مرکز دانلود خلاصه کتاب و جزوات دانشگاهی

فهرست مطالب

 

پیشگفتار...... .. 1

مقدمه..... . 3

تاریخچه لیزر... 5

تعریف لیزر. ... 6

فیزیک لیزر.... 8

مبانی نظری لیزر.. . 49

انواع لیزر... 84

معرفی لیزرهای توان پایین.... .... 92

اثرات لیزرهای کم قدرت.... 161

مکانیسم برهمکنش بافت – لیزر.. .. 171

درمان فتودینامیک.... 182

مقایسه لیزرهای توان بالا با لیزرهای توان پایین. . 200

روش های کاربرد لیزر توان پایین....... 239

رویکرد بالینی لیزرهای توان پایین. .. 242

کاربرد در فیزیوتراپی........ 244

کاربرد در دندانپزشکی.... . 281

کاربرد در پزشکی (افتالموژی – اورولوژی – دستگاه گوارش – دستگاه تنفس)..................... 293

کاربرد در پوست و اعصا ..... 296

عوارض احتمالی درمان با لیزرهای کم توان..... . 310

سایر روش های درمان بالینی.. 313

خطرات جانبی لیزرها و نکات ایمنی و حفاظتی........ .. 315

نتيجه گيري.... ... 325

مراجع...... .... 326

پيشگفتار

پس از ستايش بي پايان خداوند يكتا, اين مقاله حاصل نياز به رساله اي جامع در مورد نتايج نوپاي ليزر laser است كه با بهره گيري از مكتوبات علمي-تخصصي و نتايج كنفرانس ها و مقالات متعددي كه در طي چندين سمينار در زمينه کاربرد ليزر توسط دانشمندان و محققين و كليه صاحبنظران ارائه شده است محقق گرديده است.

در این نوشتار سعی شده با جمع آوري اطلاعات و دانسته هاي جديد علمي و عملي در مورد كاربردهاي ليزر در پزشكي و خصوصاً در فيزيوتراپي, در حد توان سعي شده است كه اين پديده نوين معرفي گردد. هدف اصلي از ارائه اين تحقيق جمع آوري و تعميم مفاهيم در خصوص ليزرهاي كم قدرت Low Power laser‌ که با توان خروجي پايين كار مي كنند (حدود ميلي وات) كه اثر حرارتي ندارند و همينطور شرح پديده هاي فيزيكي و اثرات غيرحرارتي مربوط به آنها و همينطور تأثيرات اين ليزرها بر بدن و متعاقب آن، فراهم آوردن رهيافتي به ريشه و اساس متقابل بافت- ليزر است. ضمن اشاره به پديده هايي كه با نور و ماده سركار دارند از قبيل بازتاب، جذب, پراكندگي كه بيشتر جنبه فيزيكي آنها مورد بحث است و در هر مورد توجه خاصي به عمليات رياضي اجتناب ناپذير است. بنابراين با شرح اصول ليزرها و روش هاي كاربرد بالینی آنها و بيان انواع ليزرها و همينطور در مورد ايمني ليزر و حفاظت چشم و محاسبات و اندازه گيري هاي مربوط به ليزر بحث خاتمه خواهد يافت.

البته اميد است اساتيد و همكاران گرامي, اين تحقيق را با وجود تمام نقائص و كاستي هايش به عنوان هديه اي ناچيز پذيرفته باشند تا اين مقاله بعنوان شروعي براي اميد به ثمره يك تلاش بي وقفه تلقي گردد.

 

 

مقدمه

ليزر.... از اعجاز آميزترين موهبتهاي طبيعت است كه براي مصارف گوناگون سودمند است. و يكي از پديده هاي شگرف قرن بيستم كشف و توسعه ليزر (laser) است. قرن بيستم را شايد بتوان به جاي قرن اتم و يا قرن ماشين, «قرن ليزر» هم ناميد. اين اختراع شگرف و پردامنه فيزيكي روز به روز توسعه بيشتري مي يابد و كاربردهاي آن در زمينه هاي مختلف بسيار متعدد است. در حوزه پزشكي نيز در حال حاضر ليزرها در درمان انواع مختلفي از بيماريها شركت داده مي شوند. اگرچه ليزرهاي باليني جديد و كاربردهاي آنها احتمالاً در حال گذران دوران نوباوگي پزشكي ليزري هستند ولي در آينده نه چندان دور ليزرهاي ديگري پديد خواهند آمد كه جايگاه خود را در بيمارستانها و مراكز پزشكي خواهند يافت بنابراين تحقيق علمي آينده به اندازه كاربردهاي باليني حاصل از آن, زيربنايي خواهند بود.

به علت تنوع سيستم هاي ليزر موجود و تعداد پارامترهاي فيزيكي آنها و همينطور علاقه چندين گروه تحقيقاتي در واقع انواع مختلف ليزر بصورت ابزار بي رقيبي در پزشكي مدرن درآمده اند و اگرچه كاربردهاي باليني در ابتدا محدود به چشم پزشكي بوده اند، ولي امروزه قابل ملاحظه ترين و جاافتاده ترين جراحي ليزري در خصوص انعقاد خونریزی عروق با استفاده از ليزر يون آرگون Ar⁺ است. لذا تقريباً تمام شاخه هاي جراحي پزشكي معطوف به اين قضيه شده اند. البته نبايد اين گفته را به عنوان انتقاد برشمرد ولي اشكالات زيادي در برخي از موارد ايجاد شده است،‌ بخصوص در زمينه تحريك زيستي biostimulation. لذا به نظر اين بنده حقير لازمست براي كسب پيروزيهاي جديد، محققان عزم خود را در ساير زمينه ها پژوهش پزشكي ليزر و تكنيك هاي فني و حرفه اي مربوط به آنها نيز مجدانه جذب كنند و در پي وسعت دادن ابعادي به اين امر مهم باشند. البته در كل، بسياري از تكنيكهاي ليزري واقعاً مفيد، كه از لحاظ باليني محقق شده اند، به كمك انواع دانشمندان قرن حاضر توسعه يافته اند. اين روشهاي معالجه توسط محققان ديگر تأييد شده و در مجلات علمي معتبر به نحوه مناسب به نوشتار درآمده است. حتي اخيراً در رابطه با كاربردهاي اوليه ليزر كه اساساً بر نتايج درماني متمركز شده بودند, چندين روش جالب تشخيصي نيز اضافه شده است. براي نمونه مي توان تشخيص تومورها توسط رنگهاي فلورسانس و يا تشخيص پوسيدگي دندان بوسيله تحليل طيف سنجي بارقه پلاسمايي حاصل از ليزر را نام برد.

