Laser

Laser ehk valguskvantgeneraator ehk optiline kvantgeneraator on indutseeritud kiirguse omadustel põhinev seade, mis tekitab monokromaatilist elektromagnetkiirgust spektri optilises, kas siis ultravioletses, nähtavas või infrapunases osas.
Sõna "laser" on akronüüm, mis tuleb ingliskeelsetest sõnadest "light amplification by stimulated emission of radiation", mis otsetõlkes tähendab valguse võimendamist stimuleeritud kiirguse kaudu. Pakutud on ka eestipärast sarnassõna "kõssa" ehk kiirguse õhutamine sunnitud siirete abil, kuid seda pole omaks võetud.
Laserikiirgust eristab muudest valgusallikatest tugev ajaline ja ruumiline koherentsus. Ruumiline koherentsus väljendub selles, et laserikiir saab olla väga väikese läbimõõduga. Seetõttu saab laseri kiirgust fokuseerida punktiks, et saavutada väga suuri kiiritustihedusi. Ruumiline koherentsus tähendab ka seda, et laserikiir on väga väikese hajuvusega, mistõttu seda saab kasutada pika vahemaa tagant.
Ajalise koherentsuse tõttu on laserikiirel (erinevalt teistest valgusallikatest) suhteliselt pikk koherentsuse teepikkus, mis tähendab, et piki kiirt on valguse laine faas korreleeritud üsna pika vahemaa taha (~30 cm).
Enamikust laseritest ei välju puhas ühe lainepikkusega valgus, vaid väljuvas valguses on mitu "moodi", millest igaühel on oma lainepikkus. Tihti on moodid ka erineva polarisatsiooniga. Ja kuigi ajaline koherentsus tähendab ka monokromaatsust, on olemas lasereid, mis kiirgavad korraga mitmel lainepikkusel või lausa laias spektrivahemikus.
Lasereid kasutatakse peamiselt kauguste ja nurkade mõõtmiseks, laevade, lennukite ja rakettide kiiruse ja liikumissuuna määramiseks, keevitamiseks, kõvade ja raskesti sulavate materjalide lõikamiseks, plasma kuumutamiseks (kuni temperatuurini 20106 K), spektroskoopias, holograafias ja kirurgias.
Ehitus.
Laseri tööks on vaja osakeste süsteemis (vadeldaval juhul aatomite rühmas) luua olukord, kus ergastatud olekus, seega kõrgemal energiatasemel aatomeid on rohkem kui ergastamata aatomeid, mis on oma põhiolekule vastavalt madalamal energiatasemel. Aatomite niisugust jaotust nimetatakse pööratud jaotuseks ehk pöördhõiveks. Ergastatud aatomite indutseeritud üleminekul kõrgemalt energiatasemelt madalamale tekib kiirgus, mis on indutseeriva kiirgusega identne nii lainepikkuse, levimissuuna, polarisatsiooni kui ka faasi poolest. Sellepärast on tekkiv kiirgus ergastamisviisist sõltumatult koherentne.
Laseri põhiosa on peeglite vahele paigutatud pöördhõive seisundis keskkond. Lihtsaimal juhul liigub valgus optiliselt aktiivses keskkonnas edasi-tagasi, kusjuures üks peeglitest on osaliselt läbipaistev, mille kaudu laserikiir laserist väljubki.
Sobiva lainepikkusega valgus võimendub optiliselt aktiivses keskkonnas. Peeglite tõttu läbib valgus võimendavat keskkonda korduvalt ja seetõttu võimendub mitu korda. Osa valgusest läbib poolpeeglit ning väljub laserikiirena.
Selleks, et võimendavas keskkonnas püsiks pöördhõive, on sinna vaja pidevalt energiat juurde anda. Seda protsessi nimetatakse pumpamiseks. Põhiliselt kasutatakse pumpamiseks elektrivoolu või mingi muu lainepikkusega valgust (mis võib tulla ka teisest laserist).
Laserite liigid.
Lasereid liigitatakse pumpamise viisi, töötava aine, resonaatori ehituse ja töörežiimi järgi. Pumpamise viisiks võib olla optiline pumpamine, elektronergastus ja keemilised reaktsioonid, aga leidub muidki võimalusi. Töörežiimi järgi eristatakse alalis- ja impulsslaserit. Töötava aine põhjal eristatakse gaas-, vedelik-, pooljuht- ja dielektriklasereid.
Selles artiklis käsitletakse põhiliselt liigitust töötava aine põhjal.
Gaaslaser.
