برگشتن به مکانیک

توضیحات محصول

دانلود پایان نامه : اصول کار با لیزر

57ص

 

 

 

ليزر در دوران تمدن يونان ـ روم

در دوران تمدن يونان ـ روم (تقريباً از قرن ششم پيش‌ از ميلاد تا قرن دوم ميلاد) ليزر بخوبي شناخته شده و مشهور بود. گياهي خودرو بود (احتمالاً از رده گياهان چتري) كه در ناحيه وسيعي در اطراف سيرن (ليبي امروز) مي‌روييد. گاهي هم «ليزر پيتيوم» ناميده مي‌شد و به علت خواص اعجاز‌گرش آن را هديه‌اي از جانب خداوند مي‌دانستند. اين گياه براي درمان بسياري از بيماري‌ها از ذات‌الريه گرفته تا بسياري از بيماري‌هاي واگير‌دار به كار مي‌رفت. پادزهر مؤثري بود براي مارزدگي،‌ عقرب زدگي و نيش پيكان‌هاي زهر‌آلود دشمن از طعم لذيزش به عنوان چاشني عالي در بهترين آشپزي‌ها استفاده مي‌شد. اين گياه آنچنان پرارزش بود كه منبع اصلي سعادت سيرنيها به حساب مي‌آمد و به يونان و روم صادر مي‌شد. در مدت استيلامي رومي‌ها تنها خراجي كه سيرينها به روم مي‌دادند اين گياه بودكه همراه با شمشهاي طلا در خزانه‌ها نگهداري مي‌شد. شايد بهترين گواه‌ ارزش ليزر در آن روزگار نقش بر جام مشهور آركسيلائو (كه اكنون در موزه سيرن است.) باشد كه باربران را در حال بار كردن ليزر در كشتي تحت سرپرستي شاه آركسيلائو نشان مي‌دهد، هم يوناني‌‌ها و هم رومي‌ها بسيار كوشيدند كه بتوانند ليزر را در نقاط مختلف «آپوليا» و «آيونا» (در قسمت جنوبي ايتاليا) به كشت بنشانند. نتيجه آن شد كه ليزر بيشتر و بيشتر كمياب شد و به نظر مي‌رسد كه در حوالي قرن دوم ميلادي كاملاً از ميان رفت. از آن زمان تا به حال علي‌رغم كوشش‌هاي بسيار كسي موفق نشد كه ليزر را در صحرا‌هاي جنوبي سيرن پيدا كند و بدين ترتيب ليزر به صورت گنجينه گمشده تمدن يونان-روم درآمد.

