چند نمونه کاربرد لیزر

استفاده از باریکه لیزر برای ارتباط در جو به خاطر دو مزیت مهم اشتیاق زیادی برانگیخت:

:الف) اولین علت دسترسی به پهنای نوار نوسانی بزرگ لیزر است. زیرا مقدار اطلاعات قابل انتقال روی یک موج حامل متناسب با پهنای نوار آن است. فرکانس موج حامل از ناحیه میکروموج بخ ناحیه نور مرئی به اندازه 104 برابر افزایش می یابد و در نتیجه امکان استفاده از یک پهنای بزرگتر را به ما می دهد.

:ب) علت دوم طول موج کوتاه تابش است. چون طول موج لیزر نوعا حدود 104 مرتبه کوچکتر از امواج میکرو موج است با قطر روزنه یکسان D واگرایی امواج نوری به اندازه 104 مرتبه نسبت به واگرایی امواج میکرو موج کوچکتر است. بنابراین برای دستیابی به این واگرایی آنتن یک سیستم اپتیکی می تواند به مراتب کوچکتر باشد.

اما این دو امتیاز مهم با این واقعیت خنثی می شوند که باریکه نوری تحت شرایط دید ضعیف در جو به شدت تضعیف می شود. در نتیجه استفاده از لیزرها در ارتباطات فضای باز (هدایت نشده) فقط در مورد این موارد توسعه یافته اند:

:الف) ارتباطات فضایی بین دو ماهواره و یا بین یک ماهواره و یک ایستگاه زمینی که در یک شرایط جوی مطلوب قرار گرفته است. لیزرهایی که در این مورد استفاده می شوند عبارتند از :

Nd:YAG ( با آهنگ انتقال 109 بیت در ثانیه ) و یا CO2 با آهنگ انتقال 3*108 بیت در ثانیه ). گرچه CO2نسبت به Nd: YAG دارای بازدهی بالاتری است و لی دارای این اشکال است که نیاز به سیستم آشکارسازی پیچیده تری دارد و طول موج آن هم به اندازه 10 مرتبه بزرگتر از طول موج Nd : YAG است.

:ب) ارتباطات بین دو نقطه در یک مسافت کوتاه مثلا انتقال اطلاعات درون یک ساختمان. برای این منظور از لیزرهای نیمرسانا استفاده می شود.

اما زمینه اصلی مورد توجه در ارتباطات نوری مبتنی بر انتقال از طریق تارهای نوری است. انتقال هدایت شده نور در تارهای نوری پدیده ای است که از سالها پیش شناخته شده است اما تارهای نوری اولیه فقط در مسافت های خیلی کوتاه مورد استفاده قرار می گرفتند مثلا کاربرد متعارف آن ها در وسایل پزشکی برای اندوسکوپی است. بنابراین در اواخر سال 1960 تضعیف در بهترین شیشه های نوری در حدود 1000 دسی بل بر کیلومتر بود. از آن زمان پیشرفت تکنیکی شیشه و کوارتز باعث تغییر شگفت انگیز در این عدد شده است به طوری که این تضعیف برای کوارتز به 5/0 دسی بل بر کیلومتر رسیده است. این تضعیف فوق العاده کوچک آینده مهمی را برای کاربرد تارهای نوری در ارتباطات راه دور نوید می دهد

سیستم ارتباطات تارهای نوری نوعا شامل یک چشمه نور یک جفت کننده نوری مناسب برای تزریق نور به تارها و درانتها یک فوتودیود است که باز هم به تار متصل شده است. تکرار کننده شامل یک گیرنده و یک گسیلنده جدید است. چشمه نور سیستم اغلب لیزرهای نیمرسانای نا هم پیوندی دوگانه است. اخیرا طول عمر این لیزرها تا حدود 106 ساعت رسیده است. گرچه تا کنون اغلب از لیزر گالیم ارسنید GaAs استفاده شده است ولی روش بهتر استفاده از لیزرهای نا هم پیوندی است که در آنها لایه فعال ترکیبی از آلیاژ چهارگانه به صورت In1-x Gax Asy P1-yاست. در این حالت لبه های P ,n پیوندگاه از ترکیب دوگانه InP تشکیل شده است و با استفاده از ترکیب y=2v2xمی توان ترتیبی داد که چهار آلیاژ چهارگانه شبکه ای که با InP جور شود با انتخاب صحیح x طول موج تابش را طوری تنظیم کرد که در اطراف µm 3/1 و یا اطراف 6/1 µm واقع شود که به ترتیب مربوط به دو مینیموم جذب در تار کوارتز هستند. بسته به قطر d هسته مرکزی تار ممکن است از نوع تک مدباشد برای آهنگ انتقال متداول فعلی حدود 50 مگابیت در ثانیه معمولا از تارهای چند مدی استفاده می شود. برای آهنگ انتقال های بیشتر تارهای تک مدی مناسبتر به نظر می رسند. گیرنده معمولا یک فوتو دیود بهمنی است اگر چه ممکن است از یک دیود PIN و یک دیود تقویت کننده حالت جامد مناسب نیز استفاده کرد.

