Laser: definitsioon, tööpõhimõte ja kasutusalad
Laser: selge definitsioon, tööpõhimõte ja praktilised kasutusalad — alates meditsiinist kuni tööstuseni. Õpi, kuidas kitsas valgusenergia töötab ja rakendused.
Laser on masin, mis toodab võimendatud, ühevärvilist valgusallikat. See kasutab spetsiaalseid gaase või kristalle (või muid töömaterjale), et tekitada peaaegu täpselt ühevärvilist valgust. Töömaterjal ehk võimendusaine ergastatakse (näiteks elektriäratuse, valgus- või kemilise protsessi abil), mille järel osakesed vabastavad energiat valgusena. Valgust võimendatakse peeglite abil ja suunatakse läbi resonantkambri nii, et väljundiks tekib kitsas, kõrge intensiivsusega kiir — paljudes laserites liigub kogu valgus ühes suunas, moodustades tugevalt kollimeeritud valgusvihuks, mis ei laiene ega nõrgeneb nii nagu näiteks taskulamp.
Tööpõhimõte lühidalt
Laseri põhitunnused põhinevad stimuleeritud emissioonil ja populatsiooni pöörangul. Lihtsustatud järjekord:
- Võimendusaine (gaas, kristall, pooljuht, kiud jms) ergastatakse; suurem osa osakestest viiakse kõrgemasse energiasse.
- Kui populatsioon kõrgematel energiatasetel on suurem kui madalatel (populatsiooni pöörang), saab toimuda stimuleeritud emissioon: ergastatud osake vabastab fotoni ning see foton põhjustab, et teine ergastatud osake kiirgab kooskõlas sama lainepikkuse ja faasiga fotoni.
- Peeglid resonantskambris suunavad ja võimendavad neid koherentseid footoneid; üks peegel on osaliselt läbipaistev, see ongi väljund, kust laserkiir väljub.
- Võimendusmeetodid hõlmavad optilist pumpamist, elektrilist eraldust või otsest voolu (pooljuhtlaserid).
Põhikomponendid
- Võimendusaine (gain medium) — gaas, kristall, pooljuht, dye või kiud.
- Energiapump — allikas, mis ergastab ainet (elektrivool, kõrgpingeline õhuke plasma, teine laser jms).
- Resonantkamber — kaks peeglit (üks osaliselt läbipaistev) valguse võimendamiseks ja faasi korrastamiseks.
- Väljundcoupler — osa, kust koherentne kiir väljub.
Laseri omadused
- Monokromaatsus — väga kitsas lainepikkusevahemik (peaaegu ühevärviline).
- Koherentsus — valguslaine on faasilt ühtlane nii aja- kui ruumisuunas, mis võimaldab interferentsi ja väga täpset fookust.
- Suundlikkus — kiir on väga kitsas ja hästi kollimeeritud.
- Kõrge heledus — väike ruumala sisaldab palju võimsust, seetõttu saab laserkiirt väga tugevalt fokuseerida.
Peamised lasertüübid
- Gaasilaserid (näit. He–Ne, CO2) — sobivad näit. lõikamiseks (CO2) või mõõtmistöödeks (He–Ne).
- Tahkelaserd (solid-state) — näiteks Nd:YAG, kasutatakse tööstuses, meditsiinis ja mõõtmises.
- Pooljuhtlaserid (diodelaserid) — kompaktse suuruse ja efektiivsuse tõttu laialdaselt kasutusel telekommunikatsioonis ja tarbeelektroonikas.
- Kiudlaserid (fiber lasers) — suure effektiivsuse ja hea beam-kwaliteitiga tööstuslikeks rakendusteks.
- Tint- ehk dye-laserid — häälestatava lainepikkusega uurimistöös ja spektroskoopias.
- Pulsslaserid (Q-switching, mode-locking) — annavad väga lühikesi ja intensiivseid impulsse, kasutusel materjali töötlemisel ja teadusuuringutes.
Kasutusalad
- Meditsiin: silmaarstlikud protseduurid (LASIK), kirurgiline lõikus, dermatoloogia ja hammaste ravi.
- Tööstus: lõikamine, keevitamine, märgistamine, materjali töötlemine ja 3D-printimise kiirendamine.
- Telekommunikatsioon: valguskaablites andmete edastamine (pooljuht- ja kiudlaserid).
