Lāzers

Lāzers (angļu: Laser) ir elektroniski optiska ierīce, kas izstaro koherentu starojumu. Termins "lāzers" ir akronīms no angļu valodas, t.i., Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, ko latviešu valodā var tulkot kā "gaismas pastiprināšana, izmantojot inducēto starojumu". Tipisks lāzera starojums ir gaismas kūlis ar mazu izkliedi un ar monohromatisku viļņa garumu. Pretstatā lāzeram, citi gaismas avoti, piemēram, kvēlspuldze, izstaro gaismu visos virzienos un ar dažādiem viļņa garumiem (plašā spektra joslā).
Lāzera starojumu var fokusēt uz ļoti mazu laukumu, tādējādi iegūstot gaismas kūli ar lielu jaudu. Jaudīgākie lāzeri var izkausēt tērauda plāksnes. Lāzera gaismas kūlis saglabā savu formu arī ļoti lielā attālumā, un to var precīzi nomērķēt pat uz mazu spoguli, kas atrodas, piemēram,  uz Mēness — 384 400 km attālumā no Zemes.

Lāzera rašanās vēsture

Kopš 1957. gada vairākas zinātniskās laboratorijas ASV pievērsās lāzeru pētījumiem. Ar to nodarbojās Bella laboratorijās (Bell Labs) Čārlzs Taunss un Arturs Šavlovs. Tajā pašā laikā Kolumbijas universitātē pie līdzīga temata savā doktora disertācijā strādāja Gordons Gūlds. 1958. gadā parādījās arī PSRS zinātnieka Aleksandra Prohorova pētījumi. 1959. gadā Gūlds iesniedza pieteikumu patentam, bet viņam tika atteikts, 1960. gadā piešķirot patentu Bella laboratorijām. Daudzus gadus norisinājās tiesāšanās, līdz 1987. gadā Gūlds tomēr saņēma patentu. Vēsturiski vēl joprojām nav stingri noteikts, kam pienākas pirmatklājēja loma šajā jomā. Pirmo darbojošos lāzeru 1960. gadā Hjūsa pētījumu laboratorijā Kalifornijā uzbūvēja amerikāņu inženieris Teodors Meimens. Meimens ieguva lāzera gaismas kūli, ar parastu impulsu gaismu apstarojot īpašu sintētiskā rubīna stieni. Mūsdienās par darba vielu izmanto arī daudzus citus materiālus. Lāzeros var izmantot kristālu, šķidrumu vai gāzi. Piemēram, ar gāzu lāzeriem, kuros lieto argonu, var iegūt mazas jaudas kūli. Tas ir labs instruments mikroķirurģijā. Savukārt lāzeri, kuru darba viela ir kristāla stieņi (piemēram, smaragda), rada lielas jaudas staru kūli.

Darbības princips

Atomam  atrodoties līdzsvara stāvoklī, elektroni izvietoti apkārt atoma kodolam noteiktos enerģijas līmeņos. Ja no kāda ārēja avota tiek pievadīta enerģija, elektrons var pāriet citā enerģijas līmenī. Kad elektrons pēc tam atgriežas sākumstāvoklī, tas izstaro elektromagnētiskā starojuma fotonu (lāzera gaismu). Lāzera gaisma trāpa citam atomam, kurš arī rada lāzera gaismu. Šāda veida lāzers rada nepārtrauktu gaismas kūli. Ir arī cita veida lāzeri, kas darbojas impulsu režīmā, emitējot gaismas kūli regulāros, ātros uzliesmojumos.
Lāzers ir ultravioletā, redzamā vai infrasarkanā diapazona elektromagnētisko viļņu ģenerators vai pastiprinātājs, kura darbības pamatā ir inducētais starojums. Inducētajam starojumam ir tāda pati frekvence, fāze un polarizācija kā inducējošajam starojumam. Lāzers dod iespēju ģenerēt (kvantu ģenerators) un pastiprināt (kvantu pastiprinātājs) koherentu gaismu. Lai viela starojumu pastiprinātu, nevis absorbētu, ir nepieciešama enerģijas līmeņu "inversā apdzīvotība", ko iegūst, izvēloties vielu ar noteiktām elektronu enerģijas līmeņu īpašībām un ierosinot to ar ārēju enerģijas avotu.