کاربرد لیزر در زیست شناسی

از لیزر به طور روزافزونی در زیست شناسی و پزشکی استفاده می شود. اینجا هم لیزر می تواند ابزار تشخیص و یا وسیله برگشت ناپذیر مولکولهای زنده یک سلول و یا یک بافت باشد. ( زیست شناسی نوری و جراحی لیزری)

در زیست شناسی مهمترین کاربرد لیزر به عنوان یک وسیله تشخیصی است. ما در اینجا تکنیک های لیزری زیر را ذکر می کنیم :

:الف) فلوئورسان القایی به وسیله تپهای فوق العاده کوتاه لیزر در DNA در ترکیب رنگی پیچیده DNA و در مواد رنگی موثر در فتوسنتز.

:ب) پراکندگی تشدیدی رامان به عنوان روشی برای مطالعه ملکولهای زنده مانند هموگلوبین و یا رودوپسین ( عامل اصلی در سازوکار بینایی) .

:ج) طیف نمایی همبستگی فوتونی برای بدست آوردن اطلاعاتی در مورد ساختار و درجه انبوهش انواع ملکولهای زنده .

:د) روشهای تجزیه فوتونی درخشی پیکوثانیه ای برای کاوش رفتار دینامیکی مولکولهای زنده در حالت برانگیخته.

:به ویژه باید از روشی موسوم به میکروفلوئورمتر جریان یاد کرد. در اینجا سلولهای پستانداران در حالت معلق مجبور می شوند که از یک اتاقک مخصوص جریان عبور کنند که در آنجا ردیف می شوند و سپس یکی یکی از باریکه کانونی شده لیزر یونی آرگون عبور می کنند. با قرار دادن یک آشکارساز نوری در جای مناسب می توان این کمیت ها را اندازه گیری کرد :

:نورماده ای رنگی که به یک جزء خاص تشکیل دهنده سلول یعنی DNA متصل ( که اطلاعاتی راجع بع مقدار آن جزء تشکیل دهنده سلول را به دست می دهد) امتیاز میکروفلوئورمتری جریان در این است که اندازه گیری ها را برای تعداد زیادی از سلولها در مدت زمان محدود میسر می سازد. به این وسیله می توانیم دقت خوبی برای اندازه گیری آماری داشته باشیم.

:در زیست شناسی از لیزر برای ایجاد تغییر برگشت ناپذیر در ملکولهای زنده و یا اجزای تشکیل دهنده سلول هم استفاده می شود. به ویژه تکنیک های معروف به ریز - باریکه را ذکر می کنیم. در اینجا نور لیزر ( مثلا یک لیزرAr+ تپی ) به وسیله یک عدسی شیئی میکروسکوپ مناسب در ناحیه ای از سلول با قطری در حدود طول موج لیزر (05 µm) کانونی می شود منظور اصلی از این تکنیک مطالعه رفتار سلول پس از آسیبی است که با لیزر در ناحیه خاصی از آن ایجاد شده است.

:در زمینه پزشکی بیشترین کاربرد لیزرها در جراحی است ( جراحی لیزری) اما در بعضی موارد لیزر برای تشخیص نیز به کار می رود. ( استفاده بالینی از میکروفلوئورمتر جریان - سرعت سنجی دوپلری برای اندازه گیری سرعت خون - فلوئورسان لیزری - آندوسکوپی نای برای آشکارسازی تومورهای ریوی در مراحل اولیه

:در جراحی از باریکه کانونی شده لیزر ( اغلب لیزر CO2 ) به جای چاقوی جراحی معمولی ( یا برقی ) استفاده می شود. باریکه فروسرخ لیزر CO2 به شدت به وسیله ملکولهای آب موجود در بافت جذب می شود و موجب تبخیر سریع این ملکولها و در نتیجه برش بافت می شود. برتریهای اصلی چاقوی لیزری را می توان به صورت زیر خلاصه کرد :

:الف) دقت بسیار زیاد به ویژه هنگامی که باریکه با یک میکروسکوپ مناسب هدایت شود ( جراحی لیزر)

:ب) امکان عمل در نواحی غیر قابل دسترس.. بنابراین عملا هر ناحیه از بدن را که با یک دستگاه نوری مناسب ( مثلا عدسی ها و آینه ها) قابل مشاهده باشد می توان به وسیله لیزر جراحی کرد.

