لیزر، معجزه‌ نور؛ از جراحی تا صنعت و کاوش‌های فضایی

در اعماق تاریخ، بشر همواره در جست‌وجوی راه‌هایی برای کنترل و تغییر محیط پیرامون خود بوده؛ از تسلط بر آتش تا شکافت اتم، هر کشف جدید، مرزهای دانش و توانایی‌های انسان را گسترش داده است. تئودور هارولد میمن (Theodore Harold Maiman) با اختراع لیزر در سال ۱۹۶۰ گام بزرگی در گسترش فناوری برداشت. لیزر با پرتوهای نورِ متمرکز و قدرتمند خود، تحولِ عظیمی را در صنایع مختلف از جمله پزشکی ایجاد کرد. در این مطلب، پس از آشنایی با عملکرد لیزر، به بررسی کاربردهای گسترده لیزر در حوزه‌ی فناوری، پزشکی و زیبایی، مانند انجام عمل‌های جراحی پیچیده یا حذف موهای زائد، خواهیم پرداخت.

از پزشکی گرفته تا صنعت و ارتباطات، لیزر کاربردهای متنوعی دارد. در پزشکی، از لیزر برای جراحی‌های ظریف، از بین بردن تومورها، ترمیم بافت‌ها و حتی حذف موهای زائد استفاده می‌کنیم. در صنعت، لیزر برای برش، جوشکاری، حکاکی و سوراخ‌کاری مواد مختلف به کار می‌رود. در ارتباطات، لیزر نقش مهمی را در انتقال اطلاعات با سرعت بالا و در سیستم‌های موقعیت‌یابی جهانی (GPS) ایفا می‌کند. همچنین، لیزر در حوزه‌های علمی، نظامی، و سرگرمی نیز کاربردهای گسترده‌ای دارد.

اما چه چیزی لیزر را از نور معمولی متمایز می‌کند؟ آیا تاکنون به عبور لیزر در تاریکی دقت کرده‌اید؟

لیزر را با سه مشخصه‌ی مهم می‌شناسیم:

• لیزر، تک‌رنگ (Monochromatic) و از یک طول موج با مقدار مشخص تشکیل شده، اما نور خورشید ترکیبی از رنگ‌های مختلف است.
• نور لیزر، همدوس (Coherent) است و هماهنگی و نظمی مشهود بین امواج نور برقرار است. موج‌های دریا را در نظر بگیرید، گاهی اوقات موج‌ها به صورت منظم و با فاصله‌های مساوی و گاهی اوقات به صورت نامنظم و آشفته به ساحل می‌رسند. نور لیزر مشابه موج‌های منظم دریا است؛ یعنی امواج نور لیزر با هم هماهنگ هستند و به‌صورت هم‌جهت و هم‌فاز حرکت می‌کنند.
• لیزر، پرتویی موازی (Collimated Beam) است. برای درک بهتر این ویژگی نور لیزر را با نور چراغ‌قوه مقایسه می‌کنیم. نورِ چراغ‌قوه با فاصله گرفتن از منبع نور، واگرا و از خطِ مرکزی (خط قرمزرنگ در تصویر زیر) دور می‌شود، اما نورِ لیزر با فاصله گرفتن از منبع نور، واگرا نمی‌شود و متمرکز باقی می‌ماند.

چرا لیزر این سه ویژگی را دارد؟ و اصلا لیزر چگونه کار می‌کند؟ در ادامه، به این پرسش‌ها پاسخ می‌دهیم. لیزر سرواژه‌ی عبارت Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation به معنی «تقویت نور با گسیل تحریکی تابش»‌ است. برای آشنایی با لیزر ابتدا باید کمی با ساختار اتم آشنا شویم.

ساختار ساده‌ی اتم به‌همراه هسته و یک الکترون در تصویر زیر نشان داده شده است. ساختار زیر که آن را به‌عنوان مدل بور می‌شناسیم هسته را در مرکز و ترازهای انرژی را به صورت مدارهایی به شکل دایره در اطراف هسته نشان می‌دهد. هر تراز انرژی می‌تواند تعداد مشخصی الکترون را در خود جا دهد. همچنین، الکترون‌ها تنها می‌توانند در این ترازها قرار داشته باشند و در فاصله‌ی بین ترازها هیچ الکترونی نمی‌تواند وجود داشته باشد. این ویژگی، گسسته بودن انرژی الکترون‌ها را نشان می‌دهد.

