مقدمه
امروزه لیزر کاربردهای بیشماری دارد که همه زمینه های مختلف علمی و فنی فیزیک-شیمی-زیست شناسی - الکترونیک و پزشکی را شامل می شود. همه این کاربردها نتیجه مستقیم همان ویژگی های خاص نور لیزر است.
لیزر مخفف عبارت light amplification by stimulated emission of radiation می باشد و به معنای تقویت نور توسط تشعشع تحریک شده است.اولین لیزر جهان توسط تئودور مایمن اختراع گردید و از یاقوت در ان استفاده شده بود. در سال 1962 پروفسورعلی جوان اولین لیزر گازی را به جهانیان معرفی نمود و بعدها نوع سوم وچهارم لیزرها که لیزرهای مایع و نیمه رسانا بودند اختراع شدند.در سال 1967 فرانسویان توسط اشعه لیزر ایستگاههای زمینی شان دو ماهواره خود را در فضا تعقیب کردند, بدین ترتیب لیزر بسیار کار بردی به نظر آمد.نوری که توسط لیزر گسیل می گردد در یک سو و بسیار پر انرژی و درخشنده است که قدرت نفوذ بالایی نیز دارد بطوریکه در الماس فرو میرود . امروزه استفاده از لیزر در صنعت بعنوان جوش اورنده فلزات و بعنوان چاقوی جراحی بدون درد در پزشکی بسیار متداول است.
لیزرها سه قسمت اصلی دارند:
۱-پمپ انرژی یا چشمه انرژی: که ممکن است این پمپ اپتیکی یا شیمیایی و یاحتی یک لیزر دیگر باشد
۲- ماده پایه وزفعال که نام گذاری لیزر بواسطه ماده فعال صورت میگیرد
۳- مشدد کننده اپتیکی : شامل دو اینه بازتابنده کلی و جزئی می باشد
طرز کار یک لیزر یاقوتی:
پمپ انرژی در این لیزر از نوع اپتیکی میباشد ویک لامپ مارپیچی تخلیه است(flash tube) که بدور کریستال یاقوت مدادی شکلی پیچیده شده(ruby) کریستال یاقوت ناخالص است و ماده فعال ان اکسید برم و ماده پایه ان اکسید الومینم است.
بعد از فعال شدن این پمپ انرژی کریستال یا قوت نور باران می شودو بعضی از اتمها رادر اثرجذب القایی-stimulated absorption برانگیخته کرده وبه ترازهای بالاتر می برد.
پدیده جذب القایی: اتم برانگیخته = اتم+فوتون
با ادامه تشعشع پمپ تعداد اتمهای برانگیخته بیشتر از اتمهای با انرژی کم میشود به اصطلاح وارونی جمعیت رخ می دهد طبق قانون جذب و صدور انرژی پلانک اتمهای برانگیخته توان نگهداری انرژی زیادتر را نداشته وبه تراز با انرژی کم بر میگردند وانرژی اضافی را به صورت فوتون ازاد می کنند که به این فرایند گسیل خودبخودی گفته می شود ولی از انجایی که پمپ اپتیکی
مرتب به اتمها فوتون می تاباند پدیده دیگری زودتر اتفاق می افتد که به ان گسیل القایی-stimulated emission گفته می شود .وقتی یک فوتون به اتم برانگیخته بتابد ان را تحریک کرده و زودتر به حالت پایه خود بر می گرداند.
گسیل القایی: اتم+دو فوتون = اتم برانگیخته+ فوتون
این فوتونها دوباره بعضی از اتمها را بر انگیخته میکنند و واکنش زنجیر وار تکرار می شود.
بخشی از نور ها درون کریستال به حرکت در می ایند که توسط مشددهای اپتیکی درون کریستال برگرداننده می شوند واین نورها در همان راستای نور اولیه هستد بتدرج با افزایش شدت نور لحظه ای می رسد که نور لیزر از جفتگر خروجی با روشنایی زیاد بطور مستقیم خارج می شود .
لیزر CO2
لیزرهای گازی نوع خاصی از لیزر است که در آن گازی داخل یک لوله ی شفاف مثل لامپ مهتابی می رود. عبور جریان از این لوله باعث رفت و آمد ِ فوتون می شود. اولین نوع ِ این لیزرها هلیم نئون بود. یعنی همین لیزرهای خانگی و مدارس. این لیزر ِ ایمن توسط یک ایرانی در مؤسسه ی بل به نام دکتر علی جوان اختراع شد. نوع دیگر لیزر لیزر CO2 است. البته در محفظه ی آن هلیوم و مقداری نیتروژن هم هست. کاز نیتروژن انرژی ِ الکترودها را ذخیره می کند. پس از برخورد مولکولهای نیتروژن به مولکول CO2 این انرژی انتقال می یابد. مولکولهای CO2 برانگیخته می شوند. گاز هلیوم به انتقال ِ انرژی کمک می کند. همچنین کمک می کند تا مولکولهای دی اکسید کربن زودتر به ترازهای انرژی عادی یا حالت عادی خود برگردند. این لیزرها بازده خوبی دارند.
