهايي كه به ماهيچة قلب خون مي‌برند)‌كه براثر حضور املاح كلسيم بسته شده‌اند، و اين امر به بيماريها و حمله هاي قلبي مي‌انجامد،‌از تارهاي نوري استفاده مي شود. پالساهاي حاصل از يك ليزر اگزيمر تارهاي نوري را تغذيه مي كنند و، در آزمايشهاي اوليه، موادكلسيم دار را بدون رساندن جريان خون بدون مانع دوباره برقرار مي‌شود.

در ديگر شاخه‌هاي جراحي، ليزرها براي خرد و نابود كردن سنگها كليه و كيسة صفرا به كار مي‌روند. آنها را در جراحي مغز نيز به كار مي‌برند، كه در آن مشخص كردن بسيار دقيق بافتي كه بايد برداشته شود مهم است، و حتي در جراحي زيبايي براي برداشتن چين و چروك پوست در عملهاي صورت كشي از ليزر استفاده مي‌شود.

                 محمد سياري زاده

منابع:

1. الكترونيك ليزر ، جوزف تامس وردين، ترجمه محمد كاظم مروج فرشچي، حسين گل نبي
2. فيزيك جديد سروي، موير و موزس ترجمه محمد بهار، تهران مبتكران 1382
3. فيزيك نوين ، هانس .سي. اوهانيان ترجه جلال الدين پاشايي راد و بهرام معلمي
4. نور شناخت ، يوجين هشت، آلفرد زاياك ترجمه پروين بيات و حبيب مجيدي ، مركز نشر دانشگاهي
5. مقدمه اي بر ليزر، ابرهيم عطاران كاخكي، مشهد زبان و ادب 1381
6. ليزر و كابرهاي آن، اكبر حريري، انجمن فيزيك ايران، 1373
7. سايت اينترنتي hyperphysics  

 

---

[1] Charles H. Towenes (1915)

[2] Alexander Mikhailovich Prokhorov

[3] Nikolai Gennadivich Bosov

[4] MASER (Maicroeave Amplification by stimulated Emission of Radiation)

[5] Theodor Harold miman (1927)

[6] Population Inversion

[7] Collimated

[8] Monochromatic

[9] Coherent

[10] Ruby laser

[11] Free Electron Laser