Gaaslaserile on omane kiirguse suur monokromaatilisus, lainepikkuse stabiilsus ja kiirtekimbu väike hajumisnurk. Gaaslaserid saavad töötada nii pidevas kui impulssrežiimis.
Kõige võimsamate gaaslaserite hulka kuulub gaaslahenduslaser. Selles töötav aine on süsinikdioksiidi ja lämmastiku segu ning pööratud jaotuse tekitab gaaslahendus. Sellise laseri võimsus on pidevrežiimis kuni 10 kW, aga impulssrežiimis kuni 10 GW.
Gaasidünaamilises laseris on töötavaks aineks süsinikdioksiid ja pööratud jaotuse tekitab soojuse juurdevool. Pidevrežiimis töötava gaasidünaamilise laseri kasutegur on umbes 1% ja võimsus umbes 100 kW.
Gaaslaserites saab olenevalt laseri eesmärgist kasutada paljusid gaase. Heelium-neoonlaser saab töötada paljudel lainepikkustel, aga enamasti kasutatakse lainepikkust 633 nm. Heelium-neoonlaser on odavuse ja hea koherentsuse tõttu populaarne teaduseksperimentides. Süsinikdioksiidlaserid suudavad infrapunastel lainepikkustel koondada ühte punkti sadu vatte energiat. Seetõttu kasutatakse neid tööstuses laserlõikamises ja -keevitamisel. Süsinikdioksiidlaseri kasutegur on tavatult suur: üle 10%. Argoon-ioonlaser suudab töötada mitmel lainepikkusel vahemikus 351–528,7 nm, kusjuures ta võib kiirata mitmel lainepikkusel korraga.
Dielektriklaser.
Dielektriklaseri ehk tahkislaseri keskne komponent on kristall või klaas, mida on ioonidega rikastatud, et keskkonnas oleks vajalikud energiatasemed. Näiteks esimene toimiv laser oligi rubiinlaser, kus kasutati rubiini, mis olemuselt on kroomiga rikastatud korund. Pöördhõive tekib sel juhul lisandis, rubiini korral kroomis. Selleks, et tahkislaseris saavutada pöördhõivet, pumbatakse kristalli valgusega, mille lainepikkus on lühem laseri lainepikkusest.
Tahkislaseriks loetakse kristalli või klaasi kasutavad laserid, aga pooljuhtlasereid (laserdioode) tahkislaseriks ei loeta, sest neid pumbatakse elektrivoolu abil.
Dielektriklaseritele on iseloomulik impulsside ülilühike kestus (1–10 ps), nende väike kordumissagedus ja ülisuur võimsus (maksimaalselt 1–10 TW). Selliste laserite kasutegur on väga pisike, umbes 1, aga impulsi erienergia võib olla mõni J/cm³.
Neodüüm on levinud lisand mitmes laserkristallis, näiteks Nd:YVO4, Nd:YLG ja Nd:YAG. Kõik need laserid annavad võimsat infrapunakiirgust lainepikkusega 1064 nm. Seetõttu kasutatakse neid laserkeevituses ja -lõikamises, spektroskoopias ja värvlaserite pumpamiseks.
Kõige rohkem kasutatakse rubiin- ja neodüümklaaslasereid. Viimaste võimsus on kuni 10 ps kestva impulsi korral kuni 1 TW.
Tahkislaserites kasutatakse tihti sageduse kordistamist. Teise, kolmanda või neljanda harmooniku tekitamisega on võimalik saada 532 nm (rohelist), 355 nm või 266 nm (ultravioletset) valgust. Eredates laserosutusseadmetes kasutataksegi seda tüüpi rohelist tahkislaserit.
Üterbium, holmium, tuulium ja erbium on ülejäänud levinud lisandid. Üterbiumi kasutatakse näiteks sellistes kristallides nagu Yb:YAG, Yb:KGW, Yb:KYW, Yb:SYS, Yb:BOYS ja Yb:CaF2, mis töötavad enamasti lainepikkustel 1020–1050 nm. Yb:YAG laseritega saab saavutada suuri võimsusi ülilühikestes impulssides. Holmiumiga rikastatud YAG kristallid kiirgavad 2097 nm lainepikkusel, mis neeldub tugevalt kudedes. Ho-YAG laserid töötavad enamasti impulssrežiimis ning neid kasutatakse peamiselt meditsiinis, näiteks vähirakkude või neerukivide lõhkumiseks.
Titaaniga rikastatud safiiriga töötavad laserid annavad hästi reguleeritavat infrapunast valgust, mida kasutatakse spektroskoopias.
