دانلود تحقیق کاربرد های لیزر

کاربرد های لیزر

مقدمه

امروزه لیزر کاربردهای بیشماری دارد که همه زمینه های مختلف علمی و فنی فیزیک-شیمی-زیست شناسی - الکترونیک و پزشکی را شامل می‌شود. همه این کاربردها نتیجه مستقیم همان ویژگی‌های خاص نور لیزر است.

کاربرد لیزر در فیزیک و شیمی

اختراع لیزر و تکامل آن وابسته به معلومات پایه‌ای است که در درجه اول از رشته فیزیک و بعد از شیمی گرفته شده‌اند. بنابراین طبیعی است که استفاده از لیزر در فیزیک و شیمی از اولین کاربردهای لیزر باشند.

رشته دیگری که در آن لیزر نه تنها امکانات موجود را افزایش داده بلکه مفاهیم کاملا جدیدی را عرضه کرده است طیف نمایی است. اکنون با بعضی از لیزرها می‌توان پهنای خط نوسانی را تا چند ده کیلو هرتز باریک کرد (هم در ناحیه مرئی و هم در ناحیه فروسرخ) و با این کار اندازه گیری‌های مربوط به طیف نمایی با توان تفکیک چند مرتبه بزرگی ( 3 تا 6) بالاتر از روش های معمولی طیف نمایی امکان پذیر  می‌شوند. لیزر همچنین باعث ابداع رشته جدید طیف نمایی غیر خطی شد که در آن تفکیک طیف نمایی خیلی بالاتر از حدی است که معمولا با اثرهای پهن شدگی دوپلر اعمال می‌شود. این عمل منجر به بررسیهای دقیقتری از خصوصیات ماده شده است.

در زمینه شیمی از لیزر هم برای تشخیص و هم برای ایجاد تغییرات شیمیایی برگشت ناپذیر استفاده شده است. ( فوتو شیمی لیزری) به ویژه در فون تشخیص باید از روش‌های  (پراکندگی تشدیدی رامان) و (پراکندگی پاد استوکس همدوس رامان) (CARS) نام ببریم. به وسیله این روشها می توان اطلاعات قابل ملاحظه‌ای درباره خصوصیات مولکول‌های چند اتمی به دست آورد (یعنی فرکانس ارتعاشی فعال رامن - ثابتهای چرخشی و ناهماهنگ بودن فرکانس). روش CARS همچنین برای اندازه گیری غلظت و دمای یک نمونه مولکولی در یک ناحیه محدود از فضا به کار می‌رود. از این توانایی برای بررسی جزئیات فرایند احتراق شعله و پلاسما ( تخلیه الکتریکی) بهره برداری شده است.

شاید جالبتری کاربرد شیمیایی ( دست کم بالقوه ) لیزر در زیمنه فوتو شیمی باشد. اما باید در نظر داشته باشیم به خاطر بهای زیاد فوتونهای لیزری بهره برداری تجاری از فوتو شیمی لیزری تنها هنگامی مواجه است که ارزش محصول نهایی خیلی زیاد باشد. یکی از این موارد جداسازی ایزوتوپها است.

کاربرد در زیست شناسی

از لیزر به طور روزافزونی در زیست شناسی و پزشکی استفاده می‌شود. 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 پیکو ثانیه ای برای کاوش رفتار دینامیکی مولکولهای زنده در حالت برانگیخته

به ویژه باید از روشی موسوم به میکرو فلوئورمتر جریان یاد کرد. در اینجا سلولهای پستانداران در حالت معلق مجبور می‌شوند که از یک اتاقک مخصوص جریان عبور کنند که در آنجا ردیف می‌شوند 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 :

الف) 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 لیزر  Ar+    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 :

الف) هزینه زیاد و پیچیدگی دستگاه جراحی لیزری

ب) سرعت کمتر چاقوی لیزری

ج) 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.

ارتباط نوری

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  CO2  نسبت 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-y  است. در این حالت لبه های P ,n  پیوندگاه از ترکیب دوگانه InP تشکیل شده است و با استفاده از ترکیب  y=2v2x می 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 فوتودیود بهمنی است اگر چه ممکن است از یک دیود PIN و یک دیود تقویت کننده حالت جامد مناسب نیز استفاده کرد.

