لیزر
لینک پرداخت و دانلود *پایین مطلب*
فرمت فایل:Word (قابل ویرایش و آماده پرینت)
تعداد صفحه:224
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 اعصاب............................................................... 296
عوارض احتمالی درمان با لیزرهای کم توان............................................ 310
سایر روش های درمان بالینی........................................................... 313
خطرات جانبی لیزرها و نکات ایمنی و حفاظتی...................................... 315
نتیجه گیری..................................................................... 325
مراجع...................................................................................... 326
چکیده :
پس از ستایش بی پایان خداوند یکتا, این مقاله حاصل نیاز به رساله ای جامع در مورد نتایج نوپای لیزر laser است که با بهره گیری از مکتوبات علمی- تخصصی و نتایج کنفرانس ها و مقالات متعددی که در طی چندین سمینار در زمینه کاربرد لیزر توسط دانشمندان و محققین و کلیه صاحبنظران ارائه شده است محقق گردیده است.
در این نوشتار سعی شده با جمع آوری اطلاعات و دانسته های جدید علمی و عملی در مورد کاربردهای لیزر در پزشکی و خصوصاً در فیزیوتراپی, در حد توان سعی شده است که این پدیده نوین معرفی گردد. هدف اصلی از ارائه این تحقیق جمع آوری و تعمیم مفاهیم در خصوص لیزرهای کم قدرت Low Power laser که با توان خروجی پایین کار می کنند (حدود میلی وات) که اثر حرارتی ندارند و همینطور شرح پدیده های فیزیکی و اثرات غیرحرارتی مربوط به آنها و همینطور تأثیرات این لیزرها بر بدن و متعاقب آن، فراهم آوردن رهیافتی به ریشه و اساس متقابل بافت- لیزر است. ضمن اشاره به پدیده هایی که با نور و ماده سرکار دارند از قبیل بازتاب، جذب, پراکندگی که بیشتر جنبه فیزیکی آنها مورد بحث است و در هر مورد توجه خاصی به عملیات ریاضی اجتناب ناپذیر است. بنابراین با شرح اصول لیزرها و روش های کاربرد بالینی آنها و بیان انواع لیزرها و همینطور در مورد ایمنی لیزر و حفاظت چشم و محاسبات و اندازه گیری های مربوط به لیزر بحث خاتمه خواهد یافت.
البته امید است اساتید و همکاران گرامی, این تحقیق را با وجود تمام نقائص و کاستی هایش به عنوان هدیه ای ناچیز پذیرفته باشند تا این مقاله بعنوان شروعی برای امید به ثمره یک تلاش بی وقفه تلقی گردد.
از خوانندگان گرامی خواهشمندیم که اشتباهات موجود را به اینجانب متذکر شوند تا در رفع آنها اقدامات لازم مبذول را بدارم. اینجانب در تکمیل و تصحیحی مطالب مستتر در این تحقیق از راهنمایی استاد ارجمند آقای دکتر سیدمحمودرضا آقامیری و سایر اساتید محترم بهره گرفته ام و بدینوسیله از کلیه کسانی که مرا راهنمایی کرده اند صمیمانه سپاسگزاری می نمایم. ضمناً از همکاری پژوهشکده لیزر و سایر بخش های مربوطه در دانشگاه شهید بهشتی قدردانی می کنم.
لیزر.... از اعجاز آمیزترین موهبتهای طبیعت است که برای مصارف گوناگون سودمند است. و یکی از پدیده های شگرف قرن بیستم کشف و توسعه لیزر (laser) است. قرن بیستم را شاید بتوان به جای قرن اتم و یا قرن ماشین, «قرن لیزر» هم نامید. این اختراع شگرف و پردامنه فیزیکی روز به روز توسعه بیشتری می یابد و کاربردهای آن در زمینه های مختلف بسیار متعدد است. در حوزه پزشکی نیز در حال حاضر لیزرها در درمان انواع مختلفی از بیماریها شرکت داده می شوند. اگرچه لیزرهای بالینی جدید و کاربردهای آنها احتمالاً در حال گذران دوران نوباوگی پزشکی لیزری هستند ولی در آینده نه چندان دور لیزرهای دیگری پدید خواهند آمد که جایگاه خود را در بیمارستانها و مراکز پزشکی خواهند یافت بنابراین تحقیق علمی آینده به اندازه کاربردهای بالینی حاصل از آن, زیربنایی خواهند بود.