Tahkislaserites tuleb arvestada, et kõik pumpamisenergia ei lähe pöördhõive hoidmiseks (osa sellest läheb soojuseks). Kui kristallil on suur soojusoptiline koefitsient (d"n"/d"T"), siis tekib seal muutuva murdumisnäitaja tõttu efektiivsuse langus, samuti väheneb kvantsaagis. Nende probleemide lahendamiseks kasutatakse erilist tüüpi laserit, dioodpumpamisega (õhukest) ketaslaserit. Soojuslike efektide vältimiseks on võimendava keskkonna diameeter palju väiksem pumpava kiire diameetrist. Nõnda on temperatuuri gradient materjalis ühtlasem. Sellist tüüpi laseritega on saavutatud võimsusi kilovati suurusjärgus.
Kiudlaserid.
Tahkislaserit või laservõimendit, kus valgust juhitakse mööda ühemoodilist kiudu, nimetatakse kiudlaseriks. Valguse kius hoidmine võimaldab teha väga pikki võimendavaid keskkondi, kus on paremad tingimused jahutamiseks, kuna kiul on pindala ja ruumala suhe tunduvalt suurem. Lisaks sellele vähendavad kiud soojuslikke häireid. Sellistes laserites kasutatakse lisanditena enamasti erbiumi ja üterbiumi ioone.
Kiudlasereid tehakse enamasti topeltkattega kiududega. Seda tüüpi kiududel on südamik ja selle peal kaks katet. Materjalide murdumisnäitajad on valitud nii, et kiu südamik käitub ühemoodilise kiuna, mille kaudu laserikiir väljub, ja välimine kattekiht käitub mitmemoodilise kiuna pumpava laseri jaoks.
Kiudlaserite võimsusele seavad piiri optilised mittelineaarsused, mis hakkavad esile tulema, kui valguse elektriväli piisavalt suureks muutub. Mittelineaarsed mõjud võivad segada laseri tööd ja isegi kiudu kahjustada.
Pooljuhtlaserid.
Pooljuhtlaserid on dioodid, mida pumbatakse elektriliselt. Aukude ja elektronide rekombinatsioon tekitab optilise võimenduse. Peegeldumine kristalli otstelt tekitab kristallist optilise resonaatori (samas võib resonaator olla kristallist väljaspool).
Pooljuhtlaserites kasutatakse töötava ainena näiteks galliumarseniidi GaAs, kaadmiumsulfiidi CdS, indiumarseniidi InAs või tsinksulfiidi ZnS.
Injektorlaseris tekib pööratud jaotus pn-siirdel. Tema võimsus on temperatuuril 4 K pidevrežiimis kuni 10 W, aga toatemperatuuril impulssrežiimis 100–150 W.
Elektronikimbuga ergastatava pooljuhtlaseri keskmine võimsus on umbes 1 W, aga tippvõimsus võib olla isegi 1 MW.
Pooljuhtlaserid võimaldavad tekitada kiirgust peaaegu kogu nähtavas ja sellele lähedases infrapunases spektriosas lainepikkustel 375–1800 nm . Samas on suudetud teha laserdioode lainepikkusega üle 3 µm. Nõrku laserdioode kasutatakse näiteks laserprinterites ja CD/DVD-lugerites. Laserdioode kasutatakse ka teiste laserite optiliseks pumpamiseks. Suure võimsusega laserdioode kasutatakse tööstuses lõikamiseks ja keevitamiseks.
Ränilaserite arendamine on oluline optiliste arvutite loomiseks. Kuna räni on integraallülituste põhimaterjal, siis ränilaserid lubaksid ehitada optilisi ja elektroonilisi ühendusi samale kiibile. Räni ebasoodsate omaduste tõttu on ränilaseritega aga palju probleeme. Samas on viimasel ajal loodud ränihübriidlasereid, kus laseris kasutatakse nii räni kui ka mingit muud pooljuhti, näiteks indium(III)fosfiidi või gallium(III)arseniidi. Mõlema materjali abil on ränist võimalik saada koherentset valgust. Teine võimalus ränilaserite saamise jaoks on raamanlaser, mis kasutab raamanhajumist.
Pooljuhtlaseritel on väga suur kasutegur, mis läheneb 100%-le. Nad on väikeste mõõtmetega ja häälestatavad ning nende kiirgus on moduleeritav. Nende väljundsignaali spekter on aga võrdlemisi lai ja kiirtekimbu hajumisnurk küllalt suur. Peale selle vajavad nad jahutamist.
Vedeliklaserid.
Vedeliklaseritel on kitsas kiirguse lainepikkuse vahemik. Nende eelis on asjaolu, et töötavat ainet jahutab konvektsioonist põhjustatud ringlus. See võimaldab vedeliklaseri impulsienergiat tunduvalt suurendada.
