LASER

REFERAAT FÜÜSIKAS

 

Sissejuhatus

Kuigi esimene laseri nime kandev optiline seade ehitati alles 1960. aastal  ameeriklase Maimani poolt, on tänaseks trükis ilmunud juba tuhandeid artikleid, mis käsitlevad selle seadme teooriat, tehnilist teostust, rakendusi ja tõenäolisi tulevikutäiustusi ning –rakendusi.

Laser on üpris eriliste omadustega uut liiki valgusallikas. Tema poolt kiiratud valgus võib olla erakordselt intensiivne, äärmiselt kõrge koherentsuse astmega ning koondunud väga kitsasse lainepikkuste vahemikku, pealegi võib valgus allikast väljuda kitsa paralleelkiirtekimbuna. Laseri väga intensiivne, rangelt koherentne ja kitsa paralleelkiirtekimbuna leviv kiirgus on toonud talle väga palju kasutusalasid. Laser ei ole mitte üksnes energiarikas ja suure intensiivsusega, vaid ühendab lisaks sellele mõningaid valguslainete jooned raadiolainete mõningate omadustega.

Laser on abreviatuur. Sõna laser on lühend inglisekeelseist sõnadest “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation” (valguse võimendamine stimuleeritud kiirguse varal). Laser kui optiline kvantgeneraator (kvantelektroonika põhiseade) on valguse stimuleeritud kiirgumisel rajanev koherentvalguse generaator, harvemini valguse võimendi. Valguse all mõistetakse sel juhul lühilainelist elektromagnetkiirgust, mille lainepikkus l<1mm. Laserite töö baseerub pööratud jaotuse ja optilise pumpamise nime kandvatel kvantoptilistel protsessidel.

Laseri põhimõtte avastas Charles Townes USA-s 1954. aastal, viimistledes seda koos Schawlow´ga.

 


Laseri leiutamine

Olgugi, et sissejuhatuses sai nimetatud laseri leiutajaks Charles Townes´i ja Schawlow´i, ei saa laseri leiutajaks ainult ühte nime ja neid nimetada. Nimest Gordon Gould vaevalt keegi kuulnud on.

Gordon Gould sündis 17. juulil 1920 New Yorgis. Ta huvitus juba poisipõlves leiundusest ja eluunistuseks oli saada leiduriks. Gould tudeeris füüsikat Schenectady University College'is. Huvid koondusid valgusnähtuste valda. 1941. aastal astus ta Yale'i ülikooli doktorantuuri, mille katkestas sõda. Hiljem tegutses ta ka New Yorgi City kolledžis ja Columbia ülikoolis.

Ülikoolis puutus ta kokku Charles Townesiga, kes kümnendi alul oli koos oma kaastöölistega ehitanud ultralühikeste raadiolainete kvantvõimendi/generaatori, maseri, mille tööprintsiip sarnanes hilisema laseri omaga. Murti pead, kuidas sama põhimõtet rakendada valguslainetele, mis raadiolaineist sadu tuhandeid kordi lühemad.

Ööl vastu 10. novembrit 1957 taipas Gould otsekui välguvalgel, kuidas valgusgeneraatorit ehitada ja käivitada, millised piiritud rakendusvõimalused võiksid sel olla mujalgi kui valgussides. Kiiruga kandis ta ideed, esialgsed arvutused ja skeemid märkmikku, mille sedamaid patendilootuses notariseeris. Samas vermis ta ka akronüümi laser. Kui professor Peter Franken, tuntud laserispets ja mittelineaarse laseroptika rajaja, hiljem neid märkmeid nägi, oli ta üllatunud. Paraku osutus leiundusfänn täiesti abituks patendinduses. Ka konsultanti mõistis ta võõriti: justkui peaks enne seadme patenteerimist olema valmis tolle töötav prototüüp (tegelikult oli vaja üksnes täpset kirjeldust paberil, mis Gouldil ju olemas oli). Jättes doktoriõpingud, liitus ta väikefirmaga Technical Research Group (TRG), lootes seal esmiklaseri valmistada. Peibutades Pentagoni laserrelva loomise väljavaadetega, õnnestus TRG-l saada priske dotatsioon, miljon dollarit, küsitud 300000 asemel - asja täielik salastamine. Gouldilt kui "kahtlaselt" konfiskeeriti ta märkmedki (targu oli ta küll koopia endale jätnud), rääkimata töö juurde lubamisest. TRG-mehed tohtisid küll küsitleda Gouldi, aga ei võinud temale töö käigust hingatagi. Tagajärjetult üritas TRG Gouldile pääsikut taotleda. Tema vastu andis tunnistusi ka hüljatud naine. Lõpuks, 1959. aastal esitas TRG koos Gouldiga notariseeritud märkmete põhjal patenditaotluse. Kuid oli juba saatuslikult hilja. 1958. aasta detsembris oli ilmunud ajakirjas “Physical Review” A.Schawlow' ja Ch. Townes'i artikkel laseri põhimõtetest ning laekus nende patenditaotlus, mis 1960. aastal ka rahuldati. Laseri loomise pimesikumäng TRG-s oli juba ette nurjumisele määratud. Eirates Schawlow' pessimismi rubiini kui laserkiirguri suhtes, käivitas Theodore Maiman 16. mail 1960. aastal, suurfirma Hughes Aircraft laboris Malibus maailma esimese laseri - rubiin-välkelaseri. Gouldi patendilootused kahanesid katastroofiliselt, kuigi tema taotluses on rida originaalseid aspekte. TRG loobus Gouldiga jändamast ja müüs patendiõigused tagasi Gouldile. Patendiamet väitis, et Gouldi taotlustekst polnud nii põhjalik, et keegi saanuks selle põhjal laserit valmis teha. Leidur ei jätnud jonni ja leidiski riskialdi firma REFACi, kes soostus protsessi jätkama. Kaasati kogenud patendijurist Richard Samuel, kes vaistlikult uskus Gouldisse. 1976. aastal lõputuna näiv patendivaidlus jätkus. Patendiamet väitis, et Gouldi taotlus sisaldas mitut leiutist. Saanud julgustust sellest, et Gould oli vahepeal saanud Briti ja Kanada patente,  otsustas Samuel proovida esialgu ühega neist. Lõpuks, 1977. aastal andis USA patendiamet Gouldile-REFACile välja esimese patendi -valgusergastusega laserile. REFACi aktsiakurss mitmekordistus päevapealt. Samuel vormistas kähku veel kolm taotlust: gaaslahendusega laserile, laseri tööstusrakendustele (mida Schawlow ja Townes ei osanud ette näha) ja erilistele kaldakendele (Brewsteri aknad) laseriküveti otstes, mis kahandavad oluliselt valguskadusid. Ja kohe anti sisse ka esimene hagi esialgu laserifirma General Photonics Corporationi vastu Gouldi patendiõiguste rikkumise eest. 17. juulil 1979. aastal väljastas patendiamet Gouldile teise patendi - laseri tööstusrakendustele. 1982. aastal  võeti arutusele Gouldi kolmas patenditaotlus, gaaslaseritele. Gould ja ta liitlased kaotasid protsessi, kuid Gouldi advokaat protestis otsuse. Kuna kohtunik Thomas Flannery närvid ei pidanud vastu, astus ta tagasi. Asendaja lükkas protsessi edasi. Muutus USA patendiseadus: sai tühistada ka varem väljastatud patente - patendiamet andis laserifirmadele otsesõnu märku: tooge vaid Gouldi vastu tühistamistaotlusi, küll me siis vaatame. Tühistustaotlustes meenutati isegi igivana legendi: Archimedes olevat juba 3. saj e. Kr koondanud peegelkilpidega päikesevalgust, süütamaks vaenlase laevu. Seega polevat laserivalguse tööstusliku kasutuse patenteerimiseks mingit alust. Vastupidi ammukujunenud tavadele anti tühistamistaotlused hinnata uuele, jäigale patendieksperdile, Harvey Beherendile, kes 1983. aastaks soovitas tühistada Gouldile seni antud kaks patenti. Lisaks rikkus patendiamet veel kord oma eeskirju, pöördudes justiitsministeeriumi kaudu USA valitsuse poole arupärimisega, kas Gouldi patendid ei riiva valitsuse huve ja kas neid seetõttu ei tuleks hoopis eripäraselt menetleda. Kujunes laserifirmade ja valitsuse ühisrinne. Firmade jõhker surve oli teinud oma töö. Jaanuaris 1985 algas föderaalkohtus uus protsess Gouldi asjas. Menetlust juhtis kohtunik Flannery. Otsuseni jõuti alles 19. detsembril. Kohtunik Flannery oli teinud kannapöörde ja asunud Gouldi poolele. Miks, seda ei saa vist keegi kunagi teada. Otsus süüdistas patendiametit terves reas jämedais õigusrikkumistes. Patlexi aktsiakurss viskus taevasse. Järgmisel aastal lükkas patendiameti apellatsioonikogu tagasi ekspert Beherendi taotluse Gouldilt patentide tagasivõtmise kohta. Gould sai lõpuks kõik neli taotletud patenti.