فرض کنید فوتونی با انرژی مشخص به الکترون نشان‌داده‌شده در تصویر بالا می‌تابد. اگر انرژی فوتون دقیقا برابر تفاوت انرژی بین دو تراز نشان‌داده‌شده در تصویر باشد، الکترون آن را جذب خواهد کرد. الکترون پس از جذب فوتون، به تراز انرژی بالاتر می‌رود یا به‌اصطلاح برانگیخته می‌شود و انرژی آن افزایش می‌یابد. الکترون پس از رفتن به تراز انرژی بالاتر، بار دیگر با آزاد کردن انرژی به تراز انرژی پایه برمی‌گردد. مقدار انرژیِ فوتونِ آزادشده دقیقا برابر انرژی فوتونی است که به الکترون برخورد کرده و آن را به تراز انرژی بالاتر برده بود.

برای ساخت لیزرها، از اتم‌ها یا مولکول‌های ماده‌ای خاص استفاده می‌کنیم که ترازهای انرژی آن مشخص و دقیق هستند. وقتی اتم‌های این ماده برانگیخته می‌شوند، الکترون‌ها به ترازهای انرژی بالاتر می‌روند. برای بازگشت به ترازهای پایین‌تر، الکترون‌ها فوتون‌هایی آزاد می‌کنند که انرژی و طول موج آن‌ها دقیقا برابر با اختلاف انرژی بین دو تراز است. ازآنجاکه اختلاف انرژی بین دو تراز ثابت است، فوتون‌های تولیدشده طول موج یکسان دارند، یعنی نور تک‌رنگ تولید می‌شود.

اجازه دهید به دو تراز انرژی و الکترون در تصویر فوق از فاصله‌ی نزدیک‌تری نگاه کنیم. همان‌طور که گفتیم، الکترونی که در تراز انرژی پایین‌تر قرار دارد، پس از برخورد یک فوتون با انرژی مشخص، آن را جذب کرده و برانگیخته می‌شود و به تراز انرژی بالاتر می‌رود. حال اگر یک فوتون دیگر با همان انرژی به این الکترون برانگیخته برخورد کند، فرایندی به‌نام انتشار تحریک‌شده (Stimulated Emission) رخ می‌دهد. در این حالت، الکترون به تراز انرژی پایین‌تر برمی‌گردد و یک فوتون جدید تولید می‌کند که دقیقا انرژی، طول موج و فاز یکسانی با فوتون تحریک‌کننده دارد.

درنتیجه، به الکترون یک فوتون برخورد کرده است، اما دو فوتون با ویژگی‌های یکسان (طول موج، فاز و انرژی) از اتم خارج شده‌اند. این افزایش تعداد فوتون‌ها نوعی تقویت نور یا Amplification را نشان می‌دهد که اساس عملکرد لیزرها است. فوتون‌های تولیدشده از انتشار تحریک‌شده کاملا هم‌فاز و هم‌انرژی با فوتون‌های اصلی هستند و این ویژگی سبب تولید پرتوی نوری بسیار منظم و تک‌رنگ در لیزر می‌شود.

حال فرض کنید دو فوتون آزادشده، با الکترون‌های دیگر که برانگیخته شده‌اند، برخورد می‌کنند. چه اتفاقی رخ می‌دهد؟ ابتدا چهار، در ادامه هشت، سپس ۱۶ و به این ترتیب تعداد زیادی فوتون تولید می‌شوند. به‌این ترتیب، فوتون‌ها تا زمانی که با الکترون‌های برانگیخته برخورد می‌کنند، طی فرآیندی به نام فرآیند آبشاری تولید می‌شوند.

اینجا با مشکل مهمی روبه‌رو می‌شویم. اتمِ برانگیخته، در مدت زمان بسیار کوتاهی (معمولا در کسری از ثانیه) دوباره به حالت پایه (تراز انرژی پایین‌تر) برمی‌گردد و یک فوتون طی این فرآیند منتشر می‌کند. ازآنجاکه این فرآیند در مدت زمان بسیار کوتاهی رخ می‌دهد، احتمال آنکه تعداد زیادی از اتم‌ها به‌صورت همزمان برانگخته شوند، بسیار کم است. اما برای تولید لیزر، به تعداد زیادی اتم در حالت برانگیخته نیاز داریم تا پس از برخورد فوتون‌ها به این اتم‌ها، فوتون‌های بیشتری با ویژگی‌های مشابه تولید شوند. راه حل این مشکلی در مفهومی به نام «وارونگی جمعیت» (Population Inversion) نهفته است.

در شرایط معمول، بیشتر اتم‌ها برانگیخته نیستند و الکترون‌ها در تراز پایه قرار دارند. بنابراین، تعداد الکترون‌ها در تراز برانگیخته (تراز بالاتر) بسیار کمتر از تعداد الکترون‌ها در تراز پایه است. اما برای تولید لیزر، باید این وضعیت معکوس شود و تعداد بیشتری از الکترون‌ها در تراز برانگیخته باشند. به این حالت وارونگی جمعیت می‌گوییم، زیرا تعداد بیشتری الکترون در تراز برانگیخته وجود دارند. این وضعیت باعث می‌شود که احتمال انتشار تحریک‌شده افزایش یابد و فرآیند تقویت نور به خوبی اتفاق بیفتد.

اکنون الکترون در تراز سوم قرار دارد، اما دو ترازِ بالاترِ ماده‌ای که انتخاب کرده‌ایم بسیار ناپایدار هستند، بنابراین الکترون در مدت زمان بسیار کوتاهی از تراز سوم به تراز دوم می‌پرد. الکترون پس از قرار گرفتن در تراز دوم، مدت زمان بیشتری در این تراز باقی می‌ماند. در این حالت به تراز دوم که الکترون در آن قرار دارد، «تراز نیمه‌پایدار» (Metastate) می‌گوییم. مدت ماندگاری الکترون در تراز نیمه‌پایدار، حدود ۱۰۰۰ مرتبه بیشتر از حالت عادی است.

درنتیجه، در مدت زمانی مشخص، تعداد الکترون‌هایی که در تراز دوم یا تراز نیمه‌پایدار قرار می‌گیرند بیشتر از تراز پایه است. حال اگر فوتونی با انرژی مشخص به الکترونی در تراز نیمه‌پایدار برخورد کند، الکترون به تراز پایه برمی‌گردد و اکنون دو فوتون با مشخصات یکسان داریم، یکی فوتون اولیه و دومی فوتونی که پس از انتقال الکترون به تراز پایه تولید می‌شود. درنتیجه، در این حالت فوتون‌های بیشتری تولید شده‌اند.

اکنون تعداد زیادی اتم داریم که فوتون‌ها به صورت جفت از آن‌ها خارج می‌شوند و با اتم‌های دیگر برهم‌کنش می‌کنند. به عبارت دیگر، در این حالت فوتون‌ها به صورت تصاعدی در ماده تولید می‌شوند. تا اینجا تعداد زیادی فوتون با انرژی و ویژگی‌های یکسان تولید شده‌اند، اما هنوز به مرحله‌ی تولید لیزر نرسیده‌ایم، زیرا فوتون‌های خروجی در تمام جهت‌ها حرکت می‌کنند و هنوز متمرکز و هم‌راستا نیستند.

فوتون‌ها با حرکت بین دو آینه، به‌طور مرتب منعکس می‌شوند و با اتم‌های برانگیخته‌ی بیشتری برخورد می‌کنند. به‌دنبال این برخوردها، فوتون‌های بیشتری با انرژی و فاز یکسان تولید می‌شوند. درنتیجه، با گذشت زمان تعداد فوتون‌هایی که در یک راستا حرکت می‌کنند، افزایش می‌یابد.

اگر به‌جای توجه به خاصیت ذره‌ای نور (فوتون)، به ویژگی موجی آن توجه کنیم، بازتاب مداوم نور از دو آینه، آن را به شکل موج ایستاده یا موج ساکن درمی‌آورد. آینه‌ی نیمه‌شفاف در نهایت به فوتون‌ها اجازه می‌دهد تا از آن خارج شوند و به این ترتیب پرتوی نورِ متمرکز و هم‌راستا، یعنی لیزر، تولید می‌شود. بنابراین، با استفاده از حفره‌ی اپتیکی می‌توانیم فوتون‌ها را در یک جهت و راستا متمرکز و لیزر تولید کنیم.

