Lasery, masery oraz ich zastosowanie

Fizyka kwantowa nazywamy dział, którego podstawą jest teoria kwantów. Jest to teoria fizyczna opisująca procesy, w których biorą udział mikrocząsteczki , uwzględniająca niedociągłości (skokowośc zmian) wielkości fizycznych charakteryzujących stany mikrocząsteczek.
Tematem mojego referatu są lasery, masery oraz ich zastosowanie.
Obie nazwy pochodzą od pierwszych liter angielskiej nazwy zjawiska :Light Amplification by Stimulated Emision of Radiation (czyli ?wzmocnienie światła przez wymuszoną emisję promieniowania ??) i Microware Amplification.....(czyli ??wzmocnienie mikrofal...?)

Maser jest to urządzenie emitujące strumień promieniowania elektromagnetycznego w zakresie mikrofalowym. Maser wytwarza wiązkę promieniowania mikrofalowego o wysokiej energii. Mikrofale mają długość fali rzędu kilku centymetrów. Wzbudzone cząsteczki gazów mogą oddawać energię w postaci mikrofal. Emisja mikrofal może mieć charakter spontaniczny (cząsteczka promieniuje samorzutnie) lub wymuszony, co wykorzystano do budowy masera. Wymuszanie prowadzi do jednoczesnego oddawania energii przez wiele cząstek naraz. Uzyskane w ten sposób mikrofale mają wiele niezwykłych własności. Pierwszy doświadczalny maser uruchomił w roku 1953 amerykański uczony Charles H. Townes (nagroda Nobla w roku 1964 wraz z Rosjanami N.G. Basowem i A.M. Prochorowem). Ponieważ masery wytwarzają promieniowanie o bardzo dobrze określonej częstotliwości, mogą być użyte jako zegary. Masery stosuje się jako wzmacniacze w komunikacji satelitarnej i radioastronomii. Znajduje zastosowanie w technice wojskowej , między innymi w radiolokacji, telekomunikacji i łączności satelitarnej.

Pokrewnym urządzeniem masera jest laser, będący kwantowym generatorem światła. Lasery emitują monochromatyczne i spójne (koherentne, czyli zgodne w fazie) fale świetlne.

Lasery dzielą się na:
? krystaliczne,
? szklane,
? gazowe,
? półprzewodnikowe,
? cieczowe.
Jednym z pierwszych laserów krystalicznych był laser rubinowy. Energia tu jest przekazywana bezpośrednio atomom umieszczonym w węzłach sieci krystalicznej rubinu. Powoduje to nagrzewanie się kryształu. Jest to światło czerwone, a laser rubinowy przetwarza energię promieniowania rozproszonego lampy (pompy optycznej) w promieniowanie spójne. Za pomocą lasera rubinowego można osiągnąć moc w impulsie rzędu 109 W.
Laser szklany jest jedynym z najbardziej wydajnych laserów , może pracować w sposób ciągły i impulsowy. Ze względu na dużą moc promieniowania laserów szklanych wykorzystuje się je między innymi do spawania, obróbki materiałów , inicjowania kontrolowanej syntezy termojądrowej itp.
Lasery gazowe jako ośrodek aktywny wykorzystują gaz umieszczony w wąskiej długiej rurze. Do wzbudzenia atomów gazu używa się nie światła, lecz wyładowań elektrycznych. Rura szklana nosi nazwę rury wyładowczej. Na końcach rury , której długość może wynosić od kilkudziesięciu centymetrów do kilku metrów, zatopione są ażurowe elektrody, do których doprowadza się stałe napięcie elektryczne. W laserach gazowych większej mocy napięcie to wynosi 10kV. Wymusza ono przepływ prądu , którego wartość może dochodzić do 100 mA. Po obu stronach rury wyładowczej zamocowane są zwierciadła. Jedno ze zwierciadeł jest całkowicie odbijające, a drugie ? półprzeźroczyste. Lasery gazowe znajdują zastosowanie w miernictwie i wielu innych dziedzinach techniki, w których nie jest wymagana duża moc wiązki.
Lasery półprzewodnikowe wykonywane są z odpowiednio przygotowanego monokryształu arsenku galu /GaAs/. Sprawność laserów półprzewodnikowych jest bardzo duża, dochodzi do 50%, a nawet i 100% (sprawność laserów innych typów jest o rząd wielkości mniejsza).
Wraz z pojawieniem się laserów w początkach lat sześćdziesiątych przepowiadano nastąpienie nowej ery w nauce i technice. Nastąpiło jednak rozczarowanie. Lasery początkowo nie spełniły pokładanej w nich nadziei. Z laserami wiązano możliwości dokładnej obróbki materiałów, wykonywania otworów w twardych przedmiotach, cięcia arkuszy blach itp.

