مرکز دانلود خلاصه کتاب و جزوات دانشگاهی

فهرست

مقدمه....

فصل اول

اصول کار لیزر.

گسیل خودبه خود،گسیل القایی و جذب

1-1-گسیل خود به خود....

1-2-گسیل القایی......

1-3-جذب

1-4-مبانی نظری لیزر.....

1-5-طرحهای دمش.

فصل دوم

آناتومی پوست...

2-1-لایه اپیدرمس.

2-2-لایه کرنیوم...

2-3-لایه لوسیدم.

2-4-لایه دانه ای..

2-5-لایه اسپینوزدم..

2-6-لایه رشد...

2-7-ذرات ملانین...

2-8-چه قسمتهایی از پوست را می تواند لیزردرمانی شود؟....

 

فصل سوم

برهمکنش لیزر(نور) با بافت......

3-1-بازتابش و شکست......

3-2-جذب........

3-3-پراکندگی... .

3-4-محیط مرکب....

3-6-شبیه سازی مونت کارلو.....

3-7-آسیب حرارتی لیزر برروی بافت..

3-8-تئوری توصیف فرآیند آهنگین آسیب.....................................................................

فصل چهارم

کاربردهای لیزر دربیماری های پوست................................................................

4-1-لیزردر درمان لکه ها.............................................................................................

4-2-لیزر در درماتولوژی..............................................................................................

4-3-جوان سازی پوست توسط لیزرco2.....................................................................

4-4-جوان سازی پوست توسط سیستم غیرتخریبیIPL .............................................

4-5-تاریخچه استفاده لیزردر درمان موهای زائد........................................................

4-6- مکانيسم های درمان موهای زائد بوسيله ليزر.....................................................

4-7- فهرست کاربرد های لیزر در بیماریهای پوست و جراحی پلاستیک.....................

فصل پنجم

مقاله های ترجمه شده در زمینه کاربرد لیزر در پوست................................................

5-1-طرح های فیزیکی-روانی نقشه های اذراکی از احساس درد و حرارت بوسیله موضعی کردن لیزرco2 بر روی پوست..............................................................................................................................

5-1-1-مقدمه.................................................................................................................

5-1-2-نتایج...................................................................................................................

5-1-3-بحث وگفتگو.......................................................................................................

5-1-4-روشهای تجربی.................................................................................................

5-2- شبيه سازي FE توليد شده توسط انتشار امواج صوتي سطحي در پوست.........

5-2-1-مقدمه.................................................................................................................

5-2-2- تحليل المان محدود...........................................................................................

5-2-3- شبيه سازي دروني..........................................................................................

5-2-4- نتایج..................................................................................................................

5-2-5- بحث..................................................................................................................

5-3- اتوفلورسانسی که توسط لیزر تحریک شده (LIAF) به عنوان متدی برای براورد استحکام پوست که باعث جلوگیری از ایجاد زخم های دیابتی می شود.................................................................

5-3-1- مقدمه................................................................................................................

5-3-2- روش ها...........................................................................................................

5-3-3-نتایج...................................................................................................................

 

فصل ششم

فهرستی از کاربردهای انواع لیزر در پزشکی................................................................

فصل هفتم

ایمنی لیزر............................................................................................................

7-1-مقدمه...............................................................................................................

7-2-خطرات لیزر.....................................................................................................

7-3-خطرات چشمی.................................................................................................

7-4-خطرات پوستی.................................................................................................

7-5-خطرات مربوط به لیزرهای پرتوان.................................................................

7-6-استانداردهای ایمنی لیزر وطبقه بندی خطرات آن...........................................

7-7-محاسبات لیزرواندازه گیری............................................................................

