Laserit

Miten laserit tuottavat valoa?

Jos et halua tietää lasereista enempää, voit lopettaa lukemisen tähän tai siirtyä alempana sivulla oleviin lasertyyppeihin.Tässä osiossa käydään läpi samat kohdat yllä olevasta laatikosta hieman yksityiskohtaisemmin ja ”teoreettisemmin”.

Kirjoissa lukee usein, että ”laser” tarkoittaa sanaa ”valon vahvistaminen stimuloidun säteilyn emissioinnin avulla”. Se on monimutkainen ja hämmentävä suusana, mutta jos sen hitaasti purkaa, se on itse asiassa hyvin selkeä selitys siitä, miten laserit tuottavat supertehokkaita valonsäteitään.

Spontaani emissio

Aloitetaan laserissa esiintyvästä ”R:stä”: säteilystä.Lasereiden tuottamalla säteilyllä ei ole mitään tekemistä vaarallisen radioaktiivisuuden kanssa, eli sen aineen kanssa, joka saa Geiger-laskurit naksahtamaan, ja jota atomit sylkevät ulos, kun ne särkyvät toisiinsa kasaantuessaan tai hajotessaan. Laserit tuottavat sähkömagneettista säteilyä, aivan kuten tavallinen valo, radioaallot, röntgensäteet ja infrapuna. Vaikka sitä tuottavat edelleen atomit, ne tuottavat (”säteilevät”) sitä täysin eri tavalla, kun elektronit hyppivät atomien sisällä ylös ja alas. Voimme ajatella, että atomien elektronit istuvat energiatasoilla, jotka ovat vähän kuin tikapuiden askelmat. Tavallisesti elektronit istuvat alimmalla mahdollisella tasolla, jota kutsutaan atomin perustilaksi. Jos ammutaan juuri oikea määrä energiaa, elektroni voidaan siirtää tasoa ylemmäs, ”tikapuiden” seuraavalle askelmalle. Tätä kutsutaan absorptioksi, ja uudessa tilassaan atomi on innostunut, mutta se on myös epävakaa. Se palaa hyvin nopeasti takaisin perustilaan luovuttamalla absorboimansa energian fotonina (valohiukkasena). Kutsumme tätä prosessia spontaaniksi säteilyemissioksi: atomi luovuttaa valoa (emittoi säteilyä) itsestään (spontaanisti).

Kuva: Kynttilöistä hehkulamppuihin ja tulikärpäsistä taskulamppuihin, kaikki perinteiset valon muodot toimivat spontaanin emissioprosessin kautta. Kynttilässä palaminen (hapen ja polttoaineen, tässä tapauksessa vahan, välinen kemiallinen reaktio) kiihdyttää atomeja ja tekee niistä epävakaita. Ne säteilevät valoa, kun ne palaavat alkuperäiseen (perustilaansa). Jokainen fotoni, joka syntyy spontaanista emissiosta kynttilän liekissä, eroaa kaikista muista fotoneista, minkä vuoksi valossa on eri aallonpituuksien (ja värien) sekoitus, joka muodostaa ”valkoisen” valon. Fotonit lähtevät satunnaisiin suuntiin, aaltoina, jotka eivät ole samassa tahdissa toistensa kanssa (”poissa vaiheesta”), minkä vuoksi kynttilänvalo on paljon heikompaa kuin laservalo.

