LASER in njegova uporaba

VSEBINA:

Razvoj LASER-ja

Kaj LASER sploh je?

Kako LASER deluje?

Lastnosti in vrste LASER-jev:

-Rubinski LASER

-He-Ne LASER

-Injekcijski LASER

Uporaba LASER-ja:

-V industriji

-V gradbeništvu

-Merjenje z LASER-ji

-LASER v medicini

-LASER v vojni

Prihodnost LASER-ja

Literatura in povezave na spletnih straneh

 


Korenine LASER-ja segajo v leto 1917, ko je eden najbolj znanih fizikov Albert Einstein postavil potreben in hkrati nujen pogoj za stimulirano emisijo. Do prvega praktičnega primera pa je prišlo šele desetletja pozneje.

Leta 1954 so Townes (ZDA), Bassov in Prokorov (Rusija) predstavili napravo, ki oddaja ojačano mikrovalovno sevanje in jo poimenovali MASER (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation), za katero so leta 1964 prejeli tudi Nobelovo nagrado za fiziko. Že štiri leta kasneje sta Townes in Schawlow (oba zaposlena kot raziskovalca v BELL-ovih laboratorijih) postavila pogoje za vidno lasersko svetlobo in končno je leta 1960 Theodore H. Maiman predstavil prvi pravi LASER, ki je uporabljal rubinov kristal in je oddajal kratke bliske rdeče svetlobe.

Laser je kmalu po svojem rojstvu postal nepogrešljivo orodje v celi vrsti različnih področij. Uporablja se za vrtanje lukenj v diamante, za opravljanje občutljivih operacij, za natančno določevanje razdalj zaznavanje najmanjših premikov, za zapisovanje podatkov,... Človeštvo tudi v prihodnosti računa na uporabo LASER-ja kar se kaže predvsem pri izdelavi tridimenzionalne televizije-holografija in morda celo v izkoriščanju skoraj neizčrpnega vira energije – zlivanje lahkih atomskih jeder.

 


 

LASER je kratica za Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation kar pomeni ojačevanje svetlobe s stimulirano emisijo sevanja. Pravimo mu tudi kvantni izvir koherentne svetlobe.

Laser je naprava v kateri nakopičimo energijo, ki se potem v trenutku sprosti v zelo močnem svetlobnem curku. Sestavljen je iz treh osnovnih delov:

- sredice oz. medija, ki je kristal ali cev s tekočino ali plinom, kamor dovajamo energijo,

- napajalno napravo, ki lahko proizvaja močne bliske svetlobe ali močne radijske valove (npr. bliskavica),

- resonatorja , ki ustvarja stoječe elektromagnetno valovanje in natančno usmeritev laserskega curka (ponavadi dve vzporedni zrcali, eno nepropustno, drugo pa pol propustno).

 

 

 

 


Atomi oz. elektroni se lahko nahajajo v različnih energijskih nivojih. Iz enega v drug energijski nivo lahko prehajajo na tri načine:

    1. z absorpcijo, t.j. atom preide v višje stanje tako, da absorbira foton,
    2. s spontano emisijo svetlobe, t.j. atom sam od sebe preide iz višjega energijskega stanja (E2) nižje energijsko stanje (E1) in pri tem odda foton,
    3. s stimulirano emisijo svetlobe, t.j. atom z (E2) zadane foton, ki povzroči, da atom preide v nižje energetsko stanje (E1) in pri tem odda dodaten foton.

   

 

Za delovanje laserja je potrebno veliko število fotonov ter v višjem stanju mora biti več atomov kot v nižjem.

Snov ,iz katere je narejen medij, ima lastnost da se atomi vzbudijo iz osnovnega energijskega stanja (E1) v višje energijsko stanje (E2), če jih obsevamo z elektromagnetnim valovanjem s frekvenco n 12=(E2 - E1)/h oz., da jih vzbudimo s fotoni z energijo E=n 12×h=(E2 - E1) kjer je h Planckova konstanta, ki zanaša 6,63×10-34 Js.

Torej atomi v mediju absorbirajo fotone in se vzbudijo v višje energetsko stanje (E2). Tako vzbujeni atomi pa se že po kratkem času zopet vrnejo v osnovno energijsko stanje (E1) in oddajo foton (spontana emisija). V tem primeru je število atomov v višjem energetskem stanju (E2) manj kot atomov v nižjem energetskem stanju (E1), zato je stopnja absorpcije večja od stopnje stimulirane emisije in ne dobimo laserske svetlobe.