Kes siis, lõppude lõpuks, leiutas laseri? Väär oleks näidata näpuga ainult ühele mehele. Oma osa on selles 20nda sajandi suursaavutuses nii Townes'il, Schawlow'l, Gouldil, Maimanil, Prohhorovil kui ka Bassovil. Kui käsitleksime arvukaid erinevaid laseritüüpe, peaksime nimetama veel paljusid nimesid. Niigi oli ta "hilinenud" tervelt nelikümmend aastat, sest laseri aluseks olevale stimuleeritud kiirguse olemasolleu looduses näitas teoreetiliselt Albert Einstein juba Esimese maailmasõja ajal (1916.a.). Nähtavasti on aga tõsi seegi, et siiski kõige esmalt välgatasid õiged mõtted laseri loomiseks ja laiaks rakenduseks just Gordon Gouldi peas unetul sügisööl 1957. aastal.

 


Laserite tüüpe

Konkreetset laseritüüpi iseloomustavad tema kiirguse lainepikkused, monokromaatilisus (kiirgusjoone spektraallaius), koherentsusaste, moodistruktuur, polariseeritus, laserikiirte lahknemisnurk, kiirgusvõimsus (alalislaseril) või välke kestus, energia ja ilmumisaja sagedus, kasutegur ja mõõtmed. Aktiivaine oleku järgi eristatakse gaas-, vedelik- ja tahkislasereid. Lisaks saab lasereid liigitada genereeritava kiirguse järgi: iraser (infrapuna-), uvaser (ultraviolett-), raser või xaser (röntgenikiirguse) ja gaser (gammakiirguse laser).

            Gaaslaserid on enamasti alalislaserid. Ergastamiseks rakendatakse neis harilikult töögaasis toimuvat elektrilahendust, harvemini ergastatakse neid keemiliselt, valgus- või korpuskulaarkiiritusega. Elementaarkiirgureiks on neis aatomid (näiteks Ne), ioonlasereis ioonid (Ar+, Cd+-aur), molekullasereis molekulid (CO2). Molekullasereis rakendatakse võnkeseisunditevahelisi siirdeid. Niisuguste molekullaserite kasutegur on 10-30%. Gaaslaseritega on saadud valguse seni ületamatud koherentsus, monokromaatilisus ja suunatus. Võimsamad ja suurimad gaaslaserid on jugalaserid ehk gaasidünaamilised laserid (võimsus 104-105 W). Neis lastakse tuline aktiivgaas läbi düüside ülehelikiiruslikult paisuda, kusjuures ta järsult (adiabaatiliselt) jahtub. Gaasi (enamast CO2) molekulide madalamad võnketasemed tühjenevad seejuures kõrgemaist kiiremini, tekib pöördhõive. On leitud, et heeliumi ja neooni teatud vahekorras segu võib tekitada laserefekti. Seejuures asub gaas torus sobivate peeglite vahel. Gaasiaatomeid saab ergastada (kutsuda esile pööratud jaotuse), kui tekitada gaasisambas elektrilahendus. Kümnest osast heeliumist ning ühest osas neoonist koosnevas gaasisegus on võimalik esile kutsuda selline laserefekt, mille tulemusena kiirgub laserivalgust punases lainealas. Et gaasisegu kiirgab piisavalt, siis on seadme kiirgusvõimsus rubiinlaseriga võrreldes palju väiksem, kummatigi on gaaslaseri valmistamine ja ekspluateerimine naeruväärselt odav. Ta valgus on monokromaatiline, kuigi mitte väga hele, ja koherentne – väärtuslik abimees mitmete optiliste uurimustööde puhul. Mõõtmetelt üsna tillukesed, nii et neid saab koguni käes hoida.

Kemolaserites juhitakse valguse genereerimiseks kokku gaasid, mille reageerides tekivad ergastatud molekulid (näiteks ahelreaktsioonis F+H2→(HF)+H; F+CH4→(HF)+CH3; O2+CS→(CO)+SO). Reaktsiooni vallandab harilikult valgustamine või elektrilahendus, mis tekitab vabu radikaale. Enamik kemolasereid kiirgab infrapunaalal (2-6 μm), nende kasutegur ja võimsus on suured.

Eksimeerlaserid on kemolaserid, milles kiirgavad ebapüsivad ergastunud molekulkompleksid – eksimeerid (Ar2) või eksipleksid (XeCl, KrO), mis tekivad näiteks elektrilahenduses või korpuskulaarkiirituse toimel ning footonit kiirates põhiseisundisse langenult kohe lagunevad. Eksimeerlaserid on tõhusaimad ultravioletse laserikiirguse allikad, nad töötavad plinklasereina umbes 10-8 s kestvate välgetega. Eksimeerlaserid on väga efektiivsed nina-, kõrva- ning kurguhaiguste ravil.

Vedeliklasereist on käibel eeskätt värvlaserid, nende aktiivaine on orgaanilise värvaine lagus, ergasti harilikult teine laser (näiteks eksimeer-, argoon-, metalliaurulaser). Värvilaserite põhieelis on valguslaine pikkuse sujuv muudetavus laias vahemikus (umbes 0,3-1,3 μm). See toimub astmeliselt värvaine vahetamise teel ning astme piires sujuvalt resonaatori spektraalselektoriga (näiteks difraktsioonivõrega).

Tahkislaseri kiirgurkeha on monokristall või klaasplokk, elementaarkiirgurid on lisandiioonid (näiteks Cr3+, Nd3+) või värvustsentrid. Tahkislaserid on enamasti mõõduka kasuteguriga (0,1-1%), kuid võimsad välkelaserid, mis genereerivad peamiselt spektri nähtavas ja lähiinfrapunapiirkonnas. Värvustsenterlaserite lainepikkus on laias infrapunaalas reguleeritav. Tahkislasereid käivitatakse fotoergastusega (võimsate välklampidega, teiste laseritega, sealhulgas pooljuhtlaseritega). Paljudel juhtudel rakendatakse neid hiidvälkerežiimis (seni suurim välkevõimsus 1014 W on USA tahkislaseril NOVA). Tahkislaserite eriliik on pooljuhtlaserid, milles luuakse pöördhõive pooljuhikristalli juhtivus- ja valentsitsooni vahel ning kiirgus tekib elektronide ja aukude stimuleeritud rekombineerumisel.

Dioodlaserid ehk injektsioonlaserid on pooljuhtalaldid, millest tugeva pärivoolu (umbes 103 A/cm2) läbiminekul hakkab kiirgama alaldav siirdekiht – pn-siire (homolaseris) või kahe heterosiirde vaheline kiht (heterolaseris). Dioodlaserid on väikseimad (kiirguri mõõtmed umbes 0,1 mm), ökonoomseimad (kasutegur on 50%) ning kasutatavaimad nüüdislaserid (üle 90% aastas toodetavate laserite arvust – 1990. a. andmetel). Eelistatakse heterolasereid kui tõhusamaid.

Pooljuhtkiirguriga lasereis võib ergastiks olla ka elektronikimp (näiteks laserteleviisori ekraanis).

Üht levinumat materjali pooljuhtlaseri tarvis valmistatakse tahkest galliumarseniidist ja see sarnaneb taskuraadio transistrides kasutatavate pooljuhtidega. Teatud viisil elektriliselt ergastades saab selle aine erinevate tükkide lahutuspinnad panna laserina kiirgama, ent üksnes infrapunases lainealas. Enne käivitamist tuleb seadet jahutada vedelas õhus.

Elektronlasereis (vabaelektronlasereis) kiirgab ondulaatorit ehk võngutit läbiv ülikiirete, relativistlike elektronide kimp. Ondulaatoris lisandub elektronide kulgliikumisele nende võnkumne risti kulgemise suunaga. Mõningail tingimustel rühmitub elektronikimp ondulaatoris elektronisalkade jadaks, mis kiirgab koherentselt. Optilise resonaatori kaasabil hakkab süsteem genereerima.  Elektronlaserid on kiirendiga ühendatud suured seadmed, nende eelised on kiirguse suur intensiivsus ja lainepikkuse sujuv reguleeritavus vahemikus raadiolainetest valguslaineteni.

Röntgenlasereis (raserid) on kiirguriks paljukordselt ioniseeritud aatomite plasma, mida tekitatakse ülivõimsate optiliste laserite või koguni tuumaplahvatusega. Elektronide ja ioonide järkjärgulisel taasühinemisel või ioonide põrkergastusel pöördhõivestuvad aatomite siseelektronkatted ja selle tagajärjel tekib stimuleeritud röntgenkiirgus. Resonaatoripeegleina võivad toimida näiteks kristallvõred. Röntgenkiirte võimalikke rakendusi on näiteks mikroobjektide holograafia ja laserrelv.

Üritatakse luua gammalaserit (1990.a. andmetel), mille töö põhineks radioaktiivsete aatomituumade energiatasemete vahelistel stimuleeritud siiretel. Eeskätt püütakse rakendada Mössbaueri efekti andvaid tuumi, ergastina kasutatakse neutron- või gammakiirgust.

 


Laserite kasutamine

Laserikiirguse rakendused saab jaotada kahte põhirühma.

