Lasero

Lasero estas akronimo, kiu devenas de "Lum-Amplifo per Stimulata Eligo de Radioj". Ĝi estas aparato, kiu uzas
kvantummeĥanikan efikon, stimulatan eligon, por produkti tre paralelan, unukoloran kaj samfazan faskon de lumradioj.

Ordinaraj fontoj de lumo, kiel elektraj lampoj, eligas fotonojn ĉiudirekte, kutime kun larĝa spektro de ondolongoj. La plimulto da lumfontoj ankaŭ estas nesamfazaj, t.e., ne estas faza rilato inter la eligitaj fotonoj.

Kontraste, lasero eligas fotonojn en mallarĝa, bone difinita fasko de lumo. La lumo ofte estas preskaŭ unukolora (konsistanta el unuopa ondolongo aŭ koloro), estas tre samfaza kaj ofte polarizita. Oni kreas tridimensiajn bildojn per holografio danke al laseroj.

Distancoj mezuriĝas danke al lasertelemetroj. La fasko, eligata el lasero, ofte havas tre malgrandan diverĝon (t.e. ĝi estas ege paralela). La fasko finfine larĝiĝos pro la efiko de difrakto, sed multe malpli, ol fasko de lumo, produktata alie. Fasko produktata per malgranda laboratoria lasero kiel heliuma-neona (HeNe) lasero, larĝiĝas al proksimume du-kilometra diametro, se ĝi iras de la Tera supraĵo al la Luno.

Iuj specoj de laseroj, kiaj tinkturaj laseroj, povas produkti lumon en larĝa amplekso de ondolongoj; tiu eco taŭgigas ilin por produktado de ege mallongaj pulsoj de lumo, ĉirkaŭ femtosekundaj (10−15 sekundoj).

Iuj laseroj malvarmigas atomojn ĝis malpli ol unu mK per ekzemple ses laseroj po du uzataj vidalvide (Doppler-a malvarmigo): la atomoj sorbas la laserfotonojn, kies energio estas proksimume al tiu de la diferenco de energionivelo inter elektronikaj tavoloj de malvarmigitaj atomoj.

Laserlumo povas esti ege intensa, eĉ povante tranĉi ŝtalon kaj aliajn metalojn, kvazaŭ farus maldika fasko de energiaj partikloj.

Fizikaj principoj 

La bazo de la funkciado de laseroj estas la "stimulata eligo" de fotonoj (lumo). Eligo nomiĝas stimulata, se ĝi okazas ne spontanee, sed pro stimulado de alia fotono. Tiuokaze la du fotonoj havas la samajn energion, direkton, polarizitecon kaj fazan angulon; ili estas koheraj.

Lumo, kiu trairas materialon, normale estas sorbata; tio estas, ĝi transdonas sian energion al la renkontataj atomoj, ekscitante ilin, ĉar la atomoj estas al malalt-energia stato. Se la atomoj estas ekscitataj per ekstera energifonto, laŭ Einstein la probablo, ke okazu stimulata eligo aŭ sorbo estas laŭ la proporcioj inter ekscititaj kaj malalt-energiaj atomoj. Estu:
B la koeficiento de Einstein
N1 la nombro de atomoj en energistato E1
N2 la nombro de atomoj en energistato E2
E2 > E1
ν12 = (E2 − E1)/h la frekvenco de lumo eligata pro transiro de atomo de nivelo E2 al E1
ρ(ν12) la denso de la radiada kampo ĉe la frekvenco ν12

Tiam la probabloj de eligo respektive de sorbo estas:
 Pel = B N2ρ(ν12)
 Pso = B N1ρ(ν12)

La probabloj estas do rekte proporciaj al la nombro de atomoj en la du statoj. Se oni sukcesas krei sistemon, en kiu estas pli da ekscititaj ol da "normalaj" atomoj (N2 > N1), la lumo trairanta la materialon gajnas energion anstataŭ perdi ĝin; oni diras, ke tia sistemo havas "inversigitan populacion". Sed laŭ la distribuo de Boltzmann, sistemo en ekvilibra stato havas ĉiam N2 < N1. Tial por produkti inversigitan populacion necesas stimuli la sistemon, "pumpi" energion en ĝin, por meti ĝin en ne-ekvilibran staton.