تا اینجا فهمیدیم لیزر چگونه ایجاد می‌شود و چه ویژگی‌هایی آن را از نور معمولی متمایز می‌کند. در این بخش و در ادامه با مهم‌ترین کاربردهای لیزر آشنا می‌شویم. لیزرها در بخش‌های متفاوتی مانند علم و فناوری، پزشکی، صنعت و صنایع دفاعی و فضایی کاربرد دارند.

پژوهشگران به‌کمک لیزر می‌توانند حرکت براونی ذرات را مطالعه کنند. به حرکت نامنظم و تصادفی ذرات بسیار ریز در مایع یا گاز، حرکت براونی می‌گوییم که به‌دلیل برخورد مولکول‌های مایع یا گاز با ذرات ریز، رخ می‌دهد. با استفاده از لیزر می‌توانیم حرکت آن‌ها را زیر میکروسکوپ به‌صورت دقیق‌تر و واضح‌تر مشاهده کنیم.

برای انجام این کار، پرتو لیزر از داخل محفظه‌ای که نمونه‌ی گاز یا مایع در آن قرار دارد، عبور می‌کند. ذرات معلق پس از برهم‌کنش با لیزر، آن را در جهت‌های مختلف پراکنده می‌کنند. باتوجه‌به شدت و چگونگی نور پراکنده‌شده می‌توانیم اندازه‌ی ذرات معلق را تخمین بزنیم.

ارتباطات بین سیاره‌ای یکی از جدید‌ترین کاربردهای لیزر در فناوری فضایی است. در سال ۲۰۲۱ میلادی، ناسا با انجام آزمایشِ ارتباطات لیزری به‌دنبال راهی برای ایجاد اینترنت بین سیاره‌ای بود (تصور کنید از مریخ شبکه‌‌ی نتفلیکس را تماشا کنید!). این فناوری برای کشف‌های فضایی بسیار حیاتی است، زیرا در مقایسه با روش‌های سنتی رادیویی، پهنای باند بسیار بزرگ‌تری دارد، درنتیجه به‌راحتی می‌توانیم داده‌ها را با سرعت و دقت بسیار بالا از زمین به فضاپیما و برعکس بفرستیم. علاوه بر این، لیزرها به انرژی کمتری نیاز دارند و می‌توانند در فاصله‌های بسیار طولانی‌تر، بهتر عمل کنند.

ساعت‌های اتمی با استفاده از اتم‌ها، زمان را با دقت بسیار بالایی اندازه‌گیری کرده و لیزرها در این فرآیند نقش مهمی را ایفا می‌کنند. اتم‌ها در دماهای بالاتر از صفر مطلق، به طور پیوسته در حرکت‌ و نوسان هستند. لیزرها با روشی به‌نام «لیزر کولینگ یا سرد کردن اتم‌ها با لیزر» (Laser Cooling) اتم‌های نوسان‌کننده را تقریبا در جای خود ثابت نگه می‌دارند. فوتون‌های لیزر پس از تابش به اتم‌ها، انرژی آن‌ها را کاهش می‌دهند و سبب سرد شدن و کاهش سرعت حرکت آن‌ها می‌شوند. درنتیجه، اتم‌ها را می‌توان در مکانی خاص، متمرکز و تقریبا ثابت نگه داشت.

دقت در اندازه‌گیری زمان در ساعت‌های اتمی از اهمیت بالایی برخوردار است. بسیاری از ما، بدون آن‌که متوجه باشیم، روزانه از این فناوری استفاده می‌کنیم. کجا؟ در سیستم GPS. اگر ساعت اتمی حتی در حد چند میکروثانیه خطا کند، موقعیت GPS ما می‌تواند تا چند صد متر خطا داشته باشد. ناسا نیز از ساعت‌های اتمی برای اندازه‌گیری فاصله‌ی بین زمین و فضاپیماهایی که به فضا می‌فرستد، استفاده می‌کند.