1) Objektide mõjutamine laserikiirgusega: intensiivne, koondatud laserikiir võib objekti sulatada, aurustada, pihustada või plasmastada, orgaanilisi aineid koaguleerida või söestada. Objekte mõjutatakse näiteks laserkirurgias, lasertöötluses (lõikamisel, mulgustamisel, keevitamisel), termotuumaenergeetikas (kütuse viimiseks tiheda kuuma plasma seisundisse) ja laserrelvastuses. Vähem intensiivne laserikiiritus võib ajendada objektide sisemuundeid, näiteks purustada keemilisi sidemeid, muuta aine optilisi ja muid omadusi. Seda rakendatakse näiteks laserkeemias, seal hulgas isotoopide eraldamisel, mittelineaarses optikas, geenitehnikas, laserravis ja põllumajanduses.

2) Teabe hankimine ja töötlemine, teabe salvestamine, väljastamine, edastamine ja levitamine. Nende hulka kuuluvad laserite rakendused metroloogias ning kontrolli- ja tüürimisseadmeis (seal hulgas ülitäpsetel joonmõõtmistel, näiteks lasergüroskoopias), sirgete ja tasandite või muude pindade fikseerimisel (näiteks ehituses, mäenduses ja navigatsioonis), teadus- ja tarbeuuringuis (füüsikas, keemias, bioloogias, meditsiinis, geofüüsikas, seal hulgas meteoroloogias, geodeesias ja seismoloogias, planeetide astromeetrias), tootmisprotsesside automaatohjes, defektoskoopias, keskkonnakaitses, kriminalistikas, museoloogias (eriti kasutatakse laserspektroskoopia, -interferomeetria, -lokatsiooni ja -spektrokronograafia meetodeid ning uurimisobjektide ruumilist, ajalist ja spektraalset valikumõjutust laseriga), optilises lasersides (seal hulgas telefonsides) ning laserteabelevis (ringhäälingus, televisioonis), optoelektroonikas ning arvutitehnikas (seal hulgas suure infomahu ja töökiirusega mäluseadmeis, lugemis- ja trükiseadmeis), lasergrammofonis, -videofonis ja -projektorteleviisoris. Laserit rakendatakse ka visuaalkunstis (seal hulgas vaatemängudes), valve- ja hoiatusseadmeis, kaupluste kassaseadmeis ning treeningu, näiteks lasketreeninguseadmeis. Laserite loomisega on kaasnenud uute teadusalade, näiteks holograafia, mittelineaarse optika ja spektrokronograafia teke ja areng. Arendusjärgus on lasertermotuumareaktor, valgusraal ja laserenergiajaotussüsteem. Laserseadmed on oma l-ta analoogidest (kui need on olemas) enamasti tunduvalt tõhusamad, näiteks võib laserikiir sidekanalina sama ajaga edastada 103-105 korda suuremat teabehulka kui raadiokanal. Laserikiirgus võib põhjustada organismi kahjustusi: paiksed kahjustused meenutavad põletust, silma tunginud kiir kutsub esile sarv- ja võrkkesta muutusi, kiirguse üldmõjul tekivad peamiselt närvisüsteemi ja vereringeelundite talitluse häired. Tööstuslaseritega lubatakse töötada seadme ohtlikkuse kohaselt sisustatud ruumis, silmade katseks seadmed blokeeritakse või kasutatakse kaitseprille (-maski); välioludes tõkestatakse kiirgust ekraanidega.

 

Laser radarina

Radar määrab objekti asukoha kindal sagedusega raadiolainete objektilt tagasipeegeldumise järgi. Raadiolokaator teeb kindlaks objekti kauguse, mõõtes elektroonselt ära ajaintervalli raadiolainete väljasaatmise ja objektilt peegeldunud signaali saabumise vahel. Peegeldunud raadiolainete abil näeb objekti kuju ja piirjooni isegi läbi pilvede või tiheda udu.

Objekti täpse asukoha määramise seisukohalt on laserivalgusel raadiolainete ees mitmeid eeliseid. Esiteks kujutab laserivalgus endast väga kitsast kiirtekimpu. Teiseks on tal väga väike lainepikkus. Et raadiolokaator töötab mõne sentimeetrises lainepikkuste alas, siis tingituna lokalisatsiooni optikast ja lainete difraktsioonist läheb objekti täpse asukoha määramiseks vaja üsna suurt antenni. Sõltub ju igasuguse “optilise” süsteemi lahutusvõime vaatluseks kasutatava lainepikkuse ja “läätse” või “peegli” läbimõõdu suhtest.

Et laserivalguse lainepikkus on raadiolainete omast tublisti väiksem, siis on lainepikkuse ja optilise süsteemi apertuuri suhe rubiinlaserist väljuva valguse jaoks märksa väiksem kui sama suhe raadiolainete ja näiteks 100-meetrise diameetriga radarpeegli korral – laserkiirel on objekti asukoha täpsel kindlasmääramisel radari ees suuri eeliseid. Paraku muudavad suits, pilvitus ja udu laserkiirguse kasutamiskõlbmatuks, kuna nad hajutavad selle.

Kui laserikiir on suunatud kõrgest korstnast tõusvale suitsupahvakule, siis mida hõredam on suitsupilv, seda vähem peegeldub temalt laserivalgust tagasi. Ent laserikiired on niivõrd intensiivsed, et registreerivad suitsupilve ka siis, kui see on paljale silmale ammu nähtamatuks muutunud. Selle meetodi (hajumisefekti) abil on uuritud atmosfääri saastatust suitsuga.

 

Impulsslaser täppismehhaanikatööstuses

Väidetavalt on kõrgekvaliteedilise läätse abil fokuseeritud väga võimas impulsskiirtekimp suuteline tekitama kiirguse võimsustihedust kuni 1000 miljonit kW/cm2 (väiksemal pindalal kui 1/10000 cm2). Hiiglaimpulss vältab küll kõige rohkem mõne miljondiku sekundit, ent sellest hoolimata võivad juba nõrgemadki kiired anda üllatavaid tulemusi.

Fokuseerides hiiglaimpulsi metallile, täheldame üsna drastilisi efekte ka kõrge sulamistemperatuuriga metallide juures. Ühe millimeetri paksusest teraslehest lausa puhutakse auk läbi. Kui selline intensiivne laserivalguse impulss tabab metalli, tõuseb helendav aurupilv ning sulametalli pritsmed plahvatavad laiali. Teras kõigepealt sulab – umbes 1/10000 sekundi jooksul pärast “tabamust”. Seejärel pritsib vedel metall plahvatuse lööklaine mõjul tilgakestena laiali.

Üldiselt sõltub kõik pärast laserikiire objektile langemist toimuv nii objekti läbipaistvusest valgusele kui ka tema võimest ära juhtida tekkivat soojust. Et saavutada paralleelkiirtekimbu energia maksimaalset tihedust, tuleb kiired kõrgekvaliteedilise mikroskoobiobjektiiviga koondada imeväikesesse punktfookusesse. Hea lahutusvõime ja tugeva suurendusega läätsed koostatakse tavaliselt mitmest komponendist, mis tsementeeritakse ühte. Et tsement teatava energiahulga neelab, siis niisugune liitlääts energiarikaste laserikiirte fokuseerimiseks ei kõlba. Tõsi, neelduda võib küll ainult murdosa energiast, ent laserikiirgus on niivõrd suure võimsusega, et juba murdosast piisab läätsede ülekuumendamiseks ja pragude tekitamiseks või paremal juhul tsemendikihi ülessulatamiseks. Tähendab, midagi tavalisest ühest klaasläätsest täiuslikumat kohandada ei anna ja see ongi põhjus, miks laserikiiri pole võimalik koondada nii väikesesse punkti, et saavutada teoorias ennustatud võimsustihedusi.

Suurepärane reklaam laserikiirele kui augupuurijale on kergus, millega ta teemandisse augu torkab. Traaditõmbamiseks vajalikke teemantfiljeere valmistatakse tööstuses tavaliselt peene, teemandipastaga kokkumääritud nõela abil, mis pöörleb suure kiirusega, liikudes samal ajal veel üles-alla. Teemandi erakordse kõvaduse tõttu kulub augu tegemiseks palju tunde, isegi päevi. Kuid laserikiir puurib peenikese augu kõigest ühe välgatusega. Kuna tekkiva augu suurust pole võimalik reguleerida ning pole selge, kuivõrd kahjustub augu ümbrus, siis torgatakse nõrga laserkiire abil läbi teemandi peen, korrapäratu kujuga auk. Seejärel laiendatakse laseriga tekitatud peenikest uuret standardsel viisil: auk lihvitakse nõelaga suuremaks. Laseri kasutamine koos järgneva puurimisega säästab aega, sest nõel läbib laseri tehtud ettevalmistava uurde palju hõlpsamini kui puutumatu kivi.

Laserite kasutuselevõtmisel tuleb palju katsetada. Kui kiirte koondamiseks kasutatav lääts veidigi valgust neelab, tekivad ta pealispinnale lõhed. On andmeid, mis tõendavad, et laserkiire põhjustatud sulametalli plahvatus on osaliselt tingitud soojusest, osaliselt lööklainest Mõõduka intensiivsusega tekitatud lokaalset kuumenemist on kasutatud mikrodetailide keevitamiseks. Võimalikuks on osutunud ka ülipeenikeste traatide kokkusulatamine mikroelektroonilise aparatuuri tarvis. Sääraseks juveliiritööks monteeritakse tilluke laser väikese suurendusega mikroskoobi külge, kasutades selleks külgobjektiivi. Objekti teravustamise järel tulistatakse laserikiir vajalikku punkti.

