یک الکترون در مدار‌های انرژی اطراف هسته، با جذب انرژی به تراز‌های بالاتر می‌رود. این الکترون در ترازهای بالایی پایدار نبوده و تمایل دارد به یک حالت پایدار برود. در نتیجه انرژی اضافی خود را به صورت فوتون، تابش کرده و خود به ترازهای پایین‌تر می‌رود. فرکانس یا طول موج فوتون تابش شده به اختلاف انرژی دو تراز بستگی دارد. حال فرض کنید تعداد زیادی از این الکترون‌های ناپایدار با انرژی زیاد، یکباره همگی (تحت کنترل ما) به ترازی با انرژی پایین‌تر رفته و تابش کنند؛ با تقویت این تابش در محیط کاواک، نور پرقدرت لیرز تولید و توسط لنزهایی به بیرون هدایت می‌شود. برای این کار به دو قسمت مهم و پایه‌ای که اساس کار لیزر در آن‌ها نهفته است، نیاز است:

محیط (ماده) فعال یا «محیط بهره» (Gain Medium)، منظور محیطی است که الکترون‌های اتم‌های آن را برانگیخته می‌کنیم تا به ترازهای بالاتری روند. این محیط بسته به کاربرد و نوع لیزر می‌تواند به صورت جامد، مایع و گاز باشد و ابزار یا سیستمی که با آن اتم‌های محیط بهره را تحریک و در واقع الکترون‌های آن را برانگیخته کنیم. به طور مثال روند ساخت و چگونگی عملکرد یک لیزر معمولی با نور قرمز را شرح می‌دهیم. محیط فعال این لیزر حالت جامد، کریستال یاقوت قرمز (Ruby) بوده که توسط لامپ فلش احاطه شده است. توجه شود که کلیت و اساس کار همه لیزرها به طریق زیر است.

شکل 109- شماتیکی از یک لیزر حالت جامد (محیط بهره یاقوت قرمز)

مطابق با شکل فوق، عملکرد لیزر به صورت زیر تشریح می شود:

1. با برقراری جریان الکتریکی، منبع ولتاژ بالا، انرژی لازم برای روشن شدن لامپ فلش را فراهم‌ می‌کند.

2. با قطع و وصل جریان الکتریکی و انجام این کار به طور متناوب، با خاموش و روشن شدن منبع ولتاژ بالا و در نتیجه روشن و خاموش شدن لامپ فلش انرژی لازم جهت برانگیخته شدن اتم‌های محیط فعال یا بهره فراهم می‌شود. این انرژی، توسط فوتون تابش‌شده از لامپ فلش به اتم‌های کریستال یاقوت قرمز منتقل می‌شود.

3. اتم‌های کریستال یاقوت قرمز (کره‌های سبز رنگ) فوتون‌های تابش شده از لامپ فلش را جذب و در نتیجه الکترون‌هایشان به تراز‌های بالاتر گذار می‌کنند. این الکترون‌ها تمایل به پایداری و رفتن به حالت زمین (Ground State) را دارند که این کار را با تابش فوتون (کره‌های کوچک آبی) در عرض چند میلی ثانیه انجام می‌دهند. این امر به «گسیل خودبه‌خودی» (Spontaneous Emission) معروف است.

4. فوتون‌های گسیل شده در داخل ساختار کریستال روبی (محیط بهره) با سرعت نور حرکت می‌کنند.

5. فوتون‌های موجود در سیستم (حاصل از لامپ فلش یا گسیل خودبه‌خودی) می‌توانند با اتم‌های برانگیخته نیز برخورد کنند. در این صورت الکترون‌ها انرژی خود را به صورت فوتونی آزاد کرده و به ترازی با انرژی پایین تر می‌روند. در این‌ حالت می‌توان گفت که یک فوتون باعث تولید فوتون دیگری شده است که به «گسیل القایی» ( Stimulated Emission) می‌گویند. در واقع نور تقویت شده (Light Amplification) حاصل از فرآیند تابش گسیل القایی (Stimulated Emission of Radiation) نور لیزر را تشکیل می‌دهد. کلمه «لیزر» (LASER) با کنار هم گذاشتن حرف اول دو عبارت فوق حاصل می‌شود.

