Lézerek

Hogyan termelnek fényt a lézerek?

Ha ennyi részletet nem akarsz tudni a lézerekről, akkor most abbahagyhatod az olvasást, vagy továbbugorhatsz az oldalon a lézerek típusaihoz.Ez a rész kicsit részletesebben és “elméleti síkon” tárgyalja ugyanazokat a pontokat a fenti dobozból.

A könyvekben gyakran olvashatod, hogy a “lézer” jelentése:Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Ez egy bonyolult és zavaros szóösszetétel, de ha lassan szétszedjük, akkor valójában egy nagyon világos magyarázat arra, hogy a lézerek hogyan hozzák létre a szupererős fénysugarakat.

Spontuális emisszió

Kezdjük a lézer “R”-jével: sugárzás.A lézerek által kibocsátott sugárzásnak semmi köze a veszélyes radioaktivitáshoz, ahhoz, amitől a Geiger-számlálók kattognak, amit az atomok kilöknek, amikor összecsapódnak vagy szétesnek. A lézerek elektromágneses sugárzást bocsátanak ki, akárcsak a közönséges fény, a rádióhullámok, a röntgensugarak és az infravörös sugárzás. Bár még mindig atomok állítják elő, de teljesen más módon állítják elő (“bocsátják ki”), amikor az elektronok fel-le ugrálnak bennük. Az atomokban az elektronok energiaszinteken ülnek, amelyek egy kicsit olyanok, mint egy létra lépcsőfokai. Normális esetben az elektronok a lehető legalacsonyabb szinten ülnek, amelyet az atom alapállapotának nevezünk. Ha éppen a megfelelő mennyiségű energiát lövünk be, akkor egy elektront feljebb tudunk tolni, a “létra” következő lépcsőfokára. Ezt nevezzük abszorpciónak, és az új állapotban az atomot gerjesztettnek mondjuk, de egyben instabilnak is. Nagyon gyorsan visszatér az alapállapotba, és az elnyelt energiát fotonként (fényrészecskeként) adja le. Ezt a folyamatot spontán sugárzási emissziónak nevezzük: az atom magától (spontán) ad ki fényt (sugárzást bocsát ki).

Fotó: A gyertyáktól az izzókon és a szentjánosbogarakon át az elemlámpákig a fény minden hagyományos formája a spontán emisszió folyamatán keresztül működik. A gyertyában az égés (az oxigén és a tüzelőanyag, jelen esetben a viasz közötti kémiai reakció) gerjeszti az atomokat, és instabillá teszi őket. Fényt bocsátanak ki, amikor visszatérnek eredeti (alap)állapotukba. Ebben a gyertyalángban a spontán emisszió által létrehozott minden egyes foton különbözik a többi fotontól, ezért van a különböző hullámhosszúságú (és színű) fény keveréke, ami “fehér” fényt eredményez. A fotonok véletlenszerű irányokban, egymáshoz képest eltérő hullámokkal (“fázison kívül”) lépnek ki, ezért a gyertyafény sokkal gyengébb, mint a lézerfény.

Serkentett emisszió

Normális esetben egy átlagos atomhalmazban több elektron van alapállapotban, mint gerjesztett állapotban, ez az egyik oka annak, hogy az atomok nem bocsátanak ki spontán fényt.De mi lenne, ha ezeket az atomokat gerjesztenénk – energiával töltenénk fel őket -, hogy az elektronjaik gerjesztett állapotban legyenek. Ebben az esetben a gerjesztett elektronok “populációja” nagyobb lenne, mint az alapállapotban lévő elektronok “populációja”, így rengeteg elektron állna készen arra, hogy fényfotonokat hozzon létre. Ezt a helyzetet populációs inverziónak nevezzük, mert az atomok szokásos állapotai felcserélődnek (megfordulnak). Most tegyük fel, hogy az atomjainkat egy kis ideig ebben az állapotban tudjuk tartani, hogy ne ugorjanak vissza automatikusan az alapállapotba (egy átmenetileg gerjesztett állapot, amelyet metastacionárius állapotnak nevezünk). Akkor valami igazán érdekeset találnánk. Ha egy megfelelő energiájú fotont lőnénk át az atomjainkon, akkor az egyik gerjesztett elektron visszaugrana az alapállapotba, leadva mind az általunk kilőtt fotont, mind az elektron állapotváltozása során keletkező fotont. Mivel az atomokat stimuláljuk, hogy sugárzást hozzunk ki belőlük, ezt a folyamatot stimulált emissziónak nevezzük. Egy foton bejuttatása után két fotont kapunk, ami gyakorlatilag megduplázza és felerősíti (megnöveli) a fényt. Ez a két foton más atomokat is stimulálhat, hogy további fotonokat bocsássanak ki, így hamarosan fotonok kaszkádját kapjuk – egy olyan reakciót, amely tiszta, koherens lézerfény ragyogó sugarát dobja ki. Amit itt tettünk, az a fény felerősítése a sugárzás stimulált emissziójával – és így kapta a lézer a nevét.