Dziś lasery stosuje się do cięcia blach, cięcia materiałów o małej przewodności cieplnej (np. metale takie jak miedź czy aluminium), wywiercania (a raczej wypalania) otworów, kontrolowanego kruszenia i rozłupywania różnych materiałów. Laserów o dużej mocy można by używać jako broni do bezpośredniego rażenia przeciwnika ? czegoś w rodzaju uwspółcześnionych ??promieni śmierci?? ze wczesnych powieści science-fiction. Są one jednak o wiele bardziej efektywne nie jako broń w ścisłym tego słowa znaczeniu , a jako urządzenia odszukujące i oznaczające cele, niszczone następnie przez rakiety naprowadzane wiązką świetlną. Znajdujące się na polu walki, obiekty przeciwnika oświetlane są wiązką promieni laserowych. Następnie wystrzeliwuje się rakiety, których detektory rejestrują promienie laserowe odbite od celów. Rakiety podążają za światłem i z wielką precyzją uderzają w cel.
Wraz z upowszechnieniem laserów w technice zwiększa się liczba zastosowań tych urządzeń w innych dziedzinach, w tym również w medycynie. Jednym ze schorzeń jest odklejanie się siatkówki od dna oka. Wiązkę laserową można użyć do jej sklejenia, i tu laser okazuje się niezastąpiony. Laser okazuje się także pomocny w walce z rakiem. W tym przypadku również wykorzystuje się dużą gęstość mocy i małe rozmiary wiązki promieniowania laserowego. Można nakierować ją na chore komórki i zniszczyć je, nie naruszając przy tym zdrowych tkanek.
W chirurgii promieni laserowych używa się do przecinania tkanek. Normalne narzędzie chirurgiczne, jak skalpel czy lancet, trzeba często sterylizować, poza tym szybko się tępią i stają się bezużyteczne. Niedogodności tych pozbawione są promienie lasera. Poza tym przecinane laserem naczynia krwionośne zasklepiają się w skutek wysokiej temperatury, co redukuje krwawienie. Lasery w medycynie są używane także do innych celów, na przykład do zapobiegania krwawieniu z wrzodów żołądka.
Lasery są wykorzystywane do określenia autentyczności obrazów. Analizuje się w tym celu ilość i grubość spodnich warstw farby w świetle laserowym.
Analogicznie do generowanych w nadajnikach fal radiowych, fale świetlne emitowane przez laser mogą być użyte do przesyłania sygnałów radiowych bądź telewizyjnych. Sygnały świetlne przesyłane są wtedy poprzez światłowody.. Systemy łączności laserowej są rozbudowane ze względu na bardzo dużą ilość informacji, które można przesłać za ich pośrednictwem. Okazuje się, że za pomocą jednej wiązki świetlnej można przekazywać 10 milionów rozmów telefonicznych lub 1 milion programów telewizyjnych jednocześnie, bez ich wzajemnego nakładania się na siebie.

Lasery znajdują także zastosowanie w bardzo wielu dziedzinach, pozornie nie związanych z elektrotechniką, a każdy nowy dzień przynosi dalsze informacje na ten temat. Wymienię tutaj przykłady ciekawszych zastosowań tych niezwykłych źródeł promieniowania elektromagnetyczne. Otóż wykorzystuje się właściwości promieniowania spójnego stosuje się jeszcze lasery do:
? Wywoływania różnorodnych reakcji chemicznych,
? Kontroli zanieczyszczeń atmosfery,
? Pomiarów prędkości przepływów cieczy,
? Automatycznego sterowania i kontroli,
? Miejscowego domieszkowania półprzewodników,
? Obróbki materiałów ceramicznych i szklistych,
? Przeprowadzania kontrolowanych reakcji termojądrowych,
? Rozdzielania izotopów,
? Zapisywania lub odczytywania stanu elektrooptycznych komórek pamięciowych,
? Pomiarów małych drgań o amplitudzie rzędu 10-14 m,
? Pomiarów wielkości elektrycznych (p. 5.4.1 i 5.6.1).
Na tym oczywiście lista zastosowań laserów nie kończy się. Wydaje się, że jest ona ograniczona jedynie ludzką wyobraźnią i pomysłowością, a nowe perspektywy w tym zakresie stwarza holografia.
Jak widać zastosowanie maserów i laserów jest bardzo szerokie, dlatego te urządzenia są tak ważne w życiu i dalszym rozwoju ludzkości.


Bibliografia:
1. Encyklopedia Popularna, Warszawa 1982, Państwowe Wydawnictwo Naukowe, Wydanie szóste,
2. Słownik Wyrazów Obcych, Warszawa 1980, Państwowe Wydawnictwo Naukowe,
3. Marek Pilawski, Fizyczne Podstawy Elektrotechniki, Wydawnictwo Szkolne i Pedagogiczne, Warszawa 1987, Wydanie drugie poprawione,
4. D. Halliday, R. Resnick, Fizyka tom 2, Państwowe Wydawnictwo Naukowe, Warszawa 1974, Wydanie trzecie
5. M. Fiałkowska, K. Fiałkowski, B. Sagnowska, Fizyka dla szkół ponadgimnazjalnych, Wydawnictwo Zamkor, Kraków 2003,
6. Świat Wiedzy, dział: Nauka i Technika nr 30,
7. A. Makowski, R. Pawelec, Wielki Słownik Wyrazów Obcych i Trudnych, Wydawnictwo Wilga, Warszawa 2001,
8. Encyklopedia Naukowa Dla Dzieci i Młodzieży, Wydawnictwo MUZA S.A., Warszawa 1996, Wydanie drugie.