Laser

Laser

Laser (engl. Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, valon vahvistaminen säteilyn stimuloidulla emissiolla) on optinen laite, joka tuottaa koherentin valonsäteen. Toiminta perustuu stimuloiduksi emissioksi nimitettyyn kvanttimekaaniseen ilmiöön. Laseroiva väliaine toimii optisena vahvistimena vain tietyllä aallonpituuskaistalla tai -kaistoilla aallonpituudelle. Usein väliaine on optisen resonaattorin sisällä. Tällöin valo on enemmän tai vähemmän kollimoitua ja monokromaattista. 
Hehkulampuissa, joissa valo syntyy satunnaisen lämpöliikkeen vaikutuksesta, valo on epäkoherenttia, sen aallonpituuskaista on laaja ja sitä säteilee kaikkiin suuntiin.
Käytännössä laserissa valoa muodostuu kahden vastakkain olevan peilin väliin. Toinen peileistä päästää valosta ulos pienen osan, josta muodostuu varsinainen lasersäde. Kulkiessaan edestakaisin peilien välissä valosta poistuvat erisuuntaiset ja -vaiheiset komponentit.

Fysikaalinen perusta

Laser koostuu laseroivasta väliaineesta ja resonantista optisesta kaviteetista, joka on usein esimerkiksi sopivan pituinen putki. Väliaineelta vaaditaan sopivia ominaisuuksia, jotta se olisi laseroivaa eli siinä esiintyisi stimuloitua emissiota. Jotta väliaine saataisiin laseroimaan, siihen syötetään eli pumpataan energiaa. Pumppausta voidaan tehdä optisesti syöttämällä valoenergiaa törmäysviritysmenetelmällä, jolloin energia siirtyy atomitörmäyksissä, tai syöttämällä varauksenkuljettajia väliaineeseen. Pumpattu energia synnyttää väliaineeseen viritystiloja. Kun jossain viritystilassa on enemmän hiukkasia kuin jossain toisessa alemmassa tilassa, syntyy käänteinen miehitys. Normaalisti väliaineen läpi kulkeva säde vaimenee, kun väliaine absorboi säteen fotoneita. Käänteisessä miehityksessä olevan väliaineen läpi kulkeva optinen säde kuitenkin saa aikaan enemmän stimuloitua emissiota kuin absorptiota ja säde vahvistuu. Näin ollen pumpattua laseroivaa väliainetta voidaan käyttää myös optisena vahvistimena.
Tuotettu valo on ominaisuuksiltaan samankaltainen kuin alkuperäinen signaali. Sen aallonpituus, vaihe ja polarisaatio säilyvät. Tästä johtuu laservalolle ominainen koherenssi ja polarisaatio-ominaisuuksien sekä kaviteetin rakenteen avulla saavutetun monokromaattisuuden säilyminen.
Optinen kaviteetti on peileistä muodostettu laite, joka mahdollistaa seisovien valoaaltojen syntymisen. Peilien ansiosta jokainen fotoni kulkee väliaineen läpi useita kertoja ennen kuin se emittoituu laserin suuaukosta tai menetetään absorption tai diffraktion takia. Jos väliaineen aikaansaama vahvistus on suurempi kuin aikaansaatu vaimennus, valonsäteen teho voi kasvaa eksponentiaalisesti. Koska stimuloidut emissiot kuitenkin vähentävät väliaineen vahvistuskykyä, voi vahvistus tietyssä vaiheessa saturoitua. Tällöin pumpattu energia, säteen vahvistus ja energianmenetykset ovat tasapainossa eikä säde vahvistu enempää. Liian pienillä pumppaustehoilla vahvistus on riittämätön ja syntynyt ulostuloteho olemattoman pieni.
