Laser – määritelmä, toiminta ja sovellukset
Laser – selkeä määritelmä, toimintaperiaate ja sovellukset: fysiikasta lääketieteeseen ja teollisuuteen. Lue perusteellinen opas lasereista.
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.
Punainen (660, 635 nm), vihreä (532, 520 nm) ja sininen (445, 405 nm) laser.
Mekanismi
Laser luo valoa erityisellä toiminnalla, jossa käytetään materiaalia, jota kutsutaan "optiseksi vahvistavaksi väliaineeksi". Materiaaliin syötetään energiaa "energiapumpun" avulla. Tämä voi olla sähköä, toinen valonlähde tai jokin muu energianlähde. Energia saa materiaalin siirtymään niin sanottuun virittyneeseen tilaan. Tämä tarkoittaa, että materiaalin elektroneilla on ylimääräistä energiaa, ja jonkin ajan kuluttua ne menettävät sen. Kun ne menettävät energiansa, ne vapauttavat fotonin (valohiukkasen). Käytetyn optisen vahvistusmateriaalin tyyppi muuttaa tuotetun valon väriä (aallonpituutta). Fotonien vapauttaminen on laserin "stimuloitu säteilyemissio".
Monet asiat voivat säteillä valoa, kuten hehkulamppu, mutta valo ei ole järjestäytynyt yhteen suuntaan ja vaiheeseen. Kun valon syntytapaa ohjataan sähkökentän avulla, valo on nyt yhdenlaista ja kulkee yhteen suuntaan. Tämä on "koherenttia säteilyä".
Tässä vaiheessa valo on vielä heikko. Molemmin puolin olevat peilit heijastavat valoa edestakaisin, ja tämä osuu optisen vahvistusmedian muihin osiin, jolloin myös nämä osat vapauttavat fotoneja ja tuottavat lisää valoa ("valon vahvistaminen"). Kun koko optinen vahvistava väliaine tuottaa valoa, tätä kutsutaan kyllästymiseksi, ja se luo hyvin voimakkaan valonsäteen hyvin kapealla aallonpituudella, jota kutsuisimme lasersäteeksi.
Laserleikkaus
Suunnittelu
Valo liikkuu väliaineen läpi kahden peilin välissä, jotka heijastavat valoa edestakaisin niiden välillä. Toinen peileistä heijastaa valoa kuitenkin vain osittain, jolloin osa valosta pääsee pois. Pakeneva valo muodostaa lasersäteen.
Tämä on yksinkertainen rakenne; käytetyn optisen vahvistusmedian tyyppi määrittää yleensä lasertyypin. Se voi olla kide, esimerkkeinä rubiini ja granaattikide, joka on valmistettu yttriumista ja alumiinista, johon on sekoitettu harvinaista maametallia. Kaasuja voidaan käyttää laserissa käyttämällä heliumia, typpeä, hiilidioksidia, neonia tai muita. Suuret, tehokkaat laserit ovat yleensä kaasulasereita. Vapaaelektronilaser käyttää elektronisuihkua, ja se voidaan virittää säteilemään eri värejä. Pienimmissä lasereissa valon tuottamiseen käytetään puolijohdediodia. Näitä käytetään eniten elektroniikassa.
Historia
Albert Einstein oli ensimmäinen, joka sai idean stimuloidusta emissiosta, jolla voitaisiin tuottaa laser. Siitä lähtien kului monta vuotta sen selvittämiseen, toimiiko idea. Aluksi onnistuttiin tekemään masereita ja myöhemmin keksittiin, miten lyhyempiä näkyvän aallonpituuden aaltoja voitaisiin tuottaa. Vasta vuonna 1959 Gordon Gould keksi nimityksen laser eräässä tutkimusartikkelissa. Ensimmäisen toimivan laserin kokosi ja käytti Theodore Maiman Hughes Research Laboratoriesissa vuonna 1960. Monet alkoivat työskennellä laserin parissa tuolloin, ja kysymys siitä, kuka saisi laserin patentin, ratkaistiin vasta vuonna 1987 (Gould voitti oikeudet).
Sovellukset
Laserit ovat löytäneet monia käyttötarkoituksia niin jokapäiväisessä elämässä kuin teollisuudessakin. Laserit ovat mukana CD- ja DVD-soittimissa, joissa ne lukevat koodin levyltä, jolle kappale tai elokuva on tallennettu. Laseria käytetään usein lukemaan kaupassa myytävien tavaroiden viivakoodeja tai SQR-koodeja, jotta tuote voidaan tunnistaa ja antaa sen hinta. Lasereita käytetään lääketieteessä, erityisesti LASIK-silmäleikkauksissa, joissa laserilla korjataan sarveiskalvon muotoa. Sitä käytetään kemiassa spektroskopian avulla materiaalien tunnistamiseen, jotta saadaan selville, millaisista kaasuista, kiinteistä aineista tai nesteistä jokin on tehty. Vahvempia lasereita voidaan käyttää metallin leikkaamiseen.
Lasereilla mitataan Kuun etäisyyttä Maasta heijastamalla Apollo-lentojen jättämiä heijastimia. Mittaamalla aikaa, joka valolta kuluu kuuhun ja takaisin, saadaan selville, kuinka kaukana kuu on.
Ihmiset käyttävät laserosoittimia osoittaakseen paikkaa kartalla tai kaaviossa. Niitä käyttävät esimerkiksi luennoitsijat. Monet ihmiset haluavat myös leikkiä laserosoittimilla. Jotkut ihmiset ovat osoittaneet niillä lentokoneita. Tämä on vaarallista, ja se on myös laitonta monissa maissa. Ihmisiä on pidätetty ja asetettu syytteeseen tästä rikoksesta.
Tietokoneissa käytetään yleisesti optista tietokonehiirtä syöttölaitteena. Nykyaikaiset laserosoittimet ovat liian suuria ja tehokkaita tähän käyttöön, joten useimmat hiiret käyttävät pieniä VCSEL-lasereita eli "Vertical cavity surface-emitting lasers". Näitä lasereita käytetään myös DVD- ja CD-ROM-asemissa sekä holografiassa.
Kysymyksiä ja vastauksia
K: Mikä on laser?
A: Laser on laite, joka tuottaa keskitetyn, yksivärisen valonsäteen käyttämällä erityisiä kaasuja tai kiteitä, jotka on viritetty lähettämään valoa.
K: Miten laser tuottaa valonsa?
V: Laserin kaasut tai kiteet saavat virran, joka lähettää valoa, jota sitten vahvistetaan tai vahvistetaan peilien avulla.
K: Tuottaako laser moniväristä valoa?
V: Ei, laser tuottaa valoa, jossa on vain yksi väri.
K: Mitä on kollimoitu valo?
V: Kapea, keskittynyt valonsäde, joka ei leveydy tai heikkene kulkiessaan, toisin kuin useimmat muut valonlähteet.
K: Mitä tarkoittaa sana laser?
V: Laser on lyhenne, joka tarkoittaa "valon vahvistaminen stimuloidun säteilyn emissiolla".
K: Mitä eroa on lasersäteen ja taskulampun säteen välillä?
A: Lasersäde pysyy keskittyneenä kapeaksi sädekehäksi, kun taas taskulampun säde leviää ja heikkenee.
K: Mikä yhteys on laserilla ja maserilla?
V: Laser kehitettiin aikaisemmasta maseriksi kutsutusta laitteesta, ja molemmat laitteet käyttävät samanlaisia periaatteita vahvistetun valon tuottamiseen.
Etsiä