به علت تنوع سیستم های لیزر موجود و تعداد پارامترهای فیزیکی آنها و همینطور علاقه چندین گروه تحقیقاتی در واقع انواع مختلف لیزر بصورت ابزار بی رقیبی در پزشکی مدرن درآمده اند و اگرچه کاربردهای بالینی در ابتدا محدود به چشم پزشکی بوده اند، ولی امروزه قابل ملاحظه ترین و جاافتاده ترین جراحی لیزری در خصوص انعقاد خونریزی عروق با استفاده از لیزر یون آرگون Ar+ است. لذا تقریباً تمام شاخه های جراحی پزشکی معطوف به این قضیه شده اند. البته نباید این گفته را به عنوان انتقاد برشمرد ولی اشکالات زیادی در برخی از موارد ایجاد شده است، بخصوص در زمینه تحریک زیستی biostimulation. لذا به نظر این بنده حقیر لازمست برای کسب پیروزیهای جدید، محققان عزم خود را در سایر زمینه ها پژوهش پزشکی لیزر و تکنیک های فنی و حرفه ای مربوط به آنها نیز مجدانه جذب کنند و در پی وسعت دادن ابعادی به این امر مهم باشند. البته در کل، بسیاری از تکنیکهای لیزری واقعاً مفید، که از لحاظ بالینی محقق شده اند، به کمک انواع دانشمندان قرن حاضر توسعه یافته اند. این روشهای معالجه توسط محققان دیگر تأیید شده و در مجلات علمی معتبر به نحوه مناسب به نوشتار درآمده است. حتی اخیراً در رابطه با کاربردهای اولیه لیزر که اساساً بر نتایج درمانی متمرکز شده بودند, چندین روش جالب تشخیصی نیز اضافه شده است. برای نمونه می توان تشخیص تومورها توسط رنگهای فلورسانس و یا تشخیص پوسیدگی دندان بوسیله تحلیل طیف سنجی بارقه پلاسمایی حاصل از لیزر را نام برد.
همانطور که میدانیم در اواخر دهه 1960 لیزر در زمینه های پزشکی بکار رفت. امروزه تعداد بسیاری از روش های کاربرد لیزر در سراسر جهان بکارگرفته می شود. بیشتر این روشها متعلق به خانواده جراحی با کمترین تهاجم (MIS) minimally invasive surgery می باشند. این اصطلاح جدید که در دهه حاضر پدید آمده است به تکنیک های جراحی ای اطلاق می شود که در آنها تماس با بدن و خونریزی صورت نمی گیرد. لذا این دو مشخصه بطور عمده باعث شده اند که لیزر به عنوان یک تیغ جراحی و وسیله درمان جهانی بکار گرفته شود. در واقع بسیاری از بیماران و همچنین جراحان بر این باورند که لیزر وسیله ای اعجاب انگیز است. البته این شیوه تفکر منجر به نگرشهای گمراه کننده و توقع های نابجا نیز شده است. در حقیقت قضاوت دقیق در مورد پیشرفتهای جدید همیشه لازم است. مثلاً وقتی که یک روش درمان توسعه لیزر معرفی می شود, تا هنگام تأیید شدن آن توسط مطالعات مستقل دیگر، نباید مورد قبول واقع شود. اثرات ناشی از لیزر همانطور که می دانیم بسیار متعدداند. بیشتر آنها را می توان بطور علمی توضیح داد. البته برخی اثرات که برای یک درمان ویژه مفید هستند, برای موارد دیگر ممکن است خطرناک باشند بعنوان مثال گرم کردن یک بافت سرطانی توسط پرتوی لیزر می تواند منجر به اثر مطلوب نکروز (تخریب) تومور شود. و بالعکس بکار بردن پرتوی لیزری برای قطع خونریزی شبکیه چشم با پارامترهای فوق، می تواند منجر به سوختن خود شبکیه و نابینایی غیرقابل برگشت شود. به هرحال با توجه به تسهیلاتی که پدیده لیزر در امر تشخیص و درمان در علم پزشکی فراهم نموده, آینده روشن تری را می توان برای نسل بشر پیش بینی کرد.
تاریخچه لیزر:
اساس لیزر در سال 1960 با ساختن لیزر یاقوت توسط مایمن (Maimen) شناخته شد. این اکتشاف ابتدا به ساکن اتفاقی نبوده, بلکه خود دنباله ای از مجموعه جریانات و تحولات علم فیزیک به شمار می آید و محصول پژوهش های پیگیر دانشمندانی که سالهای متمادی دورتر از آن, در این زمینه کندوکاو می کردند, محسوب می شود. دانشمندانی از قبیل «وبر»، «تاونز»، «انیشتن»، «باسوف»، «پروخوف»، «میمن» و سایرین بر مبنای این نظریه بود که در سال 1954 تاونز و شاگردانش اولین تقویت کننده نور را بوسیله نشر تابش برانگیخته در دانشگاه کلمبیا ساختند.
