Spis treści:
- 1 Laser – jak działa i gdzie jest wykorzystywany?
- 2 Lasery w zastosowaniach praktycznych
- 3 L.A.S.E.R. – akronim, który stał się odmienianym wyrazem
- 4 Idea działania lasera
- 5 Falowa natura światła laserowego
- 6 Długość fali świetlnej lasera
- 7 Lasery wokół nas
- 8 Lasery – zastosowania w medycynie
- 9 Lasery – zastosowania w komunikacji
- 10 Lasery – zastosowania w przemyśle
- 11 Lasery w zastosowaniach naukowo-badawczych i technicznych
- 12 Lasery w zastosowaniach militarnych
Laser – jak działa i gdzie jest wykorzystywany?
Bez nich liczne procesy technologiczne byłyby znacznie utrudnione i bardziej prymitywne, a filmy science fiction oraz koncerty Pink Floyd i Jeana-Michela Jarre’a nie byłyby takie same – poznaj lasery!
Lasery w zastosowaniach praktycznych
W tym artykule przedstawiono budowę, zasadę działania i praktyczne zastosowania laserów.
L.A.S.E.R. – akronim, który stał się odmienianym wyrazem
Choć słowo „laser” przyjęło się jako pełnoprawny wyraz, litery go tworzące stanowią skrótowiec, który określa w uproszczeniu zasadę działania tego wynalazku. Rozwinięcie akronimu L.A.S.E.R. brzmi „Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”, co w tłumaczeniu na język polski oznacza „wzmocnienie światła przez wymuszoną emisję promieniowania”. Sam skrótowiec i jego rozwinięcie to jedynie wierzchołek góry lodowej – zobaczmy, jak działa laser od podstaw!
Idea działania lasera
Energia światła powoduje pobudzenie elektronów w atomach materiałów optycznych, które przemieszczają się na orbitę o wyższej energii. Kiedy elektrony wracają na swoją normalną orbitę spontanicznie lub gdy są „stymulowane” światłem lub energią, emitują cząstki światła zwane fotonami. Światło lasera powstaje, gdy elektrony w atomach materiałów optycznych, takich jak szkło, kryształ lub gaz, pochłaniają energię prądu elektrycznego lub światła.
Ta dodatkowa energia „wzbudza” elektrony na tyle, aby przejść z orbity o niższej energii na orbitę o wyższej energii wokół jądra atomu. Laser wykorzystuje kwantowe właściwości atomów, które pochłaniają i promieniują cząstki światła zwane fotonami. Kiedy elektrony w atomach powracają do swojej normalnej orbity – lub stanu „podstawowego” – spontanicznie albo „pobudzane” światłem czy innym źródłem energii, w niektórych przypadkach nawet innym laserem, emitują więcej fotonów.
Falowa natura światła laserowego
Światło porusza się falami. Zwykłe światło widzialne, np. z domowej żarówki lub latarki, składa się z wielu długości fal lub kolorów i jest niespójne, co oznacza, że grzbiety i doliny fal świetlnych poruszają się na różnych długościach i w różnych kierunkach. W wiązce laserowej fale świetlne są „spójne” – wiązka fotonów porusza się w tym samym kierunku o tej samej długości fali. Osiąga się to poprzez wysłanie naładowanych elektronów przez optyczny „ośrodek wzmocnienia”, taki jak materiał stały, np. szkło, lub gaz.
Długość fali świetlnej lasera
Konkretna długość fali światła zależy od ilości energii uwolnionej, gdy wzbudzony elektron opada na niższą orbitę. Poziomy wprowadzonej energii można dostosować do materiału w ośrodku wzmacniającym, aby uzyskać żądany kolor wiązki. Lustro po jednej stronie materiału optycznego lasera odbija foton z powrotem w kierunku elektronów. Przestrzeń między lustrami lub „wnęka” jest zaprojektowana tak, aby foton pożądany dla konkretnego typu ośrodka wzmocnienia optycznego był wprowadzany z powrotem do ośrodka w celu stymulowania emisji prawie dokładnego klonu tego fotonu. Obie cząstki poruszają się w tym samym kierunku i z tą samą prędkością, by odbić się od innego lustra po drugiej stronie i powtórzyć proces klonowania. Dwa stają się czterema, cztery stają się ośmioma i tak dalej, aż fotony zostaną wystarczająco wzmocnione, aby wszystkie mogły przejść przez lustra i materiał optyczny w doskonałej harmonii. Pomyśl o nich jak o zsynchronizowanych członkach orkiestry marszowej w Paradzie Róż. To połączenie daje laserowi moc. Wiązki laserowe mogą pozostać ostro skupione na dużych odległościach, nawet na Księżyc i z powrotem. Podstawowy laser, taki jak czerwony laser rubinowy, składa się z pręta z kryształów rubinu z lustrem na każdym końcu i lampy błyskowej. Rozbłysk światła z lampy błyskowej dodaje energii wewnątrz pręta, pobudzając atomy rubinu i wytwarzając cząstki światła zwane fotonami. Fotony uderzają w atomy, tworząc coraz więcej fotonów odbijających się w tę i z powrotem między lustrami w pręcie. Liczba fotonów staje się tak duża, że przechodzą przez jedno z luster, które jest częściowo odbijające, i pojawia się wiązka lasera.