از زمان ابداع نخستین لیزر توسط maiman در 1960 ، کاربرد های متنوع لیزر در شاخه های مختلف مورد بررسی قرار گرفته است. جراحی لیزری قطعا ار مهمترین این کارها و یکی از برجسته ترین تحولات در پزشکی قرن حاضر به شمار می آید. در واقع می توان گفت که انواع گوناگون لیزر ها به عنوان ابزار بی رقیبی در پزشکی نوین مطرح گردیده اند . دو دهه پیش کاربرد های بالینی لیزر فقط به شاخه چشم پزشکی محمدود می شد و از جمله جالب ترین جراحی های لیزری که امروزه نیز به طور گسترده ای متداول است به کار گیری لیزر یونی ارگون در درمان جدا شدگی شبکیه چشم می باشد. اما در حال حاضر به جرت می توان گفت که لیزر به تمامی شاخه های پزشکی رسوخ کرده و گسترش چشم گیری داشته است. این امر به دلیل گوناگونی سیستم های لیزری موجود ، تنوع پارامتر های فیزیکی و نیز اشتیاق شدید برخی گروه ها پژوهشی بوده است که بدین ترتیب تقریبا تمامی شاخه های جراحی در به کار گیری لیزر ها حمت گمارده اند . البته در برخی موارد به ویژه در شاخه ی موسوم بر انگیزش بیولوژیک ، پژوهشگران سمت گیری مناسبی را اتخاذ نکرده بودند و با سعی فراوان به چاپ مقالات بیشتر اهتمام می ورزیدند و تولید کنندگان برخی از سیستم های لیزری نیز به منظور سود بیشتر به تبلیغ محصولات خود می پرداختند اما سر انجام در یافتند که برخی از این سیستم ها دارای کارایی مناسب نیستند اما از سوی دیگر بسیاری از روش های لیزری که با یاری دانشمندان توسعه یافته است در عمل نیز ثمر بخش بوده اند . در حال باید همواره توجه داشت که این روش های درمانی به وسیله ی دیگر محققان نیز تایید شد و نتایج تحقیقات با ارئه مدارک مستدل در ژورنالهای معتبر علمی انتشار یابد . علاوه بر روش ها ی متداول معالجه لیزری ، امروزه برخی تکنیک های تشخیصی جالب نیز به مجموعه کاربرد ها افزوده شده است. در اواخر دهه 60 میلادی لیزر ها در شاخه های دیگر پزشکی نیز وارد شدند و  امروزه مجموعه ای بزرگ از روش های لیزری در سرتاسر جهان به کار گرفته می شود اغلب آن ها به خانواده موسوم به « جراحی با حداقل اثر تهاجمی » تعلق دارند که به معنای جراحی بدون تماس و با کمترین میزان خون ریزی است . دو ویژگی فوق ، باعث شده تا لیزر به عنوان یک تیغ جراحی منحصر به فرد و وسیله کمک در مانی ارزشمندی مطرح شود . بسیاری از بیماران و همچنین جراحان ، لیزر را به مثابه ابزاری شگفت انگیز باور داشته اند که البته این ممکن است تا حدی گمراه کننده باشد و همواره لیزر نتواند خواسته های غیر عهادی یا بلند پروازانه ما را بر آورده سازد. باید توجه داشت که همیشه به داوری دقیقی در مورد پیشرفت های نوین لیزری نیازمندیم و به صرف گزارش هایی که در مورد معالجه با لیزر منتشر می شود نمی توادن ارزش درمانی آن را تضمین کرد، مگر آن که مطالعات مستقل نیز به ارزیابی و تایید مجدد آن بپردازد. یک نوع بر همکنش لیزری ممکن است در درمان نوعی بیماری به کار آید. اما همان اثر در معالجه بیماری دیگر فاجعه آمیز باشد . به عنوان مثال گرم کردن بافت سرطانی توسط پرتو دهی لیزر می تواند به مرگ نسوج ( نگروزه شدن ) تومور سرطانی منجر گردد که مورد نظر ماست. اما به کار گیری همین پارامتر های لیزری به منظور انعقاد شبکیه ای به ایجاد سوختگی در شبکیه و نا بینایی بازگشت ناپذیر منجر می گردد . آثار حرارتی در دمای بیش از c60 درجه منجر به ایجاد صدمات بازگشت ناپذیر می گردند. سیستم های لیزری به 2 دسته لیزر های موج پیوسته و لیزر های پالسی تقسیم بندی شده اند اغلب لیزر های گازی و برخی لیزر های حالت جامد به گروه اول تعلق دارند ، حال آن که خانواده لیزر ها پالسی عمدتا ً شامل لیزر های دیگر حالت جامد، اگزایمر و لیزر های رنگینه ای است.

در جدول فهرستی از انواع لیزر های پزشکی به هموراه دو پارامتر مشخصه آن ها یعنی طول موج و عرض پالس ( یا زمان پرتو دهی در لیزر های موج پیوسته ) داده شده اند. این فهرست بر حسب عرض پالس مرتب شده است زیرا مدت پرتو دهی یک پرامتر مهم در تعیین نوع برهمکنش لیزر با بافت طول موج ، دومین پارامتر مهم لیزر است که تعیین کننده عمق نفوذ تابش لیزر درون بافت می باشد و بیانگر آن است که پارامتر های جذب و پراکندگی تا چه میزان موثر می باشند . پارامتر موسم یعنی چگالی انرژی لیزر نیز حائض اهمیت است و اندازه آن یک شرط لازم برای تعیین نوع اثر بر همکنش لیزر با بافت ومحدوده آن به شمار می آید با کاربرد های پزشگی در چگالی های انرژی بین j/cm  1 تا j/cm  1000 به و قوع می پیوندند و این گستره نسبتا باریک در مقایسه با بازه عرض پالس می باشد که در مطالعه آثار برهمکنشی لیزر با فت تا 15 مرتبه  بزرگی قابل تغییر است. پارامتر چهارم یعنی شدت پرتودهی ( چگالی توان سطحی باریک لیزر ) که بنا به تعریف نسبت چگالی انرژی به عرض پالس می باشد نیز قابل توجه است.

