Lazeriai ir jų taikymai (0)

2012-05-10

Greta didžiausių XX amžiaus energetinių išradimų tokių, kaip atominės energijos įrenginiai, taip pat XX amžiuje išrasti lazeriai įgyja vis svarbesnį vaidmenį moksle, technologijose ir buityje. Per praėjusį pusę amžiaus jie įsiskverbė į įvairiausias žmonių veiklos sritis, o kai kurių naudingumas nebūtų galimas be lazerių panaudojimo.

Prisijunk prie technologijos.lt komandos!

Laisvas grafikas, uždarbis, daug įdomių veiklų. Patirtis nebūtina, reikia tik entuziazmo.

Sudomino? Užpildyk šią anketą!

Lazerių sukūrimas remiasi daugeliu optikos, medžiagų fizikos ir technologijų pasiekimų. Galima laikyti, kad dar Niutonas, tyrinėjęs spindulių spektrus ir bandydamas paaiškinti šviesos reiškinį, bus prisidėjęs prie lazerių sukūrimo. Lazerių kūrėjai daugiausia rėmėsi XX amžiaus naujausiais fizikos ir technologijų pasiekimais. Medžiagų skleidžiamų šviesos spektrų ištyrimas ir jų dėsningumų paaiškinimas buvo stipriausias pagrindas pirmųjų lazerių konstruktoriams. Pirmiausia rubine buvo rasta ir pritaikyta savybė, kad šviesą spinduliuojančius atomus galima sužadinti į iš dalies stabilią (metastabilią) būseną ir tokių medžiagoje prikaupti gerokai daugiau, nei yra pusiausvyros su aplinka sąlygomis. O toliau reikėjo sukurti sąlygas, kad tie sužadinti atomai sutartinai spinduliuotų šviesą. Tam buvo sukonstruotas optinis rezonatorius. Paprasčiausiu rezonatoriumi pasirodė tinkama dviejų lygiagrečiai vienas kitam įtaisytų veidrodžių sistema. Pirmųjų lazerių konstrukcijoje buvo trys svarbiausios dalys (1 pav.): aktyvioji terpė 1 su galinčiais spinduliuoti šviesą sužadintais atomais, veidrodžiai 2, 3, sukuriantys sąlygas sąveikauti sužadintiems atomams su šviesa, ir papildantis atomų energiją kaupinimo šaltinis 4. Vykdant tyrinėjimus ir vystantis technologijoms paaiškėjo, kad yra tūkstančiai galinčių stiprinti šviesą terpių. Jos gali būti įvairių agregatinių būsenų: kietosios, skystosios, dujinės, dujų plazma. Šie rinkiniai leidžia sukurti įvairių spalvų ruožų, o taip pat ir žmogaus akiai nematomų spindulių, lazerius. Terpės gali būti nebūtinai taisyklingai tiesios – jos gali veikti šviesolaidžiuose ir būti susuktos į diską. Rezonatorių konstrukcijos iš dviejų veidrodžių išsivystė į paskirstytų atspindinčių paviršių sistemas. Iš esmės atspindėtuvų savybės stabdo trumpųjų bangų lazerių sukūrimą. Ištyrinėta daugybė lazerių kaupinimo būdų: mechaniniai, cheminiai, elektros srovės, optiniai, įvairių dalelių pluoštais. Labiausiai paplito elektros srove sužadinami puslaidininkiniai lazeriai. Jų šviesa naudingai kaupinami netgi kiti lazeriai. Vienas iš atvejų, kai puslaidininkinių diodinių lazerių šviesa kaupinami kitokią šviesą spinduliuojantys lazeriai, yra vadinamieji DPSS lazeriai (pagal angl. Diode Pumped Solid State) (2 pav.). Šiame lazeryje atsiranda trijų bangų ilgių šviesa. Per gnybtus LD+ ir LD- į kaupinantį puslaidininkinį lazerinį diodą tiekiama elektros srovė. Lazerinis diodas spinduliuoja 808 nm bangos ilgio šviesą į Nd:YVO4 kristalą. Šiame kristale sužadinami įterpti neodimio Nd jonai, kurie suderintai spinduliuoja jiems būdingą 1064 nm bangos ilgio šviesą. Iš kairės pusės kristalas padengtas praskaidrinančiu paviršių 808 nm bangos ilgio šviesai ir visiškai atspindinčiu 1064 nm bangos ilgio šviesą, sluoksniais. Iš dešinės pusės jis padengtas pusiau skaidriu 1064 nm bangos ilgio šviesai sluoksniu. Todėl Nd jonų spinduliuojama šviesa sklinda į dešinę ir patenka į KTP kristalą. Šio kristalo ypatinga savybė yra ta, kad jį stipriai veikiant 1064nm bangos ilgio šviesa, susidaro dvigubai trumpesnio bangos ilgio – 532 nm – šviesos spindulys. Šis kristalas iš dešinės pusės padengtas praskaidrėjančiu 532 nm bangos ilgio šviesai ir visiškai atspindinčiu 1064 nm bangos ilgio šviesą sluoksniais. Todėl iš jo į dešinę pusę sklinda atsiradusi 532nm bangos ilgio matoma žalia šviesa. Spindulys šiek tiek praskleidžiamas sklaidančiu ir glaudžiamuoju lęšiais ir nufiltruojami visi infraraudonieji spinduliai IR filtru. Visa ši sudėtinga optinė konstrukcija yra mažų matmenų ir telpa į storo rašiklio dydžio vamzdelį. Dažniausiai šitokios konstrukcijos lazeriai naudojami kaip lazerinės rodyklės. Jei papildomai įrengiami temperatūros palaikymo elementai, tai tokie lazeriai pritaikomi ir matavimams. 532nm bangos ilgio šviesai yra jautriausia žmogaus akis. Aktyvusis kristalas su neodimio jonų priedais aukščiau paaiškintame lazeryje yra kelių milimetrų dydžio. Yra sukurtos technologijos kaip į šviesolaidžio šerdį įterpti neodimio jonų ir pagaminti dešimčių metrų ilgio aktyviąsias, galinčias stiprinti per jas sklindančią šviesą, terpes. Tokie lazeriai vadinami šviesolaidiniais. Kad užimtų mažiau vietos, jie susukami į disko formą ir todėl dažnai vadinami diskiniais. Tokio lazerio schema parodyta 3 pav. Šiame lazeryje, kaip ir ankstesniajame, kaupinimui išilgai šviesolaidžio per kaupinimo šviesos įėjimus leidžiama lazerinių diodų šviesa. Šviesolaidinio lazerio šviesa viename gale visiškai atspindima veidrodžiu, o kitame gale sklinda į naudojimo sritį. Tokie lazeriai turi didelį naudingumo koeficientą, įvairios konstrukcijos gali spinduliuoti skirtingus bangos ilgius, nuolatiniu režimu gali sukurti dideles, iki kelių kilovatų galias. Ultratrumpųjų šviesos impulsų lazeriai veikia dėl šviesos stiprinimo plačiame šviesos bangų ilgių ruože. Susidedant šioms įvairaus ilgio bangoms, jos susiderina taip, kad gaunamas trumpas impulsas. Kuo platesnis suderinamų bangų ilgių ruožas, tuo trumpesnis šviesos blyksnis išspinduliuojamas. Sukūrus stabilias lazerių konstrukcijas iš laboratorijų jie ėmė plisti po įvairias žmonių mokslinės, ūkinės, pramogų veiklos sritis. Jie tapo įprasti matavimuose, pramoginiuose renginiuose, karyboje, paviršių apdorojime, medžiagų suvirinime, pjovime, informacijos apdorojime (4 pav.). Spartusis šviesolaidinis ryšys sunkiai įsivaizduojamas be lazerių. Kiekvienas brūkšninių kodų skaitytuvas turi po puslaidininkinį lazerį, o kompaktinių diskų (CD) grotuvas - po keletą.