 

Laser mõõtmiseks

 

 

 Laserkaugusmõõtja (joonisel on kujutatud ühte mõõtmise võimalust) on mõeldud asendama mõõdulinti ning joonlauda ning seda ilma abilist kasutamata. Lihtsamad mudelid võimaldavad kauguse mõõtmist ning pindala ja ruumala arvutamist. Keerukamatel mudelitel on võimalus mõõteandmeid salvestada (kuni 800 mõõtmist) ning ka otse arvutisse saata. Samuti on kaugusmõõtjatel mitmeid funktsioone: pidevmõõtmine, suurima ning vähima distantsi leidmine, pindala ning ruumala arvutamine, mõõteandmete liitmine, lahutamine ning korrutamine, ajastatud mõõtmine (viivitusega) jne. Laserkaugusmõõtjaga mõõtmine on kiire, tõhus, täpne, usaldusväärne (mõõtekaugus kuni 200m täpsusega +/-3mm),
mitmekülgne (sise- ja välistöödeks), turvaline (pole redelit vaja).
On võimalik mõõta pikkust, laiust, kõrgust ka juhtudel, kui mõõdetavale objektile päris ligi ei saa (distantsmõõtmine) kasutades ka + ja - mõõtmisi. Võimalik mõõta statiivilt distantse kahes suunas, seega maksimaalne distants oleks kuni 400m. Vesiloodiga pöördaluse kasutamiselon võimalikud mõõtmised isegi 90° või mõne muu nurga all.

Infrapuna lasertermomeetri (joonisel) abil saab mõõta temperatuure kergelt ja kiirelt, mõõdetava pinnaga kokku puutumata. Mõõteobjekti sihtimine on tänu laserkiirele äärmiselt lihtne. Infrapunatermomeetrid on ideaalsed tööriistad mõõtmaks liikuvate, raskesti ligipääsetavate, elektrivoolu all olevate või ohtlikult kuumade objektide pinnatemperatuuri.

Laserit kasutatakse ka kiiruse mõõtmiseks. Sel juhul töötab see laserimpulsi leviaja mõõtmise põhimõttel. Eestis kasutatavat laserkiirusmõõturit LTI 20-20 saab kasutada keskmise kiiruse mõõturina ainult statsionaarses režiimis. Kuna laserkiirusmõõtur võimaldab määrata kaugust seadmest mingi objektini, siis sobib see hästi mõõdetava teelõigu pikkuse mõõtmiseks. Saadud tulemus salvestatakse seadme mällu. Kui sõiduk, mille kiirust mõõdetakse, jõuab teelõigu algpunkti, siis käivitatakse nupulevajutusega seadme elektronkell; kui sõiduk, mille kiirust mõõdetakse, jõuab teelõigu lõpp-punkti, siis seisatakse seadme elektronkell; kiirusmõõtur arvutab välja mõõdetava sõiduki keskmise kiiruse vaatlusalusel teelõigul ja kuvab selle tablool.

Laserkaamera ja kiirendusanduri abil toimub tee tasasuse andmete kogumine. Laser- ja kiirendusandurid on paigaldatud auto esimese parempoolse ratta ette. Laseriga mõõdetakse tee pinna ja auto kere vahelist kaugust ning kiirendusanduriga autokere vertikaalsuunalist liikumist. PTM-auto (üks laser- ja kiirendusandureist, kõrval oleval pildil) mõõtmiste tihedus on 40 mm ja mõõtmised tehakse samaaegselt nii laseriga kui ka kiirendusanduriga. Mõõtmistulemustest arvutatakse tee pikiprofiil 32 cm sammuga. Pikiprofiilist on seejärel võimalik arvutada nii IRI-t kui ka IRI4-ja. Latt auto ees on mõeldud roopa sügavuse mõõtmiseks ja seejuures kasutatakse 15 ultraheliandurit. Mõõtetööde kiirus on vahemikus 30 - 90 km/h ja tulemused on põhimõtteliselt kiirusest sõltumatud.

 

 

Laser meditsiinis

Laseritega diagnoositakse mitmesuguseid haigusi, lõigatakse silmi ja närve, õmmeldakse kokku veresooni, purustatakse põie- ja sapikive, tehakse plastilisi operatsioone, ravitakse nahahaigusi. Füüsikud ja meedikud on seejuures välja selgitanud, millist laserit on ühe või teise haiguse puhul otstarbekam kasutada.

On olemas kuumad ja külmad laserid. Kuumad laserid lõikavad, söövitavad ja hävitavad. Külmad ehk pehmed laserid töötavad väiksemal võimsusel ja stimuleerivad rakufunktsioone mittetermiliselt ja mittehävitavalt. Külmad laserid saavad välja saata ainult üht sagedust – monokromaatilist valgust (monokroom tähendab ühtainust värvi). Tegelikult on monokromaatilise valguse tekitamiseks kaks võimalust: a) külmlaseriga, b) valgusdioodiga (LED – light emitting diode). Monokromaatiline valgus suurendab hapniku ja vere ringet, stimuleerib närvifunktsioone, vähendab valu ja lõõgastab lihaseid. Monokromaatilise valguse uuringud on keskendunud peamiselt valu leevendamiseks kõige sobivamate sageduste leidmisele. Rakukoed reageerivad kõige paremini teatud kindlatele sagedustele punases ja infrapunases spektris. Sagedus 660 nm on inimese kudedele kõige sobivam, sest stimuleerib rakukoe tekkimist ja soodustab nahakoe ja vere regeneratsiooni mõjutatavas piirkonnas. Haav suurusega 10p, mida mõjutatakse iga kahe tunni järel mõne minuti jooksul valgusdioodi või külmlaseriga sagedusel 660 nm, kasvatab uue, ilma armide ja kärnadeta naha ühe või kahe päevaga.. 660 nm punase valgusega laser sobib ta suurepäraselt armide, haavade, haavandite ja naha ravimiseks; 830-950 nm infrapunased laserid võivad ravida osteo- ja reumatoidartriiti. Roheline kiirgus sobib pigmendilaikude eemaldamiseks, kuna seal olev melaniin neelab intensiivsemalt lühemalainelises rohelise kiirguse piirkonnas. Roheline laserikiirgus hävitab ka tätoveeringu. Roheline kiirgus pääseb normaalsest tervest nahast hästi läbi ja ei kahjusta sealseid rakke. Tätoveeringuga värvitud rakus see kiirgus neeldub ja piisava doosi korral raku temperatuur tõuseb ning rakk hävineb - organism viskab selle endast välja nagu pinnu sõrmest. Poole tunniga siin midagi ära ei tee, sest organism vajab uue olukorraga kohanemiseks, ümber korrastumiseks ja kasvamiseks aega, aga mõne seansi vältel võib niisugune skalpellita lõikamine hävitada nii tätoveeringu kui ka portveinipleki. Valgusdioodid vahetavad üha enam külmlaserid välja, kuna nad annavad laiema hajusa valguskiire ega nõua akupunktuuripunkti leidmisel ja aktiveerimisel nii suurt täpsust kui laserid.

Vaskaurude laseri eeliseks teiste laserite ees on see, et sobiv lainepikkus ja kiiretest intensiivsetest impulssidest koosnev kiirgus on veresoonte ning nahadefektide termiliseks töötlemiseks parem kui teiste laserite kiirgus ja seetõttu ei kahjustu normaalne terve kude ega teki ebasoovitavaid arme.

Koondudes silma võrkkestale, põhjustab päikesest märksa heledam valguskiir antud kohas hävitava põletuse. Selle asjaolu on silmakirurgid oma kasuks pööranud. Pärast laseri ehitamist selgus, et laserikiirgus kahjustab nahka ning võib moonutada koerakke. Kudesid, mida kavatsetakse laserivalgusega kiiritada, võib värvida, reguleerides seega lokaalselt neelduva kiirguse hulka: mida tumedamaks ala toonitase, seda suurem on neeldumine. Säärase kiiritamisega on edu saavutatud kasvajate opereerimisel. Kuigi laser on kirurginoana efektne, on ta kallis lõbu.