Ĉi tiu stimulado aŭ pumpado povas okazi elektre aŭ lume:
 Elektra stimulado okazas per almeto de elektra tensio (potencialdiferenco) al la materialo; ĝi eblas nur pri konduktantaj materialoj, ekzemple metalaj vaporoj.
 Luma stimulado povas okazi per lampo, kies lumo estas direktata per taŭgas lensoj aŭ speguloj.

La lasera lumo ekestanta en la perila materialo estas kaptata inter du speguloj, inter kiuj ĝi iras tien-reen por plurfoje trairi la perilon. Por ke parto de la lumo povu eskapi kaj esti utiligata, unu el la speguloj reflektas nur parton de la lumo.

Klasado de laseroj

Klasado laŭ la perilo 

Laŭ la perilo (foje nomata medio), kiu estas stimulata, oni dividas laserojn en 6 klasojn.

Kristalaj laseroj 

Kristalaj laseroj uzas perilon solidan, kristalan aŭ vitran, por elsendi fotonojn. La kristalo aŭ vitro estas nur portaĵo kaj devas esti drogita per jonigita materialo; tial oni uzas ankaŭ la nomon "jona lasero".

La historie plej malnova kristala lasero estas la rubena lasero, kiu uzas rubenon drogitan per kromo (Cr3+).

Kolorigilaj laseroj 

Kolorigilaj, alinome tinkturaj, laseroj uzas fluaĵon kiel perilon. La nomo devenas de la fakto, ke tiuj fluaĵoj servas ankaŭ kiel kolorigiloj.

Gasaj laseroj 

La perilo de gasa lasero estas gaso enfermita en vitra aŭ kvarca tubo. Tia lasero havas tre maldikan radion je tre malmulte etendita frekvenco. Ekzemplo estas la helia-neona lasero, kiu elsendas ruĝan lumon kun ondolongo de 632,8 nm.

La laseroj uzataj por lumspektakloj kutime estas gasaj laseroj.

Diodaj laseroj 

Ĉe diodaj aŭ duonkonduktaĵaj laseroj la stimulado okazas per elektra kurento, kiu riĉigas la perilan substancon je elektronoj kaj je elektron-truoj. Per rekombiniĝo de truoj kaj elektronoj ekestas lumo.

Ega plimulto de la industrie aplikataj laseroj estas diodaj laseroj, ĉar ilia lumo estas rekte influebla de elektra kurento. Tiel ekzemple elektraj impulsoj (kodantaj informon) estas rekte transformeblaj al laseraj impulsoj, transsendeblaj en lumfibraj kabloj.

Liber-elektronaj laseroj 

Liber-elektronaj laseroj (LEL) elsendas lumon per akcelo de partikloj; striktasence ĝi ne estas lasero, ĉar mankan la stimulado.

Fibraj laseroj 

Fibra lasero similas al kristala lasero, sed la drogita perilo ne estas kristalo, sed optika fibro. Fibraj laseroj estas kompare malmultekostaj, precipe kie temas pri grandaj povoj.

Formo de la signalo 

Laŭ la (tempa) formo de la signalo oni distingas inter konstante lumantaj laseroj kaj pulsaj laseroj, kiuj lumas en mallongaj impulsoj.

Meĥanikaj kaj industriaj aplikoj

Mezurado de distancoj 

Kiel priskrbite supre eblas mezuri distancojn mezurante la tempon, kiun lasera radio bezonas por iri al reflektilo (spegularo) kaj reveni. Tio eblas ankaŭ per ordinara lumo; la avantaĝo de lasera lumo estas, ke pro sia paraleleco ĝi malfortiĝas nur tre malmulte, eĉ je longa distanco.

En termezurado laseraj mezuriloj jam grandparte anstataŭas mezurbendojn.

Borado kaj tranĉado 

Laseroj kapablas bori truojn en malmola materialo aŭ ĝin distranĉi. Lasera borado eblas ankaŭ, se la truo havu tre malgrandan angulon kun la traborata surfaco, tiel ke meĥanika borilo ne povus almeti sian pinton aŭ eĉ rompiĝus.

Lasero povas prilabori materialon laŭ tri maniero: Per fandado, vaporigo aŭ bruligo. Ĉiu tri estas industrie aplikataj. Per surfaca bruligo eblas ekzemple skribi sur surfacoj sen rekta meĥanika kontakto kun ili. Fandado utilas ne nur por tranĉi aŭ bori, sed ankaŭ por veldi.