Az alkotás: Hogyan működnek a lézerek elméletben: Balra: Abszorpció: Ha energiát (zöld) lősz egy atomba, akkor egy elektront (kék) az alapállapotból egy gerjesztett állapotba tudsz elmozdítani, ami általában azt jelenti, hogy távolabb tolod az atommagtól (szürke). Középen: Spontán emisszió: Egy gerjesztett elektron természetes módon visszaugrik alapállapotába, és egy kvantumot (energiacsomagot) ad ki fotonként (zöld hullámzás). Jobbra: Stimulált emisszió: Ha egy fotont egy csomó gerjesztett atom közelébe lövünk, azonos fotonok kaszkádját indíthatjuk el. Egy fényfoton sok fotont vált ki, tehát itt fényerősítésről (több fény előállításáról) van szó (elektromágneses sugárzás stimulált emissziójával) – LÁZER!.

Mitől olyan más a lézerfény?

Ha a lézerek így állítják elő a fényt, akkor miért egyetlen színt és koherens sugarat állítanak elő? Ez arra a gondolatra vezethető vissza, hogy az energia csak rögzített csomagokban létezhet, amelyek mindegyikét kvantumnak nevezzük. Ez egy kicsit olyan, mint a pénz. Pénz csak a valutánk legalapvetőbb egységének többszörösében létezhet, ami lehet cent, penny, rúpia vagy bármi más. Nem lehet egy cent tizede vagy egy rúpia huszad része, de lehet 10 cent vagy 20 rúpia. Ugyanez igaz az energiára is, és ez különösen észrevehető az atomok belsejében.

Az atomok energiaszintjei, mint a létra lépcsőfokai, rögzített helyeken vannak, közöttük rések vannak. A létrán nem lehet bárhová feltenni a lábunkat, csak a lépcsőfokokra; és pontosan ugyanígy az atomokban is csak a rögzített energiaszintek között lehet az elektronokat mozgatni. Ahhoz, hogy egy elektron egy alacsonyabb szintről egy magasabbra ugorjon, pontosan annyi energiát (kvantumot) kell bevinni, amennyi a két energiaszint közötti különbség. Amikor az elektronok a gerjesztett állapotból visszaugranak az alapállapotba, ugyanezt a pontos energiamennyiséget adják le, amely egy adott színű fényfoton formájában jelenik meg. A lézerekben a stimulált emisszió hatására az elektronok azonos fotonok kaszkádját hozzák létre – azonos energiával, frekvenciával és hullámhosszal -, és ezért monokromatikus a lézerfény. A keletkező fotonok olyan fényhullámoknak felelnek meg, amelyek hullámhegyei és hullámvölgyei egy vonalban vannak (más szóval “fázisban vannak”) – és ez teszi a lézerfényt koherenssé.

A lézerek típusai

Fotó: Lézerek – ahogyan a legtöbben ismerjük őket: Ez az a lézer és lencse, amely a CD- vagy DVD-lejátszóban lévő lemezeket szkenneli. A kis kör a jobb alsó sarokban egy félvezető lézerdióda, míg a nagyobb kék kör a lencse, amely leolvassa a lézer fényét, miután az visszaverődött a lemez fényes felületéről.

Mivel sokféle atomot sokféleképpen tudunk gerjeszteni, (elméletileg) sokféle lézert tudunk készíteni.A gyakorlatban csak néhány elterjedt típus létezik, amelyek közül az öt legismertebb a szilárdtest, a gáz, a folyékony festék, a félvezető és a szál.