Nägemisteravuse parandamise uuemaks suunaks on ümbermodifitseerida silma ennast s.t. korrigeerida tegelikku refraktsiooni. Refraktiivse kirurgia kaks levinumat meetodit on: Radiaalne keratotoomia (RK) ja Fotorefraktiivne kirurgia. Fotorefraktiivses kirurgias põhiliselt kasutatavateks meetoditeks on PRK ja LASIK operatsioonid. Kaasaegseks refraktsiooni parandamise meetodiks ongi eximer laseri (külmavalguse laser) abil teostatav fotorefraktiivne kirurgia, mida natuke selgitan. Lõikus kestab vaid mõne minuti, sarvkestast "freesitakse" pluss- või miinuslääts ehk teisisõnu parandatakse nii lühi- kui kaugelenägevust.
Operatsioonile eelnevaid uuringuid aitab teha arvuti, ja eriti tähtis on arvuti (
oftalmoskoobi) abi operatsiooni ajal, sest tänu sellele saab opereerida just sealt, kust vaja, ja just nii palju kui vaja. Väikese võimsusega laserilt lähtuva reguleeritava mikrokiire kasutamine keevitajana ühendab lahtirebenenud võrkkestaosad kokku vältides nõnda võrkkesta irdumist ning sellele järgnevat pimedaksjäämist. Laseritega tehtud operatsioonidel ongi eriti märkimisväärne nende suur täpsusaste ja kiirus – ühe impulsi jooksul eemaldatakse koest 0,25 mikroni paksune kiht, mis oleks 1/200 juuksekarva läbimõõdust või 1/40 inimrakust, ja kestab see vaid kaduvväikese ajaühiku, 12/109 sekundit! Sellise arvuti-laseri kombinatsiooni abil tehtud operatsiooni tulemus on reeglina nii hea, et nägemine jääb 0 ja ± 1 dioptri vahele ega vaja vähemalt 10 aastat uut lõikust.

Laserikiirt kasutatakse ka kaariese kõrvaldamiseks hammastelt, plommide sulatamiseks hambaauku, juurekanalite raviks, kortsude vähendamiseks.

Cu-laseriga (vaskaurude laser, mis kiirgab kindla lainepikkusega kollaseid (lainepikkusega 578,2 nanomeetrit) ja rohelisi kiiri (510,6 nm))  on võimalik kortse siluda. Nimelt laseb pealmine nahakude kiirgust läbi, alumised nahakihid aga tõmbuvad selle mõjul kokku ning kortsude hulk väheneb ja need muutuvad madalamaks. Efekt on üsna suur - kortsulisus väheneb koguni 80%.

Juurekanalite ravimisel kasutatakse spetsiaalselt juurekanali raviks mõeldud laserkristalli, mis koosneb ütriumist, skandiumist, galliumist, erbiumist jt haruldastest elementidest. Laserravi korral puudub veritsus peaaegu täielikult ning ka lokaalanesteesiat võib rakendada vähemal määral. Laserkiirgus aurustab haige koe, kuid säilitab terve hambanärvi, mistõttu selline ravimeetod on praktiliselt valutu.

Hammaste valgendamisel pannakse hamba peale vesinikperoksiidi sisaldavat geeli, aktiveeritakse see laseriga, mille toimel hakkab peroksiid mullitama ning tungib läbi emaili hamba oma pigmendini. Protseduuri võib tõhususe huvides korrata kahe nädala pärast uuesti. Kuigi protsess iseenesest on valutu, võivad hambad pärast kahe ööpäeva vältel tundlikud olla. Valgendamine pole siiski päris ohutu, kuna valgendava geeli puhul on siiski tegemist keemiaga. Samuti tasub hoolikalt enne järele mõelda neil, kel plommid – hamba värvuse muutudes tuleb vahetada ka plommid välja. Emaili läbides hävitab vesinikperoksiid 4% hamba taastumatust kõvakoest.

Lasereid kasutatakse veel ülemiste hingamisteede kirurgiliste haiguste ravis, endokirurgilistel operatsioonidel, krooniliste nahahaiguste, tugevalt allergiliste patsientide ja herpese ravis ning kasvaja hävitamiseks.

Nahavähi ravimiseks kasutatakse kreemi, mis hõõrutakse naha sisse kasvaja ümber. Professor Stanley Brown Fotobioloogia ja Fotodünaamilise Teraapia Keskusest (tegeles nahavähi ravi uurimisega) ütleb, et kasvaja imeb kolme või nelja tunniga ravimi kreemist endasse ja muutub valgustundlikuks. Seejärel kasutatakse laseri punast valgust või punast lampi ja umbes nelja nädalaga on kasvaja ilma kirurgilise sekkumiseta kadunud.

Herpese vastu kasutatavat laser teraapiat viib läbi hamba- või nahaarst. Laser-ravi on parem kasutada siis, kui herpes alles algab või on algstaadiumis. Narkoos ei ole vajalik, kuna laser pole tuntav. Pärast kiiritust on näha punetust, mis enamikel kaob mõne tunni järel. Uue teraapia hea külg: haiguse taaspuhkemist esineb 10 korda harvem kui tavaliselt. Juhul, kui kordub - võib laserit veel kord kasutada. Teraapia laseriga kestab ainult minuti. Patsient kannab kiirituse vastu kaitseprille, huultes on tunda ainult kerget soojust.                                                          Suurendatud rakk. 

Ravi läbiviimisel läbib laser-kiir (kõrval) rakkude ülemised nahakihid (pildil läbilõikes) ja surmab herpese-viirusest tabandunud naharakud (punased).

                                                           

 

Laseri kasutamine CD-des ja DVD-des

1993. aastal leidis ühe CD tootmisega tegeleva firma (Nimbus) insener, et CD-le võib infot palju rohkem mahutada kui punase laseri võimalusi paremini ära kasutada. 1993. aastal teatasid Sony, Philips ja JVC spetsiaalsest Video-CD-st, kuhu sai MPEG 1 vormingus filme peale prsessida. Puuduseks selle lahenduse juures oli, et 90- minutiline film tuli jaotada kahele kettale.

Detsembri keskel 1994. aastal demonstreerisid Sony ja Philips oma High-Density-CD-d, mille maht ulatus 3,7 gigabaidini. Toshiba ja Warner töötasid 1995. aastaks välja Super Density Disc'i, mille maht küündis 5 GB-ni. Et paremini kasumit teenida, panid nelja firma insenerid pead kokku ning uue ketta nimeks sai DVD -Digital Versatile Disk või vahel ka Digital Video Disk. DVD pidi aegamisi välja vahetama CD ja VHS-kassetid.

DVD – (Digital Versatile Disk ehk eesti keeles Digitaalne Mitmekülgne Plaat) on  samade mõõtmetega nagu CD, kuid  DVD ketas mahutab seitse korda enam andmeid kui CD: 4,7 G kihi kohta, võrreldes CD 680 megabaidiga. Ka DVD seade on sarnane CD lugerile ja suudab peale DVD lugeda ka CD-d – nii audio kui ka data omi.

Kuidas siis pakkida nii palju infot CD suurusele diskile? Vastus on laser. DVD plaadil võib olla kuni neli pressitud andmekihti, kaks kummalgi poolel, kogumahuga 17 G. DVD kasutab peenema kiire ja väiksema lainepikkusega laserit kui standartne CD-ROM ja suudab lugeda väiksemaid infolohukesi (pit), mis paiknevad DVD kettal spiraalselt (nagu CD-ROM-il), kuid ka spiraali keerud asuvad üksteisele lähemal. Infot sisaldav spiraalne rada (track) on CD-l palju sügavam kui DVD puhul ja seega saab sama paksusega plaadile kirjutada kummalegi poole vao ning saadaksegi kahepoolne plaat. See disain mahutab 9,4 G infot, mille puuduseks on see, et sa pead ise diskil teise poole pöörama kui tahad kasutada andmeid, mis asuvad teisel poolel (nn. flipper -plaadid). Insenerid on leidnud viisi kuidas mahutada veel rohkem infot DVD kettale. Selleks kasutatakse hõbedase tagasipeegelduva kihi peal veel kullatud kihti. Nii saab DVDle salvestada kaks andmekihti ühele poolele.  DVD-d kasutavad lühema lainepikkusega (650 ja 655 nm) punast laserdioodi kui tavalised CD-d (infrapunakiirtega laserid lainepikkusel 780 nm). DVD kasutab RS-PC kodeerimist (red Solomon Product Code), mis on mitmeid kordi efektiivsem CD juures kasutatavast CIRC kodeerimisest (Cross Interleaved Reed Solomon Code). Kasutades väikesevõimsuselist kiirt, saab laser lugeda infot kuldselt kihilt. Seejärel võimsuse suurenedes loeb ta infot hõbedaselt kihilt.

Igal DVD ja CD plaadil on peegelduv kiht -enamasti alumiiniumist- kohe andmeid kandva, polükarbonaadist põhimiku järel. Kahekihilisel DVD-l on peegelduva kihi peal osaliselt transparentne andmekiht, laser on suuteline mõlemalt andmeid lugema. Esimese kihi lõpus laser fokuseerub ümber teisele kihile, puhvri kasutamine tagab katkematu andmeedastuse. Kahe kihi kasutamine ligikaudu kahekordistab plaadi mahu. Transparentne kiht mahutab 3,8 G, võrreldes peegelduva kihi 4,7 G-ga, selle tulemusena on ühepoolse kahekihilise plaadi mahuks 8,5 G. Kui tegu on kahepoolse ja kahekihilise plaadiga (kokku neli andmekihti) saavutatakse kogumaht 17 G, mis on -25 korda suurem kui CD- ROM-il.

Miks ei ole kahekihiline ketas täpselt poole mahukam kui ühekihiline? Sest alumine kiht tuleb kirjutada natuke suuremate süvenditena ning seetõttu kaotame mahus. Huvitav on veel see, et kõigepealt loetakse alumine kiht seest väljapoole (nagu CD), siis ülemine kiht väljast sissepoole. Seda sellepärast, et vältida lugemispea liigutamisest ja ketta pöörlemiskiiruse muutmisest tulenevaid asjatuid pause filmides.

