دانلود تحقیق مقدمه ای برای لیزر

لیزر در بر هم کنش با ماده

لیزرها به دلیل داشتن مشخصات ویژه ای که دارند می توانند به صورت های مختلف با مواد مختلف بر هم کنش نشان دهند. به این دلیل در کاربردهایی نیز  فرآوری مواد ، پزشکی ، جوش هسته ای ، و غیره از جایگاه خاصی برخوردار شده اند به عبارتی لیزرها ابزار قدرتمندی هستند که می توانند در صنعت برای جوش دادن ، سوراخ کردن ، جوش دادن و به عمل آوری گرمایی به کار روند. استفاده از لیزر به جای روشهای موسوم در قطع و جوش و سوراخ کردن از مزایایی برخوردار است که می توان به موارد زیر اشاره نمود. اولاً : نور لیزر یک انرژی تمیز می باشد و ضمن کار هیچگونه ناخالصی وارد نمی کنند. ثانیاً : انرژی حاصل از نور لیزر را می توان در           نقطه ای بسیار کوچک کانونی نمود و گرما را در سطح کوچکی متمرکز کرد. ثالثاً : مقدار انرژی به سادگی کنترل می گردد و رابعاً : نور لیزر می تواند از مواد شفاف عبور کند و بدون آنکه به محیط انرژی بدهد وارد محیط بعدی یا اعماق داخلی گردد. البته باید اشاره نمود ، که لیزرها وسایل نوری بسیار گران قیمت اند. و کار با آن نیز نیاز به تخصص خاص دارد که جنین چیزی در روش های معمول کمتر وجود دارد .

نور لیزر می تواند بر روی مواد مختلف تاثیر گذار باشد. مواد می توانند از سخت ترین مواد مانند الماس تا نرم ترین آنها مثل پلاستیک ها را شامل شوند.

برای مثال ، از لیزرها می توان در صنایع پلاستیک ، چرم و کاغذ استفاده کرد و سوراخ ها ، برشها با اشکال ظریف بر روی آن ها ایجاد کرد و یا می توان بر روی الماس سوراخ هایی به قطر چند میکرون ایجاد نمود. از کاربردهای جالب لیزرها می توان به موارد زیر اشاره کرد:

1 لیزر به عنوان مته : باریکه های لیزر می توانند مانند مته عمل کنند و سوراخ هایی با ابعاد و اندازه های مختلف بر روی اجسام چه نرم و چه سخت ایجاد کنند و در این عمل سوراخ ها کاملاً صاف ، بدون خرده و بدون دندانه ساخته می شود . سوراخ هایی ریز برای افشانه های آثروسل جهت پراکندگی مایعات و گازها به کار می روند و گاهی قطر روزنه به حدود چند میکرون می رسد. با لیزرها می توان سوراخ هایی ریز و ظریفی بر یک عدسی تماسی ایجاد کرد تا مایعات آزادانه روی سطح چشم حرکت کنند و ضمناً دیده نیز نشوند.

2 جوش کاری :  جوش دادن یا متصل کردن قطعات به یکدیگر از قطعات بسیار کوچک تا صفحات بزرگ در صنعت لازم و حائز اهمیت می باشد و با لیزرها می توان نقاط را به یکدیگر متصل نمود بدون آن که به نقاط مجاور آسیبی وارد شود. بسیاری از شرکت های اتومبیل سازی ، هواپیما سازی ، با استفاده از جوش لیزری با سرعت بسیار زیاد قطعات را به هم متصل می کنند که با روش های معمول امکان آن وجود ندارد.

3 برش های لیزری :  برش اجسام با لیزر با سرعت و دقت بسیار زیاد انجام می شود لیزرها می توانند هر ماده ای را ببرند. بر خلاف برش هایی که به روش های معمول مثل تیغه های اره یا قوس الکتریکی انجام می شود ، برش های صاف تر و دقیق تر است. ضمناً به لبه های جدا شده از یکدیگر آسیبی نمی رساند. از لیزرها می توان در برش مواد سرامیکی برای صنعت الکترونیک استفاده نمود و یا می توان در برش لباس به صورت تولید انبوه استفاده کرد. مثلاً می توان بیش از چند صد دست لباس را با یک برش دقیق و به طور هم اندازه قطع نمود و در این حالت لبه ها سوزانده شده و نیازی به سر دوخت های بعدی نمی باشد . از مشخصات برش لیزری می توان به خودکار کردن فرآیند اشاره کرد زیرا به سادگی می توان از یک رایانه استفاده نمود که فرمان های لازم را به پرتو لیزری بدهد و عمل برش بر طبق برنامه تعیین شده انجام گردد.