A szilárdtestek, a folyadékok és a gázok az anyag három fő állapota – és három különböző lézertípust adnak nekünk. A szilárdtest lézerek olyanok, mint amilyeneket fentebb illusztráltam. A közeg valamilyen káliumrúd vagy más szilárd kristályos anyag, és egy köréje tekert villanócső pumpálja tele energiával az atomjait. A hatékony működéshez a szilárd anyagot adalékolni kell, ami egy olyan folyamat, amely során a szilárd anyag atomjainak egy részét szennyeződések ionjaival helyettesítik, és így éppen a megfelelő energiaszintet adják meg ahhoz, hogy egy bizonyos, pontos frekvenciájú lézerfényt állítsanak elő. A szilárdtest-lézerek nagy teljesítményű sugarakat állítanak elő, jellemzően nagyon rövid impulzusokban. A gázlézerek ezzel szemben folyamatos fényes sugarakat állítanak elő nemesgázok vegyületeivel (az úgynevezett excimer lézerekben) vagy szén-dioxiddal (CO2) mint közeggel, elektromossággal pumpálva. A CO2-lézerek nagy teljesítményűek, hatékonyak, és jellemzően ipari vágásra és hegesztésre használják őket. A folyékony festéklézerek szerves festékmolekulák oldatát használják közegként, amelyet valamilyen ívlámpával, villanólámpával vagy egy másik lézerrel pumpálnak. Nagy előnyük, hogy a szilárdtest- és gázlézereknél szélesebb sávú fényfrekvenciák előállítására használhatók, és még “hangolhatóak” is különböző frekvenciák előállítására.

Míg a szilárd, folyékony és gázlézerek általában nagyok, erősek és drágák, a félvezető lézerek olcsó, apró, chipszerű eszközök, amelyeket például CD-lejátszókban, lézernyomtatókban és vonalkódszkennerekben használnak. Úgy működnek, mint egy hagyományos fénykibocsátó dióda (LED) és egy hagyományos lézer keresztezése. A LED-hez hasonlóan fényt termelnek, amikor elektronok és “lyukak” (tulajdonképpen “hiányzó elektronok”) ugrálnak és egyesülnek; a lézerhez hasonlóan koherens, monokromatikus fényt generálnak. Ezért nevezik őket néha lézerdiódáknak (vagy diódalézereknek). Bővebben a félvezető lézerdiódákról szóló külön cikkünkben olvashat róluk.

A szálas lézerek végül optikai szálak belsejében fejtik ki hatásukat; valójában egy adalékolt száloptikai kábel válik az erősítő közeggé. Ezek nagy teljesítményűek, hatékonyak, megbízhatóak, és megkönnyítik a lézerfény eljuttatását oda, ahol szükség van rá.

Mire használják a lézereket?

Amikor Theodore Maiman kifejlesztette az első gyakorlati lézert, kevesen gondolták, hogy ezek a gépek végül milyen fontosak lesznek. Az 1964-es James Bond-film, a Goldfinger izgalmas bepillantást engedett egy olyan jövőbe, ahol az ipari lézerek varázslatos módon vágnak át mindent, ami az útjukba kerül – még a titkosügynököket is! Még ugyanebben az évben, amikor a The New York Times beszámolt arról, hogy a fizikai Nobel-díjat Charles Townesnak, a lézer úttörőjének ítélték oda, azt állította, hogy “egy lézersugár például a világ összes rádió- és televízióműsorát, valamint több százezer telefonhívást tudna egyszerre továbbítani. Kiterjedten használják távolságmérésre és rakétakövetésre”. Több mint fél évszázaddal később az ehhez hasonló alkalmazások – precíziós szerszámok, digitális kommunikáció és védelem – továbbra is a lézerek legfontosabb felhasználási területei közé tartoznak.

Fénykép: Minden egyes alkalommal, amikor kinyomtat egy dokumentumot, az Ön asztalán lévő lézernyomtató atomok milliárdjait stimulálja! A benne lévő lézer a nyomtatni kívánt oldal nagyon pontos képét rajzolja egy nagy dobra, amely felveszi a működtetett tintát (tonert), és átviszi a papírra.

Szerszámok

A CO2-lézeren alapuló vágószerszámokat széles körben használják az iparban: pontosak, könnyen automatizálhatók, és a késekkel ellentétben soha nem kell őket élezni. Ahol régebben kézzel vágták a szövetdarabokat, hogy például farmereket készítsenek belőlük, ma már robotvezérelt lézerrel aprítják a szöveteket. Gyorsabbak és pontosabbak, mint az emberek, és egyszerre többféle vastagságú szövetet tudnak vágni, ami javítja a hatékonyságot és a termelékenységet. Ugyanez a pontosság az orvostudományban is fontos: az orvosok rutinszerűen használnak lézert a pácienseik testén, a rákos daganatok szétrobbantásától és az erek kiégetésétől kezdve az emberek látásproblémáinak orvoslásáig (a lézeres szemműtétek, a retina leválásának javítása és a szürkehályog kezelése mind lézerrel történik).