Kahepoolsete ketaste miinuseks on ajamite keerukus ning kallidus, ka on kahepoolsed kettad õrnemad, kuna andmed on mõlemal plaadipoolel ning kaitsekihid õhemad. Kettad on ka visuaalselt erinevad. Need, mille mõlemal poolel on inffi (10 ja 18), omavad avause ümber värvilist riba, millel kirjas diski nimi ja pisut muudki. Kahepoolsetel ketastel tuleb kasutada halvasti nähtavaid holograafilisi märgiseid, et mitte segada ülemiselt poolelt andmete lugemist. Kettad, millel info vaid ühel küljel (5 ja 9) omavad tavaliselt teisel poolel kas värvitud või muul moel teostatud etiketi, just nagu tavaline muusikaline CD.

 

 

 

 

 

CD ja DVD võrdlus

 

CD

DVD

Diameeter

120 mm

120 mm, 80 mm

Paksus

1,2 mm

1,2  (2 x 0,6)mm

Radade tihedus

1,6 nm

0,74 nm

Lohkude min. pikkus

0,834 nm

0,400 nm (0,440 nm kahepoolne )

Laseri lainepikkus

780nm (infrapunane)

635-655 nm (punane)

Konstantne vookiirus

1,2 m/s

3,49 m/s (3,84 kahepoolne)

Andmetega kihte

1

1 -2 plaadi poole kohta

Andmetega plaadipooli

1

1,2

Maht

650 MB

4,7 G-17G

andmeedastuskiirus (1x)

153,6 kB/s

1,385 MB

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Laser prahi vastu

Mõne viimase aasta jooksul on USAs  välja töötatud laser universumiprügiga tegelemiseks, mis on päevakorda tõusnud eriti seoses Rahvusvahelise Kosmosejaamaga (ISS). 

Kosmosejaamale ei kujuta erilist ohtu väga väikesed (läbimõõt alla 1 cm) ega ka suhteliselt suured (läbimõõt üle 10 cm) objektid. Ta on varustatud piisavalt tugevate kaitsekilpidega väiksemõõdulise prahi tarvis ning suurtest tükkidest on suhteliselt kerge mööda põigelda. Raskusi valmistavad aga 1-10 cm diameetriga objektid. Need on piisavalt kogukad tekitamaks kosmoselaevadele kahjustusi ning parajalt pisikesed, et olla maapealsetele jälgimisvahenditele nähtamatud. 

See sundiski NASA teadlasi käivitama Orioni-nimelist programmi, mille juhiks sai Alabama Marshalli Kosmoselennukeskuse teadur Jonathan Campbell. Töö käigus loodi laser, mis võimaldab mainitud piiridesse jäävaid objekte "alla tulistada". Laser muudab nende trajektoori nii, et nad langedes Maa atmosfääris ära põlevad. Imemasin paikneb ise Maal, sest orbiidile transportimine maksaks liiga palju ning oleks pealegi vastuolus rahvusvahelise seadusega mitte tarvitada laserrelvi kosmoses.

Lisaks projektile Orion on välja mõeldud ka teisi mooduseid vabanemaks orbiidil asuvast saastast, mis on toonud NASAle 40 000 USA dollarit kahju lõhutud kosmosesüstikute illuminaatorite näol. Arizona ülikooli teadlased on tegelenud viimased kümme aastat spetsiaalse roboti väljatöötamisega, mis oleks varustatud vajalike seadmetega püüdmaks kinni suuremat sorti prügi. Idee kohaselt võiks selle Maale tagasi tuua ümbertöötlemiseks. Esialgu seisab projekt raha taga. 

Ilmselt peab aset leidma mingi suurem õnnetusjuhtum, et tõmmata inimeste tähelepanu jätkuvale kosmosereostusele.

 

Holograafia

Gaaslaseril on võime katkematult kiirata heledat, äärmiselt koherentset valgust. Seda väärt omadust pööras oma kasuks uut liiki fotograafia, mida nimetatakse holograafiaks, sest ta kasutab kolmemõõtmelise kujutise andmiseks ära kogu optilise informatsiooni objekti kohta. Holograafia on ruumilise kujutise saamise meetod, mis põhineb objekti poolt tekitatud difraktsiooniefektide registreerimisel fotoplaadile ning mida seniajani on saatnud edu vaid koherentse valgusallika kasutamisel.

Holograafia põhimõtte formuleeris esimesena D. Gabor Lodonis 1949. aastal, ent praktikas võimaldas selle idee realiseerida alles laseri loomine. Esimesed õnnestunud hologrammid tehti alles 1963. aastal. Holograafia kujutab endast iseäralikku ruumilise pildi saamise õvtet, kus objekti kujutis moodustub difraktsiooni tõttu, ilma kujutist tekitava läätse vahenduseta.

Koherentse valgusega valgustatud objektilt difrageerunud kiired on kõik koherentsed. Nad sisaldavad endas täielikku informatsiooniobjekti välimuse kohta. Praktikas saame säärase situatsiooni luua, valgustades objekti laserikiirtega. Kui nüüd objektilt difrageerunud koherentne valgus suunata fotoaparaadile, siis interfereeruvad valguskiired omavahel, moodustades punktidest, laikudest ja triipudest koosneva kireva segu, millel näiliselt pole esialgse objektiga midagi ühist, mis tõeliselt aga kätkeb täielikku optilist informatsiooni objekti välimuse kohta. Informatsioon on vaid salvestatud äärmiselt keeruka interferentsipildi näol.

Koherentne otsevalgus ja koherentne difrageerunud valgus interfereeruvad fotoplaadil. Tulemusena saadav interferentsiribade muster näib tähenduseta vöötide-täppide-tähnide tohuvabohuna, ent sisaldab tegelikult täielikku optilist informatsiooni objekti kuju, värvuse ja asendi kohta.

Üks hologrammi tegemise võimalustest on kujutatud joonisel. Gaaslaserist tuleb koherentne valguskiir AB. Tähega B märgitud osa allikast lähtuvast valgusest langeb otse objektile O. Objektilt hajunud difrageerunud valguslainete kogum langeb fotoplaadile P ka tähega A märgitud osa samast koherentsest valgusest. Siin fotoplaadil need kaks kiirtekimpu interfereeruvad. Tekkiv interferentsipilt jäädvustub fotoplaadil. Saadav foto, hologramm, näib lähestikku asetsevate korrapäratute, kaootiliselt väänlevate ja keerduvate joonte-mullide rägana. Ometi on tähtis tõdeda, et selles interferentsiribade mustris kätkeva informatsiooni koguhulk on hoopis ulatuslikum kui tavaline foto iial anda suudaks. Hologramm sisaldab peale intensiivuste veel ju informatsiooni difrageerunud valguskiirte faaside kohta. Faasierinevused aga etendavad interferentspildi moodustumisel niisama tähtsat osa kui intensiivsuse erinevused. Hologramm võimaldab rekonstrueerida objekti ruumilist kujutist.

Holograafiat rakendatakse väikestest detailidest kujutiste tegemisel, võnkuvate plaatide uurimisel.

 


Pööratud jaotus

Aatom koosneb tuumast ja selle ümber statsionaarsetel orbiitidel ringlevatest elektronidest, ilma et elektronid seejuures energiat kiirgaksid. Tavalises, ergastamata aatomis ringleb välimine elektron oma madalaimal statsionaarsel orbiidil. Kui aatomile energiat juurde anda (soojusliikumisest tingitud põrke tagajärjel või kokkupõrkel elektriliselt laetud osakestega või ehk valguskiirguse arvel), läheb välimine elektron üle energeetiliselt kõrgemasse ergastatud olekusse, millest ta reeglina veidi aja möödudes langeb tagasi statsionaarsesse põhiolekusse, kiirates neelatud lisaenergia footonina. Paljude mooduste hulgas elektron suurema energiaga olekusse siirda on üks - fluorestsents. Vastava lainepikkusega valgus tõstab elektroni põhiolekust välja, kuid elektron pöördub sinna valgust kiirates ruttu tagasi.

Kui fluorestsentsi kutsub esile aine kiiritamine valgusega, ergastatakse kõrgemasse olekusse ainult tühine murdosa valgustatava aine aatomitest. Enamikus aatomites jäävad elektronid põhiolekusse. Kui aga fluorestsentsi tekitada suure energiaga, intensiivse kontsentreeritud valgusvälgatuse abil, siis on lühikese ajavahemiku vältel ergastatud olekus rohkem elektrone kui põhiolekus – kõrgemal energiatasemel olevate elektronide arv ületab madalamal energiatasemel olevate elektronide arvu – pööratud jaotus.

Kui mingi kahe energiataseme vahel esineb elektronide pööratud jaotus ja sel hetkel siirdub üks elektron tagasi oma põhiolekusse, kiirates nagu tavaliselt footoni, siis see footon möödub teel läbi aine paljudest teda ümbritsevatest ergastatud aatomitest ning võib neist ühe kiirgama stimuleerida. Niisugusel juhul leiab esialgse, protsessi algatanud footoni ja hilisema, vallapäästetud footoni vahel aset interaktsioon, mille tulemusena, nagu teooria näitab, asuvad mõlemad teele esialgse fotoni reisisuunas – liiguvad samas suunas ja on praktiliselt koherentsed.