همانطور كه ميدانيم در اواخر دهه 1960 ليزر در زمينه هاي پزشكي بکار رفت. امروزه تعداد بسياري از روش هاي كاربرد ليزر در سراسر جهان بكارگرفته مي شود. بيشتر اين روشها متعلق به خانواده جراحي با كمترين تهاجم (MIS)minimally invasive surgery مي باشند. اين اصطلاح جديد که در دهه حاضر پديد آمده است به تكنيك هاي جراحي اي اطلاق مي شود كه در آنها تماس با بدن و خونريزي صورت نمي گيرد. لذا اين دو مشخصه بطور عمده باعث شده اند كه ليزر به عنوان يك تيغ جراحي و وسيله درمان جهاني بكار گرفته شود. در واقع بسياري از بيماران و همچنين جراحان بر اين باورند كه ليزر وسيله اي اعجاب انگيز است. البته اين شيوه تفكر منجر به نگرشهاي گمراه كننده و توقع هاي نابجا نيز شده است. در حقيقت قضاوت دقيق در مورد پيشرفتهاي جديد هميشه لازم است. مثلاً وقتي كه يك روش درمان توسعه ليزر معرفي مي شود, تا هنگام تأييد شدن آن توسط مطالعات مستقل ديگر، نبايد مورد قبول واقع شود. اثرات ناشي از ليزر همانطور كه مي دانيم بسيار متعدداند. بيشتر آنها را مي توان بطور علمي توضيح داد. البته برخي اثرات كه براي يك درمان ويژه مفيد هستند, براي موارد ديگر ممكن است خطرناك باشند بعنوان مثال گرم كردن يك بافت سرطاني توسط پرتوي ليزر مي تواند منجر به اثر مطلوب نكروز (تخريب) تومور شود. و بالعكس بكار بردن پرتوي ليزري براي قطع خونريزي شبكيه چشم با پارامترهاي فوق، مي تواند منجر به سوختن خود شبكيه و نابینایي غيرقابل برگشت شود. به هرحال با توجه به تسهيلاتي كه پديده ليزر در امر تشخيص و درمان در علم پزشكي فراهم نموده, آينده روشن تري را مي توان براي نسل بشر پيش بيني كرد.

 

تاريخچه ليزر:

اساس ليزر در سال 1960 با ساختن ليزر ياقوت توسط مايمن (Maimen) شناخته شد. اين اكتشاف ابتدا به ساكن اتفاقي نبوده, بلكه خود دنباله اي از مجموعه جريانات و تحولات علم فيزيك به شمار مي آيد و محصول پژوهش هاي پيگیر دانشمنداني كه سالهاي متمادي دورتر از آن, در اين زمينه كندوكاو مي كردند, محسوب مي شود. دانشمنداني از قبيل «وبر»، «تاونز»، «انيشتن»، «باسوف»، «پروخوف»، «ميمن» و سايرين بر مبناي اين نظريه بود كه در سال 1954 تاونز و شاگردانش اولين تقويت كننده نور را بوسيله نشر تابش برانگيخته در دانشگاه كلمبيا ساختند.

Microwave Amplification by stimulated Emission of Radiation (MASER)

اساس نظري ليزر از سال 1917 توسط آلبرت انيشتن (Einstein) شناخته و بيان شد. اما امكان توليد پرتوي ليزر بين سالهاي 1957 تا 1960 تحقق يافت. بعداً در سال 1954 يك گروه از محققين در آمريكا تحت مدیریت تاونز و بر اساس تئوری انیشتن، اولین تقویت کننده نور برانگیخته را با استفاده از مولكولهاي آمونياك مورد آزمايش قرار دادند و بالاخره اولين دستگاه ميرز Maser با فركانس (حدود Hz10¹¹× 3/2) هرتز ساخته شد. در سال 1958 شاولو (schawlow) به اتفاق تاونز ضمن يك مطالعه مشترك نظري امكان به كاربردن يك ميزر با فركانس در ناحيه اپتيكي (حدود فركانس هاي نور مرئي) را تحقق بخشيدند و آنرا ليزر «Laser» ناميدند و بالاخره در سال 1960 اولين دستگاه ليزر توسط ميمن (Maimen) با استفاده از كريستال ياقوت (Rubylaser) که در درمان گلوکوم استفاده شد، ساخته شد. پس از مدت كوتاهي, پروفسور علي جوان دانشمند ايراني و همكارانش اولين ليزر گازي هيليوم نئون,‌ در ناحيه مادون قرمز I.R. (نزديك μm5/1 ميكرومتر) را مورد بهره برداري قرار دادند و از سال 1960 تا كنون عده بيشماري از دانشمندان و محققين جهان، با هزينه

ساليانه ميلياردها دلار, براي تحقيق روي دستگاه هاي مختلف ليزر و نيز كاربردهاي آن كوشش كرده اند.

ليزر یک پدیده بزرگ زمان ماست. موارد كاربرد ويژه خود را دارد و اثر آن عاری از عوارض جانبی هم نيست. هميشه نمي تواند جاي روش هاي جراحي و دارويي يا راديوتراپي را بگيرد. با اين همه اگر آنرا معجزه قرن بيستم بناميم, گزاف نگفته ايم.