:ج) کاهش فوق العاده خونروی در اثر برش رگهای خونی به وسیله باریکه لیزر ( قطر رگی حدود 0/5 mm )

:د) آسیب رسانی خیلی کم به بافتهای مجاور ( حدود چند میکرومتر) اما در مقابل این برتریها باید اشکالات زیر را هم در نظر داشت :

1.             هزینه زیاد و پیچیدگی دستگاه جراحی لیزری

2.             سرعت کمتر چاقوی لیزری

3.             مشکلات قابلیت اعتماد و ایمنی مربوط به چاقوی لیزری

با این اشاره اجمالی به جراحی لیزری اکنون می خواهیم به شرح مفصلتری از تعدادی از این کاربردها بپردازیم . در چشم بیماران مبتلا به مرض قند استفاده شده است در این مورد باریکه لیزر به وسیله عدسی چشم بر روی شبکیه کانونی می شود. پرتو سبز لیزر به شدت به وسیله گلبول های سرخ جذب می شود و اثر حرارتی حاصل باعث اتصال دوباره شبکیه یا انعقاد رگهای آن می شود. اکنون لیزر استفاده روزافزونی در گوش و حلق و بینی پیدا کرده است. استفاده از لیزر در این شاخه از جراحی جذابیت خاصی دارد. زیرا با اعضایی مانند نای - حلق و گوش میانی سروکار دارد که به علت عدم دسترسی به آن ها جراحی معمولی مشکل است. اغلب در این مورد لیزر همراه با یک میکروسکوپ استفاده می شود. همچنین لیزر برای جراحی داخل دهان نیز مفید است ( برای برداشتن غده های مخاطی ). امتیازات اصلی در اینجا جلوگیری از خونریزی و فقدان لختگی خون و درد پس از عمل جراحی و بهبود سریع بیمار است. لیزر همچنین اهمیت خود را در بهبود خونریزیهای سنگین در جهاز هاضمه ثابت کرده است. در این حالت باریکه لیزر ( معمولا لیزر نئودمیوم یا آرگون یونی ) به وسیله یک تار نوری مخصوص که در داخل یک آندوسکوپی داخلی قرار گرفته است پرتو لیزر را به ناحیه مورد معالجه هدایت می کند. لیزر همچنین در بیماری زنان مفید است درحالی که اغلب به همراه یک میکروسکوپ استفاده می شود. کاهش قابل ملاحظه درد و لخته شدن خون ارزش مجدد چاقوی لیزری را بیان می کند. در پوست درمانی اغلب از لیزر برای برداشتن خالها و معالجه امراض رگها استفاده می شود. بالاخزه استفاده از لیزرها در جراحی عمومی و جراحی غده امیدوار کننده است.

کاربرد لیزر در مصارف نظامی

کاربردهای نظامی لیزر همیشه عمده ترین کاربردهای آن بوده است . فعلا مهمتریم کاربردهای نظامی لیزر عبارت اند از:

:الف) فاصله یا بهای لیزری

:ب) علامت گذارهای لیزری

:ج) سلاح های هدایت انرژی

فاصله یاب لیزری مبتنی بر همان اصولی است که در رادارهای معمولی از آن ها استفاده می شود. یک تپ کوتاه لیزری ( معمولا با زمان 10 تا 20 نانوثانیه) به سمت هدف نشانه گیری می شود و تپ پراکنده برگشتی بوسیله یک دریافت کننده مناسب نوری که شامل آشکارساز نوری است ثبت می شود. فاصله مورد نظر با اندازه گیری زمان پرواز این تپ لیزری به دست می اید. مزایای اصلی فاصله یاب لیزری را می توان به صورت زیر خلاصه کرد :

:الف) وزن - قیمت و پیچیدگی آن به مراتب کمتر از رادارهای معمولی است.

:ب) توانایی اندازه گیری فاصله حتی برای هنگامی که هدف در حال پرواز در ارتفاع بسیار کمی از سطح زمین و یا دریا باشد.