منابع

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 پالس	طول 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. يعني دو فوتون خروجي درست در يك جهت با انرژي دقيقاً يكسان حركت مي‌كنند و امواج الكترومغناطيسي مربوطه كاملاً همفاز (همدوس) هستند. به زبان نمادين : 2 فوتون + اتم فوتون + اتم

در اين مورد نيز مي‌ـوانيم فرايند را با معادلة:

(1ـ 1ـ 3)

مشخص كنيم كه آهنگ گذارهاي در نتيجه گسيل القايي است و احتمال گذار القايي ناميده مي‌شود. نيز مانند ضريب A كه با رابطه تعريف شد داراي بعد عكس زمان است. ولي ضريب بر خلاف ضريب A نه تنها به گذار بخصوصي بستگي دارد، بلكه بطور دقيقتر، براي موج تخت الكترومغناطيسي مي‌توانيم بنويسيم:

(1ـ 1ـ 4)

كه در آن F شار فوتون موج فرودي است و كميتي است كه داراي ابعاد سطح است و سطح مقطع گسيل القايي ناميده مي‌شود و تنها به گذار بستگي دارد.

1ـ 1ـ 3 جذب

اين برهم‌كنش مسئول طيف‌هاي جذبي و جذب تشديدي است، فرض كنيم كه اتم درابتدا در تراز 1 قرار گرفته باشد، اگر اين تراز، تراز پايه باشد، اتم در اين تراز باقي خواهد ماند مگر آنكه نيرويي خارجي به آن اعمال شود. اكنون فرض مي‌كنيم كه موجي الكترومغناطيسي با فركانس ، كه باز هم از رابطه‌ي (1ـ 1ـ 1) به دست مي‌آيد، به ماده برخود كند. در اين صورت احتمال معيني وجود دارد كه اتم به تراز 2 (حالت برانگيخته) برود. اختلاف انرژي مورد نياز اتم براي اين گذار از انرژي موج الكترومغناطيسي فرودي تأمين مي‌شود. اين فرايند جذب است. و بصورت نمادين: اتم فوتون + اتم

مشابه رابطه‌ي 1ـ 3، آهنگ جذب را مي‌توانيم با معادله‌ي

(1ـ 1ـ 5)

تعريف كنيم كه درآن تعداد اتم‌هايي در واحد حجم است كه در هر لحظه در تراز 1 قرار دارند. بعلاوه، مانند رابطه‌ي 1ـ 4، مي‌توان نوشت:

(1ـ 1ـ 6)

سطح مشخصه ‌است (سطح مقطع جذب) كه فقط به نوع بخصوص گذار بستگي دارد.

تا اينجا اصول اساسي فرايندهاي گسيل خودبخود، القايي و همچنين جذب گفته شد. اين فرايند‌ها را بر حسب فوتون به قرار زير مي‌توان بيان كرد:

(الف) در گسيل خودبخود، اتم از تراز 2 به تراز 1 فرو مي‌افتد و يك فوتون گسيل مي‌كند. (ب) در فرايند القايي، فوتون فرودي گذار 1 2 را القا مي‌كند و دو فوتون خواهيم داشت (فوتون القا كننده و فوتون القا شونده). (ج) در فرايند جذب، فوتون فرودي براي ايجاد گذار 2 1 جذب اتم مي‌شود. بالاخره، بايد خاطرنشان كرد كه احتمال گسيل القايي و جذب برابر است. بنابراين پس از اين خواهيم داشت و از به عنوان سطح مقطع گذار ياد مي‌شودتعداد اتم‌ها در واحد حجم در يك تراز بخصوص، انبوهي (و يا جمعيت) آن تراز ناميده مي‌شود

شكل2-1

فرض كنيم مجموعه‌اي از اتم‌ها را كه همگي در يك حالت برانگيخته هستند، در اختيار داريم. (شكل 1ـ 2) فوتوني از اتم اول مي‌گذرد و سبب گسيل القايي و در نتيجه بوجود آمدن در فوتون مي‌شود. هر يك از اين دو فوتون باعث يك فرايند گسيل القايي مي‌شوند و چهار فوتون توليد مي‌كنند. اين فرايند يعني دو برابر شدن تعداد فوتون‌ها در هر مرحله، ادامه مي‌يابد تا باريكه شديدي از فوتون‌ها كه همگي همدوس و هم جهت هستند تشكيل شود. اين فرايند كه به ساده‌ترين شكل بيان شد، اساس كار ليزر است. اين مدل ساده ليزر به چند دليل كارساز نخواهد بود اولاً، نگهداري مجوعه‌اي از اتم‌ها در حالت برانگيخته در انتظار تحريك براي گسيل فوتون دشوار است. (ما هيچ گونه گسيل خودبخود نمي‌خواهيم.) ثانياً، اتم‌هايي كه در حالت پايه هستند فوتون‌ها را جذب و در نتيجه آنها را از باريكه‌ در حال تشكيل خارج مي‌كنند.