نمایی از لیزر گازی دکتر علی جوان (مجله "Smithsonian" آوریل 1971)
تاثیر لیزرکم توان بر روی سلولهای عصبی
در مطالعه ای که با استفاده از اشعه لیزر هلیوم- نئون 632.8 نانومتر برای تعیین اثر نور لیزر برروی سلولهای مغز جنین موش و سلولهای مغز موش بالغ انجام شد مشخص گردید که نور مستقیم لیزر هلیوم- نئون به میزان 3.6 ژول بر سانتی متر مربع سبب تسریع در پروسه های سلولی رشد و نمو گرد ید که در نمونه کنترل نور لیزر ندیده فقط مقدار کمی رشد دیده میشد. این مشاهده پیشنهاد میکند که اشعه لیزر کم توان را میتوان در موضعی که بطور آزمایشی باعث آسیب عصب محیطی در آن شده ایم بکار برده و باعث تسریع پروسه های رشد در آن شویم و در نتیجه آن باعث تسریع در ترمیم جراحت عصب شویم.مکانیزم لیزر کم توان در بافت عصبی بطور کامل فهمیده نشده است ولی بعضی آزمایشات بطور ضمنی اثرات فتوشیمیایی نور لیزر را در سیستمهای بیولوژیک توضیح میدهد. سیتوکرومها تاثیر پذیرفته وباعث تحریک فعالیت Redox در زنجیره تنفس سلولی میگردد ودر نتیجه سبب افزایش در تولیدادنوزین تری فسفات شده که بنوبه خود باعث فعالیت Na,k-ATPase و دیگر حامل های یونی میشود که در نها یت باعث افزا یش فعالیت سلولی میگردد.
مطالعه بر روی حیوا ن- تاثیر لیزر درمانی بر آسیب شدید اعصاب محیطی
روش اشعه دادن برای درمان آسیبهای سیستم اعصاب محیطی و مرکزی در سال1978 توسط روکیند ابداع وسپس طی سالهای بعدی تغییراتی نمود. مدل مورد استفاده در این کار عصب سیا تیک موش بود. سپس تشعشع لیزر کم توان جهت جراحت شدید اعصاب محیطی چه بطور مستقیم و چه بصورت روی پوستی بکار رفت. اثر این دو نوع لیزر درمانی در کوتاه مدت اندازه گیری شد یعنی هم پس از چند دقیقه و هم پس از طولانی مدت(روز ها و ماهها) .
در نمونه کوتاه مدت : از طریق زخم باز به عصب جراحت دیده تشعشع مستقیم صورت گرفت و پتانسیل عمل اندازه گیری شد. طول موجها و قدرتهای مختلفی بکار برده شد و مشخص گردید که طول موجهای 540 ، 632.8 و780 نانومتر بیشترین اثر را دارند . (P=0.01)
در نمونه طولانی مدت : مشخص شد همانطور که انتظار می رفت فعالیت الکتروفیزیولوژیک در نمونه آسیب دیده ای که اشعه ندیده بود کاهش داشت . اما استفاده از لیزر کم توان از کاهش فعالیت الکتروفیزیولوژیک جلو گیری کرد ویا پیشرفت آن را کند نمود. (P=0.001) این خاصیت هم بلافاصله بعد ازآسیب و هم در طولانی مدت بروز کرد. این تحقیق نشان داد که وقتی درمان با لیزر کم توان برای هر دو قسمت عصب محیطی آسیب دیده و بخش نخاعی آن انجام شود در مقایسه با کاربرد لیزردر محل ضایعه به تنهایی مدت زمان بهبودی و کیفیت ترمیم عصب سیاتیک اسیب دیده بهتر میشود .مطالعات بافت شناسی نیز یافته های الکتروفیزیولوژیک را تایید می کنند بدین صورت که لیزر کم توان باعث کاهش ویا جلوگیری از پیدایش بافت اسکار در محلهای آسیب دیده می شود. تشعشع لیزر باعث افزایش جوانه زدن(Sprouting) اکسونها در عصب آسیب دیده سیاتیک شده و باعث تسریع در بهبودی اعصاب محیطی آسیب دیده می شود . بعلاوه اثر سودمند تشعشع لیزر کم توان نه تنها در عصب درمان شده با لیزر دیده میشود بلکه در سگمنت مطابق آن در نخاع نیز بروز میکند . درمان با لیزر کم توان بطور چشمگیری باعث کاهش تغییرات دژنراتیو در محل عصب درنخاع شده و افزایش تکثیر نوروگلیا هم از نوع استروسیتها و هم از نوع الیگودندروسیتها را بدنبال دارد. این مطلب نشاندهنده این است که متابولیسم نرونها بالاتر رفته و توانایی تولید میلین بواسطه درمان لیزری بهتر میشود . همچنین تشعشع لیزر کم توان باعث ایجاد اثرات سیستمیک در اعصاب محیطی بشدت آسیب دیده و مطابق آن در نخاع میشود .
