Lazeris

Lazeris – įrenginys, spinduliuojantis koherentišką šviesą. Paprastai lygiagrečiu srautu lazeris skleidžia monochromatinę (vieno bangos ilgio) šviesą. Pavadinimas „lazeris“ yra angliškos frazės „Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation“ () trumpinys.

Istorija 

Dar 1917 m. Albertas Einšteinas savo straipsnyje „Zur Quantentheorie der Strahlung“ () padėjo pagrindus lazerio sukūrimui. Jis iš naujo išvedė Makso Planko spinduliavimo dėsnį pasinaudodamas sugerties, spontaniško ir priverstinio spinduliavimo tikimybės koeficientų sąvokas. Šie koeficientai dabar vadinami Einšteino koeficientais. 1928 m. Rudolph W. Landenburg patvirtino priverstinio spinduliavimo egzistavimą, o 1939 m. Tarybų Sąjungos mokslininkas Valentin A. Fabrikant pasiūlė priverstinį spinduliavimą naudoti trumpų bangų stiprinimui. 1947 m. Wills Lamb ir R. C. Retherford pirmą kartą pademonstravo priverstinį spinduliavimą.

1952 m. Nikolajus Basovas ir Aleksanderis Prokorovas apibūdino lazerio pirmtako – mazerio – veikimo principą. Žodis „mazeris“ reiškia tą patį, kaip ir lazeris, tik raidė „m“ yra iš žodžio „microwave“ (), t. y. mazeris generuoja ir stiprina mikrobangas. Pirmą veikiantį prietaisą 1953 m. Kolumbijos universitete sukonstravo Charles Hard Townes, J. P. Gordon ir H. J. Zeiger. 1955 m. Basovas ir Prokorovas iškėlė optinio kaupinimo, reikalingo užpildos apgrąžai sudaryti, idėją. Tuo metu prasidėjo intensyvūs tyrimai, nuvedę prie lazerio išradimo, tuomet vadinto „optiniu mazeriu“. Dabartinis terminas pasiūlytas 1959 m.

Pirmąjį veikiantį lazerį 1960 m. pademonstravo Theodore Maiman iš Hughes Research Laboratories. Jo aktyvioji terpė buvo dirbtinis rubinas, o kaupinimas vyko išlydžio lempa. Lazeris generavo 694 nanometrų bangos ilgio ilgio raudoną šviesą ir dėl trijų lygmenų sistemos veikė tik impulsine veika.

Lazerinio diodo idėją pasiūlė N. Basovas ir Javanas, o pirmą veikiantį prietaisą 1962 m. pademonstravo Robert N. Hall. Jis buvo pagamintas iš galio arsenido ir generavo 850 nm bangos ilgio šviesą. Pirmieji puslaidininkiniai lazeriai veikė tik impulsiniame režime ir atšaldyti iki skysto azoto temperatūros. Kambario temperatūroje veikiantys lazeriniai diodai išrasti 1970 m.

Veikimas 

Vienos iš pagrindinių lazerio sudedamųjų dalių yra aktyvioji terpė ir optinis rezonatorius. Aktyviojoje terpėje, tam tikro dydžio, koncentracijos, formos ir grynumo medžiagoje, išorine energija generuojama ir stiprinama šviesa. Tai vadinama priverstiniu spinduliavimu. Terpei energijos suteikia išorinis energijos šaltinis, vadinamas kaupinimo šaltiniu. Aktyvioji terpė sugeria kaupinimo energiją, dėl to dalis jos dalelių (pvz., atomų) elektronų pakyla į aukštesnius energetinius lygmenis, t. y. dalelės tampa sužadintomis. Kaupinimo šaltiniu gali būti išlydžio lempa, kitas lazeris ir kt. Optinio kaupinimo metu dalelės, sąveikaudamos su šviesa, gali sugerti fotonus ir juos perspinduliuoti. Fotonų perspinduliavimas gali būti spontaniškas arba priverstinis, t. y. stimuliuotasis. Kai kaupinimo metu dalelių sužadintoje būsenoje skaičius viršija žemesnių energijos būsenų dalelių skaičių, yra pasiekiama užpildos apgrąža ir priverstiniam spinduliavimui tenkantis perspinduliuotų fotonų kiekis dėl šviesos, praeinančios aktyviąją terpę, tampa didesnis, nei tenkantis savaiminiam. Dėl šios priežasties šviesa yra stiprinama. Reikia nepamiršti, jog šiuo atveju sužadintas daleles perspinduliuoti fotonus priverčia ne tik kaupinimo šaltinio fotonai, bet jau ir pačios medžiagos perspinduliuoti ir į aktyviąją terpę optinio rezonatoriaus veidrodžių sugrąžinti fotonai. 

Tokiu būdu išspinduliuota šviesa yra koherentiška, t. y. to paties bangos ilgio, fazės ir poliarizacijos.

Dar vienas svarbus lazerio komponentas yra optinis rezonatorius. Juo vykdomas spinduliuojamo šviesos pluošto formavimas, galios kontroliavimas. Iš rezonatoriaus šviesa, priklausomai nuo lazerio konstrukcijos, gali būti išleidžiama nuolatiniame pastovios amplitudės ar impulsiniame režime. Impulsinio veikimo būdu galima pasiekti žymiai didesnę spinduliavimo galią.

Nuolatinė ir impulsinė veika 
Lazeriai gali būti konstruojami taip, jog spinduliuotų arba ilgą pastovų impulsą, arba trumpų impulsų seką. Nuolatinės ir impulsinės veikos lazerių sandara gerokai skiriasi, tačiau šviesos generavimo principas išlieka toks pat.