4 آلیاژ کاری سطحی :   می تواند با عملیات حرارتی توسط باریکه لیزری سطوح را پردازش نمود و یا نوع سطح را تغییر داد که در آن ماده دیگری برای سطح جسم اول ذوب شده با سطح نمونه آلیاژی با مشخصات دلخواه تولید می کنند.

عملیات و فرآوری حرارتی لیزری می تواند باعث ایجاد سختی در جسم و آلیاژها گردد که از این خاصیت در ساخت چرخ دنده ها و سیلندرها با صافی و استحکام زیاد استفاده می شود.

5 علامت گذاری و مینیاتوری :  از باریکه های پر قدرت لیزری می توان به عنوان ایجاد علامت بر سطح اجسام استفاده نمود و در نتیجه می توان حتی بر سطوح بسیار کوچک و ریز نقش های دلخواه را به وجود آورد. و یا بر سطح نوشته های ظریف و موئینه حک نمود .

از لیزرها در تولید تراشه های الکترونیکی مانند ترانزیستورها استفاده می شود . به طوری که امروزه از لیزر در صنعت میکرو الکترونیک بهره های زیادی برده شده است.

کد گذاری لیزری بر روی اجناس مختلف و یا مشابه نیز بسیار مرسوم شده است و به استفاده از نشانه های ثبت شده بر روی جسم و بازخوان آنها توسط یک لیزر می توان مشخصات و قیمت را تعیین کرد.

  از لیزرهای مهمی که در صنعت به کار برده می شود می توان به لیزر گازکربنیکCo2  با طول موج 6/10 میکرون و Nd:YAG با طول موج 1.06میکرون اشاره کرد . این دو لیزر می توانند در حالت پیوسته و یا تیپی انرژی لازم را تامین نمایند. البته ، باید اشاره کرد که امروزه صدها نوع لیزر ساخته و ممکن است مورد استفاده واقع شوند. اما ، چون دو لیزر فوق در طول موج مادون قرمز کار می کنند و اثرات حرارتی زیادی از خود بر جای می گذارند بیشتر مورد توجه اند.

لیزر در پزشکی

بکارگیری لیزر در پزشکی در دو دهه اخیر گسترش چشمگیری یافته است به طوری که در بعضی از شاخه های پزشکی استفاده از آن کاملاً رایج شده است و در بعضی موارد دیگر امکان بکارگیری آن مورد تحقیق و بررسی است.

امواج الکترومغناطیس شامل امواج رادیویی ، مادون قرمز ، ماوراء بنفش و پرتو X و گاما سالها است که در خدمت پزشکی است. اما ، لیزرها به دلیل ویژگی های مهمی که دارند امروزه به سرعت مورد بهره برداری در پزشکی قرار گرفته اند. خاصیت تکافمی لیزر این امکان را فراهم می سازد که با انتخاب طول موج مشخصی که توسط رنگدانه معینی جذب می شود واکنشهای شیمیایی خاصی را تقویت و واکنشهای موجود دیگر را تضعیف نمود و این امر باعث می گردد که فرایند های بیوشیمیایی در جهت دلخواه سوق داده شود. خواص کانونی پذیری و درخشندگی زیاد باعث می شود که بتوان انرژی زیادی بر سطح بسیار کوچک در حد میکرون متمرکز و دما را بطور موضعی افزایش داد و یا آن که در مقیاس های کوچک حتی در حد سلولی به بررسی دگرگونی های انجام شده پرداخت. با لیزرها می توان حتی عناصر تشکیل دهنده یک سلول را تجزیه و تحلیل نمود.

بطور کلی ، کاربرد لیزر در پزشکی بر اثرات گرمایی ، یونیزاسیون و نور شیمیایی آنها استوار است. در حالت اول فوتونهای لیزر توسط رنگدانه بافت جذب و باعث ارتعاشات مولکولی و اتمی می شوند که این حرکت مولکولی منجر به گرم شدن و ازدیاد درجه حرارت سلول و یا بافت        می شود.  برای مثال ، پرتو لیزر یون آرگون می تواند توسط رنگدانه های هموگلوبین و ملانین پوست جذب شود و به این دلیل می توان با این لیزر جراحی پلاستیک انجام دهند که در آن بافت های مرده ای که باعث چین و چروک شده اند حذف و بافتهای نیمه مرده به تحرک بیشتر وارد شوند و فعالیت بیشتری از خود نشان دهند. با لیزر می توان خالها و لکه های رنگی پوستی و زائد را حذف کرد و این به دلیل جذب پرتو لیزر توسط رنگدانه های موضعی می باشد.