Lasery wokół nas
Lasery istnieją od 1960 roku, chociaż pomysł sięga 1900 roku (patrz „Dziedzictwo laserów i pionierów laserowej fuzji”). Obecnie lasery są dostępne w wielu rozmiarach, kształtach, kolorach i poziomach mocy i są używane do wszystkiego – od chirurgii w szpitalach po skanery kodów kreskowych w sklepie spożywczym, a nawet do odtwarzania muzyki, filmów i gier wideo w domu. Być może przeszedłeś operację LASIK, która koryguje widzenie za pomocą malutkiego lasera. Niektóre lasery, takie jak lasery rubinowe, emitują krótkie impulsy światła. Inne, takie jak lasery helowo-neonowe lub lasery z ciekłym barwnikiem, emitują światło ciągłe. NIF, podobnie jak laser rubinowy, emituje impulsy światła trwające tylko miliardowe części sekundy.
Światło lasera nie musi być widoczne. Wiązki NIF zaczynają się jako niewidzialne światło podczerwone, a następnie przechodzą przez specjalną optykę, która przekształca je w widzialne światło zielone, później zaś w niewidzialne, wysokoenergetyczne światło ultrafioletowe, aby zapewnić optymalną interakcję z celem. Lasery mogą być drobnymi składnikami mikrochipów lub mogą być tak ogromne jak NIF, największy i najbardziej energetyczny laser na świecie, umieszczony w budynku o wysokości 10 pięter i szerokości trzech boisk piłkarskich.
Lasery – zastosowania w medycynie
Lasery znajdują szerokie zastosowanie w aplikacjach medycznych. Należą do nich m.in. eliminowanie kamieni nerkowych, chirurgia bezinwazyjna, diagnozowanie nowotworów i radioterapia, korekcja soczewki oka, endoskopia światłowodowa przy wykrywaniu wrzodów żołądka i dwunastnicy, leczenie chorób płuc i wątroby, badanie mikroorganizmów i komórek, wspomaganie reakcji chemicznych, wytwarzanie plazmy, usuwanie polipów, usuwanie fragmentów zęba i miazgi zębowej, które dosięgnął zgorzel i martwica, a także w chirurgii plastycznej.
Lasery – zastosowania w komunikacji
Światło lasera znajduje również zastosowanie w szeroko rozumianej komunikacji. Przykładami mogą tu być transmisja danych za pomocą światłowodów komunikacyjnych na długie odległości z niskimi stratami w sygnale, komunikacja podwodna, a także komunikacja w kosmosie za pośrednictwem radarów i satelitów.
Lasery – zastosowania w przemyśle
Kolejną branżą stanowiącą ogromne pole dla zastosowań laserów jest szeroko rozumiany przemysł. Za pomocą laserów można ciąć szkło i kwarc. W przemyśle elektronicznym lasery wykorzystuje się w produkcji przyrządów półprzewodnikowych i układów scalonych – szczególnie warto tu zwrócić uwagę na lasery ultrafioletowe, które się stosuje w procesach fotolitograficznych, np. przy produkcji płytek PCB, mikroprocesorów i innych układów scalonych. Za pomocą laserów można także skanować kody kreskowe i kody QR na opakowaniach produktów. Lasery służą też do wiercenia dysz aerozolowych i sterowania kryzami z wymaganą precyzją.
Lasery w zastosowaniach naukowo-badawczych i technicznych
Bez laserów współczesne prace badawczo-rozwojowe byłyby znacznie trudniejsze do wykonania. Lasery pomagają m.in. w badaniu ruchów Browna cząstek. Przy użyciu lasera helowo-neonowego udowodniono, że prędkość światła jest taka sama we wszystkich kierunkach. Za pomocą lasera można także obliczyć liczbę atomów w substancji. Lasery są używane w komputerach do pobierania przechowywanych informacji z płyty CD, na których dane są zapisane w postaci binarnej. Służą do pomiaru zanieczyszczeń gazowych i innych zanieczyszczeń atmosfery, stąd można je znaleźć m.in. w czujnikach zapylenia. W astronomii lasery pomagają w dokładnym określeniu szybkości obrotu Ziemi. Stanowią także istotny element roboczy drukarek komputerowych. Za ich pomocą można też tworzyć trójwymiarowe obrazy w przestrzeni bez użycia obiektywu. Lasery są wykorzystywane do wykrywania wstrząsów sejsmicznych i podwodnych wybuchów jądrowych. Laser diodowy z arsenku galu może być użyty do ustawienia niewidzialnego ogrodzenia w celu ochrony terenów strzeżonych przed podmiotami niepowołanymi do wejścia na nie.
Lasery w zastosowaniach militarnych
Bez laserów nie może się obyć także szeroko rozumiana technika wojskowa. Przykładem są tutaj dalmierze laserowe, które służą do określania odległości od obiektu. Żyroskop laserowy pierścieniowy wykorzystuje się do wykrywania i pomiaru bardzo małego kąta obrotu poruszających się obiektów. Lasery mogą być używane jako tajne iluminatory do noktowizji z dużą precyzją, a także do rozprowadzania energii głowicy bojowej poprzez uszkadzanie pocisku. Ponadto światło laserowe jest używane w systemach LIDAR do dokładnego pomiaru odległości względem obiektu.