Nuolatinė veika 
Nuolatinės veikos režime lazerio išspinduliuojamas šviesos impulsas yra beveik pastovus laiko atžvilgiu. Užpildos apgraža, reikalinga šviesos generacijai ir stiprinimui, yra nuolat palaikoma kaupinimo šaltinio.

Impulsinė veika 
Impulsinės veikos režime išspinduliuojamas šviesos impulsas kinta laike, t. y. suformuojama trumpų šviesos impulsų vora. Tai daroma kuomet reikia sukaupti kuo daugiau energijos tam tikroje vietoje per kuo trumpesnį laiką.

Impulsinė lazerio veika pasiekiama keliais būdais:
 Modų sinchronizacija (). Šiuo atveju lazeriuose generuojami impulsai nuo 10-9 iki 10-15 s, o galia gali siekti 1012 W. Galia tuo didesnė, kuo daugiau modų sinchronizuojama.
 Kokybės moduliacija (). Šis būdas įgyvendinamas į lazerio rezonatorių patalpinus tam tikrus elementus, moduliuojančius optinio rezonatoriaus kokybę. Gaunami 10-7–10-9 s trukmės ir iki 106 W galios impulsai.
 Impulsinis kaupinimas. Tai metodas, kai impulsinė lazerio veika gaunama impulsiniu kaupinimu. Tokio kaupinimo šaltiniu gali būti blykstė ar kitas impulsinės veikos lazeris.

Lazerių tipai 

Lazeriai yra skirstomi pagal aktyvios terpės tipą (trijų/keturių lygmenų lazeriai), lazerinio kaupinimo būdą (elektrinis/optinis) bei optinio rezonatoriaus formą (stabilūs/nestabilūs). Dažniausiai sutinkamas skirstymas pagal aktyviosios terpės medžiagą:
 dujinius
 cheminius
 eksimerinius
 kietojo kūno
 šviesolaidinius
 plonojo disko
 puslaidininkinius
 dažų
 laisvųjų elektronų

Pritaikymas 
Lazeriai naudojami daugelyje sričių: kasdienėje buityje moksle, medicinoje, pramonėje, pramogoms, kariniais tikslais ir kt. Vienas iš pirmųjų lazerio pritaikymų kasdieniniame naudojime yra brūkšninio kodo skaitytuvas, pirmą kartą pristatytas 1974 m. 1978 m. pasirodė LaserDisc grotuvas, o 1982 m. pasirodžius kompaktinių diskų grotuvams ir vėliau – lazeriniams spausdintuvams, lazerių naudojimas įvairiose srityse ėmė smarkiai didėti.

Kai kurios lazerių pritaikimo sritys:
 Medicina: chirurgija, akių, dantų gydymas, inkstų akmenligės gydymas.
 Pramonė: virinimas, pjaustymas, detalių žymėjimas, graviravimas, medžiagų šiluminis apdirbimas, mikroapdirbimas, .
 Gynyba (karo pramonė): taikinių žymėjimas, priešraketinė gynyba, LIDAR.
 Moksliniai tyrimai: spektroskopija, abliacija, medžiagų tyrimai, termobranduolinės reakcijos, grūdinimas, lazerinė sklaida, skaitmeninė holografija.
 komercinis pritaikymas: lazeriniai spausdintuvai, CD, DVD ir kitų optinių diskų grotuvai, brūkšninio kodo skaitytuvai, hologramos ir kt.
 Statybos: niveliavimas, statybinių mašinų valdymas ir pan.

Lazerių sauga 

Kadangi lazerio pluoštas yra didelio koherentiškumo ir mažos erdvinės skėsties, žmogaus akies ragena ir lęšiukas gali sufokusuoti spindulį į labai mažą tašką ant tinklainės. Dėl to ta vieta akimirksniu gali būti išdeginta, o padaroma žala – neištaisoma. Lazeriai pagal galią klasifikuojami į kelias saugumo klases (su poklasėm) nuo 1 (saugūs) iki 4 (net išsklaidyta šviesa gali pakenkti akims ar odai). Pagal senąją klasifikaciją jie žymimi nuo I iki IV, kur didesnis romėniškas skaičius žymi didesnę galimą žalą ir pavojų. Lazeriniai produktai, skirti vartotojams, pvz., CD grotuvai ar lazeriniai žymekliai dažniausiai yra 1, 2 ir 3 klasės. Kai kurie infraraudonųjų spindulių lazeriai (apytiksliai virš 1,4 mikrometro bangos ilgio) dažnai laikomi saugūs akims. Taip yra dėl to, jog vidinės molekulinės vandens molekulių vibracijos smarkiai sugeria šios spektro dalies šviesą. Taigi tokio bangos ilgio lazerio pluoštas yra slopinamas ragenoje ir šviesa beveik nepasiekia tinklainės. Reikia nepamiršti, jog tai gali būti taikoma tik tam tikriems labai mažos galios lazeriams. Bet kurie kiti didelės galios ar impulsiniai infraraudonųjų spindulių lazeriai taip pat gali išdeginti akies tinklainę.

Šaltiniai

Nuorodos 

 VU Lazerinių tyrimų centras
 LIGHTDENSITY - Lazerinio mikroapdirbimo technologijų laboratorija Vilniuje
 BALTFAB - Jungtinis Atviros Prieigos Centras įkurtas Fizinių ir Technologinių mokslų centre
 APOLLO HUB - Taikomųjų tyrimų laboratorijų centras Vilniuje
 Paplitusių lazerių bangų ilgiai 
 Lazerinio mikroapdirbimo video