از لیزرها می‌توانیم برای اسکن مکان‌ها و جمع‌آوری اطلاعات دقیق از مکان‌های اسکن‌شده، استفاده کنیم. یکی از جالب‌ترین کاربردهای لیزر در این زمینه، ایجاد نقشه‌های سه‌بعدی بسیار دقیق از قاره‌ها (مانند پروژه‌ی ناسا به‌نام LVIS) و حتی سیاره‌های دیگر است. به‌کمک این فناوری می‌توانیم ویژگی‌های مهم منطقه‌ی مورد نظر را شناسایی یا تغییرات آن را با گذشت زمان بررسی کنیم. همچنین، از این اسکن‌ها می‌توان برای ساخت مدل‌های سه‌بعدی استفاده کرد، بنابراین بدون نیاز به حضور فیزیکی در یک محیط، می‌توانیم به‌صورت مجازی در آنجا حضور داشته باشیم.

لیزر با ویژگی‌های منحصربه‌فرد خود تحول شگرفی را در حوزه‌ی پزشکی ایجاد کرده است. لیزر به‌خوبی روی بافت هدف متمرکز می‌شود و به بافت‌های اطراف آسیبی نمی‌رساند. پزشکان به‌کمک لیزر می‌توانند برش‌هایی با کمترین خونریزی ایجاد کنند. همچنین، عمل‌های جراحی انجام‌شده با لیزر معمولا با درد کمتری همراه هستند. علاوه بر درمان، از لیزر می‌توان برای انجام برخی کارهای زیبایی مانند حذف موهای زائد یا برداشتن خال‌، استفاده کرد.

همان‌طور که در بخش قبل توضیح دادیم، لیزر، نورِ بسیار متمرکز، تک‌رنگ (فقط یک رنگ یا طول موج)، هم‌جهت و هم‌فاز است. این ویژگی‌ها به لیزر قدرت نفوذ و دقت بالایی می‌دهد و به آن کمک می‌کند تا برخلاف نور عادی که در تمام جهت‌ها پخش می‌شود، به‌صورت یک پرتو مستقیم حرکت کند،

لیزر، انرژی دارد که این انرژی پس از تابش لیزر به اجسام مختلف، جذب یا منعکس می‌شود. پس از تابش لیزر به قسمتی از موهای بدن انسان، چه اتفاقی رخ می‌دهد؟ فولیکول مو، انرژی لیزر را جذب می‌کند و دمای آن افزایش می‌یابد. پس از افزایش دما، مو به‌صورت سطحی و تا ریشه می‌سوزد، درنتیجه رشد مو کاهش می‌یابد یا متوقف می‌شود.

اجازه دهید این موضوع را با مثالی ساده‌تر توضیح دهیم. لباسی که بیرون از خانه می‌پوشیم، بر دمای بدن ما و میزان گرمایی که حس می‌کنیم، تاثیر می‌گذارد. اگر لباس سفید بپوشیم، بیشتر نور خورشید منعکس می‌شود و بنابراین، گرمای کمتری احساس می‌کنیم و دمای بدن‌ افزایش نمی‌یابد. در مقابل، اگر لباس تیره یا سیاه بپوشیم، بیشتر نور خورشید جذب خواهد شد و احساس گرمای بیشتری خواهیم داشت. درنتیجه، رنگ‌های تیره‌تر نور بیشتری را جذب و رنگ‌های روشن‌تر نور بیشتری را منعکس می‌کنند.

به‌همین دلیل، لیزر، بیشتر جذبِ موهای تیره‌ می‌شود تا پوست روشن‌تر. هرچه اختلاف رنگِ بین پوست و مو بیشتر و رنگ مو تیره‌تر باشد، انرژی لیزر بیشتر جذبِ مو خواهد شد و نتیجه رضایت‌بخش‌تر خواهد بود. بنابراین، خطر آسیب به پوست کاهش می‌یابد، اما باید از تنظیمات مناسب برای جلوگیری از آسیب‌های احتمالی به پوست استفاده کرد.

در سال ۱۹۴۸ میلادی، چشم‌پزشکی اسپانیایی به‌نام خوزه ایگناسیو باراکر (Jose Ignacio Barraquer) از عینک به‌ستوه آمد و به‌دنبال راه‌حلی برای بهبود دیدِ چشم‌هایش بود. باراکر برای انجام این کار از جراحی‌ای استفاده کرد که مناسب افراد حساس و ترسو نبود.

