Születésnap - 50 éves a lézer

Az idén (2010-ben) ötven éves a lézer.
Erre a születésnapra én is készültem egy kis "ajándékkal".
Egyrészt megpróbálom összeszedni mindazt ami lexikonomban megtalálható ezzel kapcsolatban és persze szeretném egy kicsit kiegészíteni néhány érdekesebb információval.

Ez alatt az ötven év alatt a lézer használata annyira elterjedt, hogy már teljesen természetesnek tekintjük jelenlétét a DVD játszóktól az optikai információtovábbításon és a koncertek látvány effektusain át egészen a katonai alkalmazásokig. (Egész biztosan szerepet kap a lézer ennek az információnak a továbbításában is a gépemről a szolgáltatóhoz és onnan a látogatóimhoz.)

Történet

A lézer működésének alapja egy 1917-ben Einstein által elméleti meggondolások alapján megjósolt jelenség, amely lehetővé teszi fotonok sokszorozását.
A folyamat során a megfelelően választott optikai erősítő közeg a gerjesztő foton elnyelődésére úgy reagál, hogy két, a gerjesztő fotonnal azonos hullámhosszúságú, rezgési fázisú és rezgési síkú fotont sugároz ki, melyek terjedési iránya megegyezik a gerjesztő fotonéval.

Charles Townes, Nikolay Basov és Aleksandr Prokhorov a kvantumelektronika területén végzett munkájukért - ami a lézerelven működő oszcillátorok és erősítők létrehozásához vezetett - Nobel-díjat kaptak.

Az első működőképes lézert, Theodore Maiman 1960. május 16-án mutatta be ami óriási előrelépés volt, de a tudós nem kapott érte Nobel-díjat, noha kétszer is jelölték.

Működés

A lézer a fényforrások egy speciális típusa.
Neve, az angol laser betűszó a Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (magyarul a fénykibocsátás indukált emisszióval) kifejezés rövidítése, ami a lézerfény létrejöttének sajátos körülményeire utal.

Az 1960-ban kifejlesztett első lézer prototípus anyaga, amelyben a lézereffektus lejátszódott, rubinkristály volt (Cr₂O₃ -mal szennyezett Al₂O₃ kristály, amely rendelkezik a megfelelő metastabil energiaszinttel), gerjesztésként pedig egy villanólámpa fényét használta.
A rubinkristály két végére féligáteresztő, illetve egy nagy visszaverő-képességű tükörréteget párologtattak.

Amikor a villanólámpa gerjeszti a rubinkristály atomjait, és létrejön az a nagyon jól meghatározott energiájú (a metastabil állapot és az alapállapot különbségének megfelelő) fény, amely a lézerfény kibocsátását elindítja, az először a kristály két végéről sokszor visszaverődve ide-oda cikázik a kristály tengelye mentén. Mivel a rubin oldalán nincsen tükör, a sokszori visszaverődés miatt csak azok a sugarak maradnak meg a rendszerben, amelyek szigorúan párhuzamosak a kristály hossztengelyével.
Amikor a fény energiája meghaladja azt a mértéket, amely már ki tud lépni a féligáteresztő tükrön, a lézer világítani kezd. (A fenti animáción ez a folyamat látható.)
A két tükör, vagyis voltaképpen az elrendezés geometriája miatt a kilépő fény már nagyon párhuzamos nyalábokból áll, a sugár széttartása (divergenciája) elhanyagolhatóan kicsi.

Végül erőteljes, vörös színű lézersugár lép át a féligáteresztő tükrön.

A lézerek hatásfoka elég alacsony, de mivel a kijövő energia nagyon keskeny nyalábba koncentrálódik, abban a kis térrészben az energialeadás jelentős lehet. Különösen érvényes ez az impulzus üzemmódú lézerekre, amelyek nem folytonosan világítanak, hanem nagyon rövid ideig, ezért nagy teljesítményű impulzusokat bocsátanak ki.
Ma már nagyon sokfajta (gáz-, festék-, félvezető- stb.) lézert alkalmaznak.

A lézerek jellemző tulajdonságai:
- fényük nagyon monokromatikus (egyszínű).
- a létrejött fény koherens, nagy úthossz-különbségek esetén is alkalmas interferencia létrehozására
- a lézernyaláb keskeny és nagyon kis széttartású nyaláb (jól szemléltethető vele a fénysugár).
- energiájuk kis térrészben koncentrálódik, impulzus üzemmód esetén nagyon rövid időtartamban, vagyis a lézerfény teljesítménysűrűsége (E/At) a megszokott fényforrásokénak sokszorosa lehet.

Fajtái

A lézereket a közeg alapján nevezik el, amelyben a lézerhatás kialakul.
Ennek megfelelően léteznek:

Szilárdtest lézerek

Olyan lézerek, amelyekben a lézerhatás szilárd halmazállapotú közegben jön létre.
Aktív anyaguk szigetelő típusú kristály vagy üveg. A lézerátmenet többnyire a szennyező ion egy átmenete.