تعريف ليزر:

واژه ليزر مخفف Light Amplification by stimulatesd Emission of Radiation است و اساس كار آن در واقع نشر برانگيخته تابش و گسيل كردن نور برانگيخته كه براي تقويت امواج پر فركانس استفاده مي شود. پرتو ليزر ماهيتاً همان فوتون ها يا ذرات نوراني هستند كه اين فوتونها بعد از گردهمايي و دسته شدن و هم راستایی، تشكيل يك دسته اشعه پيوسته و بسيار قوي را مي دهند. بنابراين دستگاه ليزر مولد نور و حكم يك منبع تابش كننده را دارد و شامل يك قسمت تقويت كننده نور كه بصورت گاز,‌ مايع, جامد و يا نيمه رسانا و همينطور قسمتي داراي آينه هايي است كه اينها نقش تشديد كننده اپتيکي را ايفا مي كنند. اين تشديد كننده را كاواك و يا حفره ليزري مي نامند در واقع امواج تختي كه بردار انتشارشان عمود بر سطح آينه هاست, در اثر رفت و برگشت بين در آينه, امواج ساكني را تشكيل مي دهند بنابراين يك ليزر را نوسان كننده چند مدي نيز مي نامند يعني علاوه بر مدهاي طولي در يك كاواك ليزر, مدهاي عرضي نيز وجود دارد كه از نظر شدت پرتويي و فركانس متغيرند. شدت پرتويي يعني همان توزيع فضايي كه در آن بهره ليزري داراي گستردگي فركانسي است كه به قسمت تقويت كننده بستگي دارد و هرچه پهناي فركانسي بيشتر باشد

تعداد مدهاي طولي كه به نوسان در مي آيند بيشتر خواهند بود. ليزري كه تنها در يك مد طولي نوسان كند به آن ليزر تك مدي گويند كه از طريق گذاشتن يك ميان بند توزيع ميدان الكتريكي در كاواك مشخص مي شود.

هر دستگاه ليزر از (1) يك محيط فعال, (2) يك سيستم منعكس كننده (تشديد كننده هاي ليزري) (3) و يك سيستم دُمِش تشكيل شده است.

فيزيك ليزر:

قبل از شرح قسمتهاي مختلف يك دستگاه ليزر, لازمست مختصري در مورد فيزيك اتمي و پديده جذب و گسيل یادآوری گردد. در مورد فيزيك ليزر هر اتم بسته به ترتيب و نظم الكترونهاي آن روي مدارات آن, داراي انرژي خاصي است كمترين ميزان انرژي ممكن براي يك اتم در سطح پايه E_o است كه الكترون ها به هسته نزديك هستند. در واقع ميزان اين انرژي وقتي تغيير مي كند كه يك الكترون از مدار خود به مدار مجاورش جهش كند. بنابراين,‌ يك اتم وقتي دست خوش تغيير وضعيت انرژي مي شود كه يا به آن فوتون اعمال كرد و يا در اثر اصابت يك الكترون به آن, موجب تحريك شويم يعني از آنجايي كه فوتون يك ذره نوراني عاري از وزن و بار الكتريكي است وقتي اين فوتون كه با سرعت نور C‌ حركت مي كند و داراي انرژيE, كه به فركانس تابش بستگي دارد, E=h كه h همان ثابت پلانك است, در برخورد با اتم جذب آن شده و آن اتم را به حالت تحريك شده يعني سطح انرژي E₁ انتقال مي دهد بنابراين اگر انرژي فوتون يك اشعه حادث (محرك) E باشد اختلاف انرژي دو سطح اتم برابر با آن خواهد بود يعني E₁- E= E₀

بنابراين در حالت تحريك شده اتم ثباتي ندارد و خودبخود در پايان يك زمان معين به حالت اوليه خود بر مي گردد يعني از يك سطح انرژي بالاتر به يك سطح انرژي پايين بر مي گردد و در طي همين گذر يك فوتون آزاد ميكند و به حالت اوليه خود بر مي گردد.

پس اين انرژي جذب كرده از فوتون اشعه حادث را به صورت فوتون با همان فركانس آزاد مي كند اين پديده را گسيل خودبخودي Spontaneous Emission مي گويند بنابراين انتشار نور زماني صورت مي گيرد كه ذرات منتشر شده از يك سطح بالاتر به يك سطح پايين تر انرژي بروند چون معمولاً آنها در حالت اصلی خود Fondamental state و با انرژي حداقل بسر مي برند حال براي آنكه الكترون به تراز بالاتر برود, انرژي فوتون اشعه حادث باعث اين ارتقاء مي شود ولي اتم تمايلي ندارد در اين حالت باقي بماند پس در بازگشت خود به حالت انرژي حداقل, فوتون را آزاد مي كند كه اين فوتونها به صورت تابشي نوراني پس داده مي شوند. اين عمل دريافت انرژي پس داده شده توسط اتم را جذب گويند.

مي دانيم بر طبق قانون بولتزمن, مولكولها و اتمها در پايين ترين سطح الكتروني هستند و براي ايجاد يك انتشار نوراني لازمست اتم را تحريك نمود تا يك نوع وارونگي جمعيت Population Inversion به دست آيد اين تحريك همانطور كه گفته شد توسط فوتون يك اشعه حادث با انرژي E صورت مي گيرد. بنابراين در يك انتشار نوراني از يك فوتون, دو فوتون به دست مي آيد كه هر كدام از اينها به نوبه خود با يك اتم تحريك شده ديگر برخورد خواهند كرد و در نتيجه, چهار فوتون مشابه توليد خواهند كرد و اين تسلسل به ميزان و تعداد اتمهاي معكوس شده ادامه مي يابد پس بدين طريق انرژي اوليه تقويت قابل ملاحظه اي پيدا خواهد كرد و از آنجايي که فوتونهاي آزاد شده داراي فركانس و فاز و جهت يكسان هستند, منجر به پديده تشعشع تحريك stimulated Emission مي شود كه وقتي در يك كاواك يا حفره ليزري قرار گيرد, نور كاملاً يكرنگ و هدايت شده بوجود خواهد آمد.