اندازه گیری و بازرسی

 خصوصیات جهتمندی درخشایی و تکفامی لیزر باعث کاربردهای مفید زیادی برای اندازه گیری و بازرسی در رشته مهندسی سازه و فرایندهای صنعتی کنترل ابزار ماشینی شده است. در این بخش تعیین فاصله بین دو نقطه و بررسی آلودگی را نیز مد نظر قرار می دهیم

یکی از معمولترین استفاده های صنعتی لیزر هم محور کردن است. برای اینکه یک خط مرجع مستقیم برای هم محور کردن ماشین آلات در ساخت هواپیما و نیز در مهندسی سازه برای ساخت بناها پلها و یا تونلها داشته باشیم استفاده از جهتمندی لیزر سودمند است. در این زمینه لیزر به خوبی جای وسایل نوری مانند کلیماتور و تلسکوپ را گرفته است. معمولا از یک لیزر هلیم - نئون با توان کم استفاده می شود و هم محور کردن عموما به کمک آشکارسازهای حالت جامد به شکل ربع دایره ای انجام می شود. محل برخورد باریکه  لیزر روی گیرنده با مقدار جریان نوری روی هر ربع دایره معین می شود. در نتیجه هم محور شدن بستگی به یک اندازه گیری الکتریکی دارد و در نتیجه نیازی به قضاوت بصری آزمایشگر نیست. در عمل دقت ردیف شدن از حدود  5µm تا حدود  25µm  به دست آمده است.

از لیزر برای اندازه گیری مسافت هم استفاده شده است. روش استفاده از لیزر بستگی به بزرگی طول مورد نظر دارد

برای مسافتهای کوتاه تا 50 متر روشهای تداخل سنجی به کار گرفته می شوند که در آن ها از یک لیزر هلیم - نئون پایدار شده فرکانسی به عنوان منبع نور استفاده می شود. برای مسافتهای متوسط تا حدود 1 کیلومتر روشهای تله متری شامل مدوله سازی دامنه به کار گرفته می شود. برای مسافت های طولانی تر می توان زمان در راه بودن تپ نوری را که از لیزر گسیل شده است و از جسمی بازتابیده می شود اندازه گیری کرد.

در اندازه گیری تداخل سنجی مسافت از تداخل سنج مایکلسون استفاده می شود. باریکه لیزر به وسیله یک تقسیم کننده نور به یک باریکه اندازه گیری و یک باریکه مرجع تقسیم می شود  باریکه مرجع با یک آینه ثابت بازتابیده می شود در حالی که باریکه اندازه گیری از آینه ای که به  جسم مورد  اندازه گیری متصل شده است بازتاب پیدا می کند. سپس دو باریکه  بازتابیده مجددا با یکدیگر ترکیب می شوند به طوری که با هم تداخل می کنند و دامنه ترکیبی آن ها با یک آشکار ساز اندازه گیری می شود. هنگامی  که محل جسم در جهت باریکه به اندازه نصف طول موج لیزر تغییر کند سیگنال تداخل از یک ماکزیموم به یک مینیموم می رسد و سپس دوباره ماکزیموم می شود. بنابراین یک سیستم الکترونیکی شمارش فریزها می تواند اطلاعات مربوط به جابجایی جسم را به دست دهد. این روش اندازه گیری معمولا در کارگاههای ماشین تراش دقیق مورد استفاده قرار می گیرد و امکان اندازه گیری طول با دقت یک در میلیون را می دهد. باید یادآوری کرد که در این روش فقط می توان فاصله را نسبت به یک مبدا اندازه گیری کرد. برتری این روش  در سرعت دقت  و انطباق با سیستم های کنترل خودکار است.

برای فاصله های بزرگتر از روش تله متری مدوله سازی دامنه استفاده می شود و فاصله روی اختلاف فاز بین دو باریکه لیزر مدوله می شود و فاصله از روی اختلاف فار بین دو باریکه گسیل شده و بازتابیده معین می شود. باز هم دقت یک در میلیون است. از این روش در مساحی زمین و نقشه کشی استفاده می شود. برای فواصل طولانی تر از 1 کیلومتر فاصله با اندازه گیری زمان پرواز یک تپ کوتاه لیزری گسیل شده از لیزر یاقوت و یا لیزر CO2   انجام می گیرد. این کاربردها اغلب اهمیت نظامی دارند و در بخشی جداگانه بحث خواهد شد کاربردهای غیر نظامی مانند اندازه گیری فاصله بین ماه و زمین با دقتی حدود 20 سانتی متر و تعیین برد ماهواره ها هم قابل ذکر است.