مطالعه تصادفی دو سویه کور میزان ترمیم عصب سیاتیک موش بعد از بخیه کردن و لیزر درمانی بعد از عمل بتازگی اثر درمانی تشعشع لیزر کم توان برروی ترمیم اعصاب محیطی پس از قطع کامل و آناستوموز مستقیم ان در عصب سیاتیک موش بررسی شده است . لیزر با طول موج 780 نانومتر ترانس کوتانئوس روزی 30 دقیقه برای 21 روز پی درپی برروی محل اسیب عصب سیاتیک و مطابق آن در نخاع بلافاصله بعد از بستن زخم تابانده شد . پاسخ مثبت سوماتوسنسوری در 55% موشهای اشعه دیده ودر 11% موشها اشعه ندیده مشاهده شد . رنگ آمیزی ایمنوهیستوکمیکال در گروه درمان شده با لیزررشد بیشتر آکسون و کیفیت بهتر پروسه ترمیم بدلیل افزایش تعداد اکسونهای با قطر متوسط و قطر زیاد را نشان داد .
مطالعه بالینی پیلوت در گروه بیماران بستری شده در بخش جراحی مغز و اعصاب مرکز پزشکی سوراسکی و در افرادی که از جراحت شدید اعصاب محیطی و براکیال پلکسوس برای مدت بیش از دو سال رنج می بردند .- هرکدام از 59 بیمار با لیزر CW 780 nm برای 5ساعت درروز بمدت 21 روز پیاپی با استفاده از سیستم لیزری بخصوصی که مخصوص روش خودمان طراحی شده بود، درمان شدند . ملاک درمان با لیزر دراین افراد بقرار زیر بود:
بیمارانی که از اختلالات جزیی حرکتی و حسی در رنج بودند و جراحی مثمر ثمر نبود . 56% بیماران درمان شده با لیزر نتایج خوب و عالی در اعمال موتور نشان دادند .
مطالعه اتفاقی دوسویه کور گروه کنترل و پلاسبو درخصوص تاثیر لیزر کم توان در درمان جراحت اعصاب محیطی : این مطالعه در افرادی که آسیب ناقص اعصاب محیطی در شبکه براکیال از 6 ماه تا چند سال قبل داشته اند انجام شد . پروتکل این درمان با مجوز کمیته هلسینکی دانشگاه سوراسکی و وزارت بهداشت و باهمکاری بخش توانبخشی انجام شد . این مطالعه بهبودی فانکشنال این بیماران را پس از درمان بالیزر کم توان و یا پلاسبو مورد بررسی قرارداد . بهبودی این بیماران با مقایسه اشکال موجود قبل و بعد از جراحی طبقه بندی شد . درجه بندی پس از لیزر درمانی یاپس از پلاسبو با مقایسه تغییر در قدرت پس از درمان و قبل از درمان انجام شد . تقریبا در همه موارد سطح عمل موتور قبل از درمان حداقل تا خیلی ضعیف بود. از نظر آماری در گروه درمان شده با لیزر درمقایسه با گروه پلاسبو بهبودی قابل ملاحظه ای در فعالیت موتوری دیده شد (P=0.0001) . یافته های الکتروفیزیولوژیک از لحاظ اماری نشاندهنده بهبودی قابل ملاحظه در گروه درمان شده بالیزر بود . تجربیات 25 ساله ما نشان داد که لیزردرمانی روشی ارزان و غیرتهاجمی بوده و به عنوان درمان اضافی و استاندارد برای بهبودی کارکرد در بیماران داراری آسیبهای اعصاب محیطی و شبکه براکیال محسوب میشود . بر اساس تجربیات بالینی ما مزیت اصلی لیزردرمانی تقویت و شتاب گرفتن بهبودی در بافت عصبی آسیب دیده میباشد . نتایج درمانی نشان میدهد که بهبودی پیشرونده در کارکرد عصب باعث بهبودی قابل توجه میگردد.
کاربرد لیزر در فیزیک و شیمی
اختراع لیزر و تکامل آن وابسته به معلومات پایه ای است که در درجه اول از رشته فیزیک و بعد از شیمی گرفته شده اند. بنابراین طبیعی است که استفاده از لیزر در فیزیک و شیمی از اولین کاربردهای لیزر باشند