نكته قابل توجه اينست كه بايد ماده اي انتخاب شود تا ضريب تقويت آن بالا باشد تا در نتيجه, با وجود تلفات انرژي, بتواند انرژي مفيد قابل توجهي ايجاد كند. حال براي تفسير كامل مطالب فوق يعني نحوه توليد نور ليزر, ابتداً قسمتهاي اصلي يك دستگاه ليزر را بررسي مي كنيم:

(1) محيط فعال Active Medium: اين محيط داراي ماده واسط كه ماده اصلي قابل يونيزه شدن است تا بتوانند توسط تشعشع تحريكي از يك منبع نوري انرژي گرفته و اشعه نوراني توليد كند، اين ماده را ماده فعال نيز مي نامند. اتمهاي اين ماده فعال قابل تحريك و معمولاً يك يا دو كوانتوم انرژي بيشتري از اتم در حالت اصلي خود دريافت كرده اند و به حالت نيمه پايدار Meta stable state مي رسند و در اين حالت به مدت نسبتاً طولاني باقي مي مانند تا بقيه اتم هاي اين ماده نيز تحريك شده و در نتيجه تعداد اتم هاي تحريك شده از اتم هاي سطح زمينه بيشتر شود كه اين همان وارونگي جمعيت Population Inversion چون اين اتم هاي تحريك شده تمايل به بازگشت به سطح اوليه خود را دارند به محض بازگشت اتم به حالت عادي, انرژي دريافت كرده را به صورت فوتون آزاد مي كند كه بصورت گسيل خودبخود (spontaneous Emission) از آن ياد مي برند. زيرا اين فوتون به طريق آزادسازي خودبخودي (فلورسانس) پديد آمده است.

براساس اين روند فوتون آزاد شده از يك اتم,‌ در برخورد با اتم تحريك شده ديگر, باعث پيدايش دو فوتون مشابه مي شود. به همين طريق فوتون هاي پديد آمده, در برخورد با دو اتم تحريك شده و ديگر, سبب ايجاد چهار فوتون شده و اين روند به طور تصاعدي ادامه پيدا مي كند و منجر به توليد فوتون هاي بسياري مي گردد كه اين پديده را گسيل تحريكي stimulated Emission مي نامند. بنابراين مجموع بسته های انرژی فوتون ها كه داراي فركانس و فاز و جهت يكسان هستند، همان طيف نور ليزر را تشكيل مي دهد. چون كوانتوم هاي انرژي مساوي است, طول موج حاصل نيز, همرنگ و بستگي به نوع ماده فعال يعني سطوح انرژي لايه هاي خارجي الكتروني آن دارد. در واقع نوع ماده فعال مورد استفاده, مقدار انرژي فوتون يا طول موج آن را تعيين مي كند.

(2) تشديد كننده ليزريLaser Medium فوتون هاي جاري به موازات محور اپتيكي به آينه تمام بازتابان كه در انتهاي محيط فعال تعبيه شده برخورد و منعكس مي شود در نتيجه فوتونها به داخل محيط فعال رانده مي شوند تا با برخورد با اتم هاي تحريك شده ديگر در ايجاد فوتون هاي جديد شركت كنند. فوتون گسيل شده از طرف ديگر محيط فعال كه داراي آينه نيمه شفاف مي باشد به خارج منتشر مي شود (آينه نيمه بازتابان).

قسمتي از فوتون ها كه در جهت محور محفظه حركت نمي كنند به ديواره اطراف برخورد كرده و انرژي خود را بصورت گرما به اطراف آزاد مي كنند و از دور فعاليت خارج مي گردند.

(3) سيستم دمش (Pumping) در واقع بعنوان يك منبع انرژي براي آماده ساختن (پمپاژ) ماده فعال و تزريق انرژي به اتم ها و مولكولهاي آن استفاده می شود و با روش هایی كه به صورت پمپاژ نوري (Optical pumping) و يا پمپاژ شيميايي (chemical Pumping) و يا پمپاژ حرارتي (heat Pumping) و يا پمپاژ الكتريكي (electrical Pumping) استفاده مي شود. در مورد آخري، پمپاژ برقي توسط تخليه الكتريكي فوق العاده شديد در مخزن گازي صورت مي گيرد. اين تخليه، اتم ها و مولكول هاي گاز را به الكترون هاي فعال تبديل نمود. تراكم فشرده تر در تراز بالا را سبب مي شود. برخورد Collision اتم ها و مولكولها گاز به خاطر اينكه موجبات تشديد (رزونانس) انرژي مي شود از اهميت ويژه اي برخوردار است. در اثر پمپاژ ماده فعال در حفره ليزري (كاواك), دسته طيف نوراني ليزر توليد مي شود كه حفره را از طريق آينه نيمه بازتابان در مي نوردد. يعني به محض اينكه پمپاژ شروع مي شود مقدار زيادي از اتم ها از مخزن ليزر حالت تهييجي خود را افزايش مي دهند. نشر تابش در تمام جهات صورت مي گيرد و نور صادره بوسيله بازتاب هاي متعدد آينه هاي موازي ابقاء و حفظ مي شود و شدت آن از طريق پديده نشر برانگيخته افزایش پيدا ميكند. اين نشر برانگيخته با هر عبور طول موج از حفره ليزر به مقياس فزاينده اي مي رسد و بين تابشي كه حفره از طريق آينه نيمه بازتابان مي نوردد و ميزان پمپاژ براي ايجاد تراكم معكوس population Inversion به سرعت تعادل برقرار مي شود و اين اشعه توليد شده صفات مميز اي چون همدوسي و تكفامياز خود نشان مي دهد. البته نسبت توان اشعه به توان پمپاژ را بازده ليزر (Efficiency of laser) تعريف مي كنند.