6. نور تولید شده در قسمت پنجم نیاز به تقویت بیشتری دارد. این کار را با قرار دادن دو بازتابنده ابتدا و انتهای محیط فعال انجام می‌دهند. در واقع به مجموعه این سیستم کاواک می‌گویند که در آن فوتون‌ها با حرکت رفت و برگشت و بازتاب از بازتابنده‌ها تقویت می‌شوند. از آنجا که واژه آینه بیشتر تداعی کننده بازتاب نور مرئی است و از آنجا که یک لیزر ممکن است در فرکانس های مادون قرمز، فرابنفش یا حتی اشعه ایکس کار کند،‌ بهتر است که از کلمه بازتابنده به جای آینه استفاده کنیم. چرا که پدیده جذب و بازتاب تابعی از ضریب شکست و در نتیجه تابعی از طول موج است. شماره ۶ در شکل فوق بیانگر بازتابنده (آینه) ۱۰۰ درصد (تمام نور را بازتاب می‌کند) است.

7. برای اینکه نور تقویت شده حاصل از فرآیند گسیل القایی بتواند از کاواک خارج شود، نیاز است تا یکی از بازتابنده‌ها به مقدار جزئی نور را عبور دهد. معمولاً استفاده از بازتابنده (آینه) های 99~90 درصد برای این امر مناسب است.

نور عبور و خارج شده از بازتابنده جزئی می‌تواند توسط ادوات اپتیکی مناسب مثل لنزها و کوپلرها به محیط خارج هدایت یا به یک فیبر نوری مناسب کوپل شود.

شکل 109-  نمایی واضح‌تر از ساختار یک لیزر یاقوت قرمز

گسیل پرتوها توسط الکترون‌های برانگیخته

گسیل پرتوها که توسط الکترون‌های برانگیخته در اتم صورت می‌گیرد، به دو روش گسیل خودبه‌خودی و گسیل القایی امکان‌پذیر است:           

1) گسیل خودبه‌خودی:

تابش‌های لیزری، همانند تابش‌های هسته‌ای و رادیواکتیو خطرناک نیستند. البته از لحاظ توان می‌توانند برای چشم خطرناک و یا باعث سوختگی پوستی شوند. همانطور که پیشتر گفته شد، ماهیت تابش لیزری، تابش فوتون از الکترون‌های برانگیخته است و ارتباطی به هسته اتمی (پروتون و نوترون) ندارد. تابش لیزر، موجی الکترومغناطیسی بوده که بسته به فرکانسش در طیف الکترومغناطیسی همانند اشعه ایکس، فرابنفش، مرئی و مادون قرمز جای می‌گیرد.

به طور کلی سازوکار تابش خودبه‌خودی در تمامی منابع نوری مثل شمع، لامپ و حتی لیزر دخیل است. الکترون‌های یک جسم تحت تابش امواج، در واقع در برخورد با فوتون‌ها یا با افزایش دما و جذب انرژی گرماییِ، انرژی‌شان زیاد شده و به ترازهایی با انرژی بالاتر می‌روند. از آنجا که این وضعیت جدید ناپایدار است، الکترون‌ها تمایل دارند که انرژی‌شان را به صورت تابش فوتون از دست داده و به تراز‌هایی با انرژی کمتر گذار کنند. این اتفاق در مدت زمان خیلی کوتاهی رخ می‌دهد.

e1 و e2 را دو تراز متوالی یک اتم و دارای انرژی‌های E1 و E2 در نظر بگیرید و فرض کنید الکترونی در تراز e1 در حالت پایه خود قرار گرفته باشد. اگر به هر دلیلی این الکترون از تراز e1 به تراز بالاتر e2 برود، گفته می‌شود اتم تحریک شده یا در حالت برانگیخته قرار گرفته است. این حالت ناپایدار است و اتم تمایل دارد به سرعت به حالت پایدار خود بازگردد؛ به همین دلیل الکترون بلافاصله به حالت قبلی در تراز e1 باز خواهد گشت. به علت وجود اختلاف انرژی E2-E1 بین این دو تراز و بنا بر اصل پایستگی انرژی، انرژی اضافی الکترون در حین بازگشت به تراز اول به صورت تابش با فرکانس ʋ گسیل می‌شود. این فرآیند را گسیل خودبه‌خودی می‌نامند.