Microwave Amplification by stimulated Emission of Radiation (MASER)
اساس نظری لیزر از سال 1917 توسط آلبرت انیشتن (Einstein) شناخته و بیان شد. اما امکان تولید پرتوی لیزر بین سالهای 1957 تا 1960 تحقق یافت. بعداً در سال 1954 یک گروه از محققین در آمریکا تحت مدیریت تاونز و بر اساس تئوری انیشتن، اولین تقویت کننده نور برانگیخته را با استفاده از مولکولهای آمونیاک مورد آزمایش قرار دادند و بالاخره اولین دستگاه میرز Maser با فرکانس (حدود Hz1011× 3/2) هرتز ساخته شد. در سال 1958 شاولو (schawlow) به اتفاق تاونز ضمن یک مطالعه مشترک نظری امکان به کاربردن یک میزر با فرکانس در ناحیه اپتیکی (حدود فرکانس های نور مرئی) را تحقق بخشیدند و آنرا لیزر «Laser» نامیدند و بالاخره در سال 1960 اولین دستگاه لیزر توسط میمن (Maimen) با استفاده از کریستال یاقوت (Rubylaser) که در درمان گلوکوم استفاده شد، ساخته شد. پس از مدت کوتاهی, پروفسور علی جوان دانشمند ایرانی و همکارانش اولین لیزر گازی هیلیوم نئون, در ناحیه مادون قرمز I.R. (نزدیک μm5/1 میکرومتر) را مورد بهره برداری قرار دادند و از سال 1960 تا کنون عده بیشماری از دانشمندان و محققین جهان، با هزینه
سالیانه میلیاردها دلار, برای تحقیق روی دستگاه های مختلف لیزر و نیز کاربردهای آن کوشش کرده اند.
لیزر یک پدیده بزرگ زمان ماست. موارد کاربرد ویژه خود را دارد و اثر آن عاری از عوارض جانبی هم نیست. همیشه نمی تواند جای روش های جراحی و دارویی یا رادیوتراپی را بگیرد. با این همه اگر آنرا معجزه قرن بیستم بنامیم, گزاف نگفته ایم.
تعریف لیزر:
واژه لیزر مخفف Light Amplification by stimulatesd Emission of Radiation است و اساس کار آن در واقع نشر برانگیخته تابش و گسیل کردن نور برانگیخته که برای تقویت امواج پر فرکانس استفاده می شود. پرتو لیزر ماهیتاً همان فوتون ها یا ذرات نورانی هستند که این فوتونها بعد از گردهمایی و دسته شدن و هم راستایی، تشکیل یک دسته اشعه پیوسته و بسیار قوی را می دهند. بنابراین دستگاه لیزر مولد نور و حکم یک منبع تابش کننده را دارد و شامل یک قسمت تقویت کننده نور که بصورت گاز, مایع, جامد و یا نیمه رسانا و همینطور قسمتی دارای آینه هایی است که اینها نقش تشدید کننده اپتیکی را ایفا می کنند. این تشدید کننده را کاواک و یا حفره لیزری می نامند در واقع امواج تختی که بردار انتشارشان عمود بر سطح آینه هاست, در اثر رفت و برگشت بین در آینه, امواج ساکنی را تشکیل می دهند بنابراین یک لیزر را نوسان کننده چند مدی نیز می نامند یعنی علاوه بر مدهای طولی در یک کاواک لیزر, مدهای عرضی نیز وجود دارد که از نظر شدت پرتویی و فرکانس متغیرند. شدت پرتویی یعنی همان توزیع فضایی که در آن بهره لیزری دارای گستردگی فرکانسی است که به قسمت تقویت کننده بستگی دارد و هرچه پهنای فرکانسی بیشتر باشد
تعداد مدهای طولی که به نوسان در می آیند بیشتر خواهند بود. لیزری که تنها در یک مد طولی نوسان کند به آن لیزر تک مدی گویند که از طریق گذاشتن یک میان بند توزیع میدان الکتریکی در کاواک مشخص می شود.
هر دستگاه لیزر از (1) یک محیط فعال, (2) یک سیستم منعکس کننده (تشدید کننده های لیزری) (3) و یک سیستم دُمِش تشکیل شده است
فیزیک لیزر:
قبل از شرح قسمتهای مختلف یک دستگاه لیزر, لازمست مختصری در مورد فیزیک اتمی و پدیده جذب و گسیل یادآوری گردد. در مورد فیزیک لیزر هر اتم بسته به ترتیب و نظم الکترونهای آن روی مدارات آن, دارای انرژی خاصی است کمترین میزان انرژی ممکن برای یک اتم در سطح پایه Eo است که الکترون ها به هسته نزدیک هستند. در واقع میزان این انرژی وقتی تغییر می کند که یک الکترون از مدار خود به مدار مجاورش جهش کند. بنابراین, یک اتم وقتی دست خوش تغییر وضعیت انرژی می شود که یا به آن فوتون اعمال کرد و یا در اثر اصابت یک الکترون به آن, موجب تحریک شویم یعنی از آنجایی که فوتون یک ذره نورانی عاری از وزن و بار الکتریکی است وقتی این فوتون که با سرعت نور C حرکت می کند و دارای انرژیE, که به فرکانس تابش بستگی دارد, E=h که h همان ثابت پلانک است, در برخورد با اتم جذب آن شده و آن اتم را به حالت تحریک شده یعنی سطح انرژی E1 انتقال می دهد بنابراین اگر انرژی فوتون یک اشعه حادث (محرک) E باشد اختلاف انرژی دو سطح اتم برابر با آن خواهد بود یعنی E1- E= E0
بنابراین در حالت تحریک شده اتم ثباتی ندارد و خودبخود در پایان یک زمان معین به حالت اولیه خود بر می گردد یعنی از یک سطح انرژی بالاتر به یک سطح انرژی پایین بر می گردد و در طی همین گذر یک فوتون آزاد میکند و به حالت اولیه خود بر می گردد.