Laserin synnyttämä valo on hyvin kollimoitunutta. Tämä tarkoittaa sitä, että suunnattaessa laserin valo kaukaiselle pinnalle sen muodostama valopisteen ala on suhteellisen pieni. Kuitenkin täydellisen kollimoitunutta sädettä ei voida diffraktion vuoksi saada aikaan. Tämän takia laservalokin leviää pitemmillä matkoilla hiukan. Tämä leviäminen riippuu kuitenkin voimakkaasti laserin tyypistä. Suurten kaasulasereiden säteet ovat usein hyvin kollimoituja, mutta pienten puolijohdelasereiden säteet hajoavat lähes välittömästi suuaukon jälkeen (kulmat saattavat olla jopa 50° luokkaa). Nämä hajaantuvat säteet voidaan kuitenkin kollimoida uudestaan optisilla laitteilla. Muiden kuin laserlähteiden valoa on sen sijaan erittäin vaikea kollimoida hyvin.
Koherenssilla tai koherenttisuudella tarkoitetaan valon kykyä interfereroida itsensä kanssa. Koherenttisuus määritellään tavallisesti sinä matkana, jolla interferenssi on mahdollinen. Matka riippuu aallonpituudesta ja kaistanleveydestä. Hehkulampulla tehollinen kaistanleveys on noin 150 nm ja keskimääräinen aallonpituus noin 550 nm. Näiden arvojen, 550 nm ja 150 nm suhteena saadaan selville interferenssikuvion maksimien ja minimien lukumäärä. Newtonin renkaita on hehkulampun valossa muutama kappale, ja koherentti matka muutamia satoja nanometrejä. Jos kaistaa kavennetaan värisuodattimella, niin koherentti matka ja renkaiden määrä lisääntyy vastaavasti. Valon kaistanleveys jatkuvatoimisessa kaasulaserissa (esimerkiksi HeNe) on aivan olennaisesti pienempi kuin hehkulampussa, mutta ei nolla. Tämä johtuu kuumassa kaasussa tapahtuvasta Doppler-ilmiöstä. Tarkasti ottaen laservalo ei ole monokromaattista, ja sen koherenttisuus on rajallinen, mutta kuitenkin aivan eri kertaluokkaa kuin muilla valonlähteillä.
Laserit jaetaan pulssilasereihin ja jatkuvatoimisiin lasereihin. Pulssilasereilla voidaan saavuttaa merkittävästi suurempia maksimitehoja kuin jatkuvatoimisilla lasereilla. Jotkin laserit voivat tuottaa valoa monilla aallonpituuksilla. Tämä mahdollistaa hyvin lyhyiden valopulssien tuottamisen. Nämä pulssit voivat olla kestoltaan vain femtosekunnin luokkaa (10⁻¹⁵ s).
Vaikka sana laser viittaa erityisesti näkyvää valoa tuottavaan laitteeseen, käytetään sanaa myös muun taajuisia fotoneita tuottavista laitteista. Tässä artikkelissa sana ”valo” voi siis tarkoittaa myös esimerkiksi röntgensäteitä, infrapunasäteilyä tai ultraviolettisäteilyä. Mikroaaltoja tai radioaaltoja tuottavaa vastaavaa laitetta kuitenkin sanotaan yleensä maseriksi. Tämä johtuu historiallisista syistä, sillä ensimmäiset mikroaaltoja tuottaneet maserit rakennettiin ennen valoa tuottavia lasereita.