Normalno je vsaka snov v termičnem ravnovesju, zato je število atomov v nižjem energijskem stanju večje od števila atomov v višjem en. stanju. Pojavu, kjer je to ravno obratno, pravimo inverzija.

 

Če atome obsevamo s fotoni energije E=n 13×h=(E3 - E1), bo veliko atomov prešlo v še višje energetsko stanje (E3) od koder se bodo takoj vrnili v nižje en. stanje (E2) in oddali foton (spontana emisija). V tem primeru je več atomov v višjem energetskem stanju (E2) kot atomov v nižjem energetskem stanju (E1), nastala je inverzija. V takšni “aktivni” snovi pa je lahko stimulirana emisija močnejša od absorpcije, število fotonov z energijo E=n 12×h pa se poveča. To je primer trinivojskega laserja. Energijskih nivojev pa je lahko tudi več, odvisno od vrste laserja.

 

 

Fotoni, ki se pod vplivom vzbujevalnega sevanja sproščajo v smeri pravokotno na med seboj vzporedni zrcali se od zrcal odbijajo in lahko generirajo nove fotone. Vsi ti fotoni potujejo v isti smeri in so v fazi. Iz tega ugotovimo, da je laserska svetloba sestavljena iz valovanj enake valovne dolžine (razlika je največ 10 -14 m), zato ji pravimo koherentna svetloba. Ker so fotoni v fazi, se med seboj okrepijo (interferenca) in nastala svetloba je zelo močna.

 

1. Vzbujanje (prvi izbruh svetlobe)

 

 

 2. Ojačenje (odboj v obe smeri)

 

 

 3. Izhod močne svetlobe – laserskega žarka.

 

 

 


Laserji lahko oddajajo kontinuiran snop svetlobe ali pa oddajajo svetlobo pulzno.

Moči kontinuiranih laserjev segajo od manj kot 1 mW do približno 20 kW pri komercialnih in do več kot 1 MW pri posebnih vojaških laserjih. Pulzni laserji lahko za kratek čas dosežejo bistveno večje moči, povprečna moč pa je primerljiva z močmi kontinuiranih laserjev. Pulzni laser, ki ga uporabljajo za proučevanje fuzije, ima npr. moč 1014 W, a traja pulz le 3 ns.

Laserji so pri spreminjanju vstopne energije v lasersko svetlobo relativno neučinkoviti. Njihov izkoristek se giblje od 0.01% do 20%. Zaradi tako majhnega izkoristka pa je dostikrat potrebno laserje hladiti.

Značilnost laserske svetlobe je zelo ozek svetlobni curek in koherentna svetloba velike energije. Kot pod katerim se laserski žarek širi znaša približno 1mrad, to pomeni, da se na razdalji 1 km curek razširi na 1m.

 

a) Dnevna svetloba (vsak delec niha s svojo frekvenco – nekoherentna svetloba)

b) Laserska svetloba (vsi delci nihajo z enako frekvenco in so v fazi – koherentna svetloba)

 

 

 Laserska snov je lahko trdna, tekoča ali plinasta. Od trdnih je najbolj v uporabi rubinov kristal od plinskih pa je najbolj znan He-Ne laser.

Rubinski laser:

Rubinski laser je primer trinivojskega laserja, ki uporablja za medij umetnegi kristal rubina. Rubin je aluminijev oksid (Al2O3) s primesjo kroma (Cr3+). Zaradi prisotnosti kroma je rubin rožnate ali rdeče barve. Prehodi potekajo med različnimi nivoji kromovih ionov, ki se vgradijo v kristalno mrežo.

 

 

Paličico rubina (premer 3-25 mm, dolžina do 20 cm) obdamo s ksenonovo bliskavico. Iz osnovnega nivoja vzbujamo atome v enega od dveh energijskih pasov s svetlobo z valovno dolžino približno 400 nm (vijolična) ali 550 nm(zelena), ki jo kristal močno absorbira. Tako vzbujanje z absorpcijo svetlobe imenujemo optično črpanje. Iz širokih energijskih pasov prehajajo atomi v par metastabilnih stanj, kjer preživijo okrog 3 ms. S stimulirano emisijo dobimo svetlobo z valovno dolžino 694.3 nm.