شکل 109- تابش یک لامپ معمولی بر اساس مکانیزم «گسیل خودبه‌خودی»

در فرآیند تابش خودبه‌خودی، فوتون‌های حاصل از یک منبع نوری معمولی با یکدیگر از حیث فرکانس و فاز متفاوت‌اند. دلیل این امر گذارهای متفاوت الکترون‌‌ها به تراز‌های مختلف است. لذا نور حاصل را «سفید»، یعنی نوری شامل همه فرکانس‌ها می‌نامند. همچنین نور تابش شده جهت خاصی نداشته و به صورت تصادفی در همه جهات منتشر می‌شود.

2) گسیل القایی:

اگر الکترونی در تراز E2 در حالت پایه خود قرار داشته باشد و اتم با استفاده از فوتونی با انرژی  E2-E1=hʋ تحریک شود، در اثر این القا الکترون تراز E2 را ترک کرده و به تراز E1 می‌رود. حین این انتقال فوتون انرژی تابشی آزاد می‌کند. فوتون برهم کنش‌کننده اولیه نیز بدون تغییر مسیر خود را ادامه می‌دهد. این حالت گسیل القایی نامیده شده و خروجی دو فوتون هم فاز خواهد بود.

به عبارت دیگر اکثر اتم‌های یک محیط، تعداد الکترون‌های بیشتری در حالت پایه نسبت به حالت برانگیخته دارند. دلیل اینکه در شرایط عادی مواد تابش خودبه‌خودی ندارند (البته در ناحیه مرئی) نیز همین است. حال فرض کنید که بتوانیم با اعمال انرژی کافی (اصطلاحاً پمپ کردن انرژی) الکترون‌ها را به تراز برانگیخته ببریم. حال فرض کنید که مقدار انرژی به قدری باشد که بتوانیم این الکترون‌های برانگیخته را قبل از تابش خود‌به‌خودی و برگشت به حالت پایه یا ترازهایی با انرژی کمتر، برای مدتی در آن حالت برانگیخته نگه داریم. اصطلاحاً به این تراز «شبه پایدار» (Meta-Stable State) می‌گویند.

حال اگر فوتونی که انرژیش برابر با اختلاف انرژی دو تراز برانگیخته و پایه باشد به محیط فعال (محیط بهره) بتابد و با الکترون برخورد کند، باعث می‌شود که الکترون فوتونی با همان انرژی تابش و به حالت پایه باز گردد. به این امر تابش القایی می‌گویند.

شکل 109- شماتیکی از فرآیندهای جذب، گسیل خودبه‌خودی و گسیل القایی»

در این صورت دو فوتون (یکی فوتون اولیه تابش شده و دومی فوتون تابش شده از الکترون) در محیط داریم که در واقع نور تقویت شده محسوب می‌شود. هر کدام از این فوتون‌ها می‌توانند با برخورد به دیگر الکترون‌های برانگیخته فوتون دیگری تولید کنند. در انتهای این امر تعداد زیادی از فوتون‌های هم‌فرکانس داریم که در داخل محیطی موسوم به کاواک پر‌شدت‌تر شده و باریکه‌ پرانرژی و همدوس لیزر با پهنای فرکانسی کم را تشکیل می‌دهند.

خواص اشعه لیزر

همانند نور اجزاء تشکیل‌دهنده اشعه لیزر نیز فوتون‌ها هستند. ولی سه ویژگی مهم لیزر آن را از نور معمولی متمایز می‌سازد. این سه خاصیت عبارتند از:

• تک فامی (Monochromatic)
• هم راستایی (Collimated)
• همدوسی (Coherent)

· تک فامی (Monochromatic)

نور لیزر فقط دارای یک طول موج و یا به عبارت دیگر یک تک‌رنگ است که این ویژگی را خاصیت تک فامی نور لیزر می‌نامند. برای تولید نور تک رنگ کافی است منبع تولید اشعه لیزر با یک فرکانس مشخص تحریک شود تا نور لیزر در همان فرکانس تولید شود.