اخیراً دو پیشرفت مهم در فناوری لیزر سهم به سزایی در متحول ساختن تحقیقات پزشکی داشته است. این دو عبارتند از لیزر های دیودی و لیزر الکترون آزاد. لیزر های دیودی می توانند به صورت موج پیوسته یا پالسی گسیل نمایند و به طور خارق العاده ای کوچک می باشند اما در عوض لیزر های الکترون آزاد که با استفاده از باریکه ها چند مگاالکترون ولتی ( mev ) شتاب دهنده های الکترونی کار می کنند قادر به تولید پالس های لیزری بسیار کوتاه می باشند ولی چون ماشین های قول پیکر و عظیمی هستند ، فقط در مکان خاصی می توانند نسب و مورد استفاده قرار گیرند .

پیشرفت کنونی در جراحی لیزری به توسعه سریع سیستم های لیزری پالسی وابسته است.

در حال حاضر بسیاری از لیزر های پزشکی یا تابش موج پوسته دارند و یا پالس های با عرض بیش یک میکرو ثانیه گسیل می کنند بنابراین آشکارا می تواند گفت که در ارتباط با این لیزر ها تحقیقات در آثار گرمایی محدود شده است. اما هنگلمی که پالس های لیزری کو تاه تری تولید شوند آنگاه امکان وقوع انواع دیگر بر همکنش های لیزر با بافت وجود خواهد داشت. این آار عمدتا از انواع غیر حرارتی بوده و بر اساس سازو کار های کندگی مانند نور کندگی ، کندگی القایی پلاسمایی و با فر آیند گسیختگی نوری می با شد که در مقیاس های نانو ثانیه و پیکو ثانیه روی می دهند .

به طور کلی می تواند چنین خلاصه نمود که توسعه و تکامل سیستم های لیزری که قادر به تولید غالب های کوتاه تری می باشند همواره کاربد های نوین و جالبی را با خود به همراه آورد.

 

 

بازه عرض پالسطول موج  (nm)نوع لیزر
( موج پیوسته) cw

Cw

Cw

پالسی یا cw

پالسی یا cw

پالسی یا cw

Us250-1

Us250- ns100

Us250- ns100

Us250- ns100

Us250- ns100

Us250- ns100

Us100- ns50

Ns300-20

Ns20-10

Ns20-10

Ns20-10

Ps100-30

Ps100-30

Ps10-2

Ps100- fs10

514-488

647-568-531

633

Um6/10

900-450

900-670

694

1053

1064

2120

2780

2940

800-720

308

351

248

193

1053

1064

6000-800

1000-700

یونی آرگونی argonion

یونی کریپتونkrypton ion

هلیون- نئونhe-ne

گاز کربنیک co

لیزر رنگینه ای dye laser

لیزر دیوگی diode laser

یاقوت ruby

نئود یمیوم وای ال افnd:ylf

نئودیمیوم یاگnd:yag

هولمیوم یاگ er:yag

Er:ysgg

اربیوم یاگer:yag

الکساندر ایتalexandrite

زنون- کلرایدxecl

زنون – فلوراید xef

کریپتون – فلورایدkrf

آرگون –فلوراید arf

( به روش قفل شدگی مد)nd:ylf

(به روش قفل شدگی مد )nd:yag

لیزرئ الکترون آزادfel

(free electron laser )

تیتانیوم – سفایرti:sapphire

 