براي حل اين مشكلات بايد به يك واروني جمعيت دست يابيم. اين وضعيت را "واروني" گويند، زيرا در شرايط عادي در حالت تعادل گرمايي، حالت پايين‌تر همواره جمعيت بيشتري دارد. پس "واروني" وضعيتي غير طبيعي است كه بايد با وسايل مصنوعي به آن دست يافت، زيرا در عملكرد ليزر نقش اساسي دارد. بر اين اساس، مباني نظري ليزر و طرح‌هاي دمش بصورت ساده بصورت زير بيان مي‌شود:

1ـ 2 مباني نظري ليزر

دو تراز انرژي دلخواه 1 و 2 از ماده‌اي را در نظر مي‌گيريم و فرض مي‌كنيم كه انبوهي يا جمعيت اين دو تراز به ترتيب باشد. اگر موجي تخت با شدتي متناظر با شار فوتون F در امتداد محور Z از ماده عبور كند، تغيير جزيي اين شار ناشي از هر دو فرايند گسيل القايي و جذب در ناحيه‌ي هاشود خورده شكل 1ـ 3 طبق معادلات (1ـ 1ـ 3) تا (1ـ 1ـ 6) از رابطه‌ي

شكل 1-3 تغييرات جزئي dF در شار فوتون F براي موج تخت الكترومغناطيسي

(1ـ 2ـ 1)

به دست مي‌آيد. رابطه‌ي (1-2-1) نشان مي‌دهد كه اگر باشد، ماده مانند يك تقويت كننده رفتار مي‌كند (يعني )، در حاليكه اگر باشد، رفتار ماده به صورت يك جذب كننده خواهد بود. مي‌دانيم كه در حالت ترازمندي گرمايي، جمعيت ترازهاي انرژي با آمار بولتزمن داده مي‌شود. بنابراين اگر جمعيت دو تراز در ترازمندي گرمايي باشند، داريم:

(1ـ 2ـ 2)

كه در آن T دماي مطلق ماده و k ثابت بولتزمن مي‌باشد. به طوري كه مشاهده مي‌شود در حالت ترازمندي داريم بنابراين طبق رابطه‌ي (1ـ 2ـ 1)، ماده بعنوان يك ماده‌ي جذب كننده در فركانس عمل مي‌كند و اين وضعي است كه در شرايط معمول داريم. ولي اگر وضع ناترازمندي بوجود بيايد به نحوي كه شود، ماده، كار يك تقويت كننده را خواهد كرد. در اين صورت مي‌گوييم كه در ماده واروني جمعيت روي داده است. به اين مفهوم كه تفاوت جمعيت () از نظر علامت مخالف وضعيت معمول خواهد بود: . ماده‌اي كه در آن واروني جمعيت روي دهد ماده‌ي فعال نام دارد.

چنانچه فركانس گذار در ناحيه‌ي ميكروموج قرار بگيرد اين تقويت كننده، تقويت كننده‌ي ميزر نام دارد. واژه‌ي ميزر از حروف ابتدايي عبارتي به معني تقويت ميكروموج بوسيله‌ي گسيل القايي تابش انتخاب شده است.[1]

چنانچه فركانس در ناحيه‌ي اپتيكي قرار بگيرد به آن تقويت كننده، تقويت كننده‌ي ليزر مي‌گويند. كلمه ليزر از حروف نخست واژه‌هاي عبارتي به معناي تقويت نور بوسيله گسيل القايي تابش است.[2] اين واژه نه تنها براي نور مرئي كه براي هر فركانس ديگري كه در ناحيه‌ي فروسرخ دور يا نزديك، فرابنفش و حتي در ناحيه‌ي پرتو ايكس قرار بگيرد بكار برده مي‌شود.