Stimuloitu emissio

Normaalisti tyypillisessä joukossa atomeja on enemmän elektroneja perustiloissaan kuin kiihdytetyissä olotiloissaan, mikä on eräs syy siihen, miksi atomit eivät spontaanisti säteile valoa.Entäpäpäs, jos kiihdytettäisiin nuo atomit-pumppaisimme ne täyteen energiaa, niin että niiden elektronit olisivatkin kiihdytetyissä tiloissa. Tällöin kiihdytettyjen elektronien ”populaatio” olisi suurempi kuin niiden perustilassa olevien elektronien ”populaatio”, joten niissä olisi paljon elektroneita, jotka olisivat valmiita ja halukkaita tuottamaan valofotoneita. Kutsumme tätä tilannetta populaatioinversioksi, koska atomien tavanomaiset tilat ovat vaihtuneet (invertoituneet). Oletetaan nyt myös, että voisimme pitää atomit tässä tilassa jonkin aikaa, jotta ne eivät automaattisesti hyppäisi takaisin perustilaansa (väliaikaisesti jännittyneeseen tilaan, jota kutsutaan metatilaksi). Silloin havaitsisimme jotain todella mielenkiintoista. Jos laukaisisimme fotonin juuri oikealla energialla atomijoukkomme läpi, saisimme yhden kiihdytetyistä elektroneista hyppäämään takaisin perustilaansa, jolloin sekä laukaisemamme fotoni että elektronin tilanmuutoksen tuottama fotoni vapautuisivat. Koska stimuloimme atomeja saadaksemme niistä säteilyä, tätä prosessia kutsutaan stimuloiduksi emissioksi. Saamme kaksi fotonia ulos sen jälkeen, kun olemme lähettäneet yhden fotonin sisään, jolloin valomme käytännössä kaksinkertaistuu ja voimistuu (lisääntyy). Nämä kaksi fotonia voivat stimuloida muita atomeja lähettämään lisää fotoneja, joten melko pian saamme aikaan fotonien kaskadin – ketjureaktion – joka heittää ulos loistavan säteen puhdasta, yhtenäistä laservaloa. Olemme siis vahvistaneet valoa stimuloidun emissiosäteilyn avulla – ja näin laser on saanut nimensä.

Artwork: Miten laserit toimivat teoriassa: Vasemmalla: Absorptio: Ammu energiaa (vihreä) atomiin, ja voit siirtää elektronin (sininen) perustilasta kiihottuneeseen tilaan, mikä yleensä tarkoittaa sen työntämistä kauemmas ytimestä (harmaa). Keskellä: Spontaani emissio: Jännittynyt elektroni hyppää luonnollisesti takaisin perustilaansa, jolloin se luovuttaa kvantin (energiapaketin) fotonina (vihreä värähtely). Oikealla: Stimuloitu emissio: Laukaise fotoni lähelle joukon kiihdytettyjä atomeja, ja voit laukaista samanlaisten fotonien kaskadin. Yksi valofotoni laukaisee monta, joten kyseessä on valon vahvistaminen (lisää valoa) (sähkömagneettisen) säteilyn stimuloidulla emissiolla – LASER!.

Mikä tekee laservalosta niin erilaista?

Jos laserit tuottavat valoa näin, miksi ne tuottavat vain yhden värin ja yhtenäisen säteen? Se kiteytyy siihen ajatukseen, että energia voi olla olemassa vain kiinteinä paketteina, joista jokaista kutsutaan kvantiksi. Se on vähän kuin raha. Rahaa voi olla vain valuutan perusyksikön, joka voi olla sentti, penni, rupia tai mikä tahansa, moninkertaisina yksikköinä. Sinulla ei voi olla sentin kymmenesosaa tai rupian kahdeskymmenesosaa, mutta sinulla voi olla 10 senttiä tai 20 rupiaa. Sama pätee energiaan, ja se on erityisen havaittavissa atomien sisällä.

Kuten tikkaiden askelmat, atomien energiatasot ovat kiinteissä paikoissa, ja niiden välissä on aukkoja. Jalkaa ei voi laittaa minne tahansa tikkailla, vain tikapuille; ja täsmälleen samalla tavalla atomien elektroneja voi siirtää vain kiinteiden energiatasojen välillä. Jotta elektroni hyppäisi alemmalta tasolta korkeammalle, on syötettävä täsmällinen energiamäärä (kvantti), joka vastaa kahden energiatason välistä eroa. Kun elektronit siirtyvät takaisin kiihdytetystä tilasta perustilaan, ne luovuttavat saman tarkan energiamäärän, joka muuttuu tietyn väriseksi valofotoniksi. Stimuloitu emissio lasereissa saa elektronit tuottamaan kaskadin identtisiä fotoneja, joiden energia, taajuus ja aallonpituus ovat identtiset, ja siksi laservalo on yksiväristä. Tuotetut fotonit vastaavat valoaaltoja, joiden huiput ja notkelmat ovat samassa linjassa (toisin sanoen ne ovat ”samassa vaiheessa”) – ja se tekee laservalosta koherentin.