نخستین لیزر یک لیزر یاقوت با دمش لامپ درخش زنون بود . خروجی این لیزر به صورت پالس بسیار تیز مشخص می شد. معمولاً مدت زمان گسیل لیزری توسط لامپ درخش تعیین می گردد که به طول عمر تراز بالایی لیزر مطابقت دارد و در مورد یاقوت حدود ms 1 است. با ابداع سوئیچ Q  ، پالسهایی تا حدود ns  50 بهدست آمد . ابزار مکانیکی مانند آینه های چرخان یا دریچه های دوار و ابزار نوری همچون کریستالهای پاکلز آکوستواپتیکی یا الکتروپتیکی می توانند بعنوان ابزار سوئیچ Q   به خدمت گمارده شوند. در هر دو حالت تلفات درون تشدید گر ( کاواک ) به طور مصنوعی به میزان بالایی نگهداشته شده تا آن که وارونی بسیار بزرگی در ترازهای انرژی گذار لیزری حاصل شود. آن گاه به هنگام برداشت تلفات ، تمامی انرژی انباشته شده در محیط فعال لیزر به ناگهان توسط فرآیند گسیل القایی در تشدیدگر به بارکه لیزر تبدیل می شود. تولید پالسهای زمانی کوتاه تر نیز با بکارگیری قفل شدگی مد درون کاواک لیزر قابل دستیابی است. در حین عمل قفل شدگی مد ، مدولاسیون میدان الکترومغناطیسی با بکارگیری کریستالهای مدوله ساز سریع ( قفل شدگی مد فعال ) یا با کمک جاذب های اشباع پذیر ( قفل شدگی مد غیر فعال ) انجام می پذیرد . بدینوسیله فاز های کلیه مد های طولی نوسان کننده لیزر اجباراً همپوشانیده می شوند که در نتیجه آن پالسهای پیکوثانیه ای بدست خواهند آمد. یک نمونه از چنین لیزر هایی ، لیزر nd:yag  با پهنای باند اپتیکی در مرتبه nm  1 می باشد. این پهنای باند ، کوچکترین عرض پالس قابل حصول را فقط به چند پیکو ثانیه محدود خواهد ساخت .از این رو به منظور ساخت لیزر های فمتو ثانیه ای اساساً می بایست در ساخت محیطهای فعال لیزر با پهنای باند اپتیکی وسیع تر تحولی حاصل می شد که امروزه این امر با تولید کریستال هایی نظیر ti:sapphire یا cr:lisaf میسر شده که پالسهای لیزری به کوتاهی fs 5/8  تولید می کنند . این امر در مقاله zhou (1994 ) نیز بیان گردیده است. این بازه زمانی از نظر گستره مکانی ، معادل با چند طول موج است. مهمترین روشهای تولید پالس در کتاب ارزشمند siegman (1986) به نگارش در آمده است.


1ـ 1 گسيل خودبخود، گسيل القايي و جذب

الكترونيك كوانتومي رشته‌اي از الكترونيك است كه پديده‌هاي با طبيعت كوانتومي را بررسي مي‌كند. در اين جا نمونه خاصي از الكترونيك كوانتومي، يعني اصول فيزيكي ليزر و رفتار آن را  مورد بررسي قرار مي‌دهيم. پيش از بحث در جزييات؛ كمي درباره‌ي مباني نظري ليزر به زبان ساده صحبت كنيم.

در ليزر از سه پديده‌ي اساسي كه نتيجه‌ي برهم كنش موج الكترومغناطيس با ماده‌اند، استفاده مي‌شود. براي اينكه بتوانيم از ماهيت پرتوي ليزري آگاه شويم، به تشريح اين پديده‌ها يعني فرايندهاي گسيل خودبخود، گسيل القايي و خذب مي‌پردازيم.

اگر جه ادعاي پيشگويي اصول ليزر توسط اينشتين ممكن است بحث برانگيز باشد، اما او با تشريح فرايندهاي جذب اتمي، گسيل خودبخودي و گسيل برانگيخته در سال 1917 اصول ليزر را بيان كرد. تقريباً 40 سال بعد چارلز تاونز، تئودور ماين تخستين ليزري را كه با ياقوت مصنوعي كار مي‌كرد را ساخت و اين نخستين ليزري است كه به جامعه علمي عرضه گرديد. در سال 1916 علي جوان دانشمند ايراني نخستين ليزر گازي را كه مخلوطي از گاز هليم و نئون كار مي‌كرد را بوجود آورد. امروزه صدها نوع ماده ليزري و هزاران خط ليزري شناخته شده است كه علاوه بر مسائل پژوهشي كاربردهاي متنوعي دارند.

1ـ 1ـ 1 گسيل خودبخود

در نوع نخست برهم‌كنش اتم در يك حالت برانگيخته با گسيل يك فوتون به حالت پايين‌تر مي‌رود.