پس این انرژی جذب کرده از فوتون اشعه حادث را به صورت فوتون با همان فرکانس آزاد می کند این پدیده را گسیل خودبخودی Spontaneous Emission می گویند بنابراین انتشار نور زمانی صورت می گیرد که ذرات منتشر شده از یک سطح بالاتر به یک سطح پایین تر انرژی بروند چون معمولاً آنها در حالت اصلی خود Fondamental state و با انرژی حداقل بسر می برند حال برای آنکه الکترون به تراز بالاتر برود, انرژی فوتون اشعه حادث باعث این ارتقاء می شود ولی اتم تمایلی ندارد در این حالت باقی بماند پس در بازگشت خود به حالت انرژی حداقل, فوتون را آزاد می کند که این فوتونها به صورت تابشی نورانی پس داده می شوند. این عمل دریافت انرژی پس داده شده توسط اتم را جذب گویند.
می دانیم بر طبق قانون بولتزمن, مولکولها و اتمها در پایین ترین سطح الکترونی هستند و برای ایجاد یک انتشار نورانی لازمست اتم را تحریک نمود تا یک نوع وارونگی جمعیت Population Inversion به دست آید این تحریک همانطور که گفته شد توسط فوتون یک اشعه حادث با انرژی E صورت می گیرد. بنابراین در یک انتشار نورانی از یک فوتون, دو فوتون به دست می آید که هر کدام از اینها به نوبه خود با یک اتم تحریک شده دیگر برخورد خواهند کرد و در نتیجه, چهار فوتون مشابه تولید خواهند کرد و این تسلسل به میزان و تعداد اتمهای معکوس شده ادامه می یابد پس بدین طریق انرژی اولیه تقویت قابل ملاحظه ای پیدا خواهد کرد و از آنجایی که فوتونهای آزاد شده دارای فرکانس و فاز و جهت یکسان هستند, منجر به پدیده تشعشع تحریک stimulated Emission می شود که وقتی در یک کاواک یا حفره لیزری قرار گیرد, نور کاملاً یکرنگ و هدایت شده بوجود خواهد آمد.
نکته قابل توجه اینست که باید ماده ای انتخاب شود تا ضریب تقویت آن بالا باشد تا در نتیجه, با وجود تلفات انرژی, بتواند انرژی مفید قابل توجهی ایجاد کند. حال برای تفسیر کامل مطالب فوق یعنی نحوه تولید نور لیزر, ابتداً قسمتهای اصلی یک دستگاه لیزر را بررسی می کنیم:
(1) محیط فعال Active Medium: این محیط دارای ماده واسط که ماده اصلی قابل یونیزه شدن است تا بتوانند توسط تشعشع تحریکی از یک منبع نوری انرژی گرفته و اشعه نورانی تولید کند، این ماده را ماده فعال نیز می نامند. اتمهای این ماده فعال قابل تحریک و معمولاً یک یا دو کوانتوم انرژی بیشتری از اتم در حالت اصلی خود دریافت کرده اند و به حالت نیمه پایدار Meta stable state می رسند و در این حالت به مدت نسبتاً طولانی باقی می مانند تا بقیه اتم های این ماده نیز تحریک شده و در نتیجه تعداد اتم های تحریک شده از اتم های سطح زمینه بیشتر شود که این همان وارونگی جمعیت Population Inversion چون این اتم های تحریک شده تمایل به بازگشت به سطح اولیه خود را دارند به محض بازگشت اتم به حالت عادی, انرژی دریافت کرده را به صورت فوتون آزاد می کند که بصورت گسیل خودبخود (spontaneous Emission) از آن یاد می برند. زیرا این فوتون به طریق آزادسازی خودبخودی (فلورسانس) پدید آمده است.