در این روش، ابتدا دکتر باراکر بخش جلویی قرنیه‌ی بیمار را برش داد و آن را در نیتروژن مایع غوطه‌ور کرد تا منجمد شود. سپس، به‌کمک دستگاه تراش مینیاتوری، قرنیه‌ی یخ‌زده را به شکل دقیقی که برای اصلاح دید بیمار لازم بود، تراش داد. بعد از اتمام کار، قرنیه را گرم و پس از قرار دادن در جای خود، بخیه کرد. او این عمل جراحی را «کراتومیلئوسیس» (Keratomileusis) نامید، که از دو کلمه‌ی یونانی به‌معنای «تراشیدن» و «قرنیه» گرفته شده است. اگرچه این روش ممکن است به نظر ترسناک و خشن برسد، اما نتایج به‌دست‌آمده بسیار موفقیت‌آمیز و قابل اعتماد بودند.

باراکر هنگام جراحی، خطاهای انکساری چشم را اصلاح می‌کرد. خطای انکساری زمانی رخ می‌دهد که نور پس از وارد شدن به چشم، به‌درستی روی شبکیه متمرکز نمی‌شود. درنتیجه، شخص تصاویر را تار و غیرواضح می‌بیند. در حالت ایدئال، قرنیه و عدسی چشم با همکاری هم، نور واردشده به چشم را به‌طور دقیق روی شبکیه متمرکز می‌کنند. عینک‌ها و لنزهای تماسی با تغییر مسیر نور، به اصلاح خطاهای انکساری کمک می‌کنند. باراکر نشان داد که با جراحی و با تغییر قرنیه‌ی چشم می‌توان محل تمرکز نور را اصلاح و آن را روی شبکیه تنظیم کرد.

امروزه چشم‌پزشکان، برای اصلاح دید چشم، به‌جای جراحی از لیزر «اگزایمر» (Excimer) استفاده می‌کنند. این لیزر، نوعی لیزر فرابنفش است که از گازهای فعال‌شده (مخلوطی از گازهای نجیب و هالید) برای تولید پرتویی از نور فرابنفش با طول موج بسیار کوتاه (انرژی بسیار زیاد)، استفاده می‌کند. این لیزر بدون افزایش قابل‌ محسوسِ دما و ایجاد گرمای زیاد، می‌تواند لایه‌های نازک بافت را از بین ببرد یا تغییر دهد.

• ابتدا یک لایه‌ی نازک از جلوی قرنیه با استفاده از یک تیغه‌ی تخت و پهن یا لیزر فمتوثانیه جدا می‌شود. لیزر، میلیون‌ها حباب کوچکِ پلاسما برای ایجاد لایه‌ای زیر سطح قرنیه، تولید می‌کند.
• سپس جراحان با جدا کردن لایه‌ی ایجادشده به داخل قرنیه دسترسی پیدا می‌کنند.
• در ادامه، باتوجه‌به خطای انکساری چشم و شکل قرنیه، از لیزر اگزایمر برای تراش دقیق سطح داخلی قرنیه استفاده می‌شود. این مرحله معمولاً کمتر از ۳۰ ثانیه برای هر چشم طول می‌کشد. لیزر اگزایمر، به‌صورت رباتیک، سطح قرنیه را به شکل صحیح می‌تراشد.
• در پایان، لایه‌ی جداشده بسته می‌شود و لبه‌های آن در عرض چند ساعت خودبه‌خود ترمیم می‌شوند.

لیزر با ویژگی‌های منحصربه‌فردی همچون تمرکز انرژی و همدوسی، نه‌تنها مرزهای دانش را گسترش داده، بلکه به ابزاری قدرتمند در صنایع مختلف مانند پزشکی، مهندسی، ارتباطات و علوم پایه تبدیل شده است. با دقت و ظرافتی که لیزر ارائه می‌دهد، می‌توانیم مواد را با دقت بسیار بالایی برش دهیم، اطلاعات را با سرعت نور منتقل و بیماری‌های مختلف را درمان کنیم.