در يك اتم مفروض، دو تراز 1 و 2 با انرژي را در نظر مي‌گيريم (). اين دو تراز ممكن است دو تراز منتخب از بينهايت تراز آن اتم باشند. اما براي آساني فرض مي‌كنيم تراز 1 را تراز پايه درنظر مي‌گيريم. اكنون فرض مي‌كنيم كه اتمي يا مولكولي از ماده ابتدا در تراز 2 باشد، از آنجا كه  است، اتم به فروافتادن به تراز 1 گرايش پيدا مي‌كند. بنابراين اختلاف انرژي بايد آزاد شود. هنگامي اين اختلاف انرژي به صورت موج الكترومغناطيسي گسيل مي‌شود، به آن گسيل خودبخود يا تابشي مي‌گويند. بسامد  موج تابش شده از رابطه زير بدست مي‌آيد:

(1ـ 1ـ 1)

فوتون + اتم  اتم

شكل1ـ 1برهم كنش هاي تابش با ترازهاي انرژي اتمي

كه در آن h ثابت پلانك است و علامت ستاره حاكي از حالت برانگيخته است. بنابراين گسيل خودبخودي با گسيل فوتوني به انرژي ، وقتي كه اتم از تراز 2 به تراز 1 فرو مي‌افتد، مشخص مي‌شود (شكل 1ـ 1). گسيل تابشي يكي از دو طريق ممكن در فرو افت اتم است. فروافت اتم از تراز 2 به تراز 1 بدون تابش نيز مي‌تواند صورت بگيرد. در اين فرايند اختلاف انرژي  به صورت ديگري غير از تابش موج الكترومغناطيسي به محيط منتقل مي‌شود (مثلاً ممكن است به صورت انرژي جنبشي به مولكولهاي محيط منتقل شود).

احتمال گسيل خوبخود را به طريق زير مي‌توان مشخص شود:

فرض كنيم در لحظه‌ي t تعداد  اتم (در واحد حجم) در تراز 2 وجود داشته باشد. واضح است كه آهنگ فروافت اين اتم‌ها در اثر گسيل خودبخود يعني ، متناسب است با . بنابراين مي‌توانيم بنويسيم:

(1ـ 1ـ 2)

ضريب A را احتمال گسيل خودبخود و يا ضريب A اينشتين مي‌نامند. نخستين رابطه را براي A اينشتين با قوانين ترموديناميك به دست آورد. كميت  را طول عمر گسيل خودبخود مي‌نامند. مقادير عددي A (يا ) به نوع گذار بستگي دارد.

1ـ 1ـ 2 گسيل القايي

برهم‌كنش دوم كه مسئول عملكرد ليزر به شمار مي‌آيد، گسيل القايي (يا تحريك شده) است. اكنون دوباره فرض مي‌كنيم كه اتم در ابتدا در تراز 2 (حالت برانگيخته) قرار گرفته است و موجي الكترومغناطيسي با بسامد  كه از رابطه‌ي (1ـ 1ـ 1) به دست مي‌آيد (يعني بسامد موج فرودي با بسامد گسيل خودبخود برابر است) نيز بر اتم فرود آيد. نظر به اينكه اين موج داراي همان فركانس اتمي است احتمال معيني وجود دارد كه اين موج، اتم را به گذار 1 2  وادارد. در اين مورد اختلاف انرژي  آزاد شده به صورت موج الكترومغناطيسي به موج فرودي افزوده مي‌شود. اين پديده گسيل القايي است. ولي بايد تفاوت اساسي ميان گسيل القايي و گسيل خودبخودي را در نظر داشت: درباره‌ي گسيل القايي چون اين فرايند با اعمال موج الكترومغناطيسي فرودي صورت مي‌گيرد، گسيل هر اتم به صورت همفاز به موج فرودي افزوده مي‌شود. علاوه بر اين، موج فرودي جهت گسيل شده را تعيين مي‌كند.

دیدگاهها

هیچ دیدگاهی برای این محصول نوشته نشده است.

اولین نفری باشید که دیدگاهی را ارسال می کنید برای “دانلود پایان نامه : اصول کار با لیزر”

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *