فيزيک ليزر

فيزيک ليزر

1- مقدمه Introduction 2- بر هم کنش نور با ماده Interaction of light with Matter 3- توليد نور Generation of Light 4- ليزر Laser 5- قانون توان وانرژی Concept of Power and Energy 6- واگرايی اشعه Beam Divergence 7- خلاصه Summary

مقدمه نور چهار مشخصه اصلی دارد : الف- طول موج (wave length): فاصله بين دو نقطه يکسان موج مي باشد که مشخص کننده رنگ موج است. با تعيين رنگ، انرژی و طول موج می توان يک موج را نسبت به ديگر موج ها سنجيد. به عنوان مثال طول موج های کوتاه در طيف مرئی در ناحيه بين آبی و فوق بنفش قرار می گيرد در حاليکه رنگ قرمز دارای طول موج های بلندتری می باشد. فاصله بين اين قله های موج آن چنان کوچک است که واحد آن را نانومتر (ده به توان منفي نه ) يا ميکرون (ده به توان منفي شش ) قرار داده اند. تشعشع الکترومغناطيسي طيف طولاني از طول موج هاي بلند راديويي تا طول موج هاي کوتاه اشعه ايکس را شامل مي شود. ب- فرکانس (Frequency): فرکانس موج تعداد موج هاي عبور کرده از يک نقطه در يک فاصله زماني مشخص مي باشد . واحد آن سيکل بر ثانيه يا هرتز Hz مي باشد. فرکانس و طول موج به سرعت موج وابسته اند. طول موج هاي بلند تر از قبيل نور قرمز در فرکانس هاي پايين تراز نور آبي قرار دارند ولي فرکانس در کل خيلي بالا است ( ده به توان چهارده هرتز ). ب – سرعت (Velocity) : سرعت موج تعيين کننده تندي عبور موج از يک محیط مشخص می باشد. به عنوان مثال سرعت عبور نور در خلاء سيصد هزار کيلو متر در ثانيه مي باشد. سرعت در محيط هايي مثل شيشه يا آب کاهش مي يابد. ت- دامنه (Amplitude ) : دامنه يا شدت موج با ارتفاع يا بلندي (height ) ميدان الکتريکي يا مغناطيسي مشخص ميشود.

بر هم کنش نور با ماده (interaction of light with matter )

از آنجا که نور داراي ميدان الکتريکي و مغناطيسي مي باشد اين ميدانها با ماده بر هم کنش نشان می دهند . ميدان مهم ميدان الکتريکي است چون با الکترونهاي کوچک که در ترکيبات مواد شرکت دارند بر هم کنش دارد. اين الکترونها همصدا وهماهنگ باموج نور وارده نوسان مي نمايند و مي توانند تأثير يا تغيير در عبور نور از ميان يک ماده به چند طريق انجام دهند. 1- پخش کردن (Scsttering ) موج نور از مسير اصلي منحرف ميشود. 2- انعکاس (Reflection ) موج به داخل محيطي خارج از ماده برميگردد. 3- انتقال (Transmission ) موج از ماده با کمترين تغيير شدت عبور مي نمايد. 4- جذب (Absorption ) مهمترين پروسه در خيلي جاها جذب مي باشد که انرژي موج نور در ماده باقي مي ماند. مقدار زيادي از انرژي باعث ايجاد حرارت و تغيير در خواص ماده مي شود.

توليدنور Generation of light

چندين فرآيند تعيين کننده طيف نور باعث ايجاد تشعشع الکترومغناطيس مي شوند. شکل 1

طيف تشعشع: طيف نوری که از يک جسم ساطع می شود شامل رنگها یا نوارهای رنگی جدا از هم می باشد.این از طبیعت تولید نور برمیخیزد و نشانه آن است که انرژی نورانی ساطع شده از آن جسم دارای مقداری مشخص میباشد. انرژی تمام سيستمها کوانتايي مي باشد که اين انرژی مي تواند در بسته های جدا از هم جذب يا آزاد شود.انرژی سيستم پس از آنکه انرژی جذب آن سيستم شود افزايش مي يابد و در مرحله بعدی آن انرژی آزاد مي شود. مدتي که اين انرژی آزاد مي شود راندوم يا اتفاقي بوده که نشر خودبخودی ناميده مي شود. انرژی را مي توان توسط جريان الکتريکي، نور از منبع خارجي، واکنش شيميايي يا گونه های ديگربه سيستم وارد نمود. بهر حال مشخص شده است که يک موج وارده که دارای انرژی معيني است مي تواتد آزاد شدن موجها را ازسيستم بر انگيخته تحريک کند و باعث آزاد نمودن دو موج شود. به اين حالت نشر بر انگيخته مي گويند.اين موج ها خواص مهمي دارند. 1- همدوس (Coherent ) : موجها به صورت هماهنگ هستند. 2- تک رنگ (Monochromatic ) : موجها دارای رنگ يکساني هستند. 3- شدت بالا (High Intensity ): اگر ما به مقدار کافي از اين نورهای همدوس (Coherent ) توليد کنيم شدت آن بسيار بالاتر از منابع نور غير همدوس است. 4- واگرايي کم (Low divergence ) : ليزر را در مقايسه با نور غير همدوس بوسيله لنزتا قطرهای خيلي کمتری مي توان باريک نمود. 5- طبيعت ضرباني (Pulsed nature ) : چون انرژی ورودی را در ليزر مي توان کنترل نمود انرژی خروجي نيز به دنبال آن تغيير مي يابد. بنا بر اين اگر برانگيختگي ليزر با پالسهای کوچک انجام شود ليزر با پالسهای کوچک توليد خواهد شد. اين خاصيت خيلي مهم است.