Kommunikáció

A lézerek a 21. századi digitális technológia minden fajtájának alapját képezik. Minden alkalommal, amikor a bevásárlását áthúzza egy élelmiszerbolt vonalkódolvasóján, lézerrel alakítja át a nyomtatott vonalkódot olyan számmá, amelyet a pénztárgép megért. Amikor DVD-t néz vagy CD-t hallgat, egy félvezető lézersugár pattan le a forgó lemezről, hogy a nyomtatott adatmintát számokká alakítsa; egy számítógépes chip alakítja át ezeket a számokat filmekké, zenévé és hanggá. Az üvegszálas kábelekkel együtt a lézereket széles körben használják a fotonika nevű technológiában – a fény fotonjainak felhasználásával kommunikálnak, például hatalmas adatfolyamokat küldenek oda-vissza az interneten.A Facebook jelenleg lézerek használatával kísérletezik (rádióhullámok helyett), hogy jobb kapcsolatot teremtsen az űrszatellitekhez, ami nagyobb adatátviteli sebességhez és sokkal jobb internet-hozzáféréshez vezethet a fejlődő országokban.

Fotó: A lézerfegyvereké a jövő? Ez az amerikai haditengerészet lézerfegyver-rendszere (LaWS),amelyet 2014-ben teszteltek a USS Ponce fedélzetén. Egy ilyen lézerfegyverrel nincsenek drága lövedékek vagy rakéták, csak végtelen mennyiségű hevesen irányított energia. Photo by John F. Williams courtesy of US Navy.

Defense

A hadsereg régóta az egyik legnagyobb felhasználója ennek a technológiának, főként a lézerirányítású fegyverekben és rakétákban.Annak ellenére, hogy a filmekben és a televízióban népszerűsítették, az ellenséget megvágni, megölni vagy megvakítani képes lézerfegyverek sci-fi ötlete egészen az 1980-as évek közepéig fantázia maradt. A The New York Times 1981-ben odáig ment, hogy idézett egy “katonai lézerszakértőt”, aki a következőket mondta: “Ez egyszerűen ostobaság. Több energiát igényel egyetlen ember megölése egy lézerrel, mint egy rakéta megsemmisítése”. Két évvel később a nagy hatótávolságú lézerfegyverek hivatalosan Ronald Reagan amerikai elnök ellentmondásos Stratégiai Védelmi Kezdeményezésének (SDI), ismertebb nevén a “Csillagok háborúja programnak” az alapkövévé váltak. Az eredeti elképzelés az volt, hogy az űrbe telepített röntgenlézerekkel (más technológiák mellett) megsemmisítik a beérkező ellenséges rakétákat, mielőtt azok kárt tudnának okozni, bár a terv a Szovjetunió összeomlását és a hidegháború végét követően fokozatosan kifulladt.

A védelmi tudósok ennek ellenére tovább folytatták a lézer alapú rakéták tudományos fikcióból valóra váltását. Az amerikai haditengerészet először 2014-ben kezdte meg a LaWS (Laser Weapon System)tesztelését a USS Ponce hajó fedélzetén a Perzsa-öbölben. ALED-ek által pumpált szilárdtest-lézereket használva arra tervezték, hogy a hagyományos rakétáknál olcsóbban és pontosabban károsítsa vagy megsemmisítse az ellenséges berendezéseket. A tesztek sikeresnek bizonyultak,és a haditengerészet 2018-ban további LaWS-rendszerek építésére vonatkozó szerződéseket jelentett be.eközben folytatódik az űrlézerek fejlesztése, bár eddig még egyet sem vetettek be.

Fotó: A kaliforniai Lawrence Livermore Nemzeti Laboratórium tudósai nukleáris kutatásokhoz fejlesztették ki a világ legerősebb lézerét, a National Ignition Facility-t (NIF). A három futballpálya nagyságú területet elfoglaló 10 emeletes épületben 192 különálló lézersugárral akár 500 trillió watt teljesítményt (100-szor több energiát, mint bármely más lézer) biztosít, és akár 100 millió fokos hőmérsékletet hoz létre. A NIF összesen 3,5 milliárd dollárba került, és várhatóan a következő 30 évben az élvonalbeli nukleáris kutatásokat fogja ellátni. Balra: A Nemzeti Gyújtóberendezés egyik ikerlézerterme. Jobbra: Hogyan működik: A lézer sugárzását egy kamrában lévő kis tüzelőanyag-granulátumra koncentrálják, hogy intenzív hőmérsékletet hozzanak létre (mint a csillagok mélyén). Az ötlet lényege a magfúzió (az atomok egyesülése) és a hatalmas mennyiségű energia felszabadítása. Fotóhitel: Lawrence Livermore National Laboratory.