Laser

Wyraz laser jest skrótem pełnej angielskiej nazwy mechanizmu jego działania: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation - wzmacnianie światła przez wymuszoną emisję promieniowania. Laser jest urządzeniem wytwarzającym światło różniące się bardzo od zwyczajnego. Czym różni się światło lasera od zwykłego? Zwyczajne światło, które widzimy jako białe, w rzeczywistości jest mieszaniną wielu różnokolorowych promieni o różnych długościach fali. Natomiast światło lasera jest monochromatyczne (jednobarwne), czyli składa się wyłącznie z promieni o jednakowej długości fali i jest widoczne w postaci wiązki o bardzo czystym kolorze. Fale zwykłego światła rozchodzą się w sposób nieregularny, ich wierzchołki i doliny nie są ze sobą zgodne, natomiast światło lasera jest spójne, czyli składa się wyłącznie z promieni o identycznej długości fali, biegnących w tym samym kierunku i zsynchronizowanych ze sobą. Daje to bardzo duży efekt wizualny. Zwykłe światło rozchodzi się ze źródła w różnych kierunkach. Dlatego średnica plamy światła latarki na ścianie jest tym większa, a jasność tej plamy tym mniejsza, im dalej odsunie się latarkę od ściany. Wiązka światła lasera natomiast nie rozszerza się i pozostaje spójna nawet na bardzo długim dystansie. Na amerykańskim promie kosmicznym z łatwością można odebrać wiązkę laserową, skierowaną do niego z Ziemi z odległości 300 km. Nawet na tak długiej drodze rozszerza się ona bardzo niewiele. Dzięki swojej spójności, natężeniu i monochromatyczności laser nadaje się do widowiskowych efektów w dyskotekach i rozświetlania nieba nad miastami na specjalne okazje.
Wnętrze lasera półprzewodnikowego. W pobliżu środka znajduje się komora pompująca z ośrodkiem laserującym. W tym laserze do pompowania ośrodka laserującego stosuje się lampę błyskową. Światło lasera opuszcza system, przechodząc przez szereg soczewek skupiających je w wąską wiązkę. W laserach wykorzystuje się dwoisty charakter światła, które zachowuje się i jak fala, i jak cząsteczki. Najmniejsza cząstka światła nosi nazwę fotonu. Fotony zachowują się trochę jak fale, trochę jak cząstki. Każdy foton niesie pewną ilość energii. W laserze atomy lub cząsteczki oddają część swojej energii w postaci fotonów świetlnych. Ale żeby ją oddać, muszą zostać najpierw wzbudzone, czyli wprowadzone na wyższy poziom energetyczny. W laserze uprzednie doprowadzanie energii odbywa się na przykład przez włączenie prądu elektrycznego. Nazywa się to "pompowaniem" lasera. Doprowadzona energia gromadzi się w ośrodku laserującym i zostaje zużyta do wzbudzenia, czyli wprowadzenia na wyższy poziom energetyczny jego atomów. Atomy zawsze mają skłonność do przechodzenia do najniższego poziomu energetycznego wkrótce, więc niektóre z nich oddadzą nadmiar energii przez wysłanie fotonu. Fotony te zderzają się z innymi atomami, pobudzając je z kolei do emisji następnych fotonów, których liczba szybko narasta w lawinowej reakcji. Reakcję tę potęgują lustra na obu końcach rury, odbijając fotony tam i z powrotem, pobudzając coraz więcej atomów do emisji światła


Użytkownicy laserów muszą je bardzo starannie dobierać do swoich potrzeb, ponieważ każdy emituje światło o jednej tylko szczególnej długości fali i określonym zakresie mocy, przystosowanym do danego zadania. Chociaż istnieją setki różnych laserów, to nie ma lasera uniwersalnego. Spójne światło lasera jest nie tylko widowiskowe, ale i bardzo użyteczne, ponieważ można nim bardzo dokładnie sterować. Naukowcy i inżynierowie znaleźli wiele sposobów wykorzystywania specyficznych właściwości światła lasera. Dzięki swoim właściwościom promieniowanie laserowe nadaje się idealnie do przesyłanie sygnałów światłowodami. Sygnałami tymi mogą być rozmowy telefoniczne, a także inne dane i informacje, którym nadaje się formę krótkich impulsów świetlnych. Silna, nierozszerzająca się wiązka światła laserowego jest doskonałym narzędziem do wyznaczania prostych linii na duże odległości oraz do bardzo dokładnego pomiaru odległości. Spójny strumień światła lasera nadaje się także do tworzenia hologramów - obrazów trójwymiarowo odwzorowujących oryginał i dających się oglądać z różnych stron. Łatwość szybkiego włączania i wyłączania lasera pozwala na kierowanie dużych i precyzyjnie odmierzonych "porcji" energii na bardzo małe powierzchnie. Dzięki tym właściwościom lasery są doskonałymi narzędziami do cięcia, wiercenia i spawania. Za pomocą luster odbijających światło lasera moc wiązki laserowej może być kierowana do miejsc trudno dostępnych.