براساس این روند فوتون آزاد شده از یک اتم, در برخورد با اتم تحریک شده دیگر, باعث پیدایش دو فوتون مشابه می شود. به همین طریق فوتون های پدید آمده, در برخورد با دو اتم تحریک شده و دیگر, سبب ایجاد چهار فوتون شده و این روند به طور تصاعدی ادامه پیدا می کند و منجر به تولید فوتون های بسیاری می گردد که این پدیده را گسیل تحریکی stimulated Emission می نامند. بنابراین مجموع بسته های انرژی فوتون ها که دارای فرکانس و فاز و جهت یکسان هستند، همان طیف نور لیزر را تشکیل می دهد. چون کوانتوم های انرژی مساوی است, طول موج حاصل نیز, همرنگ و بستگی به نوع ماده فعال یعنی سطوح انرژی لایه های خارجی الکترونی آن دارد. در واقع نوع ماده فعال مورد استفاده, مقدار انرژی فوتون یا طول موج آن را تعیین می کند.
(2) تشدید کننده لیزری Laser Medium فوتون های جاری به موازات محور اپتیکی به آینه تمام بازتابان که در انتهای محیط فعال تعبیه شده برخورد و منعکس می شود در نتیجه فوتونها به داخل محیط فعال رانده می شوند تا با برخورد با اتم های تحریک شده دیگر در ایجاد فوتون های جدید شرکت کنند. فوتون گسیل شده از طرف دیگر محیط فعال که دارای آینه نیمه شفاف می باشد به خارج منتشر می شود (آینه نیمه بازتابان).
قسمتی از فوتون ها که در جهت محور محفظه حرکت نمی کنند به دیواره اطراف برخورد کرده و انرژی خود را بصورت گرما به اطراف آزاد می کنند و از دور فعالیت خارج می گردند.
(3) سیستم دمش (Pumping) در واقع بعنوان یک منبع انرژی برای آماده ساختن (پمپاژ) ماده فعال و تزریق انرژی به اتم ها و مولکولهای آن استفاده می شود و با روش هایی که به صورت پمپاژ نوری (Optical pumping) و یا پمپاژ شیمیایی (chemical Pumping) و یا پمپاژ حرارتی (heat Pumping) و یا پمپاژ الکتریکی (electrical Pumping) استفاده می شود. در مورد آخری، پمپاژ برقی توسط تخلیه الکتریکی فوق العاده شدید در مخزن گازی صورت می گیرد. این تخلیه، اتم ها و مولکول های گاز را به الکترون های فعال تبدیل نمود. تراکم فشرده تر در تراز بالا را سبب می شود. برخورد Collision اتم ها و مولکولها گاز به خاطر اینکه موجبات تشدید (رزونانس) انرژی می شود از اهمیت ویژه ای برخوردار است. در اثر پمپاژ ماده فعال در حفره لیزری (کاواک), دسته طیف نورانی لیزر تولید می شود که حفره را از طریق آینه نیمه بازتابان در می نوردد. یعنی به محض اینکه پمپاژ شروع می شود مقدار زیادی از اتم ها از مخزن لیزر حالت تهییجی خود را افزایش می دهند. نشر تابش در تمام جهات صورت می گیرد و نور صادره بوسیله بازتاب های متعدد آینه های موازی ابقاء و حفظ می شود و شدت آن از طریق پدیده نشر برانگیخته افزایش پیدا میکند. این نشر برانگیخته با هر عبور طول موج از حفره لیزر به مقیاس فزاینده ای می رسد و بین تابشی که حفره از طریق آینه نیمه بازتابان می نوردد و میزان پمپاژ برای ایجاد تراکم معکوس population Inversion به سرعت تعادل برقرار می شود و این اشعه تولید شده صفات ممیز ای چون همدوسی و تکفامی از خود نشان می دهد. البته نسبت توان اشعه به توان پمپاژ را بازده لیزر (Efficiency of laser) تعریف می کنند.
ویژگی های اصلی نور لیزر:
الف) تکفامی نوری (monochromatical) بستگی به طول موج ویژه هر لیزر و میزان خلوص آن دارد که در سایر منابع نورانی دیگر وجود ندارد مثلاً در یک چشمه نور عادی با شدت زیاد از آنجایی که انرژی آن در محدوده وسیعی از طول موجها توزیع گردیده است, نمی تواند نور تکفام با شدت زیاد بدست آورد. در اصل اشعه لیزر در یک محدوده فرکانسی مشخص، منتشر می شود که بستگی به نوع ماده, محیط فعال لیزر و فضای تشدید کننده آن دارد.
ب) همدوس (coherence) بستگی به فاز آن دارد یعنی تمامی فوتون های تشکیل دهنده یک دسته اشعه به طریق منظم و با یک فاز منتشر می شوند. در اصل قسمت عمده منابع نوری مورد استفاده حاصل گسیل خودبخودی است اما در نور لیزر, که از طریق پدیده گسیل القایی Stimolated Emission تولید می شود, کوانتومها (اتم ها- مولکولها و یونها) همه دقیقاً همزمان در یک راستا انتشار می یابند و دقیقاً هم فازند پس بنابراین همدوسند (coherent). البته در موردی که کوانتومها راستاهای مختلف و اختلاف فاز داشته باشند, ناهمدوسند. (noncoherent).