Az első sziárdtest lézer egy rubinlézer (a képen) volt 1960-ban.
Gerjesztése villanó lámpával lehetséges. Szokásos működtetése impulzus üzemben történik.

A sziárdtest lézerek közé tartoznak a félvezető lézerek is (lásd lentebb).

Gázlézerek

A gázlézerekben a lézerhatás gáz halmazállapotú közegben, kis nyomású gázban vagy gázkeverékben jön létre.
Jóval nagyobbak a sziárdtest lézernél, mivel a gáz sokkal ritkább közeg.
A gerjesztést elektromos energiával, például gázkisüléssel valósítják meg.

A képen egy hélium-neon lézer látható

Festéklézerek

A koncerteken és lézershowkban előszeretettel alkalmaznak festéklézereket vagy más néven hangolható lézereket, amelyben a lézeranyag szerves festékoldat.
A festékanyag kémiai összetételének apró változtatásával vagy - a festékek különlegesen széles abszorbciós és emissziós spektrumát kihasználva - a rezonátorba helyezett optikai eszközök segítségével gyakorlatilag bármilyen frekvenciájú (színű) lézersugár előállítható.

Félvezető lézerek

A félvezető (pl. szennyezett gallium-arzenid) pn-átmenetén átfolyó áram teszi lehetővé a lézerműködést.
Az eszköz két párhuzamos tükör között, azokra merőlegesen elhelyezett félvezető-átmenetből áll.

A kereskedelemben kapható lézerdiódák.

Az optikai információátvitelnél, a CD-lemezjátszókban, vagy például a "lézermutatókban" ilyen, kis méretű infravörös vagy más hullámhosszúságú fényt kibocsátó félvezető lézereket alkalmaznak. Ezek speciális szilárdtest-elektronikai eszközök.

Vegyi lézerek

A vegyi lézerekben egy kémiai reakció állítja elő a lézer működéséhez szükséges energiát.
A szén-dioxidot, hidrogént és fluort tartalmazó lézerben pl. a szén-dioxidban létrejövő lézerhatás energiaszükségletét az fedezi, hogy a hidrogén reakcióba lép a fluorral, miközben hidrogén-fluorid keletkezik.
Léteznek több mint 10⁶ W energiájú vegyi lézerek.

Egy nagy teljesítményű katonai célú vegyi lézer

Alkalmazás

- A lézerfény kiválóan alkalmas interferencián alapuló jelenségek létrehozására, interferenciás mérések végrehajtására, hologramok készítésére.

Hologramot rögzítő berendezés
A fehér és kék színnel jelölt sugármenetek hologram készítésére szolgának
A pirossal jelöltek a Michelson féle inteferométeres elrendezést mutatják

- Intenzív, vékony, világosban is jól látható nyalábja miatt "mutatópálcának" is alkalmazzák. (A "nyitóképen" egy ilyen "lézermutató" fénye látható egy prizmán.)
- Kis térrészre koncentrálódó nagy energiája miatt alkalmas különböző anyagok megmunkálására pl. nagyon apró furatok, bemarások készítésére. (Így készítik például a tintasugaras nyomtatók fuvókáit.)
A képen lézersugárral hajszálba maratott betük láthatók.
- Gyógyászati alkalmazásokra is felhasználható, pl. vesekövek szétzúzására.
- A lézerek az információ továbbításában, leolvasásában is fontos szerepet játszhatnak, például vonalkódok, CD-olvasás (működési elve az alábbi animáción látható), optikai információtovábbítás, stb.

A sima (sík) felületről a lézersugár a síktükörre érvényes törvényszerűségek alapján verődik vissza. A kiálló (vagy bemélyedő) gödröcskékről nem. Ez az eltérés teszi lehetővé a jeltárolást, kiolvasást.
(Az egyszerű, olcsó félvezető lézerek jóvoltából, már szinte minden háztartásban található lézer a DVD játszókban.)

- Egy különleges alkalmazása a lézerhűtés, ezzel érték el az eddigi legalacsonyabb hőmérsékletet (mindössze 200 milliárdod kelvin fokot).

- Természetesen a katonai felhasználás sem maradhat el.
A Pentagon tizennégy éve kísérletezik a nagy energiájú lézerekkel, amelyekkel távolról lelőhetnék az Egyesült Államokat fenyegető rakétákat.
A 2010 februárjában elvégzett kísérlet során simán lelőtték a rakétát, de a védelmi rendszer hatótávolsága még csupán 135 kilométer, és 200 kilométer lenne elfogadható.

- A világ legerősebb lézerrendszere, a 12 év alatt felépített National Ignition Facility egyetlen pontba fókuszál 192 lézersugarat, amivel a hidrogén két izotópjára, a tríciumra és a deutériumra tüzelnek majd.
Ezzel magfúziót akarnak létrehozni, amivel talán megoldódnak az energiagondok a jövőben.

Persze az itt felsoroltakon kívül még számtalan alkalmazási lehetőség létezik és egyre újabbakat fejlesztenek ki. Az elmúlt ötven évben a lézer igazán jelentő karriert futott be.

Felhasznált irodalom