Od czasu wynalezienia w roku 1960, lasery umożliwiły rozwiązanie tysięcy różnych problemów w nauce, przemyśle i w naszym codziennym życiu. W przemyśle i w medycynie szerokie zastosowanie znalazły lasery gazowe. Przez wiele lat był to najbardziej rozpowszechniony typ lasera. Laser z dwutlenkiem węgla jest ważnym narzędziem przemysłowym do cięcia, spawania i do obróbki powierzchni. Ten typ lasera jest także używany przez chirurgów do operacji. Specjalny rodzaj lasera, laser ekscymerowy, emituje impulsy o bardzo dużej mocy i czasie trwania kilku nanosekund. Lasery ekscymerowe emitują światło ultrafioletowe, niewidoczne dla ludzkiego oka. Są one bardzo ważnymi narzędziami do produkcji niezmiernie małych obiektów, jak mikroukłady półprzewodnikowe. Laserów półprzewodnikowych, w których jako ośrodek laserujący stosuje się nieprzewodzące prądu elektrycznego ciała stałe, używa się na różne sposoby w przemyśle do obróbki materiałów. Przykładem lasera z ciała stałego jest laser rubinowy. Wiązkę jego światła można wprowadzić do światłowodu, umożliwiając doprowadzenie mocy do miejsc w inny sposób niedostępny. Lasery półprzewodnikowe różnią się od innych laserów. Nie mając rur wypełnionych ośrodkiem laserującym, składają się z cieniutkich płytek kryształów, emitujących światło, gdy zostaną złożone razem. Lasery półprzewodnikowe są często używane w czytnikach kodów paskowych przy kasach w supermarketach i w odtwarzaczach płyt kompaktowych. Lasery barwnikowe, w przeciwieństwie do większości rodzajów laserów, są zdolne do emisji światła o kilku różnych długościach fali. W danym momencie mogą one jednak emitować światło o jednej tylko barwie. W tych laserach ośrodkiem laserującym są cząsteczki barwnika rozpuszczone w cieczy. Struktura tych barwników jest bardzo skomplikowana i umożliwia im emisję światła o wielu różnych długościach fali. Za pomocą zwierciadeł i soczewek wewnątrz lasera "dostraja się" go w taki sposób, że działa tylko w wąskim zakresie długości fali. Laserów barwnikowych używa się w wielu dziedzinach nauki.
Lasery gazowe i półprzewodnikowe wytwarzają ciągłą wiązkę światła. Nazywa się to działaniem z falą ciągłą, czyli CW (Continuous Wave). Inne rodzaje laserów, półprzewodnikowe i ekscymerowe, działają impulsowo. Ich światło laserowe jest wytwarzane w impulsach. Lasery impulsowe mogą wytwarzać krótkie impulsy o dużej mocy za pomocą techniki trybu blokowania lub przełączania Q. W trybie blokowania potężne impulsy tworzy się przez wymuszanie zgodnego ruchu wszystkich fotonów w przód i w tył z tą samą częstotliwością, zanim światło zostanie zwolnione. Przy przełączaniu Q pomiędzy ośrodkiem laserującym a półprzepuszczalnym lustrem (pokrytym materiałem nie całkiem odbijającym) jest umieszczona przesłona. Uniemożliwia ona ucieczkę energii i przyczynia się do zwiększenia gromadzącej się w ośrodku porcji energii. Gdy przesłona zostanie otwarta, laser emituje impuls światła o ogromnej energii. Impuls ten trwa przez maleńki ułamek sekundy, ale uderza z wielką siłą. Moc impulsu może osiągać setki tysięcy watów. Jest to wielka moc, jeżeli ją porównać z mocą wiertarki do betonu, która wynosi 400 W.