- Teadus ja mõõtmine: spektroskoopia, interferomeetria, kvantoptika ja laserkoherentsed mõõtmismeetodid.
- Meelelahutus ja kosmeetika: laserid valgusefektide loomiseks, ilutusproceduurid.
- Sõjavägi ja turvatehnika: vaatlussüsteemid, kaugusemõõtjad ja, mõnel juhul, suunatud energia relvad.
Turvalisus ja klassifikatsioon
Laserid jagunevad ohutasemete järgi klassidesse (tavaliselt 1–4). Kõrgeima klassi laserid (3B, 4) võivad põhjustada püsivaid silma- ja nahakahjustusi ning kanda nõuab erilist ettevaatust: kaitseprillid, kiirguse blokeerimine ja kontrollitud töökoht. Oluline on vältida peegelduste suunamist silma ja töödelda materjale, mis ei tekita ohtlikke lenduvaid aineid.
Lühike ajalugu
Sõna "laser" on akronüüm, mis tähendab "valguse võimendamine stimuleeritud kiirguse emissiooni teel". Nii seade kui ka selle nimi on välja töötatud varasemast maserist. Esimene töökorras laser ehitati 1960. aastal Theodore Maimani poolt (rubiinlaser). Sellest alates on laserite tehnoloogia arenenud kiiresti ja leidnud hulgaliselt praktilisi rakendusi.
Laseri valik ja parameetrid sõltuvad konkreetsest eesmärgist: lainepikkus, võimsus, pidev või pulsiline töörežiim ning kiirguse kvaliteet määravad, kas laser sobib meditsiiniks, tööstuseks, kommunikatsiooniks või teaduseks. Õige kasutamise ja turvanõuete järgimine tagab nii efektiivsuse kui ka ohutuse.
Punased (660, 635 nm), rohelised (532, 520 nm) ja sinised (445, 405 nm) laserid.
Mehhanism
Laser tekitab valgust spetsiaalsete toimingute abil, mis hõlmavad materjali, mida nimetatakse "optiliseks võimenduskeskkonnaks". Sellesse materjali sisestatakse energiat "energiapumbaga". See võib olla elekter, teine valgusallikas või mõni muu energiaallikas. Energia paneb materjali nii-öelda ergastatud olekusse. See tähendab, et elektronidel on materjalis lisaenergiat ja mõne aja pärast kaotavad nad selle energia. Energia kaotamisel eraldavad nad fotooni (valgusosakese). Kasutatava optilise võimenduskeskkonna tüüp muudab seda, millist värvi (lainepikkust) see tekitab. Fotoonide vabastamine on laseri "stimuleeritud kiirguse emissiooni" osa.
Paljud asjad võivad kiirata valgust, nagu näiteks lambipirn, kuid valgus ei ole ühes suunas ja ühes faasis. Kasutades elektrivälja, et kontrollida valguse tekkimist, on see valgus nüüd ühte liiki, ühes suunas liikuv. See on "koherentne kiirgus".
Sel hetkel on valgus veel nõrk. Peeglid mõlemal pool peegeldavad valgust edasi-tagasi ja see tabab optilise võimenduskeskkonna teisi osi, mis paneb need osad samuti fotone vabastama, tekitades rohkem valgust ("valguse võimendamine"). Kui kogu optiline võimenduskeskkond toodab valgust, nimetatakse seda küllastumiseks ja see tekitab väga tugeva valgusvihu väga kitsal lainepikkusel, mida me nimetame laserkiireks.
Laserlõikus
Disain
Valgus liigub läbi kahe peegli vahel, mis peegeldavad valgust edasi-tagasi. Üks peeglitest peegeldab valgust siiski ainult osaliselt, lastes osa valgusest välja pääseda. Põgenev valgus moodustab laserkiire.
See on lihtne konstruktsioon; kasutatava optilise võimenduskeskkonna tüüp määrab tavaliselt laseri tüübi. See võib olla kristall, näiteks on rubiin ja haruldaste muldmetallide seguga ütriumist ja alumiiniumist valmistatud granaatkristall. Gaase võib kasutada laseri jaoks, kasutades heeliumi, lämmastikku, süsinikdioksiidi, neooni või teisi. Suured ja võimsad laserid on tavaliselt gaasilaserid. Vabaelektronlaser kasutab elektronide kiirt ja seda saab häälestada nii, et see kiirgab erinevaid värve. Lõpuks kasutavad kõige väiksemad laserid valguse tekitamiseks pooljuhtdioode. Need on kõige arvukamad, mida kasutatakse elektroonikas.