وقتی می گویم نور لیزر همدوس است یعنی کوانتومهای آن دارای هماهنگی کامل و امواج آن هم فازند پس طول موج یکسان آنها باعث تکرنگی و کوانتومها انرژی مساوی دارند پس این نور در یک راستا و موازی است.
در مورد نمودهای تابش TEM(Transvers-electromagnetic) می دانیم تمام لیزرها انرژی را بصورت یک باریکه موازی نور, که توزیع شدت در ستون اشعه آن یکسان است, صادر می نمایند (البته اگر اختلافی باشد اساساً مربوط به محیط تحریک شده و یا تشدید کننده و غیره دارد.) وقتی حداکثر تابش در مرکز صفحه عمود بر محور توزیع تابش Propagation Axis, وجود دارد تابش به صورت نمود اصلی(fondmental mode) TEM0,0 نمایانده می شود. در واقع ناپدید شدن تدریجی شدت بصورت گوسی است, در حالیکه برای نمودTEM0,1 (higher order mode) (donut mode) دو کوهانه با تعقر در می آید. 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 لکه نورانی (Spot size) بر مبنای فاصله شعاع این دایره نورانی از مرکز منطبق با محور اصلی ارزیابی می شود برای کاربرد جراحی باید اشعه لیزر را برای کسب چگالی با توان بالا کانونی تر نمود یعنی شعاع کانون حداقل که بر مبنای منحنی گوسی از رابطه :
فاصله کار اشعه
طول موج λ
قطر عدسی تمرکز دهنده Dدر واقع برهمکنش کیفی تابش الکترومغناطیس با ماده صرفاً فرکانس تابش بستگی دارد و به شدت تابش بستگی ندارد یعنی هرچه تابش ها پر انرژی تر باشند قدرت نفوذ در بافت بیشتر می شود مثل اشعه γ و اشعه x.
اما هر چقدر طول موج تابش افزایش یابد، انرژی آن رو به کاهش می گذارد و برهمکنش با پیوندهای ملکولی منجر به شکستن پیوندهای مولکولی بافت و یونیزه شدن آن نمی شود و اثرات غیر حرارتی آن مهیا می شود. در مورد برهمکنش کمی که بستگی به شدت تابش انرژی کل صرف شده در بافت و میزان ذخیره انرژی در طول موج تابش دارد، همانطور که قبلاً نیز گفته شد هنگام برخورد پرتوی لیزر به بافت بیولوژیک برهمکنش هم به پارامترهای لیزر و هم به خواص اپتیکی بافت (که عبارت بودند از بازتاب، پراکندگی، جذب که اشتراکاً عبور را تعیین می کنند) بستگی دارد.
اگر بخواهیم در مورد جذب و پدیده استهلاک طول موج گفته باشیم، فرض می کنیم شدت ستون اشعه موازی It که به لایه نازکی از یک بافت با ضخامت x برخورد نماید.
اگر Ir بخش بازتاب یافته و Io بخش جذب شده و I بخش عبور کرده باشد حاصل:
It-Ir=I
ضمن اینکه رابطه بین I و Io بصورت: I=Io×10-αx که در آن ضریبα ثابت یا همان ضریب جذب که متناسب با طول موج تابش و ترکیب فیزیکی و شیمیایی بافت جذب کننده است. حال وقتی ضخامت صفحه باشد شدت تابش عبور یافته بصورت:
یعنی 90% درصد تابشی که به بافت رخ می دهد در ضخامت جسم جذب می گردد. در واقع ضخامت L مانند α، به خصوصیات جذبی ماده مربوط می شود و «استهلاک طول موج» خوانده می شود. هرگاه ضخامت 2L باشد صفحه دوم با ضخامت L، 90% از 10% را که به آن برخورد می کند، جذب خواهد کرد و یک درصد از اشعه اصلی باقی می ماند که آن را از خود عبور می دهد. اگر سه استهلاک طول موج 3L فرض شود عملاً اشعه ای برای تابش نخواهد ماند که از این صفحات عبور کند.