Laseri kasutusalad.
Teadus.
Teaduses leitakse laseritele palju kasutust:
Spektroskoopia.
Enamik lasereid on loomupäraselt puhta valguse allikad. Nad suudavad tekitada väga ühevärvilist (s.o. ühesuguse sagedusega) ja spetsiifilise lainepikkusega valgust. Just selle omaduse tõttu on laserid väga kasulikud spektroskoopias. Suure intensiivsusega valgust väikese kollimeeritud kiirena saab kasutada mittelineaarse optilise efekti tekitamiseks, mis võimaldab kasutada tehnikaid nagu näiteks Ramani spektroskoopia. Lisaks saab laserite põhjal luua ekstreemselt tundlikke molekulaardetektoreid, mis võimaldavad mõõta kontsentratsioone ppt-tasemel ("parts per trillion", ’osakest triljoni kohta’). Laseritel saavutatavate suurte võimsustiheduste tõttu on võimalik osa aine proovist aurustada ja sellest tekkinud plasma spektroskoopilisel mõõtmisel aine koostisosi tuvastada. Seda tehnikat nimetatakse laserindutseeritud plasma spektroskoopiaks.
Fotokeemia.
Mõned laserisüsteemid võimaldavad tekitada ekstreemselt lühikesi valgusimpulsse, mille pikkus ulatub piko- või isegi femtosekunditeni(10−12 – 10−15 sekundit). Selliseid impulsse saab kasutada keemiliste reaktsioonide alustamiseks ja analüüsimiseks. Seda tehnikat nimetatakse fotokeemiaks. Lühikeste impulsside abil saab jälgida reaktsiooni väga suure ajalise resolutsiooniga, mis võimaldab avastada lühikese elueaga vahepealseid molekule. Sellest meetodist on eriti kasu biokeemias valkude funktsiooni ja ehituse analüüsimisel.
Interferomeetria.
Laserite omadust väljastada kitsast, koherentset valguskiirt kasutatakse paljudes interferomeetria tehnikates. Kasutades poolläbipaistvat reflektorit, saab kiire jaotada kaheks osaks ning nende hilisemal kokkuviimisel analüüsida nende teekondade erinevusi. See tehnika võimaldab mõõta eriti täpselt vahepikkuste või keskkondade erinevusi.
Termotuumareaktsioon.
Kasutades väga kompleksseid ja võimsaid laserite ja optiliste võimendite süsteeme, on võimalik tekitada ülilühikesi väga suure energiaga valgusimpulsse. Nende impulsside abil kiiritatakse triitium-deuteerium haavlit kõigist võimalikest suundadest, lootes, et sissepoole suunatud jõud suudavad käima lükata termotuumareaktsiooni. Seda tehnikat nimetatakse inertsiaalselt alal hoitud termotuumareaktsiooniks. Tänaseni pole suudetud veel reaktsioonist saada rohkem energiat kui selle alustamiseks kulub, kuid uurimine jätkub.
Militaartehnoloogia.
Sõjaotstarbel kasutatakse lasereid kauguste või sihtmärgi määramiseks, kaitsemeetmeteks, kommunikatsiooniks ja suunatud energia relvadeks.
Kaitsemeetmed.
Kaitsemeetme süsteemid ulatuvad kompaktsetest väikese võimsusega infrapuna vastumeetmetest suure võimsusega lennukitele paigaldatud laseriteni. Infrapuna vastumeetme süsteemid kasutavad lasereid, et soojust jälitavate õhutõrje rakettide sensorisüsteeme segadusse ajada. Suure võimsusega laserisüsteeme kasutatakse kaugmaarakettide hävitamiseks kiirendusfaasis. Sellistes süsteemides kasutatakse tavaliselt keemilisel reaktsioonil põhinevat laserit. Üheks näiteks on arendatav MTHEL (Mobile Tactical High-Energy Laser), millest oodatakse välipaigaldatavat süsteemi, mis suudab radariga jälitada suurtükituld ja tiibrakette ning need hävitada võimsa deuteeriumfluoriidlaseriga.
Teiseks laseri kaitseks kasutamise näiteks oleks SDI (Strategic Defense Initiative) projekt hüüdnimega "Tähesõdade programm" ("Star Wars") ja sellele järgnevad projektid. Projekti eesmärgiks oli kasutada maapealseid või kosmoses paiknevaid laserisüsteeme, et hävitada kaugmaarakette. Sellise süsteemi kasutamise ja juhtimisega tekkis aga mitmeid probleeme, eriti rakettide hävitamisega just kiirendusfaasis, mis oleks kõige sobivam hetk. See eeldaks laseri pikka teekonda läbi atmosfääri, mille korral tekib suuri probleeme optilise murdumise ja hajumisega, mis muudavad laseri sihtimist palju keerulisemaks ja vähendavad selle efektiivsust.
