كاربردهاي ليزر در پزشكي و خصوصاً در فيزيوتراپي

تحقیق كاربردهاي ليزر در پزشكي و خصوصاً در فيزيوتراپي در حجم 225 صفحه و در قالب word و قابل ویرایش و با قسمتی از متن زیر:

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 Eo 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.