* دكتر رضا اسلامي فارساني
دكتر سيدكامران كامروا
دكتر فرهاد رضوان


كلمه ليزر (LASER) واژه اي مخفف است
كه از حروف اول كلمات
Light Amplification by the Stimulated Emission (of Radiation
به شرح زير اقتباس شده است:
«L» برگرفته از كلمه «Light» به معني نور.
«A» برگرفته از كلمه «Amplification» به معني تقويت.
«S» برگرفته از كلمه «Stimulated» به معني برانگيخته.
«E» برگرفته از كلمه «Emission» به معني نشر.
«R» برگرفته از كلمه «Radiation» به معني تشعشع

با توجه به اين كلمات، «ليزر» به معني «تقويت نور نشربرانگيخته» است. به عبارت ديگر، در اثر پديده اي خاص، نوري توليد مي شود كه تقويت شده و به صورت يك دسته پرتو موازي و متراكم تحت عنوان «ليزر» انتشار مي يابد.
توسعه روزافزون دانش بشري به ظهور نوآوري هايي در تمام ابعاد زندگي منجر شده است. با ظهور ليزر به عنوان يك پديده نوين كاربرد آن در زندگي بشر از جنبه هاي مختلف رو به افزايش است و امروزه كمتر زمينه اي را مي توان يافت كه ليزر در آن نقشي نداشته باشد. زمينه هاي پزشكي، صنعتي، خدماتي، هنري و نظامي از مهمترين كاربردهاي ليزر محسوب مي شود.
در اين نوشتار هدف آن است با مفاهيم و مشخصات ليزر، انواع آن و زمينه هاي كاربردي مختلف اين پديده آشنا شويم. در آغاز و پيش از پرداختن به اصول تشكيل ليزر و اجزا اصلي آن، به مراحل ظهور اين پديده و تولد آن در قالب تاريخچه اي طولاني مي پردازيم.
تاريخچه
در دوران تمدن يونان ـ روم (تقريياً ۶ قرن پيش از ميلاد تا قرن دوم ميلادي)، ليزر به خوبي شناخته شده بود. ليزر، گياهي خودرو (احتمالاً از رده گياهان چتري) بود كه در ناحيه وسيعي در اطراف سيرن (ليبي امروز) مي روييد. اين گياه در مواردي نيز «ليزر پنتيوم» ناميده مي شد و مردم به علت خواص اعجازگرش آن را هديه اي از جانب خدا مي پنداشتند.
ليزر براي درمان بسياري از بيماريها از ذات الريه گرفته تا تعدادي از بيماريهاي واگيردار به كار مي رفت و پادزهر مؤثري براي مارزدگي، عقرب زدگي و نيش پيكان هاي زهرآلود دشمن محسوب مي شد. همچنين به علت طعم لذيذش به عنوان چاشني عالي در غذاها به كار مي رفت.
يوناني ها و رومي ها بسيار كوشيدند تا بتوانند ليزر را كشت كنند، اما در اين كار موفق نبودند و به تدريج ليزر كمياب شد. به نظر مي رسد كه اين گياه در حدود قرن دوم ميلادي كاملاً از بين رفته باشد. از آن زمان تاكنون با وجود كوشش هاي بسيار، كسي موفق نشده است كه ليزر را در صحراهاي جنوبي سيرن پيدا كند. لذا به نظر مي رسد كه اين «ليزر طبيعي» به صورت گنجينه گمشده تمدن يونان ـ روم درآمده باشد.
با اين مقدمه درخصوص گياه ليزر و تقريباً بي ارتباط با موضوع نور و مفهوم جديد ليزر ـ كه شايد اين دو تنها از نظر كلامي مشابهند ـ تاريخ تولد ليزر را از نور آغاز مي كنيم.
نور چيست؟
اين سؤالي است كه احتمالاً پيشينيان ما هزاران سال پيش، از خود مي پرسيدند. پاسخ به اين سؤال در طول ساليان دراز و همراه با پيشرفت علوم و دانش انسان، به تدريج از زمان اعتقاد به خدايان روشنايي تا ليزر حاصل شده است. البته همواره جنبه هايي از نور وجود داشته است كه حتي هنوز هم بطور كامل مشخص نشده اند. لذا هرگاه انسان اطلاعات جديدتري از ماهيت و خواص نور به دست مي آورد، تعريف جامع تري براي آن ارائه مي كند.
در قديم، بسياري از جوامع بشري، خدايان خورشيد را مسؤول سلامتي و بهبود مي دانستند. از همين رو فنيفي ها «بال» را به عنوان خداي خورشيد و سلامتي مي پرستيدند. يوناني ها نيز «هليوس» خداي نور و بهبودي را به علت اثرات منحصر به فردش ستايش مي كردند. مصريان باستان هم نوردرماني را به كار مي بردند. آنها در سال ۴۴۰ پيش از ميلاد، از اثرات تسكيني نور بر زخم ها، شكستگي ها و درمان آبله استفاده مي كردند.
يوناني ها، نخستين كساني بودند كه مي كوشيدند طبيعت نور و چگونگي ديدن را توضيح دهند. پس از ظهور علوم تجربي دو نظريه مطرح شد. يكي از آنها، نظريه ذره اي نيوتن بود كه نور را متشكل از باريكه اي از ذرات مي دانست كه تابع قوانين حركت هستند و ديگري، نظريه موجي بود كه طبيعت موجي رابراي نور پيشنهاد مي كرد.