Ajalugu
Albert Einstein oli esimene, kellel oli idee stimuleeritud emissioonist, mis võiks tekitada laseri. Sellest hetkest alates kulus palju aastaid, et näha, kas see idee töötab. Alguses õnnestus inimestel valmistada masereid ja hiljem mõeldi välja, kuidas teha lühemaid nähtava lainepikkusega lasereid. Alles 1959. aastal lõi Gordon Gould ühes uurimistöös nime laser. Esimese toimiva laseri pani kokku ja kasutas 1960. aastal Theodore Maiman Hughes Research Laboratories'is. Paljud inimesed hakkasid sel ajal laserite kallal töötama ja küsimus, kes saab laseri patendi, otsustati alles 1987. aastal (Gould võitis õigused).
Rakendused
Laserid on leidnud palju kasutusvõimalusi nii igapäevaelus kui ka tööstuses. Lasereid leidub CD- ja DVD-mängijates, kus nad loevad koodi plaadilt, mis salvestab laulu või filmi. Laserit kasutatakse sageli poes müüdavatel asjadel olevate vöötkoodide või SQR-koodide lugemiseks, et tuvastada toode ja anda selle hind. Lasereid kasutatakse meditsiinis, eelkõige LASIK-silmakirurgias, kus laseriga parandatakse sarvkesta kuju. Keemias kasutatakse seda spektroskoopiaga materjalide identifitseerimiseks, et teada saada, millistest gaasidest, tahkete ainete või vedelike koostisest midagi koosneb. Tugevamaid lasereid saab kasutada metalli lõikamiseks.
Lasereid kasutatakse Kuu kauguse mõõtmiseks Maast, peegeldades Apollo missioonidest jäänud reflektoreid. Mõõtes aega, mis kulub valgusel Kuule ja tagasi, saame teada, kui kaugel Kuu täpselt on.
Laserpointereid kasutavad inimesed selleks, et näidata kaardil või diagrammil mõnda kohta. Näiteks kasutavad neid õppejõud. Samuti meeldib paljudele inimestele laserpointeritega mängida. Mõned inimesed on nendega osutanud lennukitele. See on ohtlik ja paljudes riikides on see ka ebaseaduslik. Inimesi on selle kuriteo eest arreteeritud ja kohtu alla antud.
Arvutid kasutavad tavaliselt optilist arvutihiirt sisestusseadmena. Kaasaegsed laserosutajad on selleks otstarbeks liiga suured ja võimsad, mistõttu enamik hiirtest kasutab selleks otstarbeks väikeseid VCSEL- ehk "vertikaalse õõnsusega pinnasekiirguse lasereid" (Vertical cavity surface-emitting laser). Neid lasereid kasutatakse ka DVD- ja CD-ROM-ajamites ning holograafias.
Küsimused ja vastused
K: Mis on laser?
V: Laser on masin, mis tekitab kontsentreeritud, ühevärvilise valgusvihu, kasutades selleks spetsiaalseid gaase või kristalle, mis on valguse kiirgamiseks ergastatud.
K: Kuidas teeb laser oma valgust?
V: Laseri gaasid või kristallid ergastatakse, et kiirata valgust, mida seejärel võimendatakse või muudetakse tugevamaks peeglite abil.
K: Kas laser toodab mitut värvi valgust?
V: Ei, laser toodab ainult ühevärvilist valgust.
K: Mis on kollimeeritud valgus?
V: Kitsas, kontsentreeritud valgusvihk, mis ei muutu liikumisel laiemaks ega nõrgemaks, erinevalt enamikust teistest valgusallikatest.
K: Mida tähendab sõna laser?
V: Laser on akronüüm, mis tähendab "valguse võimendamine stimuleeritud kiirguse emissiooni teel".
K: Mis vahe on laserkiirel ja taskulambi kiirel?
V: Laserkiir jääb kontsentreeritud kitsaks valgusvihuks, samas kui taskulambi kiir levib laiali ja muutub nõrgemaks.
K: Kuidas on laser ja maser omavahel seotud?
V: Laser on välja töötatud varasemast maseriks nimetatud seadmest ja mõlemad seadmed kasutavad võimendatud valguse tootmiseks sarnaseid põhimõtteid.
Otsige