Kumbki selle paari footon võib äsjakirjeldatud protsessi korrata ning imelühikese ajavahemiku möödudes vallandub omamoodi ahelreaktsiooni tulemusega terve footonite laviin. Kõik footonid liiguvad ühes ja samas suunas, kõik sama lainepikkusega, kõik on optiliselt koherentsed, kui kirjeldada footonite voogu laineteooria mõistete abil. Tekkinud footonlaviini saab paljukordselt võimendada järgmise optilise trikiga. Kui paigutada kogu süsteem kahe hästipeegeldava, samal ajal aga kergelt läbipaistva peegli vahele, siis saalib äärmiselt koherentne ja teravalt suunatud valguskiirtekimp edasi-tagasi piirkonnast, kus esineb pööratud jaotus. Valguse suure kiirguse tõttu toimub see pidevalt kasvava intensiivsusega edasi-tagasi põrkumine välkkiirelt. Seega tekib kõigi tingimuste täidetuse korral tohutult intensiivne, eriliste omadustega, väga lühiajaline valgusimpulss.

 


Rubiinlaser, selle töö ja ehitus

Pööratud jaotuse põhimõte realiseeriti esmakordselt rubiinlaseris (praegu kõige levinumad laserid), sünteetilisest rubiinist kristallvardas, millele on valmistamise ajal lisatud tühine hulk kroomi. Rubiin on alumiiniumoksiidi kristall teatud lisandiga, mis tingib tema suurepärase värvuse. Safiir on sama kristall, ainult teise lisandiga. Neid kristalle osatakse nüüd tehislikult valmistada pikkade varraste kujul, mille kristallivõre on väga hea kvaliteediga. Puhas, lisanditeta alumiiniumoksiidi kristall on värvitu ja läbipaistev. Kui kasvatamise ajal lisada talle veidi titaani, omandab kristall helesinise tooni ning tulemuseks on kalliskivi – safiir. Kroomi lisamisel muutub kristall leekivpunaseks ning saaduseks on rubiin. Kroomisisalduse vähenemisel saadakse roosa rubiin.

Üldlevinud laserimaterjal on sünteetiline rubiinvarras, mis sisaldab 0,05% kroomi (roosa toon). Need ühtlaselt, otsekui metalliauruna kristallis hajunud kroomiaatomid “on süüdi” laserikiirguses. Rubiinivarda optiline kvaliteet peab olema esmaklassiline. Varda mõlemad otsad poleeritakse hästi tasaseks, esimestes laserites kaeti nad veel poolläbipaistva hõbedakihiga, et kutsuda esile kiirte edasi-tagasi pendeldamisest tingitud võimendusefekti. Kahvaturoosakas varras neelab ultravioletset, rohelist ja kollast valgust, laseb aga läbi ainult sinist ja punast. See määrabki tema värvuse.

Indutseeritud ehk sunnitud kiirguse tekkimise tingimuseks on “aktiivse keskkonna” loomine, milles suurem osa aatomeid oleks ergastatud seisundis. Laseris tehakse seda impulsspumpamislambi abil. See on maona ümber rubiinvarda keeratud. Impulsslambis tekkiv plasma kiirgab võimsat valgusvoogu, mis tungib rubiini sügavusse. Kuid kogu selle valguse massist on kasulikud vaid rohelised kiired. Nad ergastavad kroomiaatomeid, paiskavad neid kolmandale nivoole. Sellel nivool ei püsi paljud kroomiaatomid kaua, nad “astuvad” veidi tagasi, minnes üle madalamale teisele nivoole. Kuid seejuures ei toimu valguse kiirgamist. Osa energiat aatom annab ära, kuid mitte footoni kujul. Teine nivoo on kolmandale väga lähedal ja temale laskudes tekkiva väikese energiaülejäägi annab meie aatom ära ümbritsevatele kristalliaatomitele, tõstes nende temperatuuri. Taoline soojendamine on energiakadu, kuid laseri tööks vajalik. Optilise pumpamise eesmärgiks on võimalikult paljude aatomite üleviimine teisele nivoole. Teist nivood õnnestub üle asustada seepärast, et kroomiaatomite üleminekud nende kolme nivoo vahel toimuvad erineva kiirgusega. Osa kolmandale nivoole sattunud aatomeid veereb spontaanselt tagasi esimesele nivoole. Selleks on vaja üks sajatuhandik sekundit. Kuid veel vähem aega on kroomiaatomile vaja kolmandalt nivoolt teisele ülehüppamiseks – viis sajamiljondikku sekundit. Kuid ka teiselt nivoolt võivad ja lähevad aatomid spontaanselt esimesele üle. Kuid aatomimastaapides on selleks vaja üsna palju aega – peaaegu kolm tuhandikku sekundit. Seega on aatomite juurdevool teisele nivoole suurem kui esimesele, põhinivoole tagasipöörduvate aatomite arv. On vaja üpris vähe aega, et teine nivoo osutuks tihedamini asustatuks kui esimene – tingimus, mis on vajalik indutseeritud kiirguse loomiseks. Füüsikud nimetavad teist nivood metastabiilseks. See on vahepealne, ebapüsiv nivoo. Kui teine nivoo on üle asustatud, siis võib tekkida kroomiaatomite koherentne indutseeritud kiirgus. Üleminekul teiselt nivoolt esimesele, väljastab kroomiaatom punase valguse footoni. Lennates mööda teisest, ergastatud aatomist, sunnib taoline footon ka seda “tulistama” välja footoni. Need kaks footonit-kaksikut kutsuvad esile veel kahe venna ilmumise. Kokku saab juba neli footonit. Nii sünnib footonite laviin. Mida pikem on footonite tee, seda rohkem kohatakse ergastatud aatomeid ja seda võimsam tuleb indutseeritud valguse voog – rubiinvarda mõõtmeid on vaja suurendada kuid väga pikk varras muudab pumpamise keeruliseks, seepärast kasutatakse laserites suhteliselt väikseid vardaid – pikkusega 2 kuni 30 cm ja diameetriga 0,5-2 cm. Varda sees suurendatakse aga kiirte teepikkust peeglite abil. Kui footonite laviin läheb piki varda telge, siis peegeldub ta otseselt ja suurendab tagasiteel oma võimsust, liites endaga uute aatomite kiirgust. Laviinid, mis liiguvad varda telje suhtes nurga all, väljuvad sellest ja muutuvad kasututeks. Kuna rubiinkristallis on väga palju kroomiaatomeid, on peeglite vahel kihutava footonitelaviini suurendamiseks materjal olemas isegi juhul, kui teisel nivool pole mitte kõik kroomiaatomid, vaid vähem kui pooled nendest. Valguse võimendamine rubiinvarda sees katkeb, kui teiselt nivoolt on esimesele löödud nii palju aatomeid, et aatomite hulk neil kahel nivool võrdsustub. Sel juhul saab indutseeritud kiirguse võimsus võrdseks võimsusega, mis kulub aatomite paiskamiseks esimeselt nivoolt vahetult teisele tagasi. Seega sõltub rubiinvardas sündinud indutseeritud kiirguse võimsus vardale antud võimsusest (pumpamise võimsusest). Kuid seda ei saa samuti lõpmatuseni suurendada, kuna aatomite üleminekute arvul kolmandalt nivoolt teisele on oma piir, mis ei saa pärast küllastumist suureneda. Kui pumpamise võimsus on väike, siis võib indutseeritud kiirgus hoopiski mitte tekkida. Pumpamise ebaküllaldane võimsus ei suuda kindlustada teise nivoo üleasustamist ega loo tingimusi indutseeritud valguse tekkimiseks. Kristall hakkab küll helenduma, kuid see on tavaline luminestsents. Mitte aga indutseeritud kiirgus. Vaid siis, kui vardas on loodud võimendav keskkond, läheb luminestsents üle indutseeritud kiirguseks. Seejuures muutub mittekoherentne valgus koherentseks. Sel juhul seatakse peeglid üles optilisele pingile kahel pool rubiinvarrast. Nende vahel kihutavadki võimendatavad kiired, mille teele on nurga all paigutatud läbipaistev tasaparalleelne plaadike. See laseb kiired läbi nende suunda muutmata, nihutades neid vaid veidi-veidi kõrvale. Kuid osa kiiri peegeldub plaadikeselt ja eemaldub varda telje suhtes täisnurga all. Laserikiir peab tulistama ühele poole, sinnapoole, kuhu on üles seatud märklaud. Seepärast tuleb üles panna veel üks peegel. See pöörab tagasi plaadikese teisest servast peegeldunud kiired, suurendades veelgi laseri valgusenergiat. Laserist väljuva kiire võimsus sõltub pumpamislambist. Laseri käivitab optiline pumpamine.