براي آنكه از يك از تقويت كننده بتوانيم نوسانگر بسازيم، بايد از فيدك مثبت مناسبي استفاده كنيم. در محدوده ميكروموج اين كار با قرار دادن ماده فعال در «كاواك تشديدي» كه فركانس را تشديد كند، انجام مي‌گيرد. در مورد ليزر، فيديك غالباً با قرار دادن ماده فعال بين دو آينه كاملاً بازتابنده (مثلاً، آينه‌هاي «صفحه ـ موازي» شكل 1ـ 4) تأمين مي‌شود. در اين مورد، موج تخت الكترومغناطيسي در امتداد عمود بر سطح دو آينه رفت و آمد خواهد كرد و ضمن هر بار عبود از ماده فعال تقويت مي‌شود. چنانچه يكي از دو آينه نيمه شفاف انتخاب شود، باريكه مفيد ليزر از آن آينه خارج خواهد شد.

شكل 1ـ 4 طرح كلي ليزر.

بايد در نظر داشت كه در هر دو مورد ليزر يا ميزر شرط آستانه بخصوصي لازم است. مثلاً در مورد ليزر، نوسان وقتي شروع مي‌شود كه بهره ماده فعال برتلفات در ليزر (مثلاً، به علت خروج پرتو از آينه) غلبه كند. طبق رابطه (1ـ 2ـ 1)، بهره در هر بار عبور از ماده فعال (يعني نسبت شار فوتون خروجي به شار فوتون وردي) برابر است با ، كه l طول ماده فعال است. چنانچه تلفات موجود در كاواك تنها به علت تلفات تراگسيل باشد، آستانه وقتي حاصل خواهد شد كه شود، كه در آن توان بازتابندگي دو آينه‌اند. اين معادله نشان مي‌دهد كه وقتي واروني انبوهي به مقدار ، كه آن را واروني بحراني مي‌نامند، برسد آستانه حاصل مي‌شود. اين مقدار بحراني از رابطه

(1ـ 2ـ 3)

به دست مي‌آيد. هنگامي كه واروني بحراني حاصل شود، از گسيل خودبه‌خود نوسان به وجود خواهد آمد: فوتون‌هايي كه به صورت خودبه‌خود در امتداد محور كاواك گسيل مي‌شوند در واقع فرايند تقويت را آغاز مي‌كنند. اين اساس نوسانگر ليزري و يا به بيان ساده‌تر ليزر است.

1ـ 3 طرحهاي دمش (پمپ كردن)

اكنون به مسئله چگونگي ايجاد واروني انبوهي در ماده خواهيم پرداخت. در نگاه نخست، به نظر مي‌آيد كه ايجاد واروني انبوهي از طريق برهم‌كنش ماده و ميدان شديد الكترومغناطيسي در فركانس كه از رابطه (1ـ 1ـ 1) به دست مي‌آيد ممكن است. نظر به اينكه درحالت ترازمندي گرمايي، انبوهي تراز 1 بيشتر از تراز 2 است، در واقع جذب بر گسيل القايي غلبه خواهد كرد. موج فرودي، گذار 2 1 را بيشتر از گذار 1 2 ايجاد مي‌كند، و انتظار داريم كه اين راه به واروني انبوهي ختم شود. ليكن، مي‌بينيم كه چنين سيستمي (حداقل در حالت پايا) كار نخواهد كرد. در واقع، وقتي وضعيتي ايجاد شود كه انبوهي دو تراز مساوي شوند ()، فرايندهاي جذب و گسيل القايي يكديگر را خنثي مي‌كنند، و طبق رابطه‌ (1ـ 2ـ 1)، ماده شفاف مي‌شود. اين وضعيت معمولاً اشباع دو ترازي ناميده مي‌شود.