Laserityypit

Kuva: Laserit – kuten useimmat meistä ne tuntevat: Tämä on laser ja linssi, joka skannaa CD- tai DVD-soittimen sisällä olevia levyjä. Pieni ympyrä oikealla alhaalla on puolijohdelaserdiodi, kun taas suurempi sininen ympyrä on linssi, joka lukee laserin valon sen jälkeen, kun se on kimpoillut levyn kiiltävästä pinnasta.

Koska pystymme herättämään monenlaisia atomeja monella eri tavalla, voimme (teoriassa) valmistaa monenlaisia lasereita.Käytännössä yleisiä lasereita on vain kourallinen, joista viisi tunnetuinta ovat kiinteä, kaasu, nestemäinen väriaine, puolijohde ja kuitu.

Kiinteät, nestemäiset ja kaasut ovat aineen kolme pääasiallista olotilaa – ja antavat meille kolme erilaista laseria. Kiinteän olomuodon laserit ovat samankaltaisia kuin edellä kuvaamani laserit. Väliaineena on jonkinlainen rubiinisauva tai muu kiinteä kiteinen materiaali, ja sen ympärille kiedottu valoputki pumppaa sen atomit täyteen energiaa. Jotta kiinteä aine toimisi tehokkaasti, se on seostettava, mikä on prosessi, jossa osa kiinteän aineen atomeista korvataan epäpuhtauksien ioneilla, jolloin se saa juuri oikeat energiatasot tietyn tarkan taajuuden laservalon tuottamiseksi. Kiinteän olomuodon laserit tuottavat suuritehoisia säteitä, yleensä hyvin lyhyinä pulsseina. Kaasulaserit sen sijaan tuottavat jatkuvia kirkkaita säteitä käyttämällä väliaineena jalokaasuyhdisteitä (niin sanotuissa excimer-lasereissa) tai hiilidioksidia (CO2), joita pumpataan sähköllä. CO2-laserit ovat tehokkaita ja tehokkaita, ja niitä käytetään yleensä teollisessa leikkauksessa ja hitsauksessa. Nestemäiset väriainelaserit käyttävät väliaineena orgaanisten väriainemolekyylien liuosta, jota pumpataan jollakin valokaarilampun, salamalampun tai toisen laserin kaltaisella laitteella. Niiden suurena etuna on, että niillä voidaan tuottaa laajempi valotaajuuksien kaista kuin kiinteä- ja kaasulasereilla, ja ne voidaan jopa ”virittää” tuottamaan eri taajuuksia.

Vaikka kiinteät, nestemäiset ja kaasulaserit ovat yleensä suuria, tehokkaita ja kalliita, puolijohdelaserit ovat halpoja, pieniä, sirun kaltaisia laitteita, joita käytetään esimerkiksi CD-soittimissa, lasertulostimissa ja viivakoodinlukijoissa. Ne toimivat kuin perinteisen valodiodin (LED) ja perinteisen laserin risteytys. LEDin tavoin ne tuottavat valoa, kun elektronit ja ”reiät” (käytännössä ”puuttuvat elektronit”) hyppivät ja liittyvät yhteen; laserin tavoin ne tuottavat koherenttia, yksiväristä valoa. Siksi niistä käytetään joskus nimitystä laserdiodit (tai diodilaserit). Voit lukea niistä lisää erillisessä artikkelissamme puolijohdelaserdiodeista.

Kuitulaserit toimivat optisten kuitujen sisällä; itse asiassa seostettu kuituoptinen kaapeli muuttuu vahvistavaksi väliaineeksi. Ne ovat tehokkaita, tehokkaita, luotettavia ja helpottavat laservalon johtamista sinne, missä sitä tarvitaan.

