Laser on laite, joka tuottaa vahvistettua, yksiväristä valoa. Se käyttää erityisiä kaasuja tai kiteitä, jotka tuottavat valoa, jossa on vain yksi väri. Kaasuja viritetään, jotta ne säteilevät valoa. Sitten käytetään peilejä vahvistamaan (vahvistamaan) valoa. Monissa lasereissa kaikki valo kulkee yhteen suuntaan, joten se pysyy kapeana säteenä, joka ei leveydy tai heikkene kuten useimmat valonlähteet.

Kun tämä kapea säde kohdistetaan johonkin kohteeseen, se muodostaa yhden valopisteen. Valon energia pysyy tässä kapeassa sädekehässä sen sijaan, että se levittäytyisi kuten taskulampussa (sähkölampussa).

Sana "laser" on lyhenne sanoista "light amplification by stimulated emission of radiation" (valon vahvistaminen säteilyn stimuloidulla emissiolla). Sekä laite että sen nimi kehitettiin aikaisemmasta Maser-nimestä.

Toimintaperiaate lyhyesti

Laserin toiminta perustuu kahteen keskeiseen ilmiöön: stimuloituun emissioon ja väestökäänteeseen (population inversion). Stimuloidussa emissiossa virittynyt atomi tai molekyyli voi säteillä fotonin, kun siihen törmää toinen fotoni — syntyvä fotoni on samalla aallonpituudella, vaiheessa ja suunnassa kuin alkuperäinen. Väestökäänne tarkoittaa sitä, että järjestelmässä on enemmän virittyneitä hiukkasia kuin perusmoodissa, jolloin tästä prosessista saadaan nettovahvistusta.

Laseriksi laitetta kutsutaan, koska sen sisällä valo kiertää optisessa kotelossa, jonka päissä on peilit. Tällainen optinen kammio vahvistaa tiettyjä aallonpituuksia. Toinen peili on usein osittain läpikuultava, ja siitä poistuu lopullinen kapea ja koherentti säde.

Tyypit ja aineet

Lasereita on monenlaisia sen mukaan, mikä aine tuottaa valon ja miten viritys tehdään. Keskeisiä tyyppejä ovat:

  • Kaasulaserit (esim. He–Ne, CO2) — kaasut viritetään sähköpurkauksella tai muulla energianlähteellä.
  • Kiteisiin ja kiinteisiin aineisiin perustuvat lasereita (solid-state, esim. Nd:YAG) — nämä käyttävät aktiivisena aineena ionisoituja metalleja kiteessä tai lasimatriisissa. (Tähän liittyy alkuperäisessä tekstissä mainittu kiteitä.)
  • Puolijohdelaserit (diodelaserit) — yleisiä kuluttajalaitteissa ja tietoliikenteessä, tehokkaita ja kompakteja.
  • Kuitulaserit — valo lähetetään ja vahvistetaan optisessa kuitussa; käytetään teollisuudessa ja tutkimuksessa.
  • Nestemäiset väriaine- eli dye-laserit — vaihdettavilla väriaineilla saadaan laaja aallonpituusalue.

Ominaisuudet

Laserilla on muutamia erityisominaisuuksia, jotka erottavat sen tavallisista valonlähteistä:

  • Monokromaattisuus — laservalo on hyvin lähellä yhtä aallonpituutta (yksi väri), mikä mahdollistaa tarkat mittaukset ja vuorovaikutukset aineen kanssa.
  • Kohereenssi — valo on vaiheessa sekä ajallisesti (temporal coherence) että tilallisesti (spatial coherence), mikä mahdollistaa interferenssin ja holografian.
  • Suuntautuneisuus — säde pysyy kapeana pitkän matkan.
  • Korkea säteilyintensiteetti — paljon energiaa voidaan kuljettaa pieneen kohtaan, mikä mahdollistaa leikkauksen ja hitsauksen.

Sovellukset

Laserien monipuoliset ominaisuudet tekevät niistä tärkeitä monilla aloilla:

  • Teollisuus: materiaalin leikkaus, hitsaus, merkintä ja tarkka valmistus (esim. elektroniikkateollisuus).
  • Terveys ja lääketiede: silmäkirurgia (esim. LASIK), pehmytkudosleikkaukset, syövän hoitoja sekä koagulaatio ja tarkat diagnoosimenetelmät.
  • Tietoliikenne: kuituoptiikassa käytetään laserin kapeaa ja koherenttia valoa suurten datamäärien siirtoon.
  • Mittaus ja etäisyysmittaus: LIDAR, etäisyyden mittaus, topografiatutkimukset ja ilmaston tarkkailu.
  • Tiede ja tutkimus: spektroskopia, atomifysiikka, kvanttitutkimukset ja kokeet, joissa tarvitaan tarkkaa valonhallintaa.
  • Viihde ja visualisointi: lasershow't, projektiojärjestelmät ja holografia.
  • Puolustus ja turvallisuus: etäisyysmittarit, kohdentimet ja joissain tapauksissa energialaserit.

Turvallisuus

Laserit voivat olla vaarallisia, erityisesti silmille ja joskus iholle. Koska laserin energia keskittyy hyvin pieneen pisteeseen, pienikin osuma silmään voi vahingoittaa verkkokalvoa. Siksi laitteissa käytetään luokituksia (esim. luokat 1–4), jotka kuvaavat vaarallisuustasoa. Tärkeitä turvallisuusohjeita ovat:

  • Älä koskaan suuntaa laseria kohti ihmisten silmiä tai peilejä, jotka voivat heijastaa säteen takaisin.
  • Käytä suojalaseja, jos työskentelet korkeatehoisten lasereiden kanssa.
  • Noudata valmistajan ja työpaikan turvallisuusohjeita ja varoituksia.

Lyhyt historia

Perusidea stimuloidusta emissioista kuvattiin teoreettisesti 1900-luvun alkupuolella. Ensimmäinen käytännöllinen laser rakennettiin vuonna 1960. Ennen laseria kehitettiin myös Maser-nimestä tulevia laitteita, jotka toimivat mikroaaltotaajuuksilla ja antoivat idean optisille laserille.

Yhteenveto

Laser on tarkasti suunnattu, koherentti ja usein monokromaattinen valonlähde, jonka toiminta perustuu stimuloituun emissioon ja optiseen vahvistukseen. Sen erilaiset toteutustavat ja ominaisuudet tekevät siitä keskeisen työkalun teollisuudessa, lääketieteessä, tietoliikenteessä, tieteissä ja viihteessä — mutta samalla sen käyttö vaatii tarkkaa turvallisuustietoisuutta.