 

ويژگي هاي اصلي نور ليزر:

الف) تكفامي نوري (monochromatical) بستگي به طول موج ويژه هر ليزر و ميزان خلوص آن دارد كه در ساير منابع نوراني ديگر وجود ندارد مثلاً در يك چشمه نور عادي با شدت زياد از آنجايي كه انرژي آن در محدوده وسيعي از طول موجها توزيع گرديده است, نمي تواند نور تكفام با شدت زياد بدست آورد. در اصل اشعه ليزر در يك محدوده فركانسي مشخص، منتشر مي شود كه بستگي به نوع ماده, محيط فعال ليزر و فضاي تشديد كننده آن دارد.

ب) همدوس (coherence) بستگي به فاز آن دارد يعني تمامي فوتون هاي تشكيل دهنده يك دسته اشعه به طريق منظم و با يك فاز منتشر مي شوند. در اصل قسمت عمده منابع نوري مورد استفاده حاصل گسيل خودبخودي است اما در نور ليزر, كه از طريق پديده گسيل القايي Stimolated Emission توليد مي شود, كوانتومها (اتم ها- مولكولها و يونها) همه دقيقاً همزمان در يك راستا انتشار مي يابند و دقيقاً هم فازند پس بنابراين همدوسند (coherent). البته در موردي كه كوانتومها راستاهاي مختلف و اختلاف فاز داشته باشند, ناهمدوسند. (noncoherent).

وقتي مي گويم نور ليزر همدوس است يعني كوانتومهاي آن داراي هماهنگي كامل و امواج آن هم فازند پس طول موج يكسان آنها باعث تكرنگي و كوانتومها انرژي مساوي دارند پس اين نور در يك راستا و موازي است.

در مورد نمودهاي تابش TEM(Transvers-electromagnetic) مي دانيم تمام ليزرها انرژي را بصورت يك باريكه موازي نور, كه توزيع شدت در ستون اشعه آن يكسان است, صادر مي نمايند (البته اگر اختلافي باشد اساساً مربوط به محيط تحريك شده و يا تشديد كننده و غيره دارد.) وقتي حداكثر تابش در مركز صفحه عمود بر محور توزيع تابش Propagation Axis, وجود دارد تابش به صورت نمود اصلي(fondmental mode) TEM_0,0 نمايانده مي شود. در واقع ناپديد شدن تدريجي شدت بصورت گوسي است, در حاليكه براي نمودTEM_0,1 (higher order mode) (donut mode) دو كوهانه با تعقر در مي آيد. اثر تابش در این حالت بر محور اصلی، حداقل و با افزایش شعاع از این محور، در روی دایره ای که مرکز آن بر محور منطبق است، به حداکثر می رسد. در عمل اندازه لكه نوراني (Spot size) بر مبناي فاصله شعاع اين دايره نوراني از مركز منطبق با محور اصلي ارزيابي مي شود براي كاربرد جراحي بايد اشعه ليزر را براي كسب چگالي با توان بالا كانوني تر نمود يعني شعاع كانون حداقل كه بر مبناي منحني گوسي از رابطه :

فاصله کار اشعه

طول موج λ

قطر عدسي تمرکز دهندهDدر واقع برهمکنش کيفي تابش الکترومغناطيس با ماده صرفاً فرکانس تابش بستگي دارد و به شدت تابش بستگي ندارد يعني هرچه تابش ها پر انرژي تر باشند قدرت نفوذ در بافت بيشتر مي شود مثل اشعه γو اشعه x.

اما هر چقدر طول موج تابش افزايش يابد، انرژي آن رو به کاهش مي گذارد و برهمکنش با پيوندهاي ملکولي منجر به شکستن پيوندهاي مولکولي بافت و يونيزه شدن آن نمي شود و اثرات غير حرارتي آن مهيا مي شود. در مورد برهمکنش کمي که بستگي به شدت تابش انرژي کل صرف شده در بافت و ميزان ذخيره انرژي در طول موج تابش دارد، همانطور که قبلاً نيز گفته شد هنگام برخورد پرتوي ليزر به بافت بيولوژيک برهمکنش هم به پارامترهاي ليزر و هم به خواص اپتيکي بافت (که عبارت بودند از بازتاب، پراکندگي، جذب که اشتراکاً عبور را تعيين مي کنند) بستگي دارد.

اگر بخواهيم در مورد جذب و پديده استهلاک طول موج گفته باشيم، فرض مي کنيم شدت ستون اشعه موازي I_tکه به لايه نازکي از يک بافت با ضخامت x برخورد نمايد.

اگر I_r بخش بازتاب يافته و I_o بخش جذب شده و I بخش عبور کرده باشد حاصل:

I_t-I_r=I

ضمن اينکه رابطه بين I و I_o بصورت: I=I_o×10^-αx که در آن ضريبα ثابت يا همان ضريب جذب که متناسب با طول موج تابش و ترکيب فيزيکي و شيميايي بافت جذب کننده است. حال وقتي ضخامت صفحه باشد شدت تابش عبور يافته بصورت:

 

يعني 90% درصد تابشي که به بافت رخ مي دهد در ضخامت جسم جذب مي گردد. در واقع ضخامت L مانند α، به خصوصيات جذبي ماده مربوط مي شود و «استهلاک طول موج» خوانده مي شود. هرگاه ضخامت 2L باشد صفحه دوم با ضخامت L، 90% از 10% را که به آن برخورد مي کند، جذب خواهد کرد و يک درصد از اشعه اصلي باقي مي ماند که آن را از خود عبور مي دهد. اگر سه استهلاک طول موج 3L فرض شود عملاً اشعه اي براي تابش نخواهد ماند که از اين صفحات عبور کند.