از مزایای کاربرد این تکنیک در ضایعات سطحی این است که عروق خونی اطراف برش منعقد می شوند و زمینه عمل بدون خونریزی را فراهم می شود. علاوه بر لیزر یونی ارگون از لیزرهای گاز کربنیک و Nd:YAGو لیزرهای اگزایمر برای جراحی پلاستیک استفاده می شود و بخصوص قابلیت جذب انرژی پرتو لیزر Co2 در تمام بافت های زنده و در تمام ضایعات سطحی پوستی و مخاطی وجود دارد.

در حالت دوم یعنی اثر یونیزاسیون ، انرژی فوق العاده زیاد پرتو در هدف باعث جدا شدن الکترونهای می شود و مولکولها یونیزه می گردد. در نتیجه ، حالت چهارم ماده یعنی پلاسما تولید می شود . حالت پلاسما حالتی بین مایع و گاز است که ماده به صورت مجموعه ای از الکترونها و یونها ظاهر می شود.

این حالت پلاسمای ایجاد شده نیاز به فضای بیشتری دارد و نتیجه عمل یونیزاسیون باعث حجیم شدن و به دنبال آن متلاشی شدن بافت می شود. در واقع ، دقیقاً مانند یک چاقوی ظریف بافت را باز می کند. در این حالت نگرانی ، عوارض اعمال جراحی عادی نظیر خونریزی و یا عفونت وجود ندارد. البته بروز ضایعات حاصل از این پدیده سئوالی است که تاکنون پاسخ داده نشده است و تحت بررسی و تحقیق قرار دارد.

در حالت سوم یعنی اثر فوتو شیمیایی ، با تابش پرتو پر انرژی ماوراء بنفش بر روی بافت ، ارتباط و باندهای قوی بین مولکولی شکسته شده و ذرات مولکولی تبخیر می شوند و برش دقیق از نظر وسعت و عمق حاصل می شود. از کاربردهای مهم لیرز درمان بیماریها و معایب شکستی چشم است. مثلاً با استفاده از لیزر می توان خونریزی شبکیه چشم را کنترل نمود و یا سلول های بینایی از کار افتاده را ترمیم نمود و یا می توان با لیزرها برش بسیار دقیق از نظر جهت ، وسعت ، شکل و عمق در اندازه چند میکرون بر روی قرینه ایجاد کرد و نسبت به درمان معایب شکستی چشم نظیر نزدیک بینی و یا دوربینی اقدام نمود. در این حالت نیازی به استفاده از عینک وجود ندارد ضمناً چون تغییرات بسیار کوچک می باشد از نظر ظاهری برای فرد مشکلی ایجاد نیم کند و قرینه چشم به حالت طبیعی خود دیده می شود.

از لیزر در جراحی اعصاب و اورولژی ، جراحی قلب و عروق نیز استفاده می شود. در اورولژی می توان با تیپ های لیزر Nd:YAG به آسانی سنگ کلیه را متلاشی نمود یا در جراحی قلب و عروق می توان انسداد شریان را با شلیک اشعه لیزری که انرژی گرمایی کمی دارد باز نمود . این تکنیک را انرژیو پلاستی کورنری لیزری نامیده اند. از لیزرها در جراحی گوش حلق و بینی نیز استفاده می شود. لیزرهای Co2 و گاز یونی ارگون برای این منظور مناسبند.

از لیزر در دندانپزشکی نیز استفاده می شود. با پرتو لیزر می توان قسمت های پوسیده و کرم خورده دندانها را از بین برد و در این عمل به نقاط سالم و مجاور آسیبی وارد نمی شود. از آنجا که هر تیپ لیزری فقط چند هزارم ثانیه طول می کشد ، بیمار هیچ گونه دردی را احساس نمی کند. از لیزرها برای پیشگیری از فساد دندانها نیز استفاده می شود. جدول زیر بعضی از لیزرهای مهم قابل کاربرد در پزشکی را مشخص می کند.