 

Eestlaste osa laserite leiutamises

 

Maailmas on kolm arvestatavat eksimeerlasereid tootvat maad – USA, Saksamaa ja Eesti. Eestis valmistatud lasereid võib kohata üle maakera, neid on meilt ostnud Ameerika, Jaapan, Hiina, aga ka sellised nagu Indoneesia. USA-s kasutatakse Eesti lasereid sellistes kohtades, nagu kosmoseagentuur NASA, tuumauuringute uurimiskeskus Los Alamoses (kus leiutati tuumapomm), "tähesõdadega" seotud AMES Laboratory's, USA mere- ja õhujõududes ja mujalgi. Laserit valmistades tuleb sageli arvestada ka tellijate erisoovidega – allveelaevades kasutatavatel ei tohi laser sisaldada põlevaid osi või näiteks Jaapani jaoks tuli teha aparaadi korpus musta värvi. Enamik Eestis valmistatud eksimeerlasereist on eksporditud silmaoperatsiooniseadmete jaoks. Eesti laseri eelis on tema kergus – vaid 13 kg –, mistõttu kogu operatsiooniseade kaalub ainult 90 kg ja on seega hõlpsasti teisaldatav-kasutatav, samas kui konkurentide analoogsed seadmed kaaluvad 450 kilost ühe tonnini. Ka hinnavahe on suur – Eestis valmistatud laser maksab 12 000 dollarit ja selle laseriga varustatud operatsiooniseade 350 000, aga teiste firmade seadmed maksavad 450 000 – 1 000 000 dollarit. Samas on meie laserseadmed väga töökindlad – kõigist toodetuist on tulnud remontida vaid paari eksemplari ning ka siis pisivigu. Pealegi saab Neweksi laseri kulunud detailid vahetada 5 minutiga, aga konkurentide toodete juures kulub selleks kuni pool päeva.

 

Laserkristall

Tartu Ülikooli Füüsika Instituut on katsetuste käigus jõudnud magneesiumoksiidist moodustatud kristallini, mille ehitus on sama, mis tavalisel keedusoolal. Kuid kasutatav magneesiumoksiid on miljoneid kordi puhtam. Saasteaine rikub kristalli võimeid. Välja arvatud mõni eriline lisand, mida näpuotsa täiest veel näpuotsatäis lisatakse. See paneb kristalle helendama Tartlased tulid selle peale, et lisada kristalli valmistamiseks kasutatavale pulbrile kroomi. Ühe kindla kristalli kasvatamiseks kulub kuu-kaks. Kristallid saadakse ahjus, kus hoitakse eriti puhta magneesiumoksiidi ja kroomi kokkupressitud pulbrit kaarleegi poolt kuumutatavas õõnsuses. Temperatuur tõuseb pea 3000 kraadini. Tartlased saatsid sakslastele Tartus kasvatada õnnestunud, suured kristallid ja uue laseri loomine läks korda (sakslased tegid liiga miniatuursete kristallidega katseid). Sellise kristalli peal ehitatud laseril on kolm eelist. Kristall kiirgab üsna laias vahemikus, punasest infrapunaseni. Nii et laseri lainepikkust saab reguleerida. Seda laserit saab ergastada punase dioodlaseriga, mis on väga mugav ese. Ja see kirstall on väga hea soojusjuhtivusega, nii et töö käigus üle ei kuumene.


Nanokiled    

Tartus oleva erilise vaakumseade abil saab kõige erinevamatest ainetest ehitada kõige õhukesemaid kilesid, uusi ja looduses olematuid materjale. Aparaat näeb välja nagu hiiglaslik mesikärg, ainult et vaha asemel on selle ehitamiseks kasutatud roostevaba terast.

Kärje südamesse asetatakse toorainest märklaud. Kui nüüd võimsate laserimpulssidega märklauda pommitada, siis lendab aine seda ootavale alusele ning moodustub imeõhuke kiht. Ühe kihi selga võib tulistada mõnest teisest ainest moodustunud kihi ja nii edasi. Selliseid nanovõileibu on vaja nii optilise side pidamiseks kui üliväikeste laserite valmistamiseks. Viimastel aastatel on just sellisel laserpihustamise meetodil hakatud katsetama uute ja seniolematute omadustega materjalide valmistamist. Et vajalik kile moodustuks, tuleb märklauda pommitada 50 000 ülilühikese laservälkega. Eritingimustel ei moodustu alusele kile, vaid tillukeste, nanomõõtmeliste punktide kogu. Ehk nagu füüsikud ütlevad, kvantpunktansamblid. Laservälked suudavad tekitada ka teemanti sarnaseid kilesid. Selleks pole vaja muud, kui üht väikest vaakumõliga täidetud katserakku. Kui sellest laservälked läbi kihutada, õli justkui söestub ja lendab aluspinnale. Nii lihtne nanokilede tegemine siiski pole. Iga aine nõuab oma lähenemist. Iga lähenemine kannatust. Nanomaterjalide välja töötamisel on seetõttu võimalusi ka väiksematel teadusasutustel.

 


Kokkuvõte

Saanud teada referaadi teema, olin asjast väga huvitunud. Hakkasin õhinaga materjale otsima. Teadsin, et materjali on palju, kuid ei osanud arvata, et kõik on  nii ühe teemalised, eriti Internetis. Otsingumootor andis väga palju vastuseid ja nende läbi vaatamine võttis väga palju aega. Samas oli korduvat ja mõttetut materjali suhteliselt palju. Pettumust valmistas ka see, et enamus Internetis olevaist materjalidest olid üheteemalised, nimelt meditsiinist. Nii vähenes tunduvalt ka Interneti abi referaadi koostamisel. Raskust valmistas ka see, et laseriteemalised raamatud sisaldasid iganenud materjali ja seal leiduvatele väidetele pidi otsima tänapäeva seisukohti. Paraku see alati ei õnnestunud.

Enne referaadi koostamist teadsin väga umbmääraselt midagi laseri kohta. Teadsin, et kasutatakse meditsiinis ning laser-kaardikepis, kuid mis põhimõtetega kõik toimub, polnud erilisi teadmisi. Tänu referaadile tean, mis moodi laserid töötavad ja kuidas nad täpsemalt meditsiinis abi pakuvad, miks laser silmi rikub ja milline on meile huvi pakkunud hologrammpildi töö põhimõte. Eriti oluline oli avastus laserite vajalikkuse suhtes. Me käime iga päev poes, kuulame makki, vaatame DVD-delt filme ja salvestame CD-dele vajalikke andmeid. Aga kuidas kõik toimub, sellele vaevalt eriti mõelnud oleme ja kui oleme, siis on kõik jäänud sõnade “kuidas”, “mis moodi”... taha. Mina igatahes tean nüüd, et nendele küsimustele vastamiseks piisab sõnast “laser”. Nii kassaaparaatides, CD-de ja DVD-de mängijates, kirjutajates, printerites…isegi riigi julgeolekus ja meelelahutuses kasutatakse laserite abi.

Laseritel on palju eriliike, veel rohkem kui neid siin referaadis nimetatud on ja sama palju või veel rohkem on ka nende kasutusalasid. Samas areneb pidevalt teadus ja leiutatakse juurde üha uusi lasereid ning nende rakendusvõimalusi. Usun, et kõik peaksid olema tänulikud inimestele, kes laseri leiutasid, nende rakendamist erinevates eluvaldkondades katsetasid. Kui teised seda ei ole, siis mina igatahes olen ja võin nende teadlaste ees isegi mütsi maha võtta.

 


Kasutatud materjalid

Samuel Tolansky ”Revolutsioon optikas” ”Valgus” Tallinn 1975, 177-196

EE 5, Tallinn Kirjastus ”Valgus” 1990, lk 411-415

Boriss. Fomin ”Sädemest laserini”, kirjastus ”Valgus” Tallinn 1966 85-142

Hans Backe “Retk füüsikasse” kirjastus “Valgus” Tallinn 1984, 185-187

http://doktor.med.ut.ee/biofys/BFTFest.html

http://www.loodusajakiri.ee/horisont/arhiiv/horisont-arhiiv/1998/06/laser.html

http://ubin.tehnokratt.net/stories/storyReader$35

http://www.hambaarst.ee/uudis.php?uudis=76

http://www.elin.ttu.ee/EEU-Elec/BMEs/BMTTPROG.HTM#Laserthe

http://www.terviseleht.ee/200030/30_laserherpes.php3

http://www.hambaarst.ee/uudis.php?uudis=228

http://www.kirjastused.com/nebadon/valgus.htm

http://www.silmalaser.ee/index.php?id=6

http://www.tevalo.ee/products/pdf/FLUKE2003.pdf

http://www.fi.tartu.ee/ce/epl22042000laserkristall.htm

http://www.kodutohter.ee/arhiiv/ruum

http://www.pqletajad.ee/km/kiirusmoot.html

http://www.fi.tartu.ee/ce/epl11112000laseraurustus.htm

http://www.arvutiweb.ee/seadmed/kettad/dvd/dvd.htm

http://www.dvd.ee/news/DVD/000050.shtml

http://www.nelli.ee/979/maailm.html

http://www.hexaplan.ee/index.php?sisu=toode&cat_id=7&subcat_id=32&id=571

http://pedja.edu.ee/~neeme/failid/arvuti/muu/referaat1.htm