Lazerių šviesos savybės gerokai skiriasi nuo ankstesnių žmonijos naudotų šviesos šaltinių šviesos savybių. Šis spindulys labai kryptingas. Jis yra spalvotas, tai yra, jame šviesos bangų svyravimo dažnis gana griežtai apibrėžtas. Tačiau ne tik dažnis vienodas, bet ir svyravimų kryptis dažniausiai yra vienoda. Dėl šios priežasties sakoma, kad lazerio spindulys yra poliarizuotas. Tokios savybės suteikia galimybę šviesą panaudoti matavimams įvairiose srityse: pradedant nuo astronominių nuotolių, tikrinant įvairius technologinius procesus ir skverbiantis į molekulių ir atomų sandarą.

Jau įprasta regėti lazerių spinduliais sudaromus šviesos vaizdinius pramoginiuose renginiuose. Tai viena iš paprasčiausių lazerių šviesos panaudojimų sričių.

Dažnai naujoves skatina priešakinių technologijų taikymas karybos tikslais. Raketinių sviedinių nutaikymas lazerio spinduliu tapo įprastu šiuolaikinėse karinėse atakose. Bandoma taikinius numušti tiesiog galingu lazerio spinduliu. Žinoma, tokių ginklų naudojimą labai apriboja Žemės atmosferos optinis netolygumas. Todėl jie kol kas rimtai neišsiveržia iš laboratorinių bandymų. Galbūt lazeriniai sviediniai būtų naudingi beorėje erdvėje, tačiau ten dar nėra su kuo kariauti – nedaug orbitose apie Žemę yra ginklų.

Stiprus elektromagnetinis laukas galingoje lazerio šviesoje gali stipriai paveikti medžiagą, kurią pasiekia lazerio spindulys. Vienas iš paprastesnių poveikio rezultatų yra apšviestos vietos įkaitimas ir vietinis mechaninių savybių pasikeitimas. Tuo paremtas detalių paviršių apdorojimas, grūdinimas. Didinant galią pasiekiamas medžiagos suskystėjimas ir netgi išgaravimas. Pasinaudojant šiuo reiškiniu atliekamas paviršių rantymas, medžiagų pjaustymas, suvirinimas. Labai dažnai tik išlydant lazerio spinduliu gaunamos ypatingai švarios medžiagos.