 

 

 

 

Prvi rubinski laserji so imeli posrebreni osnovni ploskvi valjaste paličice, danes pa ponavadi uporabijo ločeni zrcali, od katerih eno svetlobo povsem odbije, drugo zrcalo pa delno prepusti.

Helijsko-neonski (He-Ne) laser:

Aktivni medij v He-Ne laserju je mešanica helija in neona pri tlaku okrog 1 mbar, v kateri je pet do desetkrat več helija kot neona. Mešanica plina je zaprta v cevki, ki je omejena z zrcaloma. Razmik med zrcaloma je enak celemu večkratniku polovične valovne dolžine svetlobe, ki jo seva laser. Zaradi trkov z elektroni (1), ki jih pospešimo z električnim poljem (2), preidejo atomi helija (3) v vzbujena stanja. Atomi helija ob trku z atomi neona(4) predajo večino energije slednjim. Pri trku atomi neona preidejo iz osnovnega stanja v vzbujeno stanje z energijo 20.66 eV (to je energijska razlika med osnovnim in omenjenim vzbujenim stanjem, kjer je 1eV=1.6 10-19 J). Pri tem uporabimo helij za doseganje inverzne populacije neonovih atomov. Iz metastabilnega stanja pri 20.66 eV preidejo atomi neona v stanje pri 18.70 eV (stimulirana emisija), pri čemer oddajo foton z valovno dolžino 632.8 nm. He-Ne laser je štirinivojski in deluje zvezno.

 

Injekcijski laser:

Injekcijski laser je posebna vrsta trdnega laserja. Osnova injekcijskega laserja je pojav, da se pri polprevodniških diodah pod posebnimi pogoji pojavijo v mejni plasti elektronski prehodi, ki oddajajo koherentno svetlobno delovanje. Laserski efekt je odvisen od toka, ki teče skozi mejne plasti in sestave polprevodniški diod. Laserski efekt je najmočnejši pri mešanih kristalih 3. in 5. skupine periodnega sistema elementov (npr. GaAs, InP, InSb).

 

Efekt nastane v mejni plasti med dvema deloma kristala z različnima prevodnostma. V enem delu skrbijo za električno prevodnost kvaziprosti elektroni (n), v drugem pa je električna prevodnost posledica pomanjkanje elektronov (p). Mesta, kjer manjka elektron, imenujemo vrzel, pri prevajanju električnega toka pa govorimo o prevajanju z vrzelmi. Mejno ploskev med deloma p in n imenujemo pn-spoj.

 

 

 

 

 

Laserski žarek je posledica združevanja (rekombinacije) elektronov iz n – področja in vrzeli iz p – področja (glej sliko).

Ko iz zunanjega vira napetosti spustimo tok skozi diodi, se znatno zveča število elektronov, ki imajo večjo potencialno energijo. To energijo pa oddajajo delno pri združevanju v obliki fotonov delno pa jo oddajo v obliki toplote.

 

 

Laserski efekt še znatno ojačimo z zrcali, kjer je zadnje zrcalo nepropustno prednje pa polpropustno, tako da ojačena koherentna laserska svetloba lahko izstopa le v eni smeri.


 

Laserji v industriji:

 Najmočnejši industrijski laserji proizvajajo komaj kaj več energije kot grelna plošča običajnega električnega štedilnika. Razlika je le v tem, da pri laserju vso energijo zberemo v eni majhni točki, ki je manjša od pike na koncu tega stavka. Tolikšna koncentracija energije pa zadošča za segrevanje kovin do temperature, pri kateri skoraj v trenutku izparijo.

 

 

 

Laserji v gradbeništvu:

Laserski žarki so zelo ravni zato se veliko uporabljajo v gradbeništvu za določanje lege objektov. Majhni prenosni laserji so zelo primerni za natančno vodenje in nadzorovanje gradnje velikih zgradb, polaganje cevovodov ter gradnjo mostov in predorov.

 Merjenje z laserji:

Laser je lahko tudi izjemno natančna merilna priprava. Pri merjenju velikih razdalj, na primer razdalje med Zemljo in Luno, je način zelo enostaven. Astronavti Apolla 11 so med odpravo leta 1969 pustili na Luni ogledalo, ki je bilo sestavljeno iz 100 steklenih kock. Preden je za svinčnik debel laser prišel do meseca se je razširil po 3km široki ploskvi. Del žarka se je odbil nazaj na zemljo in tako so glede na čas potovanja žarka od Zemlje do Lune in nazaj izračunali razdaljo med planetoma.