Historia

Albert Einstein loi teoreettisen pohjan lasereille vuonna 1916 Planckin säteilylakia tarkastelleella tutkimuksellaan. Tähän työhön kuitenkin palattiin vasta toisen maailmansodan jälkeen vuonna 1953, kun Charles Townes ja jatko-opiskelijat James Gordon ja Herbert Zeiger rakensivat ensimmäisen maserin. Laite ei kuitenkaan pystynyt jatkuvan säteen tuottoon. Townes jakoi vuoden 1964 Nobelin fysiikanpalkinnon neuvostoliittolaisten Nikolai Basovin ja Aleksandr Prohorovin kanssa, jotka olivat selvitelleet jatkuvan säteen tuottamiseen liittyviä ongelmia.
Vuonna 1957 Townes ja Arthur Leonard Schawlow tutkivat Bell Labsillä infrapuna-alueen masereita. Infrapuna kuitenkin hylättiin ja tutkimus keskitettiin näkyvän valon aallonpituuksiin. Aluksi tätä laitetta kutsuttiin optiseksi maseriksi, jolle haettiin patenttia seuraavana vuonna. Asiasta myös julkaistiin tieteellinen artikkeli (Phys. Rev. Vol. 112, 6). 
Samanaikaisesti tämän kanssa jatko-opiskelija Gordon Gould Columbian yliopistosta työskenteli talliumin energiatasoja käsittelevän tutkimuksen parissa. Townesin tavattuaan Gould oli tehnyt muistiinpanoja ideastaan rakentaa "LASER". Termi laser kuitenkin julkaistiin ensimmäistä kertaa Gouldin vuoden 1959 artikkelissa. Gould suunnitteli -aseria käytettäväksi päätteenä laitteen tuottaman aallonpituuden mukaan, mutta lopulta vain termi laser yleistyi. Gould pohti useita sovelluksia lasereille muun muassa spektroskopian, interferometrian ja ydintekniikan alalta. Gould haki patenttia myöhemmin samana vuonna. Tämä hakemus kuitenkin hylättiin ja Bell Labs sai patentin vuonna 1960. Tätä seurasi parikymmentä vuotta kestänyt riita, jonka tuloksena liittovaltion tuomioistuin määräsi vuonna 1987 Gouldille patentin optisesti pumpatusta ja kaasupurkauslaserista.
Ensimmäisen toimivan laserin rakensi Theodore Maiman Hughes Research Laboratoriesilla vuonna 1960. Näin hän voitti muun muassa Townesin ryhmän Columbian yliopistossa ja Schawlow'n ryhmän Bell Labseillä. Maimanin laser oli optisesti pumpattu rubiinilaser, joka tuotti 694 nm:n pulssittaista punaista valoa. Samana vuonna iranilainen Ali Javan sekä William Bennet ja Donald Herriot rakensivat ensimmäisen kaasulaserin. Siinä käytettiin väliaineena heliumin ja neonin seosta.
Basov ja Javan ehdottivat puolijohdelaseria. Ensimmäisen laserdiodin esitteli Robert N. Hall vuonna 1962. Hallin galliumarsenidilaite tuotti 850 nm:n infrapunavaloa, joka ei ollut nähtävissä ihmissilmin. Ensimmäinen näkyvän valon puolijohdelaser esiteltiin myöhemmin samana vuonna. Kuten varhaiset kaasulaserit nämä puolijohdelaitteet tuottivat vain pulssittaista valoa. Ne vaativat myös jatkuvaa jäähdytystä nestemäisellä typellä.
Ensimmäinen jatkuvatoiminen laserdiodi kehitettiin vuonna 1970 yhtä aikaa sekä Neuvostoliitossa että Bell Labsillä. Ensimmäiset laajalle levinneet sovellukset olivat viivakoodien lukija vuonna 1974 ja laserlevysoitin vuonna 1978. Ensimmäinen todella menestynyt laserin sisältänyt kulutustuote oli CD-soitin, joka tuli markkinoille vuonna 1982.

Laserin käyttöturvallisuus

Laserin vaarallisuus perustuu laserin pitkään kantamaan ilmassa (toisin sanoen säde ei leviä ja hajoa tavanomaisen valokeilan tavoin). Jo pienen tehon (~1 mW) laserin säteily voi aiheuttaa näkövaurioita. Aallonpituuksilla, joilla sarveiskalvo ja linssi kohdistavat hyvin valoa, koherentti ja kapea lasersäde voi fokusoitua hyvin pienelle verkkokalvon alueelle aiheuttaen nopeasti kudosvaurioita.
Laserit on turvallisuusluokiteltu luokkiin I–IV. Luokan I laser ei aiheuta pysyviä näkövaurioita, mutta turvallisuusluokan IV laser voi polttaa iholle palovamman hetkessä.