SDI projektist tulenes idee kasutada tuumapumbatud röntgenilaserit. See koosneb orbiidil asuvast tuumapommist, mida ümbritseb klaaspulkade kujul laserisüsteem. Pommi plahvatamisel lendab pulkade poole suure energiaga gammakiirguse voog, mis tekitab nendes röntgeniosakeste laserefekti. Toimuks röntgenifootonite optiline võimendumine, mis tekitaks atmosfäärist vähe mõjutatava röntgenilaserikiire, mis oleks võimeline lennus olevaid rakette hävitama. Taoline süsteem oleks vaid ühekordse kasutusega ja hävineks täielikult esimesel lasul. Sooritati mõned esialgsed katsetused, kuid ei saadud häid tulemusi, mistõttu pärast SDI programmi lõppu pole seda enam uuritud. See-eest informatsioon röntgenilaserite kohta aitas kaasa arengule teistes valdkondades.
Sihtimine.
Väikese võimsusega laserit kasutatakse tarkade relvasüsteemide juhtsüsteemides. Kas lennukist või jalaväe poolt suunatakse sihtmärgi poole laserikiir, mille peegeldunud kiirguse poole lendav lõhkepea ennast suunab. Taolised laserid kasutavad tavaliselt silmale nähtamatut valgust, et vastastele mitte teada anda oma sihtmärgist. Lisaks töötab laser mingi kindla impulsikombinatsiooniga, et ümbritsevas keskkonnas leiduv kiirgus ei segaks süsteemi tööd.
Ka käsirelvade puhul on vahel kasutusel lasersihik. Sel juhul on laseriks väike nähtavas spektris töötav laser, mis on paigaldatud lasketoruga paralleelselt. Kuna laserikiir on väga väikese hajuvusega, siis paistab see heleda täpina seal, kuhu relv sihitud on, ja seeläbi lihtsustab sõduril sihtimist. Siiski pole see täiesti täpne, kuna valguskiir ei arvesta kuuli langemise, tuule jms. Kuigi meedias on lasersihikud tavaliselt kujutatud punasena, kasutatakse tänapäeval rohelisi lasereid, kuna sama võimsuse korral on rohelist valgust inimsilmaga paremini näha.
Tööstus ja äri.
Laserid on muutunud osaks inimeste igapäevaelust. Kasutatakse ära nii laseri täpsust ja võimsust kui ka laserite visuaalset efekti.
Laserlõikus.
Laserlõikus seisneb materjalist teatud osa väljapõletamises, -aurustamises või -sulatamises, kasutades selleks suure võimsusega fokuseeritud laserikiirt. Laserlõikus omab mitmeid eeliseid mehaanilise lõikamise ees: materjali on lihtsam paigal hoida ja töökoht püsib puhtana, kuna puudub lõiketera, lõike täpsus on suurem, kuna laserikiir ei kulu lõikamise jooksul ja ülejäänud materjal ei paindu. Peamiseks puuduseks on aga suur voolutarve ja kulukas mehhanism.
Ohutus.
Tuleb arvestada, et isegi nõrga võimsusega laserid (mõni millivatt) võivad silmale ohtlikud olla. Laserikiirgus on väikese hajumisega ja kui see on sellise lainepikkusega, mida silm suudab fokuseerida, siis võib silm kiirguse energia koondada väga väiksesse punkti. See tähendab, et isegi nõrk laser võib lühikese ajaga põhjustada silmale püsivat kahju.
Lasereid jagatakse üldiselt ohutusklassi järgi:
Eelpool nimetatud võimsuspiirangud kehtivad nähtava valguse, pidevalt töötavate laserite jaoks. Impulsslaserite või nähtamatute lainepikkuste jaoks kehtivad teised piirangud. Inimesed, kes töötavad klassi 3B või klassi 4 laseritega, saavad oma silmi kaitsta spetsiaalsete prillidega.
Teatud tüüpi infrapunalasereid, kus lainepikkus on suurem kui 1,4 µm, nimetatakse silmale ohututeks. Seda tüüpi laserid on ohutumad, kuna vesi silma klaaskehas neelab sellist lainepikkust väga tugevalt. Samas on need laserid ohutud vaid suhteliselt nõrkade kiirte jaoks. Suure võimsusega laserid suudavad endiselt silma võrkkesta vigastada.