Najpotężniejsze lasery świata są używane przede wszystkim do badania struktury atomów i reakcji rozszczepienia. Emitują one potężne impulsy energii w zakresie terawatów (bilionów watów) - impulsy te jednak są bardzo krótkie, krótsze od pikosekundy (bilionowa część sekundy). Najpotężniejszy laser brytyjski, nazywający się "Vulcan", ma moc 50 terawatów, a największy w USA, "Nova" - 10 terawatów. W obu tych laserach ośrodkiem jest szkło.
Mimo, że każdy rodzaj światła rozchodzi się prostoliniowo, światło lasera nadaje się szczególnie do wytyczania prostych linii. Jego intensywna, wąska wiązka nie rozprasza się nawet na bardzo długich dystansach. Podczas drążenia tuneli, czy pod Alpami, czy pod kanałem La Manche, inżynierowie posługiwali się laserami do tyczenia kierunku na duże odległości. Lasery służą także w stoczniach do precyzyjnego dopasowania wielkich fragmentów kadłubów statków, co ułatwia późniejszy montaż. Przy pomiarach bardzo dużych i bardzo małych odległości laserowe urządzenia pomiarowe coraz częściej stają się dla inżynierów i techników niezastąpione.
Geodeci używają przyrządów zwanych dalmierzami laserowymi do bardzo dokładnych pomiarów odległości - od kilku metrów do około 3 km. Wiązka dalmierza laserowego jest kierowana na odbijający cel. A gdy natrafi na lustro, zostaje obita z powrotem do niego. Instrument rejestruje czas, który upłynął od wysłania impulsu świetlnego do jego odbioru, i oblicza z niego odległość do celu.
Laser znalazł swoje zastosowanie również w osprzęcie wojskowym. Podczepiony do broni palnej ułatwia szybkie celowanie.
Pomiar odległości za pomocą światła: Dalmierz laserowy rejestruje czas upływający pomiędzy wysłaniem impulsu świetlnego a odebraniem odbitego od obiektu echo tego impulsu. Wiadomo, że szybkość światła jest stała i wynosi około 300000 km/s. Dystans do obiektu, obliczony z pomnożenia czasu przez szybkość, pojawi się na wyświetlaczu dalmierza. Na tej samej zasadzie działa LIDAR, rodzaj radaru, w którym zamiast fal radiowych stosuje się światło lasera. W tym systemie do pomiaru odległości oddalonych obiektów używa się impulsowych wiązek laserowych. LIDAR zastał wykorzystany do kilku efektownych doświadczeń. W roku 1969, gdy amerykańscy astronauci umieścili odbłyśniki laserowe na powierzchni Księżyca, za pomocą tego systemu zmierzono odległość do Księżyca z dokładnością do kilku centymetrów.