Mihin lasereita käytetään?

Kun Theodore Maiman kehitti ensimmäisen käytännöllisen laserin, harvat tajusivat, kuinka tärkeiksi nämä laitteet tulisivat lopulta. James Bond -elokuva Goldfinger vuodelta 1964 tarjosi kutkuttavan välähdyksen tulevaisuudesta, jossa teollisuuslaserit leikkaisivat kuin taikaiskusta kaiken tielleen osuvan – jopa salaiset agentit! Myöhemmin samana vuonna The New York Times -lehti uutisoi fysiikan Nobel-palkinnon myöntämisestä laserin uranuurtajalle Charles Townesille ja esitti, että ”lasersäde voisi esimerkiksi välittää kaikki maailman radio- ja televisio-ohjelmat sekä useita satoja tuhansia puheluita samanaikaisesti. Sitä käytetään laajalti etäisyyden määrittämiseen ja ohjusten jäljittämiseen.” Yli puoli vuosisataa myöhemmin tämänkaltaiset sovellukset – tarkkuustyökalut, digitaalinen viestintä ja puolustus – ovat edelleen laserin tärkeimpiä käyttökohteita.

Kuva: Joka kerta, kun se tulostaa asiakirjan, työpöydälläsi oleva lasertulostin stimuloi ahkerasti ziljoonia atomeja! Sen sisällä olevaa laseria käytetään piirtämään erittäin tarkka kuva tulostettavasta sivusta suureen rumpuun, joka kerää virtaa käyttävää mustetta (toneria) ja siirtää sen paperille.

Työkalut

CO2-laseriin perustuvat leikkuutyökalut ovat laajalti käytössä teollisuudessa: ne ovat tarkkoja, helposti automatisoitavissa, ja toisin kuin veitsiä, niitä ei tarvitse koskaan teroittaa. Siinä missä kangaspaloja leikattiin aikoinaan käsin esimerkiksi farkkujen valmistamiseksi, nykyään kankaita pilkotaan robottiohjatuilla lasereilla. Ne ovat nopeampia ja tarkempia kuin ihmiset, ja ne voivat leikata useita kangaspaksuuksia kerralla, mikä parantaa tehokkuutta ja tuottavuutta. Sama tarkkuus on yhtä tärkeää lääketieteessä: lääkärit käyttävät rutiininomaisesti lasereita potilaidensa vartaloissa. kaikkeen syöpäkasvainten räjäyttämisestä ja verisuonten kauterisoinnista näköongelmien korjaamiseen (lasersilmäleikkauksissa, verkkokalvon irtoamisen korjaamisessa ja kaihihoidoissa käytetään lasereita).

Kommunikaatio

Laserit muodostavat kaikenlaisen 21. vuosisadan digitaaliteknologian perustan. Joka kerta, kun pyyhkäiset ostoksesi ruokakaupan viivakoodiskannerin läpi, käytät laseria muuntamaan tulostetun viivakoodin numeroksi, jota kassatietokone ymmärtää. Kun katsot DVD-levyä tai kuuntelet CD-levyä, puolijohdelasersäde kimpoaa pyörivästä levystä ja muuntaa sen painetun datakuvion numeroiksi; tietokonesiru muuntaa nämä numerot elokuviksi, musiikiksi ja ääniksi. Kuituoptisten kaapeleiden ohella lasereita käytetään laajalti teknologiassa, jota kutsutaan fotoniikaksi – valon fotonien käyttäminen viestintään, esimerkiksi laajojen tietovirtojen lähettämiseen edestakaisin Internetissä.Facebook kokeilee parhaillaan lasereiden käyttöä (radioaaltojen sijasta) parempien yhteyksien luomiseksi avaruussatelliitteihin, mikä voisi johtaa suurempiin tiedonsiirtonopeuksiin ja Internet-yhteyksien parantamiseen kehitysmaissa.