معمولاً امواج طيف نور ليزر در عبور از يک بافت، بخاطر عدم تجانس در مواد تشکيل دهنده بافت هاي زنده، در ستون موازي اشعه حالت توازي خود را از دست مي دهند و تغيير جهت مي دهند. اين انحراف در تمامي جهات صورت گرفته و تابش با حجم بيشتر به صورت مخروطي است و نه استوانه ايي، که به آن تفرق مي گويند. تفرق زماني بالا خواهد بود که ماده غيرمتناجس و جذب ماده پايين باشد. در عمل بدليل پديده جذب در طي برهمکنش، بافتي که در معرض انرژي تابشي ليزر است، براساس خصوصيات جذبي و تفرق، حجمي از بافت تعيين مي گردد که به آن حجم بحراني (V_cr)(Critical volume) اطلاق مي گردد. V_cr استوانه اي است داراي مقطع عرضي در ستون اشعه در طولي که براي استهلاک طول موج ليزر مي باشد يعني: =A×L V_cr

مثلاً در مورد ليزر Nd:YAG شکل V_cr، بدليل طول موج اين ليزر، پيچيده و تفرق آن زياد است و شدت اشعه بالاست يعني مي توان آنرا همانند استوانه اي در نظر گرفت که در ازاي آن استهلاک طول موج مؤثر L_eff و سطح مقطع متوسط A_avv آن چندين برابر سطح مقطع ستون اشعه مي باشد. در شرايطي که ستون اشعه ليزر داراي سطوح مقطع يکسان و داراي توان برابري باشند، ليزر Nd:YAG براي توده هاي حجمي بزرگتر بافت، گرما زا بوده و تأثير متناسب بر جاي مي گذارد.

 

در ليزر از سه پديده اساسي كه نتيجه برهمكنش موج الكترومغناطيسي (em) با ماده‌اند، استفاده مي‌شوند. اين سه فرآيند به ترتيب عبارتند از گسيل خودبخود، گسيل القايي و جذب.

1ـ گسيل خود بخود: در يك اتم دو تراز 1 و 2 با انرژي‌هاي E1 و E2 را در نظر مي‌گيريم كه اگر تراز 1 پايه در نظر گرفته شود، در اين حالت E₂<E₁است. اكنون فرض مي‌كنيم اتمي از ماده ابتدا در تراز 2 باشد، از آنجايي كه E₂>E₁، اتم به فروافتادن به تراز 1 پايه گرايش پيدا مي‌كند. بنابراين اختلاف انرژي hv=E₂-E₁ آزاد شود وقتي اين اختلاف انرژي بصورت منبع الكترومغناطيسي گسيل شود آنرا گسيل خودبخود يا تابشي مي‌گويند فركانس موج تابش‌شده از رابطه زير بدست مي‌آيد كه درآن h ثابت پلانك است البته ما در كل دو طريق فرو افت داريم: فروافتي كه اتم از تراز 2 به تراز 1 بدون تابش صورت مي‌گيرد و همينطور فروافتي كه با تابش همراه است. در صورتي كه بدون تابش باشد ممكن است بصورت انرژي جنبشي، چرخشي و يا الكتروني به

 

مولكولهاي محيط منتقل شود) پس آهنگ فروافت N₂ تعداد اتم در واحد حجم مربوط به تراز 2، در تراز پايه را بصورت:

كه در آن A ضريب اينشتن و طول عمر گسيل خودبخود است. در اين پديده رابطه فازي معيني بين موج گسيل شده از يك اتم و موجي كه از اتم ديگر گسيل مي‌شود وجود ندارد و امواج در كليه جهات گسيل مي‌شوند.

2ـ گسيل القايي: مجدداً فرض مي‌كنيم اتم در ابتدا در تراز 2 قرار گرفته، اگر موج الكترومغناطيسي با فركانس فرودي بر اتم فرود آيد كه اين فركانس برابر فركانس گسيل خودبخود باشد اين احتمال وجود دارد كه اين موج، اتم را به گذار 1à2 وا دارد.در اين مورد اختلاف انرژي E2-E1 آزاد شده به صورت موج الكترومغناطيسي به موج فرودي افزوده مي‌شود. اين پديده را گسيل القايي مي‌نامند بنابراين چون در اين فرآيند اعمال موج الكترومغناطيسي فرودي صورت مي‌گيرد، گسيل هر اتم بصورت همفاز با موج فرودي خواهد بود ضمن اينكه به آن نيز افزوده ميشود بنابراين موج فرودي جهت موج گسيل را نيز تعيين مي‌كند پس داريم: كه آهنگ گذارهاي 1à2 در نتيجه گسيل القايي است و W₂₁ احتمال گذار القايي ناميده مي‌شود كه بر خلاف ضريب A ، نه تنها به گذار بخصوصي بستگي دارد، بلكه به شدت موج الكترومغناطيسي فرودي نيز بستگي دارد. يعني براي موج تخت الكترومغناطيسي‌ داريم كه در آن F شار فوتون موج فرودي و كميتي است كه داراي ابعاد سطحي و به آن سطح مقطع گسيل مي‌گويند و تنها به گذار موردنظر بستگي دارد.

 

3ـ جذب: اكنون فرض مي‌كنيم اتم ابتدا در تراز 1 پايه باشد. ميدانيم اتم در اين تراز باقي مي‌ماند مگر آنكه نيرويي خارجي به آن اعمال شود. اگر موج الكترومغناطيس با فركانس به ماده برخورد كند احتمال اينكه اتم از تراز پايه به تراز بالاتر 2 برود معين است پس اختلاف E2-E1 مورد احتياج اتم براي اين گذار از انرژي موج الكترومغناطيس فرودي تأمين مي‌شود پس آهنگ جذب W₁₂ :

ضمن اينكه احتمال گذار جذب ناميده ميشود كه در آن سطح مقطع جذب كه فقط به نوع بخصوص‌گذار بستگي دارد.

 

نتايج هر سه فرآيند به قرار زير است:

1ـ در گسيل خودبخود، اتم از تراز 1à2 فرو مي‌افتد و يك فوتون گسيل مي‌كند.

2ـ در گسيل القايي، فوتون فرودي به اتم گذار 1à 2 را القاء مي‌كند و دو فوتون خواهيم داشت (فوتون القاكننده و فوتون القا شده)

3ـ در جذب، فوتون فرودي براي ايجاد گذار 2 à1 جذب اتم مي‌شود.

از آنجايي كه احتمال گسيل القايي و جذب برابرند پس بطور كلي را سطح مقطع‌گذار مي‌نامند.