Daži tehniskie risinājumi

Saistīto elektronu lāzeros jeb optiskajos kvantu ģeneratoros izmanto aktīvās vielas, kuru enerģijas darba līmeņus var aprakstīt ar 4 līmeņu shēmu. Šādu kombinatīvo lāzeru pamatā ir ierosinošā lāzera gaismas inducētā kombinatīvā izkliede aktīvajā vielā. Lai iegūtu starojuma ģenerāciju, ir nepieciešama pozitīva atgriezeniskā saite, ko realizē, aktīvo vielu ievietojot optiskajā rezonatorā, kurš stipri palielina inducētā starojuma koherenci. Parasti lieto atklāto rezonatoru, ko veido 2 spoguļi. Stāvviļņu rašanās dēļ tajā ir apgabali, kur aktīvā viela netiek pilnīgi iesaistīta lāzera darbībā. To novērš, lietojot riņķveida rezonatoru skrejviļņu režīmā; tad palielinās lāzera jauda, kā arī frekvences stabilitāte. Lāzera rezonatorā vienlaikus var tikt ierosināti noteikti gaismas pašsvārstību tipi jeb modi, kas atšķiras pēc amplitūdas un fāzes sadalījuma. Lielākā starojuma koherence ir zemākā šķērsmoda viena garenmoda režīmā - tad koherences garums lₖₒₕ>100m.
Brīvo elektronu lāzeros (BEL) aktīvā viela ir monoenerģētisks elektronu kūlis, ko ievada rezonatorā ar ātrumu, tuvu gaismas ātrumam. Inducētais starojums BEL rodas, elektroniem izkliedējoties rezonatorā elektromagnētiskā lauka ietekmē. Ja inverso apdzīvotību uztur nepārtraukti, lāzers darbojas nepārtrauktā režīmā, ja īslaicīgi, tad impulsu režīmā. Īsus un ultraīsus gaismas impulsus ar lāzeru var ģenerēt, izmantojot divas galvenās metodes. Rezonatora pieauguma (Q) pārslēgšanās metode: sākumstāvoklī Q ir tik mazs, lai nenotiktu ģenerācija un ierosināšanas laikā iegūtu lielāku inverso apdzīvotību nekā tad, ja Q ir liels. Pēc tam Q strauji palielina un rezonatorā uzkrātā enerģija atbrīvojas īsa (10⁻⁶-10⁻⁹s) un jaudīga (1-1000MW) gaismas impulsa veidā. Aksiālo modu sinhronizācijas metodē periodiski pārslēdz Q. Pārslēgšanas frekvence ir c/2L (kur c - gaismas ātrums, L - rezonatora garums), blakus esošo aksiālo modu fāžu starpība kļūst konstanta, un lāzers izstaro ultraīsu (10⁻¹¹-10⁻¹⁴s) gaismas impulsu virkni ar intervālu 2L/c.
Dažādu lāzeru starojums aptver spektra diapazonu no ultravioletās daļas (viļņa garums λ = 107,3 nm; piemēram, NeF eksimēru lāzers) līdz milimetru viļņiem (λ = 1 985 nm; CH₃CN u.c. molekulārajiem lāzeriem). Lāzera starojuma jauda ir no 10⁻⁶W (lāzerdiodēm) līdz 10¹⁴W (Nd³⁺ stikla lāzers) impulsu režīmā, bet nepārtrauktā režīmā - līdz 400kW (deitērija fluarīda ķīmiskajam lāzeram).
Pirmais lāzers (saistīto elektronu lāzers) tika radīts ASV 1960. gadā, bet pirmais brīvo elektronu lāzers - ASV 1975. gadā. 1965. gadā PSRS sāka ražot tehnoloģiskās lāzeru iekārtas. Līdz ar lāzeru rašanos izzuda kvalitātes atšķirība starp optiku un radioelektroniku. Radās jaunas zinātnes un tehnoloģijas nozares (piemēram, hologrāfija, integrālā optika, nelineārā optika, optoelektronika, lāzeru spektroskopija, spektru optika).