درجه بالای تکفامی لیزر امکان استفاده از آن را برای اندازه گیری سرعت مایعات و جامدات به روش سرعت سنجی دوپلری فراهم می سازد. در مورد مایعات می توان باریکه لیزر را به مایع تابانده و سپس نور پراکنده شده از آن را بررسی کرد. چون مایع روان است فرکانس نور پراکنده شده به خاطر اثر دوپلر کمی با فرکانس نور فرودی تفاوت دارد. این تغییر فرکانس متناسب با سرعت مایع است. بنابراین با مشاهده سیگنال زنش بین دو پرتو نور پراکنده شده و نور فرودی در یک آشکار ساز می توان سرعت مایع را اندازه گیری بدون تماس انجام می شود. و نیز به خاطر تکفامی بالای نور لیزر برای برد وسیعی از سرعتها خیلی دقیق است.

یکی از سرعت سنجهای خاص لیزر اندازه گیری سرعت زاویه ای است. وسیله ای که برای این منظور طراحی شده است ژیروسکوپ لیزرینامیده می شود و شامل لیزری است که کاواک آن به شکل حلقه ای است که از سه آینه به جای دو آینه معمول استفاده می شود. این لیزر می تواند نوسان مربوط به انتشار نور را هم در جهت عقربه ساعت و هم در خلاف آن به دور حلقه تامین کند. فرکانسهای تشدیدی مربوط به هر دو جهت انتشار را می توان با استفاده از این شرط که طول تشدید کننده ( حلقه ای ) برابر مضرب صحیحی از طول موج باشد به دست آورد. اگر حلقه در حال چرخش باشد در مدت زمانی که لازم است نور یک دور کامل بزند زاویه آینه های تشدید کننده به اندازه یک مقدار خیلی کوچک ولی محدود حرکت خواهد کرد. طول موثر برای باریکه ای در همان جهت چرخش  تشدید کننده می چرخد کمی بیشتر  از باریکه ای است که در جهت عکس می چرخد. در نتیجه فرکانس های دو باریکه ای که در خلاف جهت یکدیگر می چرخند کمی تفاوت دارد و اختلاف این فرکانسهای متناسب با سرعت زاویه ای تشدید کننده است . با ایجاد تپش بین دو باریکه می توان سرعت زاویه ای را اندازه گیری کرد. ژیروسکوپ لیزری امکان اندازه گیری با دقتی  را فراهم می کند که قابل مقایسه با دقت پیچیده ترین و گرانترین ژیروسکوپ های معمولی است.

کاربرد مصرفی دیگر و یا به عبارت بهتر کاربرد مصرفی واقعی  عبارت از دیسک ویدئویی و دیسک صوتی است. یک دیسک ویدئو حامل یک برنامه ویدئویی ضبط شده است که می توان آن را بر روی  دستگاه تلویزیون معمولی نمایش داد. سازندگان دیسک ویدئویی اطلاعات را با استفاده از یک سابنده روی آن ضبط می کنند که این اطلاعات به وسیله لیزر خوانده می شود. یک روش معمول ضبط شامل برشهای شیاری با طول ها و فاصله های مختلف است عمق این شیارها 4/1 طول موج لیزری است که از آن در فرایند خواندن استفاده می شود. در موقع خواندن باریکه لیزر طوری کانونی می شود که فقط بر روی یک شیار بیفتد. هنگامی که شیار در مسیر لکه باریکه لیزر واقغ شود بازتاب به خاطر تداخل ویرانگر بین نور بازتابیده از دیوارهای شیار و به آن کاهش پیدا می کند. به عکس نبودن شیار باعث یک بازتاب قوی می شود. بدین طریق می توان اطلاعات تلویزیونی را به صورت رقمی ضبط کرد.

کاربرد دیگر لیزرها نوشتن و خواندن اطلاعات در حافظه نوری در کامپیوترهاست لطف ای حافظه نوری هم در توان دسترسی به چگالی اطلاعات حدود مرتبه طول موج است. تکنیک ضبط  عبارت است از ایجاد سوراخ های کوچکی در یک ماده مات یا نوعی تغییر خصوصیت عبور و بازتاب ماده زیر لایه که با استفاده از لیزرهای  با توان کافی  حاصل می شود. و حتی می تواند فیلم عکاسی باشد. اما هیچ یک از این زیر لایه ها را نمی توان پاک کرد. حلقه های قابل پاک کردن بر اساس گرما مغناطیسی فروالکتریک و فوتوکرومیک ساخته شده اند. همچنین حافظه های نوری با استفاده از تکنیک تمام نگاری نیز طراحی شده اند. نتیجتا اگر چه از لحاظ فنی امکان ساخت حافظه های نوری به وجود آمده است ولی ارزش اقتصادی آن ها هنوز جای بحث دارد.