Daten-transigo 

Lasera lumo povas, pro sia frekvenco alta kompare kun radiaj ondoj, transsendi grandajn kvantojn da datenoj. Alia daten-transiga apliko de laseroj estas en la legado de lumdiskoj.

Miksaĵo inter meĥanika kaj datena apliko de lasero estas la lasera presilo. Ĝi uzas negative ŝargitan lum-sensivan cilindron, kiu estas kovrata per elektre ŝargita farbo. Lasero tiam prilumas partojn de la cilindro, forigante de tie la elektran ŝargon; sekve tie la ŝargita farbo defalas. Sur aliaj lokoj, kiujn la lasero ne tuŝis, la farbo restas kaj povas esti transigita al la presota portaĵo, ekzemple papero.

Medicinaj aplikoj

Lum-dinamika tumoro-terapio 

Tumoroj en sia komenca stadio estas trakteblaj sen-tranĉe per lasera radiado. Tiu teĥniko nomiĝas "lum-dinamika". Por apliki ĝin oni injektas en la histon iun lum-sensivan substancon, kiu aliĝas nur al la malsanaj ĉeloj kaj prilumas ĝin per lasera lumo de certa ondolongo. La radiado kaŭzas reakcion kun oksigeno, kiu detruas la malsanajn ĉelojn.

Kuracado de hemoroidoj 

Lasero permesas traktadon de hemoroidoj per tre milda operacio. La lasero atakas ne la hemoroidojn mem, sed aron da 12 arterietoj, kiuj provizas ilin per sango. Post fermado de tiuj arterietoj la hemoroidoj sekiĝas.

Por precize lokalizi la arterietojn servas Doppler-sondilo, kiu mezuras iliajn lokojn sen penetri sub la haŭton aŭ mukozon.

Terapio de okulaj malsanoj

Terapio de la retino 
 
Per lasero lumanta en la okulon eblas detrui malsanajn partojn de la retino por protekti kaj fiksi apudajn sanajn partojn. Ĉe tio la lasero lumas tra la kristalino.

Terapio de miopeco (refrakta kirurgio) 

Forigante per lasero partojn de la korneo eblas transformi ĉi tiun en artefaritan lenson, kiu kompensas refraktajn problemojn en la okulo, kiuj kaŭzas miopecon aŭastigmatismon. Tio apartenas al la refrakta kirurgio, kiu estas farebla ankaŭ per konvenciaj, tranĉilaj metodoj. Ĝi ebligas al la pacientoj bonan vidon per malpli fortaj aŭ eĉ tute sen okulvitroj. Ĉar ne eblas perfekte antaŭvidi, kiel la korneo cikatriĝos post la operacio, la sukceso ne ĉiam estas perfekta.

Batalilaj aplikoj 

Lasera celilo de pafilo konsistas el lasero, kiu sendas radion de videbla lumo, ofte ruĝan, proksimume paralele al la paftubo. Se la kuglo flugus perfekte rekte, ĝi sekvus la radion kaj do atingus punkton tre proksime de la luma makulo sur la celata objekto. Ĉar la kuglo dum la flugo iomete falas pro sia pezo, necesas korekti la radion depende de la celdistanco. Lasera celilo estas pli facile manipulebla ol vida celilo; la pafanto ne bezonas meti la pafilon al la okulo.

La usona programo Strategia Defend-Iniciato (Strategic Defense Initiative, SDI) en la 1980-aj jaroj planis instali potencajn laserojn sur satelitoj, kiuj detruu flugantajn misilojn. La fizikaj problemoj de tia projekto tamen estas tro grandaj por realigo.

Diskutata estas la uzo de laseroj por blindigi homojn aŭ aŭtomatajn armil-sistemojn, kiuj orientiĝas optike. Jam okazis, ke sstiristoj de aviadiloj estis dumtempe blindigitaj per laseroj por perturbi la surteriĝon de aviadilo.

Eksteraj ligiloj

Referencoj

Vidu ankaŭ 
 Fiziko
 Optiko
 Optika disko
 Helmut Huegel
 Theodor W. Hänsch
 Donna Strickland

Optiko
Inventaĵoj kaj malkovroj
Laseroj