معمولاً امواج طیف نور لیزر در عبور از یک بافت، بخاطر عدم تجانس در مواد تشکیل دهنده بافت های زنده، در ستون موازی اشعه حالت توازی خود را از دست می دهند و تغییر جهت می دهند. این انحراف در تمامی جهات صورت گرفته و تابش با حجم بیشتر به صورت مخروطی است و نه استوانه ایی، که به آن تفرق می گویند. تفرق زمانی بالا خواهد بود که ماده غیرمتناجس و جذب ماده پایین باشد. در عمل بدلیل پدیده جذب در طی برهمکنش، بافتی که در معرض انرژی تابشی لیزر است، براساس خصوصیات جذبی و تفرق، حجمی از بافت تعیین می گردد که به آن حجم بحرانی (Vcr) (Critical volume) اطلاق می گردد. Vcr استوانه ای است دارای مقطع عرضی در ستون اشعه در طولی که برای استهلاک طول موج لیزر می باشد یعنی: =A×L Vcr
مثلاً در مورد لیزر Nd:YAG شکل Vcr، بدلیل طول موج این لیزر، پیچیده و تفرق آن زیاد است و شدت اشعه بالاست یعنی می توان آنرا همانند استوانه ای در نظر گرفت که در ازای آن استهلاک طول موج مؤثر Leff و سطح مقطع متوسط Aavv آن چندین برابر سطح مقطع ستون اشعه می باشد. در شرایطی که ستون اشعه لیزر دارای سطوح مقطع یکسان و دارای توان برابری باشند، لیزر Nd:YAG برای توده های حجمی بزرگتر بافت، گرما زا بوده و تأثیر متناسب بر جای می گذارد.
در لیزر از سه پدیده اساسی که نتیجه برهمکنش موج الکترومغناطیسی (em) با ماده‌اند، استفاده می‌شوند. این سه فرآیند به ترتیب عبارتند از گسیل خودبخود، گسیل القایی و جذب.
1ـ گسیل خود بخود: در یک اتم دو تراز 1 و 2 با انرژی‌های E1 و E2 را در نظر می‌گیریم که اگر تراز 1 پایه در نظر گرفته شود، در این حالت E2 < E1 است. اکنون فرض می‌کنیم اتمی از ماده ابتدا در تراز 2 باشد، از آنجایی که E2>E1 ، اتم به فروافتادن به تراز 1 پایه گرایش پیدا میکند. بنابراین اختلاف انرژی hv=E2-E1 آزاد شود وقتی این اختلاف انرژی بصورت منبع الکترومغناطیسی گسیل شود آنرا گسیل خودبخود یا تابشی می‌گویند فرکانس موج تابش‌شده از رابطه زیر بدست می‌آید که درآن h ثابت پلانک است البته ما در کل دو طریق فرو افت داریم: فروافتی که اتم از تراز 2 به تراز 1 بدون تابش صورت می‌گیرد و همینطور فروافتی که با تابش همراه است. در صورتی که بدون تابش باشد ممکن است بصورت انرژی جنبشی، چرخشی و یا الکترونی ب
مولکولهای محیط منتقل شود) پس آهنگ فروافت N2 تعداد اتم در واحد حجم مربوط به تراز 2، در تراز پایه را بصورت:
که در آن A ضریب اینشتن و طول عمر گسیل خودبخود است. در این پدیده رابطه فازی معینی بین موج گسیل شده از یک اتم و موجی که از اتم دیگر گسیل میشود وجود ندارد و امواج در کلیه جهات گسیل می‌شوند.
2ـ گسیل القایی: مجدداً فرض می‌کنیم اتم در ابتدا در تراز 2 قرار گرفته، اگر موج الکترومغناطیسی با فرکانس فرودی بر اتم فرود آید که این فرکانس برابر فرکانس گسیل خودبخود باشد این احتمال وجود دارد که این موج، اتم را به گذار 1à2 وا دارد.در این مورد اختلاف انرژی E2-E1 آزاد شده به صورت موج الکترومغناطیسی به موج فرودی افزوده میشود. این پدیده را گسیل القایی می‌نامند بنابراین چون در این فرآیند اعمال موج الکترومغناطیسی فرودی صورت می‌گیرد، گسیل هر اتم بصورت همفاز با موج فرودی خواهد بود ضمن اینکه به آن نیز افزوده میشود بنابراین موج فرودی جهت موج گسیل را نیز تعیین میکند پس داریم: که آهنگ گذارهای 1à2 در نتیجه گسیل القایی است و W21 احتمال گذار القایی نامیده میشود که بر خلاف ضریب A ، نه تنها به گذار بخصوصی بستگی دارد، بلکه به شدت موج الکترومغناطیسی فرودی نیز بستگی دارد. یعنی برای موج تخت الکترومغناطیسی داریم که در آن F شار فوتون موج فرودی و کمیتی است که دارای ابعاد سطحی و به آن سطح مقطع گسیل می‌گویند و تنها به گذار موردنظر بستگی دارد.
3ـ جذب: اکنون فرض می‌کنیم اتم ابتدا در تراز 1 پایه باشد. میدانیم اتم در این تراز باقی می‌ماند مگر آنکه نیرویی خارجی به آن اعمال شود. اگر موج الکترومغناطیس با فرکانس به ماده برخورد کند احتمال اینکه اتم از تراز پایه به تراز بالاتر 2 برود معین است پس اختلاف E2-E1 مورد احتیاج اتم برای این گذار از انرژی موج الکترومغناطیس فرودی تأمین میشود پس آهنگ جذب W12 :
ضمن اینکه احتمال گذار جذب نامیده میشود که در آن سطح مقطع جذب که فقط به نوع بخصوص‌گذار بستگی دارد.