Kuva: Ovatko laseraseet tulevaisuutta? Tämä on Yhdysvaltain laivaston laserasejärjestelmä (LaWS),jota testattiin USS Ponce -aluksella vuonna 2014. Tällaisessa laseraseessa ei ole kalliita luoteja tai ohjuksia, vaan vain loputon määrä kiivaasti suunnattua energiaa. Photo by John F. Williams courtesy of US Navy.

Puolustus

Sotaväki on jo pitkään ollut yksi tämän teknologian suurimmista käyttäjistä, lähinnä laserohjatuissa aseissa ja ohjuksissa.Huolimatta sen suosiosta elokuvissa ja televisiossa, scifi-ajatus laseraseista, jotka voivat leikata, tappaa tai sokaista vihollisen, pysyi mielikuvituksellisena 1980-luvun puoliväliin asti. Vuonna 1981 The New York Times meni niin pitkälle, että se siteerasi erästä ”sotilaslaserasiantuntijaa” sanomalla: ”Se on vain typerää. Yhden ihmisen tappaminen laserilla vie enemmän energiaa kuin ohjuksen tuhoaminen.” Kaksi vuotta myöhemmin pitkän kantaman laseraseista tuli virallisesti Yhdysvaltain presidentin Ronald Reaganin kiistanalaisen strategisen puolustusaloitteen (SDI), joka tunnetaan paremmin nimellä ”Tähtien sota -ohjelma”, perusta. Alkuperäisenä ajatuksena oli käyttää avaruuteen sijoitettuja röntgenlasereita (muiden teknologioiden ohella) tuhoamaan saapuvat vihollisohjukset ennen kuin ne ehtivät tehdä vahinkoa, mutta suunnitelma kariutui vähitellen Neuvostoliiton romahdettua ja kylmän sodan päätyttyä.

Puolustustiedemiehet ovat siitä huolimatta jatkaneet laserohjusten muuttamista tieteellisestä fiktiosta todellisuudeksi. Yhdysvaltain laivasto alkoi ensimmäisen kerran testata LaWS-järjestelmää (Laser Weapon System)USS Ponce -aluksella Persianlahdella vuonna 2014. Se käytti kiinteän olomuodon lasereita, joita pumpattiin LEDeillä, ja sen tarkoituksena oli vahingoittaa tai tuhota vihollisen laitteita halvemmalla ja tarkemmin kuin perinteiset ohjukset. Testit osoittautuivat onnistuneiksi,ja laivasto ilmoitti sopimuksista rakentaa lisää LaWS-järjestelmiä vuonna 2018.sillä välin avaruuslasereiden kehittäminen jatkuu, vaikka yhtään ei ole toistaiseksi otettu käyttöön.

Kuva: Lawrence Livermoren kansallisen laboratorion tutkijat Kaliforniassa kehittivät ydintutkimusta varten maailman tehokkaimman laserin, National Ignition Facility (NIF). Se sijaitsee 10-kerroksisessa rakennuksessa, jonka pinta-ala on kolmen jalkapallokentän kokoinen, ja se käyttää 192 erillistä lasersädettä tuottaakseen jopa 500 biljoonan watin tehon (100 kertaa enemmän energiaa kuin mikään muu laser) ja tuottaakseen jopa 100 miljoonan asteen lämpötilan. NIF maksoi yhteensä 3,5 miljardia dollaria, ja sen odotetaan palvelevan huippuluokan ydintutkimusta seuraavien 30 vuoden ajan. Vasemmalla: Yksi National Ignition Facilityn kaksoislaserosastoista. Oikealla: Miten se toimii: Lasersäteet keskitetään kammiossa olevaan pieneen polttoainepellettiin, jolloin syntyy voimakkaita lämpötiloja (kuten syvällä tähtien sisällä). Tarkoituksena on saada aikaan ydinfuusio (atomien liittyminen yhteen) ja vapauttaa valtava määrä energiaa. Kuvan luotto: Lawrence Livermore National Laboratory.