Lazerių poveikio pradinio tyrinėjimo laikotarpiu buvo bandymų labai stipriu, sukoncentruotu lazerio pluoštu veikti deuterio ir tričio taikinį siekiant jį labai stipriai įkaitinti, suspausti ir taip sukelti termobranduolinę reakciją. Tačiau praktiniai bandymai parodė, kad taikinys pradeda garuoti anksčiau nei įkaista iki reikiamos temperatūros, garai užstoja kelią naujoms energijos porcijoms, stipriai išsklaido spindulius. Todėl nepavyko gauti pakankamo lygio termobranduolinės reakcijos ir bandymai buvo sustabdyti. Šis patyrimas rodo, kad ne visur lazeriniai metodai lemia sėkmę.

Dėl gerų kryptingumo, dažninių, poliarizacinių savybių lazerio šviesa tapo plačiai pritaikyta informacijos apdorojimo srityse.

Tik po lazerių išradimo buvo galima patikimiau panaudoti holografinius informacijos saugojimo ir apdorojimo metodus. Pirmiausia buvo galima pagaminti pirmąsias patenkinamos kokybės tūrinių daiktų hologramas. Jose daikto vaizdas yra ne fotografijos plokštumoje, bet matomas taip, lyg kabėtų už hologramos plokštumos ar net prieš ją. Bandoma sukurti trimačių vaizdų holografinius filmus, tačiau kol kas rimtesnių pasiekimų kaip tokius filmus rodyti didesnei auditorijai nėra.

Mechaninių dydžių matavimuose hologramos pritaikomos holografinėje interferometrijoje. Joje palyginami du tūriniai daikto vaizdai: vienas nepaveikto daikto, kitas – daikto po poveikio. Maži formos pokyčiai aptinkami ir įvertinami pagal šviesos bangų nuo to paties paviršiaus interferencines linijas.

Holografiniu būdu informacija medžiagoje užrašoma ne plokštumoje, dvimačiu pasiskirstymu, tačiau tūryje, trimačiu būdu. Todėl galima padidinti informacijos tankį tame pačiame atminties įrenginyje. Šie metodai vilioja galimybe sparčiai įrašyti ir nuskaityti didelius informacijos kiekius.

Dar devynioliktojo amžiaus pabaigoje buvo bandymų šviesos spinduliu perduoti informaciją per nuotolį. Tačiau dėl stabilių šviesos šaltinių ir tinkamos šviesos perdavimo terpės stokos gerų rezultatų nebuvo. Galimybės pagerėjo, kai XX amžiaus antroje pusėje buvo sukurtos šviesolaidžių iš įvairių medžiagų gamybos technologijos. Ypač didelį postūmį šioje srityje suteikė mažų, didelio naudingumo koeficiento, reikalingo bangos ilgio puslaidininkinių diodinių lazerių sukonstravimas. Palyginti paprasti tokių lazerių siunčiamo spindulio savybių valdymo būdai leido lengvai juos pritaikyti šviesolaidinėse ryšio sistemose. Todėl pastaruoju metu daugiausia jie ir naudojami internetiniame ir tarnybiniame šviesolaidiniame ryšyje.

Siekiant praplėsti lazerinių spindulių panaudojimą, skverbiamasi į trumpų optinių bangų sritį – kuriami rentgeno ir gama spindulių ruožų lazerių veikimo pagrindai. Čia kelią pastoja ne tik tinkamos sužadintos ir stiprinančios terpės trūkumas, bet ir tokias bangas atspindinčių veidrodžių stoka. Pastarasis rūpestis tampa pagrindiniu, nes dėl savo prigimties ir sąveikos su medžiaga savybių rentgeno ir gama spinduliai labai skvarbūs, ir todėl įdomūs. Jiems grąžinti į aktyviąją terpę gali tekti ieškoti iš esmės naujų būdų.

Dabar lazeriai plačiai panaudojami žmogaus veikloje. Jų pritaikymo sritys vis įvairėja. Atrodo, kad dar negreitai juos ištiks žąsies plunksnų likimas, kuriomis buvo parašyti dauguma senovinių tekstų, o dabar jos nebenaudojamos.

KTU Fizikos katedra V. Minialga

Literatūra:

1. http://ik.su.lt/~mariusbm/Kvantine/teorija/lazeriai.htm – žiūrėta 2012.03.20
2. http://www.nature.com/nphoton/journal/vsample/nsample/fig_tab/nphoton.2006.6_F1.html – žiūrėta 2012.03.20

Pasidalinkite su draugais

Aut. teisės: www.technologijos.lt
Autoriai: V. Minialga

(1)

(0)

(1)

Komentarai (0)