نوع لیزر

طول موج نانومتر

توان

موارد استفاده

اگزیمر

248-193

جراحی ، پرش تبخیر ، … بینایی سنجی ، درمان امراض قلبی و مفصلی

ارگون یونی

488

10Wپیوسته

جوش تبخیر ، جراحی عمومی و انعقاد نوری

Nd:YAG

1.06 میکرون مادون قرمز

10Wپیوسته

اورولژی ، بینایی سنجی امراض پوستی

Co2

1.06 میکرون

KW

تبخیر سلولی ، جراحی ، بینایی سنجی ، امراض چشم و اورولژی

طیف سنجی لیزری

طیف سنجی مطالعه اندرکنش نور با ماده است و در نتیجه این اندرکنش می توان اطلاعات فراوانی از ترازهای انرژی اتم ها یا مولکولهای تشکیل دهنده جسم به دست آورد. در طیف سنجی جذبی ، نورهای تک رنگ وارد محیط شده و میزان عبور به صورت تابعی از طول موج اندازه گیری می شود. بیشترین جذب هنگامی است که انرژی فوتون تابشی با تفاوت دو تراز انرژی اتم یا مولکول ماده برابری داشته باشند و لذا با بررسی خطوط جذب می توان وضعیت ترازها را مشخص کرد.

یکی از روشهای معمول برای به دست آوردن نور تک رنگ استفاده از منابع با پهنای بیناب زیاد (مانند لامپ پرفشار جیوه) و استفاده از پالایه ها است. اما پالایه باعث کم شدن شدید شدت نور شده و ضمناً خود دارای یک پهنای باند عبوری هستند و در واقع نور خروجی تک رنگ کامل نیست. لیزرها منابع تک رنگ اند و علاوه بر این لیزرها می توانند کوک شده و در طول موجهای مختلفی تولید نور نمایند و لذا ، با ساخته شدن لیزرها که منابع پر انرژی تک رنگ هستند . مطالعه بیناب اجسام ساده تر و دقیق تر گردیده است. امروزه با استفاده از لیزرهای بسیار تک رنگ می توان حتی بیناب های مختلف ایزوتوپهای یک جسم را تشکیل داد و اثر نوترون اضافی موجود درهسته ایزوتوپهای عناصر را بر ترازهای انرژی بررسی نمود. البته ، طیف سنجی جذبی به دلیل اثر پهن شدگی دوپلری در دماهای معمولی کاری دقیق نیست و لذا اغلب به خصوص در گازها در دماهای پایین عمل طیف سنجی انجام می شود.

با به کارگیری لیزر در طیف سنجی و ابداع روشهای جدیدتری از جمله طیف سنجی پرتو مولکولی ، طیف سنجی اشباعی و طیف سنجی دو فوتونی بسیاری از اشکالات طیف سنجی جذبی بر طرف شده است.

در طیف سنجی مولکولی ، اتمها با مولکولها به صورت باریکه أی کانونی شده منتشر می شود و پرتوهای لیزری به صورت عمود بر آن ها تابیده می شود ، واضح است که ذرات در جهت پرتو مولفه سرعتی بسیار کوچک دارند و در نتیجه پهن شدگی دوپلری کاهش می یابد. در روش اشباعی پرتو لیزر به دو قسمت تقسیم می شود. این دو پرتو در دو جهت مخالف وارد محیط       می گردند . یکی از پرتو ها به نام پرتو اشباعی بسیار شدیدتری از پرتو دوم یا پرتو نشانه است. هنگامی که بسامد پرتو اشباعی با یکی از حالت های گذار ماده برابری کند فوتون جذب ماده شده و حالت برانگیختگی بوجود می آید و این امر سبب می شود که پرتو نشانه از محیط عبور کند. البته ، این حالت وقتی روی می دهد که سرعت مولکول در جهت پرتو صفر باشد. تحت این شرایط پرتو نشانه مدوله دامنه نیز می گردد. هنگامی که پرتو لیزر تغییر بسامد می دهد و از حالت اولیه مرکزی خارج می شود پرتو نشانه نمی تواند با مولکولها برهم کنش نماید و لذا مدوله دامنه از بین می رود و به این ترتیب می توان تراز انرژی را مشخص نمود.

در روش طیف سنجی دو فوتونی بر خلاف حالت قبل اندازه دو پرتو اشباعی نشانه هم شدت انتخاب می شوند . در این حالت بسامد پرتوها به دلیل پدیده دوپلری با دو بسامد :

 و که در آن Vr مولفه سرعت مولکول در جهت پرتوهاست نمایان می شود.  اگر مولکول بتواند فوتونی را از دو پرتو به طور همزمان جذب کند ، در این صورت انرژی سیستم به اندازه 2hv که مستقل از Vr است ، تغییر می کند. وجود چنین جذبی با بررسی میزان جذب در یکی از پرتوها و یا با مطالعه حالت فلوئورسانی ایجاد شده قابل تعیین است.