در واقع تعداد اتمها در واحد حجم در يك تراز بخصوص N را انبوهي جمعيت آن تراز ناميده مي‌شود.

وقتي دو تراز انرژي دلخواه 1 و 2 از ماده‌اي را در نظر بگيريم كه به ترتيب انبوهي اين دو تراز N1 و N2 باشند، اگر موجي تخت باشد متناظر با شارفوتون F در امتداد محور Z از ماده عبور كند، تغيير جزئي اين شار ناشي از هر دو فرآيند گسيل القايي و جذب در ناحيه هاشورخورده شكل مقابل از رابطه: بدست مي‌آيد. اين رابطه نشان مي‌دهد اگر باشد يعني اگر N₂>N₁ باشد‌، ماده مثل تقويت كننده رفتار مي‌كند و در حاليكي اگر N₂<N₁باشد، رفتار ماده بصورت جذب‌كننده خواهد بود پس در حالت ترازمندي گرمايي، انبوهي ترازهاي انرژي با رابطة آمار بولتزمن توصيف ميشود:

كه در آن K ثابت بولترمن و T دماي مطلق ماده است.

در حالت اول N₂>N₁ ناترازمندي بوجود مي‌آيد كه ماده رفتار تقويت‌كننده از خود بروز مي‌دهد و پديده گسيل القايي برجذب غلبه مي‌كند در اينصورت در ماده واروني انبوهي داريم در حالت دوم N₂<N₁ترازمندي گرمايي بوجود مي‌آيد كه ماده رفتار جذب‌كننده از خود نشان مي‌دهد و در فركانس را عمل مي‌كند و اين وضعي است كه در شرايط معمول داريم. بنابراين ماده‌اي كه در آن واروني انبوهي (PoPulation Inversion) بوجود آيد، ماده فعال (ActiveMedium) ناميده مي‌شود و چنانكه فركانس گذار در ناحيه اپتيكي قرار گيرد تقويت‌كننده داريم و ليزر است اما اگر فركانس گذار در ناحية ميكرو موج قرار گيرد به آن ميزر (MASER)(Microwave Amplification by Stimolated Emission of Radiatio)گويند. براي آنكه از يك تقويت كننده بتوانيم نوسانگر بسازيم (oscillator) ، بايد از فيدبك مثبت مناسبي استفاده كنيم. در مورد ليزر فيدبك غالباً با قرار دادن ماده فعال بين دو آينه كاملاً بازتابنده تأمين ميشود ولي در مورد ميزر اين كار با قرار دادن ماده فعال در كاواك حفره تشديدي ليزر، كه فركانس را تشديد كند، انجام مي‌گيرد. در هر دو مورد ذكر شده شرط آستانة بخصوصي لازم است: در مورد ليزر، نوسان وقتي شروع مي‌شود كه بهره ماده فعال بر تلفات در ليزر غلبه كند(مثلاً به علّت خروج پرتو از يك آينه وقتي يكي از دو آينه نيمه شفاف انتخاب شود باريكه مفيد ليزر از آن آينه خارج ميشود). بهره در هر بار عبور از ماده

فعال (يعني نسبت شار فوتون خروجي به شار فوتون ورودي) برابر است با : كه طول ماده فعال است يعني موج تخت الكترومغناطيسي در امتداد عمود بر سطح دو آينه رفت و آمد خواهد كرد و ضمن هر بار عبور از ماده فعال تقويت ميشود. چنانچه تلفات موجود در كاواك(حفره ليزر) تنها به علّت تلفات تراگسيل باشد، آستانه حاصل خواهد شد يعني وقتي كه برابر واحد شود: كه در آن R₂و R₁توان بازتابندگي دو آينه است يعني وقتي وارون انبوهي به مقدار بحراني آن، كه آنرا واروني بحراني (Critical Inversion) مي‌نامند، برسد آستانه حاصل ميشود. در اين اثناء از گسيل خودبخود نوسان بوجود خواهد آمد و فوتونها كه در امتداد محور كاواك بصورت خودبخود گسيل مي‌شوند، در واقع فرآيند تقويت را‌ آغاز مي‌كنند.

اين نوسانگر ليزري به بيان ساده‌تر همان ليزر است. همان‌طور كه مي‌دانيم موج فرودي، گذار 2à1 را بيشتر از گذار 1à2ايجاد مي‌كند پس انتظار داريم اين راه به واروني انبوهي منجر شود ولي چنين سيستم (حداقل در حالت پايا) كار نخواهد كرد در واقع وقتي چنين وضعيتي ايجاد شود كه انبوهي دو تراز مساوي شوند N₁=N₂ ، فرآيندهاي جذب و گسيل القايي يكديگر را خنثي مي‌كنند. اين وضعيت را معمولاً اشباع دو ترازي مي‌نامند كه در آن ماده شفاف ميشود.

براي ايجاد واروني انبوهي (PoPulation Inversion) ، بيش از 2 تراز از مجموعه بي‌نهايت ترازهاي اتم مورد نظر لازم است. در مورد ليزر سه ترازي اتم از تراز پايه 1 به تراز 3 ارتقاء مي‌يابد. اگر ماده چنان باشد كه پس از آنكه اتم به تراز 3 ارتقاء داده شد به سرعت به تراز 2 فرو افتد، در اينصورت واروني انبوهي بين تراز 2 و 1 حاصل شود. در مورد ليزر چهارترازي نيز اتم از تراز پايه به طريقي (براي سهولت اين تراز را صفر مي‌ناميم) به تراز 3 ارتقاء مي‌يابد. چنانچه اتم به سرعت به تراز 2 فرو افتد، باز هم بين تراز 2 و 1 واروني انبوهي حاصل مي‌شود ولي نكته مهم اينكه وقتي نوسان در ليزرهاي چهارترازي آغاز مي‌شود، اتم به تراز 1 منتقل مي‌شود (به علّت گسيل القايي) بنابر اين براي عمل موج پيوسته CW در ليزرهاي چهارترازي بايدگذار 0à1 خيلي سريع اجرا شود.