ليزر نشر برانگيخته را مي توان در وسيله ای بنام ليزر ايجاد نمود. کلمه ليزر مخفف کلمات زير است: LightAmplificationStimulatedEmission ofRadiation که به معني نور تقويت شده با نشر برانگيخته مي باشد. عناصر تشکيل دهنده دستگاه ليزر در شکل 2 نشان داده شده است. شکل2

ليست کوتاهي از ليزرهای با جنس گوناگون در زير آورده شده است:

قانون توان و انرژی

شدت نور ليزر به حدی است که می تواند باعث تبخير مواد و ايجاد تغييرات غير قابل برگشت شود. اشعه ليزر مي تواند به نقطه هايي با اندازه های مختلف تنظيم (فوکوس ) شود و به همين صورت توليد شدت های مختلف نور را مي کند.

حفره ليزر : ( Cavity)يک حفره ليزر با مجموعه ای از آينه ها تعريف مي شود که امواج نور را در محيط ليزر به جلو و عقب مي فرستد. آينه عقب معمولأ کاملأ منعکس مي کند در حاليکه آينه جلو به مقدار کمي از نور ليزر اجازه عبور مي دهد. آينه ها بايد دقيقاً تنظيم شده و بطور مطمئني بسته شوند. توان يا پاور دنسيتي(power density )يک تشعشع ، توان نور ليزر بر واحد سطح با واحد وات بر سانتي متر مربع ( Watt/ Cm2 ) است. مساحت نقطه نور و توان ليزر مشخص کننده Power density مي باشد. انرژی : معرف کل انرژی نور مي باشد و واحد آن ژول است . يک ژول برابر با يک وات برای مدت يک ثانيه مي باشد. قدرت ليزر با انرژی تقسيم بر زمان ( يا طول مدت يک پالس ) رابطه دارد. Fluence سرعت انتقال انرژی را تعيين مي کند. به عنوان مثال ، 100 ژول را مي توان در 1 ثانيه با 100 وات و يا در 100 ثانيه با 1 وات منتقل نمود. اندازه نقطه (Spot Size ) : اندازه نقطه ليزر يکي از دو فاکتور کنترل power density مي باشد.اندازه نقطه با موارد زير مشخص مي شود. 1- فاصله کانوني لنز فوکوس کننده. 2- طول موج ليزر 3- نوع ليزر

نوع ليزر از روی حفره ليزر ( laser cavity ) مشخص مي شود و نشان دهنده توزيع توان ليزر در يک نقطه مي باشد.

واگرايی اشعه(Beam Divergence)

واگرايی اشعه ميزان پخش اشعه می باشد. واگرايی با زاويه بين محور اپتيکی و بردار اشعه خارجی تر بيان ميشود

شکل 3

زاويه با راديان اندازه گيری مي شود (راديان = 180 درجه ) . واگرايي اشعه 1 ميلي راديان معادل است باافزايش در قطر يک اشعه به اندازه يک ميلي متر در فاصله يک متری.

خلاصه توليد نور ليزر به وسیله وادار نمودن ماده به رفتن به سطوح انرژی بالاتر مي باشد. بر هم کنش بعدی توليد نوع خيلي مهمي از نور مي نمايد که مي تواند برنقاط فوق العاده کوچک فوکوس نموده يا به مدت خيلي کوتاه توليد شود. بر هم کنش ميدان الکتريکي ليزر با ماده باعث شروع نتايج مورد انتظار مي گردد. نور با شدت بالا مي تواند نتايج خوبي ايجاد نمايد. متنوع ترين محيط مورد انتظار عرصه پزشکي است. چون اثر نور بر محيط های گوناگون بيولوژيکي خيلي باهم متفاوت است.

---

دکتر سيد مهدی مهدوی مرتضوی MD

mortazavi@laserdarmani.com
منبع: سايت ليزردرماني