 

 

Primer merjenja z laserji je tudi merjenje premikov v zemeljski skorji. Z zemlje oddajamo laserske impulze kateri se odbijajo od satelita v natančno določeni orbiti, iz njihovega odboja pa lahko izmerimo premike.

 

 

 

V meteorologiji zaznavajo z laserskimi žarki nevidne zračne plasti in njihove premike kakor tudi oblake, uspešni pa so tudi pri proučevanju onesnaženosti zraka.

Laserji v medicini:

 

Medicina je bila eno prvih področij uporabe laserja. Zaradi izredne natančnosti in natančno določene energije, je laser postal nepogrešljiv pri raznih operacijah. Nam najbolj znane so izžiganje obolelega tkiva (rak) pri čemer niti najmanj ne poškodujemo zdrave okolice, vrtanje zob brez vsake bolečine ter v očesni kirurgiji, kjer mrežnico, ki je odstopila z zadnje očesne stene, z laserskim žarkom privarimo nazaj.

 

 

 

 

 

 

Laserji v vojni:

Vse več se laser uporablja v vojni. Uporabljajo ga za hitro določanje razdalj z laserskimi daljinomeri, ki delujejo po istem principu kot merjenje razdalje med Zemljo in Luno. Podoben vendar mnogo bolj zapleten sistem uporabljajo bojna letala za avtomatsko merjenje višine. Laser tudi zelo olajša vodenje raket, katere zaznavajo razpršene laserske žarke, ki se odbijajo od označenega cilja. Za idejo, da bi bil laser sam orožje (kot npr. v filmu Vojna zvezd), bo pa morala laserska tehnologija prehoditi še dolgo pot.

 

 

 

 

 

 

 


 

 

Ena najbolj presenetljivih stvari, ki jih je laser omogočil je HOLOGRAFIJA, ki omogoča izdelavo tridimenzionalnih slik. S pomočjo holografije bodo morda nekega dne naredili barvni 3D film in televizijo.

 

 

 

 

Drugo področje, kjer se bo laser vse več uporabljal so KOMUNIKACIJE. Drobni in gibki kabli, ki jim pravimo optična vlakna, lahko prenašajo lasersko svetlobo na zelo velike razdalje. Svetloba se odbija od notranjih sten optičnega vlakna in prenaša informacije. Telefonska omrežja prenašajo mnogo več informacij kot tista z navadnimi električnimi kabli.

 

Tretje področje, kjer lahko prinese uporaba laserja velik napredek je pri ZLITJU ATOMSKIH JEDER. Ta reakcija poteka v zvezdah in vodikovih bombah. Za zlitje jeder je potrebna visoka temperatura, ki jo lahko zagotovimo z laserjem. Z laserjem segrejemo vodik na več milijonov stopinj, pri čemer se spremeni v helij, pri tem pa odda ogromno količino energije. Enak proces poteka v Soncu kar pomeni, da bi si lahko zagotovili praktično neizčrpen vir energije.

 

 

 

Vse pogostejša je uporaba laserja na raznih koncertih glasbenih skupin ali v disco klubih kot laserski “light show”. Ti laserji so zelo šibki, vendar je vseeno potrebno poskrbeti, da občinstvo ne sveti v oči. Laser lahko vsak dan vidimo v trgovinah in knjižnicah, kjer jih uporabljajo za branje t.i. “črtnih kod”, uporablja se tudi v šolah ter na predstavitvah (“laser pointer”). Danes lahko najmanjši laser kupimo že za nekaj tisoč tolarjev, dočim se za močne laserje cena dvigne do vrtoglavih višin.


Literatura:

Mladinska knjiga: Velika ilustrirana enciklopedija: ZNANOST, (1983)

Tehniška založba Slovenije: Kako deluje? – SODOBNA TEHNIKA II, (1991)

Aladdin Books Ltd.: Robin McKie : LASERS (1987)

Internet:

V slovenščini:

- KVARKADABRA

V angleščini:

- Bell laboratories

- James Burke home page

 


Izdelal:

Ćetković Goran

Fakulteta za gradbeništvo in geodezijo, Ljubljana

April 1999