تفكر ليزر بر مبناي فيزيك كوانتومي در اواخر قرن ۲۰ميلادي پايه گذاري شد. در آغاز دانشمنداني نظير «بور» و «پلاتك» تئوري هايي مطرح كردند كه در ادامه توسط «آلبرت انيشتين» كامل شد. اصل و جوهره پيچيده نور در سال ۱۹۱۷ توسط اين نابغه قرن به عنوان يك سيستم الكتروديناميكي در مقاله اش تحت عنوان «Zur Quantum Theorie der Strahlung» بيان شد. اين كشف كه بر پايه تئوري هاي كوانتومي استوار بود به اين موضوع مي پرداخت كه تابش نور را مي توان به عنوان بسته هاي گسسته انرژي خاصي مطابق با فركانس امواج درآن بسته در نظر گرفت.
انيشتين نظريه وجود فوتون ها و گسيل آنها براساس پديده اي جديد تحت عنوان «نشر برانگيخته» را مطرح كرد. اما اين موضوع براي مدتها تنها در حد يك كنجكاوي در آزمايشگاه باقي ماند و تا دهه ،۱۹۵۰ هيچكس پتانسيل باورنكردني اين مفهوم را درك نكرد. اما سرانجام با تحقيقات كاربردي براساس اين نظريه، امكان استفاده از آن و توليد ليزر فراهم شد.
ميزر
در هر حال، ايده اوليه پديده ليزر توسط انيشتين مطرح شد و پس از او در سال ،۱۹۴۰ دانشمندي روسي به نام «فابريكانت» در رساله دكتراي خود، توليد تابش هاي تقويت شده را به اثبات رساند. سپس در سال ،۱۹۵۴ «چارلز تانز» فيزيكدان دانشگاه كلمبيا، با استفاده از گاز آمونياك در ناحيه ماكروويو، موفق به ساخت «ميزر» شد. كه اين نخستين كاربرد براي پديده نشر برانگيخته محسوب مي شود.
اين پديده تقريباً به طور همزمان در آمريكا و شوروي مطرح شد. اما در هر حال، ميزر همواره با نام «چارلز تانز» همراه است چرا كه نام ميزر توسط او و براساس حروف اول كلمات Microwave» Amplification by the Stimulated Emission of Radiation» براي اين پديده برگزيده شد. «تانز» مي گويد ايده ميزر در يك صبح بهاري در سال ۱۹۵۱ در زماني كه روي نيمكتي در پاركي در واشنگتن نشسته بود، پيش از جلسه «انجمن فيزيك آمريكا» در ذهنش جرقه زد.
در همين زمان، «الكساندر پروخوروف» و «نيكلاي باسوف» در مسكو محاسبات دقيقي براي تعيين شرايط مورد نياز عملكرد ميزر انجام دادند و مدت كوتاهي پس از ارائه گزارش «تانز» و فيزيكدان ديگر به فعاليت در محدوده طول موجهاي كوتاهتر از مايكروويو (محدوده مرئي و مادون قرمز) پرداختند. آنها دريافتند كه براي توليد نشر برانگيخته در اين محدوده جديد، شرايط فيزيكي در مقايسه با ميزر مشكل تر است.
همزمان با اين فعاليت، «گوردن گولد» دانشجوي دكتراي دانشگاه كلمبيا، به فعاليت در زمينه تعيين شرايط و امكانات مورد نياز براي پديده نشر برانگيخته در ناحيه طول موج مرئي پرداخت و نتايج كار خود را در سال ۱۹۵۷ در دفترچه اي يادداشت كرد اما تلاشي در جهت چاپ اين نتايج به عمل نياورد.
پس از مدتي، سعي كرد تا كار خود را ثبت كند اما به علت مشاوره حقوقي نادرست، اين كار تا آوريل سال ۱۹۵۹ (۹ماه پس از ثبت فعاليت تانز و همكارش شاولو) انجام نشد. با اين وجود، «گولد» نخستين كسي بود كه دريادداشت هايش كلمه ليزر را به كار برد.
با انتشار نتايج مطالعات اين افراد، مسابقه اي براي ساخت ليزر آغاز شد. شركتي به نام «TRG» با همكاري «گولد« توانست با ارائه پيشنهاد براي ساخت ليزر به پنتاگون در آمريكا، يك ميليون دلار براي اين كار دريافت كند.
گولد، شاولو و بيشتر محققان تصور مي كردند كه گازها بهترين مواد براي ساخت ليزر هستند. اما فيزيكدان جواني به نام «تودور ميمن» در كاليفرنيا با اين عقيده موافق نبود. او كريستال هاي ياقوت مصنوعي را براي ساخت ليزر به كار گرفت و در نهايت توانست در اواسط سال ،۱۹۶۰ نخستين ليزر جهان را با استفاده از ميله ياقوت مصنوعي بسازد. اين ليزر داراي نور قرمز رنگ بود و بدين ترتيب عصر ليزر متولد شد.
ادامه دارد
*اعضاي انجمن علمي پزشكي ليزري ايران