اشکال عمده این نوع رادار در این است که باریکه لیزر در شرایط نامناسب رویت به شدت در جو تضعیف می شود. فعلا چند نوع از فاصله یابهای لیزری با بردهای تا حدود 15 کیلومتر مورد استفاده اند :

:الف) فاصله یاب های دستی برای استفاده سرباز پیاده ( یکی از آخرین مدل های آن در آمریکا ساخته شده که در جیب جا می گیرد و وزن آن با باتری حدود 500 گرم است.

:ب) سیستم های فاصله یاب برای استفاده در تانکها

:ج) سیستم های فاصله یاب مناسب برای دفاع ضد هوایی

اولین لیزرهای که در فاصله یابی از آن ها استفاده شد لیزرهای یاقوتی با سوئیچ Q بودند. امروزه فاصله یابهای لیزری اغلب بر اساس لیزرهای نئودمیم با سوئیچ Q طراحی شده اند. گرچه لیزرهای CO2 نوع TEA در بعضی موارد ( مثل فاصله یاب تانک ها ) جایگزین جالبی برای لیزرهای نئودمیم است.

دومین کاربرد نظامی لیزر در علامت گذاری است. اساس کار علامت گذاری لیزری خیلی ساده است : لیزری که در یک مکان سوق الجیشی قرار گرفته است هدف را روشن می سازد به خاطر روشنایی شدید نور هنگامی که هدف به وسیله یک صافی نوری با نوار باریک مشاهده شود به صورت یک نقطه روشن به نظر خواهد رسید. سلاح که ممکن است بمب - موشک - و یا اسلحه منفجر شونده دیگری باشد بوسیله یک سیستم احساسگر مناسب مجهز شده است. در ساده ترین شکل این احساسگر می تواند یک عدسی باشد که تصویر هدف را به یک آشکارساز نوری ربع دایره ای که سیستم فرمان حرکت سلاح را کنترل می کند انتقال می دهد و بنابراین می تواند آن را به سمت هدف هدایت کند. به این ترتیب هدف گیری با دقت بسیار زیاد امکان پذیر است. ( دقت هدف گیری حدود 1 متر از یک فاصله 10 کیلومتری ممکن به نظر می رسد.) معمولا لیزر از نوع Nd: YAG است. در حالی که لیزرهای CO2به خاطر پیچیدگی آشکارسازهای نوری ( که مستلزم استفاده در دماهای سرمازایی است) نامناسب اند. علامت گذاری ممکن است از هواپیما - هلیکوپتر و یا از زمین انجام شود. ( مثلا با استفاده از یک علامت گذار دستی ).

اکنون کوشش قابل ملاحظه ای هم در آمریکا و هم در روسیه برای ساخت لیزرهایی که به عنوان سلاحههای هدایت انرژی به کار می روند اختصاص یافته است. در مورد سیستم های قوی لیزری مورد نظر با توان احتمالا در حدود مگا وات ( حداقل برای چند ده ثانیه ) یک سیستم نوری باریکه لیزر را به هدف ( هواپیما - ماهواره یا موشک ) هدایت می کند تا خسارت غیر قابل جبرانی به وسایل احساسگر آن وارد کند و یا اینکه چنان آسیبی به سطح آن وارد کند که نهایتا در اثر تنش های پروازی دچار صدمه شود سیستم های لیزر مستقر در زمین به خاطر اثر معروف به شکوفایی گرمایی که در جو اتفاق می افتد فعلا چندان عملی به نظر نمی رسند. جو زمین توسط باریکه لیزر گرم می شود و این باعث می شود که جو مانند یک عدسی منفی باریکه را واگرا سازد با قرار دادن لیزر در هواپیمای در حال پرواز در ارتفاع بالا و یا در یک سفینه فضایی می توان از این مساله اجتناب ورزید. اطلاعات موجود در این زمینه ها به علت سری بودن آن ها اغلب ناقص و پراکنده اند. اما به نظر می رسد که این سیستم ها کلا شامل باریکه هایی پیوسته با توان 5 تا 10 مگا وات (برای چند ثانیه ) با یک وسیله هدایت اپتیکی به قطر 5 تا 10 متر باشند مناسب ترین لیزرها برای اینگونه کاربرد ها احتمالا لیزرهای شیمیایی اند ( DF یاHF) . لیزرهای شیمیایی به ویژه برای سیستم های مستقر در فضا جالب اند زیرا توسط آن ها می توان انرژی لازم را به صورت انرژی ذخیره فشرده به شکل انرژی شیمیایی ترکیب های مناسب تامین کرد.