در واقع براي ايجاد واروني انبوهي، بسيار ساده‌تر است از ليزر چهارترازي استفاده كنيم چون طبق رابطه آمار بولتزمن همه اتمها ابتدا(يعني در حالت ترازمندي) در تراز پايه‌اند و اختلاف انرژي بين ترازهاي مختلف معمولاً خيلي بزرگتر از KT است. اگر فرض كنيم N_tتعداد كل اتمها در واحد حجم ماده باشد، در سيستم سه ترازي كليه اين N اتم‌ها ابتدا در تراز 1 هستند

وقتي اتمها از تراز 1(پايه) به تراز 3 ارتقاء pumping rate ميابند، سپس اتمها به تراز 2 فرو مي‌افتند و اگر اين فروافت به اندازه كافي سريع باشد، يعني اگر آهنگي فروافت بالا باشد Rate of decay ، تراز 3 كم و بيش خالي باقي خواهد ماند. در اين مورد بايد نيمي از كل انبوهي N_tرا براي ترازمندي انبوهي ترازهاي 1 و 2 به تراز 2 ارتقاء داد. از اين به بعد، هر اتمي كه ارتقاء يابد در واروني انبوهي شركت خواهد داشت.

فرآيند دَمِش در طرح سه ترازي، اتمها را از تراز 1 به تراز 3 ارتقاء ميدهد. در مورد ليزر چهارترازي چون در ابتدا تراز 1 خالي است، هر اتمي كه ارتقاء مي‌يابد فوراً به واروني‌ انبوهي قابل استفاده ميشود. فرآيند دَمِش در طرح چهارترازي، اتمها را از تراز 0 به تراز 3 ارتقاء مي‌دهد.

اگر تراز بالايي دَمِش خالي باشد، آهنگي كه تراز بالايي 2 ليزر به وسيله دَمِش انبوه مي‌شود بصورت: كه در آن N_gانبوهي تراز پايه است (براي سه ترازي 1 و براي چهار ترازي 0) و W_pضريبي كه آهنگ دَمِش ناميده ميشود و براي حصول شرط آستانه آهنگ دَمِش بايد به يك مقدار بحراني كه W_cpاست، برسد.

حال ابتدا به چند تعريف از مباني ليزر اشاره مي‌كنيم. تاكنون گسيل يك اتم منفرد مورد بررسي قرار مي‌گرفت ولي در واقع هر اتم را بسياري اتمهاي ديگر احاطه كرده‌اند كه برخي در حالت پايه و برخي ديگر در حالت برانگيخته‌اند. اگر تعداد اتمهايي كه ابتدا در حالت بالايي هستند خيلي كم

 

باشد، ممكن است پديده‌اي كه "تله‌افتادگي تابش" ناميده شود نقش مهمي داشته باشد يعني اگر فوتوني كه بوسيله اتمي بطور خودبخود گسيل ميشود، به جاي فرار از محيط بوسيله اتم ديگري جذب شود كه بدان وسيله برانگيخته مي‌شود.اين فرآيند باعث كند شدن آهنگ مؤثر گسيل خودبخودي شود اين پديده فوق‌‌الذكر منجر به افزايش طول عمر شده و به چگالي اتمي، سطح مقطع‌گذار و شكل هندسي محيط بستگي دارد.حال اگر تعداد اتمهايي كه در ابتدا در حالت بالايي هستند آنقدر باشد كه واروني انبوهي پيش آيد، گسيل ممكن است به وسيله "فرآيند هماهنگي" انجام شود كه در آن گسيل يك اتم تحت تأثير تابش ساير اتمها واقع شود اين امر به پديده‌ها "ابر تابندگي" و "ابرفلوئورساني" منجر مي‌شود خواص چندگانه و مشترك اين دو پديده به قرار زيرند:

1ـ آستانه مشخصي براي وقوع اثر هماهنگ مشاهده مي‌شود.

2ـ طول L ماده فعال بايد از طول مشخصه L_c(كه مقدارش بستگي به واروني اوليه دارد) كوچكتر باشد.

3ـ رفتار زماني نور گسيل شده ديگر نمايي نيست، بلكه داراي شكل منحني كاسه زنگي كه دوام آن براي واروني اوليه بسيار كوچكتر از باشد.

4ـ براي ماده فعال ميله‌اي شكل با قطر D نور در زاويه فضايي متناظر، با زاويه پراش گسيل خواهد شد.

5ـ قله توان تابش شده اكنون با (NV)²تغييري كند(كه در آن N واروني بحراني و V حجم بحراني است و نه با (NV) كه مربوط به گسيل خودبخود عادي است.

ابرتابندگي به وضعيتي اطلاق مي‌شود كه همبستگي فازي ميان گشتاورهاي دو قطبي اتميM₂₁موجودباشد، بطوريكه در لحظه t=0 يك گشتار دو قطبي ماكروسكوپيكي وجود داشته باشد كه ميدان تابشي متناسب با NV برابر ميدان يك دو قطبي است و در نتيجه شدت تابشي مناسب با (NV)²برابر شدت يك دوقطبي ايجاد مي‌كند.

ابرفلوئورساني اگر در لحظه t=0 ، فازهاي گشتاور دو قطبي در حال نويسان M₂₁ براي هر اتم كتره‌اي باشد و چون گشتاور دو قطبي ماكروسكوپيكي وجود ندارد، در لحظه t=0 اتمها به طور مستقل مانند فلوئورساني عادي شروع به تابيدن مي‌كنند. بدين ترتيب شدت فلوئورساني اوليه با NV متناسب است. سپس يك همبستگي بوجود مي‌آيد كه ناشي از ميدان القاء شده بوسيله گسيل خودبخود است، آنگاه سيستم به حالتي مي‌رسد كه شدت متناسب با (NV)²است.

كيفيت رفتار زماني ابرتابندگي وابر فلوئورساني در مقايسه با رفتار مربوط به فلوئورساني عادي در شكل مقابل نشان داده شده است.