بدين ترتيب ايجاد واروني انبوهي تنها با استفاده از دو تراز 1 و 2، غير ممكن است. بنابراين طبيبعي است كه سؤال شود آيا با استفاده مناسب از بيش از دو تراز از مجموعه‌ بينهايت ترازهاي اتم مورد نظر، ايجاد واروني انبوهي ممكن مي‌شود؟ خواهيم ديد كه جواب مثبت است، و بسته به تعداد ترازهاي مورد استفاده درباره ليزرهاي سه و يا چهار ترازي گفتگو خواهيم كرد (شكل 1ـ 5). در ليزر سه ترازي (شكل 1ـ 5 الف)، اتم به طريقي از حالت پايه 1 به تراز 3 ارتقا مي‌يابد. اگر ماده چنان باشد كه پس از آنكه اتم به تراز 3 ارتقا داده شد به سرعت به تراز 2 فروافتد، در اين صورت واروني انبوهي مي‌تواند بين تراز 1 و 2 حاصل شود. در ليزر‌ چهار ترازي (شكل 1ـ 5 ب) نيز اتم به طريقي از تراز پايه (براي سهولت اين تراز را مي‌ناميم) به تراز 3 ارتقا مي‌يابد. چنانچه اتم به سرعت به تراز 2 فروافتد، باز هم بين تراز 2 و 1 واروني انبوهي حاصل مي‌شود. ولي، در يك ليزر چهار ترازي وقتي نوسان آغاز مي‌شود، اتم به تراز 1 منتقل مي‌شود (به علت گسيل القايي). بنابراين، براي عمل موج پيوسته (cw) در ليزرهاي چهر ترازي بايد گذار 1 خيلي سريع اجرا شود.

اينكه سيستمي در طرح سه و يا چهار ترازي كار كند (و يا اصلاً بتواند كار كند!) بستگي به اجراي شرايط مختلفي كه در بالا ارائه شد، دارد. عموماً ايجاد واروني انبوهي در ليزر چهار ترازي بسيار ساده‌تر از ليزر سه ترازي است. زيرا اختلاف‌ها ي بين ترازهاي مختلف شكل (1ـ 4) معمولاً خيلي بزرگتر از kT است. طبق آمار بولتزمن مي‌توان گفت همه اتمها ابتدا (يعني در حالت ترازمند) در تراز پايه‌اند. اكنون فرض كنيم كه تعداد كل اتمها در واحد حجم ماده باشد، در سيستم سه ترازي كليه اين اتمها ابتدا در تراز 1 هستند. اكنون فرض كنيم ارتقاي اتمها از تراز 1 به تراز 3 آغاز شود، پس از اين ارتقا، اتمها به تراز 2 فرو مي‌افتند، و اگر اين فروافت به اندازة كافي سريع باشد، تراز 3 كم و بيش خالي باقي خواهد ماند. در اين مورد، ابتدا بايد نيمي از كل انبوهي، N را براي ترازمندي انبوهي ترازهاي 1 و 2، به تراز 2 ارتقا داد. از اين به بعد، هر اتمي كه ارتقا يابد در واروني انبوهي شركت خواهد داشت. ولي، در ليزر چهار ترازي، چون تراز 1 نيز در ابتدا خالي است، هر اتمي كه ارتقا مي‌يابد فوراً براي واروني انبوهي قابل استفاده مي‌شود. بحث بالا نشان مي‌دهد كه حتي‌الامكان، بايد در جستجوي ماده‌اي باشيم كه بتواند به صورت سيستم چهار ترازي عمل كند تا سيستم سه‌ترازي البته، استفاده از سيستم بيشتر از چهارترازي نيز ممكن است.

شكل 1ـ 5 (الف) طرح ليزر سه ترازي و (ب) ليزر چهار ترازي.

فرايندي كه اتمها را از تراز 1 به تراز 3 (در طرح سه‌ترازي) و يا از تراز 5 به تراز 3 (در طرح چهار ترازي) ارتقا مي‌دهد دمش ناميده مي‌شود؛ روشهاي متعددي براي دمش وجود دارد، از جمله، استفاده از نوعي لامپ به اندازة كافي قوي، و يا تخلية الكتريكي در محيط فعال. اگر تراز بالايي دمش خالي باشد، آهنگي كه تراز بالايي 2 ليزر به وسيلة دمش انبوه مي‌شود، ، در حالت كلي مي‌تواند به صورت :

(1ـ3ـ1)

نوشته شود. در اينجا انبوهي تراز پايه [(يعني، تراز 1 يا به ترتيب در شكل 1ـ5 (الف و ب)] و ضريبي است كه آهنگ دمش ناميده مي‌شود. براي حصول شرط آستانه، آهنگ دمش بايد به يك مقدار آستانه يا بحراني برسد

 

[1] Microwave Amplification Stimulated Emission of Radiation

[2] Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation