لیزر با رويكرد كاربردهاي آن:
گردآوری و ویرایش: واحد تحقیق و توسعه شرکت بُعد چهارم
مقدمه :
شروع اختراع ليزر به زمان انيشتين بر مي گردد . ولي شايد خود او هم نمي توانست در ذهن كاربردي به اين وسعت براي ليزر در نظر بگيرد. تا اينكه بعد از سالها ، یک دانشمند آمريكايي به نام ميمن موفق به ساخت اولين ليزر گرديد . در این زمان بود که نظرات فراوانی در مورد استفاده های مختلف از لیزر در ذهن دانشمندان و نویسندگان داستان های عملی تخیلی شکل می گرفت و هر یک با ابداع وسیله ای تخیلی نحوه ی استفاده از نور لیزر را در آینده توصیف می کردند. به دلیل هزینه های خیلی سنگین در راه تولید لیزرهای پرتوان ، لیزر در سال های اولیه کاربرد زیادی نداشت و استفاده از نور لیزر محدود به مراکز دانشگاهی و آزمایشگاه های تحقیقاتی بود. ولی به تدریج با پیدا کردن کاربردهای جدیدو سرمایه گذاری در تولید صنعتی آن ، از هزینه ها کاسته شده و با گذشت کمتر از نیم قرن از ساخت اولین لیزر ، این تکنولوژی به کارآمدترین ابزار مورد استفاده ی بشر در آمده است. امروزه لیزر با زندگی بشر متمدن آمیخته شده به ترتیبی که در کلیه ی مراحل زندگی ، بشر به صورت غیر قابل انکاری وابسته به لیزر شده است. به عنوان مثال می توان از دستگاه های CD-ROM و DVD_ROM در مصارف خانگی و یا دستگاه های Barcode Reader در فروشگاه های زنجیره ای یا فیبر های نوری در مخابرات و بمب های لیزری در صنایع نظامی نام برد. جدیدترین وسیله ی تولید نور لیزر ، دیود های لیزر هستند که با طول موج های متفاوت و توان های از 0.5 میلی وات تا 50 وات بیشترین کاربرد را در صنعت و پزشکی پیدا کرده اند. به علت سهولت کار با این دیود ها ، قیمت نسبتا مناسب و حجم کوچک آنها ،امکان بهره گیری از این کشف بزرگ در جای جای زندگی بشر فراهم شده است.
دید کلی :
از هنگام بوجود آمدن لیزر به علت دارا بودن محسنات خلوص فرکانسی ، پهنای باند وسیع ، راستاوری خوب و غیره ، بررسی موارد کاربرد آن به عنوان حامل در مخابرات و در نتیجه بکار گیری محاسن فوق تاکنون ادامه داشته است. در ابتدا گفته میشد به علت اینکه فرکانسها صدها هزار برابر میشود (حدود 105 برابر) ، تعداد کانالها افزایش مییابد که با ارزیابی خوشبینانه تری توام گشته است. استفاده از نور در مخابرات با پیدایش انسان شروع شد و بعد از اختراع لیزر ، دانشمندان توجه خاصی به استفاده از نور جهت انتقال اطللاعات مبذول داشتند. استفاده از لیزر نیم رسانا و تار نوری با تلفات کم از پیشرفتهای مهم در این خصوص بوده است.
لیزر چیست ؟
لیزر به وسیلهای گفته میشود که نور را به صورت پرتوهای موازی بسیار باریکی که طول موج مشخصی دارند ساطع میکند.
ریشه لغوی لیزر :
واژه لیزر از سرکلمههای انگلیسی در عبارت Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation به معنی « تقویت نور به روش گسیل القایی تابش » است .
ماهيت فيزيكي نور ليزر :
ماهیت امواج لیزر از نوع امواج الکترومغناطیسی همانند امواج رادیویی و مایکروویو ( در محدوده ی نامرئی ) و امواج نور مرئی مثل نور خورشید می باشد. تفاوت های موجود بین امواج مرئی و امواج لیزر باعث اثرات ویژه و منحصر بفرد آن می شود.
این تفاوت ها عبارتند از :
(1 نور لیزر ، تک رنگ یا Monochrome می باشد ولی نور مرئی از ترکیب چند رنگ تشکیل شده است .
(2 نور لیزر بصورت موازی یا Collimated منتشر می شود در حالی که نور مرئی به صورت واگرا منتشر می شود. ( مثل نوری که از چراغ قوه یا پراژکتور منتشر می شود .
(3 نور لیزر ماهیت یگانه یا Coherent داشته و همجنس می باشد در حالی که نور مرئی به علت چند رنگ بودن از ماهیت یگانه ای برخوردار نیست. ( منظور هم فاز بودن و داشتن طول موج یکسان است.
طريقه ايجاد نور ليزر :
بر طبق تئوری نشر القایی ، الکترون های لایه ی خارجی بعضی مواد ( به صورت مولکول یا اتم) می تواند با جذب انرژی ( به صورت نور ) برانگیخته شده و به مدار بالاتری از لحاظ سطح انرژی بروند. این حالت ماده را حالت برانگیخته یا Excitation State می نامند.
این مدار بالاتر ( از لحاظ سطح انرژی) خیلی پایدار نبوده و الکترون می تواند با از دست دادن انرژی ( به صورت فوتون نوری ) به سطح اولیه و پایدار خود باز گردد. این پدیده در مورد بعضی الکترون ها خود به خودی صورت می گیرد که به آن Spontaneous Emission یا نشر خود به خودی می گویند.
فوتون های حاصل از نشر خود به خودی به هر سمت و جهتی ممکن است منتشر شوند. (درست مثل فوتون های نور معمولی) ولی در هنگام حرکت اگر با الکترون برانگیخته ای که در سطح بالاتری از انرژی قرار دارد برخورد کنند، آن را وادار با از دست دادن انرژی به صورت فوتون نوری و بازگشت به سطح Ground State می کنند.این حالت را نشر القایی یا Induced Emission می نامند.
در نشر القایی از برخورد یک فوتون به یک الکترون برانگیخته دو فوتون که در تمام خصوصیات با هم مشابه هستند به وجود می آید. یعنی این دو فوتون از لحاظ سطح انرژی و طول موج کاملا با هم یکسان بوده با هم هم جهت بوده و هم فاز نیز هستند. این مرحله ی اول تقویت موج نور بوده ، نور حاصل دو برابر نور اولی قدرت دارد. ولی برای تبدیل شدن این نور به نور لیزر هنوز راه زیادی در پیش است.
هرگاه بتوان به وسیله ای این فوتون های نوری را میلیون ها بار یا یکدیگر ترکیب و تقویت نماییم ، نور حاصل از قدرت و توانی فوق العاده برخوردار خواهد شد و بدین ترتیب موفق به ساخت نور لیزر خواهیم شد. پیدا کردن راهی برای انجام این مهم سالیان سال در دستور کار آزمایشگاه های تحقیقاتی فیزیک و دانشمندان این رشته قرار داشت.
سرانجام در سال 1960 یک دانشمند آمریکایی بنام میمن با استفاده از کریستال یاقوت موفق به انجام این کار شد و برای اولین بار نور لیزر را در آزمایشگاه تولید کرد.
در این روش نور حاصل از انتشار القایی را میلیون ها بار بین دو آینه ی موازی به حرکت در آورده و عمل تقویت را تا رسیدن به نتیجه ی نهایی ادامه می دهند .
اجزای لیزر :
در ساختمان یک لیزر چهار جزء اصلی وجود دارد که عبارتند از:
(1 منبع انرژی یا Power Source که ممکن است نور حاصل از یک Flash Lamp انرژی حاصل از تخلیه ی بار الکتریکی و یا حتی نور یک لیزر دیگر باشد. وظیفه ی منبع انرژی تحریک الکترون های ماده ی واسط و انتقال آنها به سطح انرژی بالاتر از طریق فوتون های نوری پر قدرت است.
(2 ماده ی واسط یا Lasing Medium که می تواند از نوع گاز (Co2) ، یا مایع (Dye) ، یا جامد ( Nd-Yag Alexindrite) باشد. ماده ی واسط باید خصوصیات ویژه ای داشته باشد از جمله این که باید قابلیت عبور دادن نور را داشته باشد ( شفاف باشد ) و از طرفی در ساختمان مولکولی خود الکترون هایی داشته باشد که قابلیت تحریک شدن توسط فوتون و افزایش سطح انرژی را دارا باشند.
(3فضای اپتیک (Optical cavity) مناسب برای تشدیدو تقویت نور ، یا فضایی که منبع انرژی و ماده ی واسط را در داخل آن قرار می دهند تا نور تولید شده توسط منبع انرژی به طور تقریبا کامل به Laser Media تابانده شود و به اصطلاح برای ایجاد راندمان بیشتر طراحی شده است.
(4 سیستم انتقال انرژی یا Delivery System یا جزئی که عمل جمع آوری انرژی حاصل و هدایت آن تا محل مصرف را به عهده دارد و ممکن است از نوع فیبر نوری یا Articulated Arm و لنز های فوکوس کننده ی متعدد باشد .
دسته بندی لیزر :
لیزرها بر اساس طول موج و حداکثر توان خروجیشان در ردههای زیر طبقه بندی میگردند :
دسته اول : اساسا بی خطر : هیچگونه احتمالی برای آسیب رساندن به چشم در این گروه وجود ندارد. این امر میتواند بدلیل توان خروجی محدود آنها( که حتی در تماسهای طولانی هم خطری را متوجه چشم شخص نمیکنند) باشد و یا به این دلیل باشد که محصور بودن آنها و عدم تماس در شرایط طبیعی کار بطور کلی احتمال خطر تماس را از بین میبرد مثل حالتی که در دستگاههای خواندن سی دی وجود دارد.
دسته دوم : واکنش طبیعی یسته شدن چشمها از آسیب جلوگیری خواهد کرد و توان خروجی آنها حدود 1mw می باشد .
دسته سوم اولیه : لیزرهایی که در این دسته قرار میگیرند بواسطهٔ بکار گرفته شدن در ابزاری که ممکن است باریکهٔ نور را تغییر دهند خطرناک در نظر گرفته می شوند. توان خروجی آنها 1-5 mw می باشد . اغلب لیزرهای نقطهای در این گروه قرار دارند.
دسته سوم ثانویه : این دسته زمانی خطرناک محسوب می شوند که باریکه نور مربوط به لیزر مستقیما به درون چشم تابیده و یا منعکس شود. این گروه مربوط به لیزرهایی میشود که قدرتی حدود 500 – 5 mwدارند . انعکاسهایی که با پراکنده شدن باریکهٔ نوری همراه باشند بعنوان یک خطر جدی در نظر گرفته نمیشوند.
دسته چهارم : لیزرهای این دسته بینهایت خطرناکند. حتی اگر انعکاس پراکنده شدهٔ آنها هم به پوست و یا چشم تابیده شود هم میتواند خطرناک باشد. لیزرهایی که توان بیش از 500 mwو یا توانایی تولی امواج نوری داشته باشند در این دسته قرار میگیرند. اگرچه که شدت نور خروجی آنها ممکن است تنها چند برابر نور درخشان خورشید باشد ولی بایستی توجه داشت که این نور مستقیما بر نقطهٔ بسیار کوچکی متمرکز میگردد. نیروهایی که برای لیزرهای بالا ذکر شد انواع معمول توانها میباشند. دسته بندی ما مستقل از طول موج و موجی و یا پیوسته بودن لیزر میباشد و تنها بر ایمنی تاکید دارد.
کاربردهای لیزر :
کاربرد در پزشکی : درمان خروپف در خواب , لیزر در جراحی تومور بدون باز کردن جمجمه و ...
کاربرد در صنعت : ماشین لیزر حکاکی و برشکاری طلا , اسکنر سه بعدی , کاربرد لیزر در ساختمان و ...
کاربردهای نظامی : جنگندههای لیزری در تعقیب اخترشناسان , سلاح لیزری آوانجر , لیزرهای ضد اسکاد , انهدام موشک بالستیک با لیزر , لیزری که دراعماق اقیانوس میتابد و ...
کاربردهای دیگر : اثبات نظریه نسبیت انیشتین , کشتن پشه با لیزر , لیزر در خیابان و ...
کاربرد در پزشکی :
درمان خروپف در خواب :
پروفسور منصور مدنی روز جمعه در همایش یك روزه تشخیص و درمان اختلالات خواب افزود: دراین روش با استفاده از لیزر قسمت اضافی زبان كوچك برداشته می شود كه به دنبال آن فرد از خروپف كردن خلاص می شود .
لیزر در جراحی تومور بدون باز کردن جمجمه :
جراحان مغز فرانسوی اعلام کردند در یک پیشرفت بیسابقه به طور موفقیتآمیزی تومورهای مغزی را از طریق جراحی بدون بازکردن جمجمه با استفاده از یک لیزر فیبر نوری کوچک برای تخریب سلولهای سرطانی درمان کردهاند . گفته می شود که این عمل جراحی که با بیحسی موضعی و بدون بیهوشی عمومی از طریق ایجاد سوراخ ریزی در جمجمه انجام میشود و چندین تکنیک پیشرفته در آن به کار برده میشود ، برای اولین بار در جهان در فرانسه انجام شده است . در این تکنیک پیشگام یک سوراخ کوچک سه میلیمتری در درون جمجمه ایجاد میشود که به جراح امکان میدهد که یک لیزر فیبر نوری با آب سردشونده را به درون مغز بفرستد . بیماران در حین عمل چیزی احساس نمیکنند و عموما 14 ساعت پس از آن در بعدازظهر روز عمل یا صبح روز پس از آن بیمارستان را ترک میکنند .
کاربرد در صنعت :
ماشین لیزر حکاکی و برشکاری طلا :
این دستگاه توسط شـرکت ماشین سازی صالحی که بعنوان پیشرفته ترین و بزرگترین کارخانه تولید ماشین آلات زرگری در خاورمیانه می باشد طراحی و تولید شده که سرعت و توانایی بسیار بالایی دارد و می تواند با سرعت 50 سانتی متر در یک ثانیه خط صاف بکشد .
اسکنر سه بعدی :
يك دانشجوي ايراني پژوهشكده ليزر گفت : اين اسكنر سه بعدي جايگزين روشهاي مكانيكي مثل cmm ميشود . cmm يك روش مكانيكي است كه از طريق آن يك قطعه روي جسم حركت كرده و ابعاد آن را اندازهگيري ميكند. در روش cmm سرعت كار بسيار پايين است و امكان دارد اسكن يك قطعه بزرگ مانند ماشين يك هفته بطول انجامد ولي با استفاده از دستگاه جديد در عرض چند ساعت اسكن انجام ميشود . دقت این دستگاه جديد ۰/۱ ميليمتر است كه از دقت روش cmm بسيار بالاتر است .
کاربرد لیزر در ساختمان :
موارد كاربرد ليزر در ساختمان سازي موارد زير مي باشند :
الف - دیوار چینی و شاقول کردن
ب – حفا ری و ایجاد استخر با شیب دقیق
ج - بتن ریزی با شیب و عمق یکنواخت
د - قراردادن ستون و ساخت سقف شیب دار
کاربردهای نظامی :
جنگندههای لیزری در تعقیب اخترشناسان :
از تاباندن لیزر به آسمان برای کمک به تنظیم تلسکوپ بهره میبرند. ولی گویا لیزرهای این تلسکوپها دردسرهایی برای ماهوارههای جاسوسی ایجاد کردهاند و هنگامی که به طور تصادفی در معرض دید دوربینهای این ماهواره ها قرار میگیرند، دید آنها را کور میکنند. از همین رو نیروی هوایی ارتش ایالات متحده استفاده از این لیزرها را محدود کرده است.
سلاح لیزری آوانجر:
لیزر آوانجر جدیدترین سلاح لیزری ساخت امریکاست که قادر است هواپیماههای بدون سرنشین را مورد اثابت قرار دهد. این توپ لیزری حداکثر تا ۸ تا ۱۰ سال آینده به طور کامل در خدمت نیروهای نظامی امریکا خواهد بود. این توپ با نشانه رفتن و قفل کردن ۳ هدف پرنده یکی از آنها را هدف قرار داده و سرنگون کرد . سلاح لیزری در سکوت مطلق با سرعت برابر سرعت نور و فوق دقیق است که هدف خود را نابود میکند . این توپ لیزری قبل از اینکه نیاز به شارژ پیدا کند توانایی شلیک ۱۰۰ بار را دارد. قدرت تخریب این سلاح لیزری بستگی به برد ( ۲ کیلومتر و بیشتر ) آن بین ۲ تا ۲۰۰ کیلو وات خواهد بود .
هنوز هم سلاحهای تشعشعی که بتوانند تانکها را ذوب کنند، صورت واقعیت به خود نگرفتهاند و هم اکنون استفاده نظامی از لیزرها ، محدود به هدف گیری و اندازه گیری مسافت به منظور افزودن بر دقت گلولههای تفنگ و توپ و نیز بمبهاست .
لیزرهای ضد اسکاد :
لیزرهای ضد اسکاد نیروی هوایی ایالات متحده اشعهای به ضخامت یک تیر تلگراف دارد. خدمه شروع به نشانه گیری اشعه لیزر روی مخزن سوخت می کند . بدین ترتیب با بوجود آمدن سوراخی در مخزن سوخت ، موشک ظرف چند ثانیه منفجر و منهدم میشود .
انهدام موشک بالستیک با لیزر :
این سلاح لیزری روی یک فروند هواپیمای نظامی 747 نصب شده است. یک سکوی پرتاب شناور در نزدیکی محل پرواز هواپیمای 747 که مشخص نیست ناو یا زیرسطحی زیردریایی بوده، یک موشک بالستیک شلیک کرد .
چند ثانیه پس از اوج گرفتن موشک، هواپیما آن را شناسایی و از لیزر انرژی پایین برای دنبال کردن آن استفاده کرد , سپس لیزر انرژی پایین دوم را برای تشخیص و تنظیم اختلالات جوی به کار گرفت و پس از تنظیمات نهایی ، لیزر انرژی بالای یک مگاواتی مستقر در دماغه هواپیما را روشن کرد و موتورهای موشک را هدف قرار داد. دو دقیقه پس از پرتاب، در حالی که موتورهای موشک هنوز روشن بود، پرتوهای پرانرژی لیزر حرارت بخشی از موشک را تا نقطه شکست سازهای بالا برد و آنرا متلاشی کرد .
لیزری که دراعماق اقیانوس میتابد :
پنتاگون با استفاده از فناوری لیزر آبی موفق شده است خط ارتباطی با پهنای باند بالا را بین زیردریایی های خود برقرار کند .
کاربردهای دیگر :
اثبات نظریه نسبیت انیشتین :
سه فضاپیما که در هر یک قطعات مکعبی پلاتینی شناوری قرار دارد در مدار خورشيد با فاصله سه میلیون مایلی از یکدیگر قرار دارند قصد شلیک پرتوهای لیزری را به سوی یکدیگر دارند تا در نهایت بتوانند تلاشی دیگر را برای اثبات درستی یا نادرستی نظریه مشهور آلبرت اینشتین آغاز کنند .
نظریه نسبیت عمومی پیش بینی کرده است زمانی که اجرامی بزرگ مانند سیاهچاله ها با یکدیگر برخورد می کنند در جریان فضا و زمان امواجی را به وجود می آورند که امواج گرانشی نام دارند .
لیزرهای تابانده شده میان فضاپیماها در نهایت برای اندازه گیری جزئی ترین تغییرات به وجود آمده در فواصل میان هر یک از این مکعبها تحت تاثیر امواج ضعیف گرانشی که منشا آنها پدیده ای شدید و بزرگ در اعماق فضا است، مورد استفاده قرار خواهد گرفت .
کشتن پشه با لیزر :
مهندسان برنامه دفاع ضد موشکهای بالستیک، دستگاهی ساختهاند که پشهها را از فاصلهای مشخص، شناسایی و با تاباندن لیزر، آنها را از بین میبرد. کارایی این دستگاه در مقابله با بیماری مالاریا بسیار عالی است
مهندسانی که تعدادی از آنها از سربازان باتجربه برنامه ضد موشکهای بالستیک آمریکا هستند، در حال کار بر روی پروژهای هستند که خودشان، نام آن را حصار فتونیک نامیدهاند. این وسیله از دوربینها و لیزرهایی استفاده میکند که پشه ها را از فاصله مشخصی شناسایی کرده و به طور خودکار آنها را با لیزر، هدف قرار میدهد. این حصار فتونیک را که از نور خورشید انرژی میگیرد، میتوان در اطراف خانه یا دیگر ساختمانها قرار داد تا انسانها را از گزند این حشرات در امان نگاه داشت .
لیزر در خیابان :
این طرح نوآورانه يك دیوار مجازی است که با طرح ریزی تصاویر لیزری زمانی که چراغ قرمز است باعث امن تر شدن مسیر خیابان برای عابر پیاده می شود .
ایمنی در لیزر :
لیزر منبع نوری است که میتواند برای اشخاصی که با آن در تماس هستند خطرناک باشد. حتی لیزرهای با نور کم هم میتواند برای بینایی اشخاص مخاطره آمیز باشد. انسجام ذاتی و پخش اندک نور لیزر به این معناست که این پرتو قادر است در نقطهٔ بسیار کوچکی در شبکیهٔ چشم متمرکز گردد که در عرض چند ثانیه منجر به سوختگی موضعی و آسیبهای دائمی خواهد شد. طول موجهای خاصی از لیزر قادرند ایجاد آب مروارید کرده و حتی منجر به جوش آمدن مایع زجاجیه گردند. علاوه بر این لیزرهای مادون قرمز و فرابنفش خطر بیشتری را متوجه فرد میکنند چرا که واکنش بسته شدن پلک در انسان در مواقع خطر احتمالی برای چشم تنها در مواقعی که نور مرئی باشد انجام میشود.
رهنمودها :
استفاده از پوشش محافظتی برای لیزرهای دستهٔ سوم ثانویه و دستهٔ چهارم بسيار توصیه میشود و طبق نظر سازمان مدیریت خطرات و ایمنی شغلی ایالات متحده الزامیست. با اینهمه تحقیقات صورت گرفته نشان دادهاند که دانشمندان محقق حتی در شرایطی که با لیزرهای گروه چهارم سر و کار دارند معمولا از پوششهای محافظ چشمی استفاده نمیکنند. مشکل اینجاست که محافظهایی همچون عینکها پس از مدت کوتاهی ناخوشایند و عذاب آور خواهند بود. هیچکس نمیتواند بدون استفاده از محافظهای چشمی از تمامی خطرات جلوگیری کند. خصوصا که در برخی محیطهای کاری از پرتوهای نامرئی مادون قرمز استفاده میشود که هیچ نشانهٔ ظاهری هم ندارند. به این ترتیب کار کردن بدون عینک در چنین شرایطی مترادف با معاوظهٔ سلامتی با راحت طلبی است.
بحث در مورد ایمنی لیزر را نمی توان بدون در نظر گرفتن ایمنی الکتریکی در شکل عمومی کامل دانست. لیزرها عموما در ولتاژ بالا هستند. بطور مثال لیزرهای موجی کوچک 5mj ولت به بالا هستند و این میزان به اندازهٔ چندین کیلو ولت برای لیزرهای قوی تر افزوده میگردد. این نیرو در کنار آب پر فشاری که برای خنک کردن لیزرها مورد استفاده قرار میگیرد و یا ابزارهای الکتریکی مربوطه باعث ایجاد خطر بیشتری در خصوص لیزرها میگردد. بطور کلی این کاملا ضروریست که برای جلوگیری از ایجاد شوک الکتریکی در زمان آب گرفتگی احتمالی محل تمام قطعات الکتریکی حداقل 10 اینچ از زمین فاصله داشته باشند. میز نوری، لیزرها و دیگر تجهیزات بایستی بشکل صحیحی نصب گردند.
منابع :
- سایت هم اندیشی اساتید به نشاني www.mums.ac.ir
- www.phys.org
- سایت خبر آنلاین به نشاني www.khabaronline.ir
- مجله جنگ افزار
- وبلاگ تخصصی در زمینه مهندسی اپتیک و لیزر به نشانی: www.bionuclear.mihanblog.com
- سایت دانشنامه رشد به نشاني www.daneshnameh.roshd.ir
- سایت انجمنهای تخصصی نظامی به نشاني www.military.ir