Do pomiarów bardzo małych odległości przydatne okazały się interferometry laserowe. W urządzeniach tych wykorzystuje się inną właściwość światła laserowego, jego spójność i synchronizację fal. W interferometrii laserowej wiązka laserowa jest rozszczepiana na dwie. Każdą z nich kieruje się na inną powierzchnię odbijającą. Obie wiązki maja do przebycia różne drogi, więc gdy spotykają się po odbiciu, są nieco przesunięte w fazie. W wyniku tego powstają naprzemienne układy linii światła i cienia, zwane prążkami interferencyjnymi, na podstawie, których można bardzo dokładnie zmierzyć odległość pomiędzy dwoma punktami. Zastosowanie interferometrów laserowych są bardzo liczne. W przemyśle używa się ich do pomiaru średnicy bardzo cieńkich drucików lub do sprawdzania, czy wymiary produkowanych detali są dokładnie takie jak potrzeba. Interferometry laserowe służą także geologom w badaniach przyczyn trzęsień ziemi przez pomiary bardzo małych przesunięć wzdłuż uskoków pęknięć skorupy ziemskiej. Satelity i samoloty rozpoznawcze zbierają z dalekiej odległości informacje o powierzchni Ziemi. Niektóre ze służących do tego przyrządów opierają się na technice laserowej i korzystają z wysyłanych przez nie wiązek światła o ściśle określonej długości fali i dużym zasięgu. Analizując pochłanianie światła o różnych długościach fali przez chemikalia zawarte w powietrzu, można mierzyć skażenie atmosfery. Niektóre związki chemiczne, pobudzone energią lasera, emitują charakterystyczne dla siebie światło. Zjawisko to nosi nazwę fluorescencji. Posługując się podniebnym laserem o odpowiedniej długości fali świetlnej i rejestrując wywołaną przez niego fluorescencję, naukowcy mogą badać tak różne zjawiska, jak stan zdrowia lasów czy rozmiary plamy ropy naftowej na morzu.
Wczesne wykrywanie trzęsień ziemi: Po trzęsieniu ziemi w roku 1995, które wyrządziło ogromne zniszczenia w mieście Kobe w Japonii, rząd japoński podjął decyzję o budowie sieci stacji laserowych, nazywanej Zwornikiem. Ma ona służyć do obserwacji ruchów skorupy ziemskiej na obszarze Japonii. Zwornik ma dokonywać synchronicznych laserowych pomiarów pozycji satelitów okrążających Ziemię w celu wykrycia, czy zmienia się ich położenie względem siebie. Uważa się, że uzyskane informację pomogą w przewidywaniu trzęsień ziemi
Dźwięk i dane na CD jest przechowywany w formie danych cyfrowych, czyli serii zer i jedynek. Cyfrowy zapis dźwięku nie tylko ułatwia jego bardzo dokładne odtwarzanie, ale także umożliwia dokonywanie w nim zmian za pomocą komputera w celu jego ulepszania oraz wstawiania specjalnych efektów dźwiękowych. Indeksowanie informacji cyfrowych jest łatwe, zatem specjaliści od dźwięku mogą z łatwością odnaleźć dokładnie ten fragment, który ma być przetworzony, a słuchacz w domu może odszukać ścieżkę, której chce słuchać. Zapis dźwięku i danych na CD składa się z ciągu zagłębień - wycinanych za pomocą małego lasera półprzewodnikowego w warstwie metalu pokrywającej plastykowy dysk. Płyta wiruje w napędzie z dużą szybkością, a wiązka światła laserowego jest skupiona na jej płaszczyźnie. Gdy wiązka trafi na zagłębienie zostaje rozproszona, a gdy płaska powierzchnia odbije ją do detektora, wytwarza impuls. Z impulsów tych składa się kod zarejestrowanych danych lub dźwięku. Układ elektroniczny odtwarzacza zamienia ten kod na prąd sygnału elektrycznego, który zostaje przekształcony w dane lub dźwięki.
W miarę jak coraz więcej ludzi używa Internetu, telefonu i faksu, rośnie zapotrzebowanie na łącza telekomunikacyjne. I w tej dziedzinie lasery są pomocne. Kable światłowodowe, przewodzące sygnały w formie impulsów świetlnych o różnej intensywności, przenoszą wielokrotnie więcej informacji, niż tradycyjne miedziane kable telefoniczne. W światłowodowych sieciach telekomunikacyjnych pojedyncze włókno może równocześnie przesyłać tysiące rozmów telefonicznych. Kabel ten składa się ze światłowodów. Te cienkie szklane włókna przewodzą sygnały w formie impulsów światła lasera. Kable światłowodowe umożliwiają przesyłanie jednym przewodem wielu tysięcy rozmów.
Sądzę, iż nawet nie zauważymy jak laser stanie się przedmiotem codziennego użytku w wielu innych dziedzinach życia.