·هم راستایی (Collimated)

اشعه لیزر معمولاً به صورت اشعه کاملاً موازی و باریکی تولید می‌شود که قادر است مسافت‌های طولانی را با پراکندگی بسیار کم طی کند. به منظور ایجاد نور باریک لیزر در محفظه مولد اشعه لیزر آینه‌های خاصی به کار برده می‌شوند که باعث می‌شوند راستاهای مختلف اشعه بازتابش پیدا نموده و از مسیر مشخصی و به طور موازی خارج شوند.

· همدوسی (Coherence)

خاصیت همدوسی در نور لیزر بدین معناست که امواج تولید شده نور لیزر کاملاً هماهنگ با یکدیگر در زمان و مکان حرکت کرده و یا به عبارت دیگر هم فاز هستند.

· دانسیته توان لیزر

به طور معمول قطر پرتو خروجی لیزر از محفظه به قدری بزرگ و گسترده است که توان کافی جهت بهره‌وری درمانی ندارد. برای این منظور این پرتو از یک عدسی همگرا عبور داده می‌شود تا قطر آن کاهش و شدت و انرژی افزایش یابند. شدت پرتو با عنوان چگالی توان (Pd) یا درخشندگی (E) نیز خوانده می‌شود. چگالی توان را می‌توان به صورت میزان انرژی رسیده به واحد سطح بافت تعریف نمود. واحد اندازه‌گیری چگالی توان، وات بر واحد قطر پرتو است. بنابراین با مجذور سطح مقطع پرتو لیزر، رابطه عکس دارد.

Pd = 100w/d²

W بیانگر واحد توان لیزر (برحسب وات) و d واحد قطر (برحسب cm²) می‌باشند.

پرتوهای عریض و غیر متمرکز، برای میزان توان مشخص، قدرت کمتر نفوذ داشته و اغلب جهت کاربردهایی مانند لایه‌برداری پوست، تبخیر بافتی و انعقاد عروق خونی به کار گرفته می‌شوند. اما یک پرتو متمرکز (فوکوس شده)، قابلیت نفوذ به عمق بیشتری از بافت را داشته و بیشتر برای برش ظریف و حذف حجمی بافت سودمند است.

·Fluency (جریان لیزر)

بازه زمانی تابش لیزر جهت تعیین دقیق کل میزان انرژی رسیده به بافت، از اهمیت برخوردار است. تابش طولانی لیزر به بافت موجب تخریب بافتی می‌شود و مدت زمان کوتاه تابش، باعث می‌شود اثر درمانی لیزر ظاهر نشود. به میزان کل انرژی، دوز گفته می‌شود. دوز دریافتی لیزر برابر است با چگالی توان در زمان تابش.

Fluency = Pd(t) = J/A 

 Jواحد انرژی بر حسب ژول

A واحد قطر پرتو به سانتیمتر مربع

· طول موج

نحوه و میزان تأثیر نور بر روی پوست، به طول موج آن بستگی دارد. محدوده ماورا بنفش طیف نور (400-100 نانومتر) توسط چشم انسان غیرقابل رویت می‌باشد و مشخص شده که دارای اثرات مخربی همچون قرمزی، تجمع رنگدانه‌ها و سرطان پوستی است. انرژی نور در طیف مرئی( 700-380 نانومتر)  معمولاً بی‌خطر شناخته می‌شود اما اگر با شدت بالا تابیده شود ممکن است پوست بر اثر پدیده جذب، دچار آسیب حرارتی گردد. قسمت مادون قرمز (3000- 780 نانومتر) نیز محدوده‌ای غیرقابل رویت است و در درمان ضایعات پوستی و شبکیه مورد استفاده قرار می‌گیرد. اثر نور در قسمت مادون قرمز میانه و دور (1000-3 میکرون) عمدتاً به لایه‌های سطحی پوست محدود می‌شود.

میزان جذب و اثر حرارتی لیزر روی پوست بسته به میزان و نوع کروموفور (جاذب پیگمان) بافت در معرض تابش، متفاوت است. کروموفورهای مختلف ضریب جذب متفاوت دارند. میزان جذب انرژی در یک طول موج مشخص توسط کروموفور، ضریب جذب کروموفور نامیده می‌شود. نور لیزر به واسطه خاصیت تک رنگی و پهنای باند نوری باریک، قادر است به صورت انتخابی کروموفورهای بافتی را جهت درمان هدف‌گیری کند