نتایج هر سه فرآیند به قرار زیر است:
1ـ در گسیل خودبخود، اتم از تراز 1à2 فرو می‌افتد و یک فوتون گسیل میکند.
2ـ در گسیل القایی، فوتون فرودی به اتم گذار 1à 2 را القاء میکند و دو فوتون خواهیم داشت (فوتون القاکننده و فوتون القا شده)
3ـ در جذب، فوتون فرودی برای ایجاد گذار 2 à1 جذب اتم میشود.
از آنجایی که احتمال گسیل القایی و جذب برابرند پس بطور کلی را سطح مقطع‌گذار می‌نامند.
در واقع تعداد اتمها در واحد حجم در یک تراز بخصوص N را انبوهی جمعیت آن تراز نامیده میشود.
وقتی دو تراز انرژی دلخواه 1 و 2 از ماده‌ای را در نظر بگیریم که به ترتیب انبوهی این دو تراز N1 و N2 باشند، اگر موجی تخت باشد متناظر با شارفوتون F در امتداد محور Z از ماده عبور کند، تغییر جزئی این شار ناشی از هر دو فرآیند گسیل القایی و جذب در ناحیه هاشورخورده شکل مقابل از رابطه: بدست می‌آید. این رابطه نشان می‌دهد اگر باشد یعنی اگر N2>N1 باشد، ماده مثل تقویت کننده رفتار میکند و در حالیکی اگر N2<N1 باشد، رفتار ماده بصورت جذب‌کننده خواهد بود پس در حالت ترازمندی گرمایی، انبوهی ترازهای انرژی با رابطة آمار بولتزمن توصیف میشود:
که در آن K ثابت بولترمن و T دمای مطلق ماده است.
در حالت اول N2>N1 ناترازمندی بوجود می‌آید که ماده رفتار تقویت‌کننده از خود بروز می‌دهد و پدیده گسیل القایی برجذب غلبه میکند در اینصورت در ماده وارونی انبوهی داریم در حالت دوم N2<N1 ترازمندی گرمایی بوجود می‌آید که ماده رفتار جذب‌کننده از خود نشان می‌دهد و در فرکانس را عمل میکند و این وضعی است که در شرایط معمول داریم. بنابراین ماده‌ای که در آن وارونی انبوهی (PoPulation Inversion) بوجود آید، ماده فعال (ActiveMedium) نامیده میشود و چنانکه فرکانس گذار در ناحیه اپتیکی قرار گیرد تقویت‌کننده داریم و لیزر است اما اگر فرکانس گذار در ناحیة میکرو موج قرار گیرد به آن میزر (MASER) (Microwave Amplification by Stimolated Emission of Radiatio) گویند. برای آنکه از یک تقویت کننده بتوانیم نوسانگر بسازیم (oscillator) ، باید از فیدبک مثبت مناسبی استفاده کنیم. در مورد لیزر فیدبک غالباً با قرار دادن ماده فعال بین دو آینه کاملاً بازتابنده تأمین میشود ولی در مورد میزر این کار با قرار دادن ماده فعال در کاواک حفره تشدیدی لیزر، که فرکانس را تشدید کند، انجام می‌گیرد. در هر دو مورد ذکر شده شرط آستانة بخصوصی لازم است: در مورد لیزر، نوسان وقتی شروع میشود که بهره ماده فعال بر تلفات در لیزر غلبه کند(مثلاً به علّت خروج پرتو از یک آینه وقتی یکی از دو آینه نیمه شفاف انتخاب شود باریکه مفید لیزر از آن آینه خارج میشود). بهره در هر بار عبور از ماده
فعال (یعنی نسبت شار فوتون خروجی به شار فوتون ورودی) برابر است با : که طول ماده فعال است یعنی موج تخت الکترومغناطیسی در امتداد عمود بر سطح دو آینه رفت و آمد خواهد کرد و ضمن هر بار عبور از ماده فعال تقویت میشود. چنانچه تلفات موجود در کاواک(حفره لیزر) تنها به علّت تلفات تراگسیل باشد، آستانه حاصل خواهد شد یعنی وقتی که برابر واحد شود: که در آن R2 و R1 توان بازتابندگی دو آینه است یعنی وقتی وارون انبوهی به مقدار بحرانی آن، که آنرا وارونی بحرانی (Critical Inversion) می‌نامند، برسد آستانه حاصل میشود. در این اثناء از گسیل خودبخود نوسان بوجود خواهد آمد و فوتونها که در امتداد محور کاواک بصورت خودبخود گسیل می‌شوند، در واقع فرآیند تقویت را آغاز می‌کنند.
و...
