Jak działa laser?

Redakcja NTL
NTL
25.05.2023

W 2020 roku obchodziliśmy 60-lecie wynalezienia lasera – technologii, która zrewolucjonizowała wiele aspektów naszego życia. Lasery mają swoje święto co roku – 16 maja, bo tego dnia Theodore Maiman po raz pierwszy z sukcesem użył skonstruowanego przez siebie lasera rubinowego. Jak działa laser?

Lasery – wprowadzenie

Zanim zaczęliśmy na szeroką skalę wykorzystywać laser, potrzeba było wkładu Maxa Plancka, Alberta Einsteina i szeregu innych naukowców znanych z nazwiska – niektórzy z nich tak jak Planck i Einstein dostali za swoje odkrycia Nagrodę Nobla – i tych znanych mniej z licznych ośrodków badawczych na całym świecie. Dzisiaj opowiem o laserach. o tym, co trzeba zrobić, żeby uzyskać wiązkę światła laserowego, do czego można ją wykorzystać, a także ile rzeczy trzeba było zrozumieć, żeby można było zacząć ją kontrolować. 

Chociaż nauka znalazła odpowiedzi na wiele nurtujących nas pytań, do zrozumienia istoty światła trzeba było zastosować dwa zupełnie odmienne podejścia. Światło jest zarówno falą elektromagnetyczną, jak również strumieniem cząstek. I co najciekawsze, jedna perspektywa nie wyklucza drugiej, tylko znajduje zastosowanie w innej skali i dla innych właściwości światła.

To też Cię zainteresuje: Biodruk 3D: Bioniczna trzustka szansą dla tysięcy chorych. Polacy pracują nad rewolucją

Ta dwoistość natury światła nosi nazwę dualizmu korpuskularno-falowego. Teraz wydaje się to już dość proste, ale za tym, żeby to było proste stało wiele lat pracy najtęższych umysłów świata. Zrozumienie działania laserów nie jest możliwe bez zrozumienia fizyki kwantowej, a zrozumienie fizyki kwantowej nie byłoby możliwe bez Maxa Plancka i Alberta Einsteina.

O niezwykłości laserów świadczy to, że ich światło różni się od światła słonecznego czy tego pochodzącego z żarówki czy diody LED. W laserze wszystkie atomy emitują identyczne fotony z kolei w żarówce każdy atom emituje fotony niezależnie. Ta różnica ma ogromne konsekwencje.

Dotychczas nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki dostało 221 osób, z czego jedna, John Bardeen, dwukrotnie. Ile z tych nagród miało związek z laserami? Wyszło mi kilkanaście pozycji. Takie wyliczenia są trochę subiektywne, bo w fizyce różne jej poddziedziny, metody badawcze i technologie przenikają się wzajemnie. Ważny jest rząd wielkości – kilkanaście razy w historii najważniejsza nagroda naukowa z dziedziny fizyki miała związek z laserami. To najlepiej pokazuje, jaki przełom przyniosły.

Jak działa laser?

Słowo LASER stanowi rozwinięcie angielskiego akronimu, który powstał ze słów: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, co w tłumaczeniu oznacza „wzmocnienie światła poprzez wymuszoną emisję promieniowania”.Dzięki Einsteinowi wiemy, że w konkretnych okolicznościach atomy mogą uwalniać nadmiar swojej energii w postaci światła. Dzieje się to samoistnie albo pod wpływem innego światła.

Zgodnie z zasadami mechaniki kwantowej atomy i cząsteczki posiadają bardzo konkretne ilości zmagazynowanej energii. W stanie równowagi termodynamicznej większość atomów znajduje się w poziomie podstawowym. Jeżeli atom pochłonie kwant energii dostarczonej mu z zewnątrz, wskakuje na wyższy poziom energetyczny. Tę energię atom może po krótkim czasie uwolnić w postaci fotonu – światła. W laserze panuje bardzo specyficzny stan – co najmniej połowa atomów musi znajdować się w stanie wzbudzonym.

Aby wyjaśnić kwantową naturę światła, już na początku XX wieku Einstein zaproponował teoretyczne zjawiska absorpcji, emisji spontanicznej i wymuszonej. Ta ostatnia została zaobserwowana w latach 20. XX wieku przez Rudolfa Walthera Ladenburga, tylko wtedy wydawała się po prostu zjawiskiem mającym znaczenie jedynie dla teoretycznych rozważań.

Musiało upłynąć kilkadziesiąt lat, przeciętych dodatkowo II wojną światową, żeby w 1960 roku Theodore Maiman zbudował pierwszy laser, umieszczając pręt rubinu wewnątrz lampy błyskowej i pobudzając go do emisji wiązki czerwonego światła. Pierwszy polski powstał na Wojskowej Akademii Technicznej trzy lata później, w 1963 roku.

Czyli jak to działa? W największym skrócie najpierw atomom dajemy energię, potem wymuszamy emisję tego nadmiaru, umieszczając wcześniej atomy pomiędzy dwoma lustrami – w ten sposób powstaje wiązka światła laserowego. Praktycznie każdy laser składa się z ośrodka aktywnego, źródła energii i rezonatora. Dzięki temu pierwszemu spontaniczna energia jest zamieniana w energię wymuszoną, a dzięki lustrom fotony przestają mieć losowy kierunek. 

Zastosowanie lasera

Niektórym lasery kojarzą się z seriami „Star Wars” czy „Star Trek”, choć tak naprawdę wachlarz ich zastosowań daleko wykracza poza filmu science-fiction i ma bardzo silny związek z rzeczywistością. Mając skupioną wiązkę światła, można ciąć rozmaite materiały, wypalać je, grawerować i znakować. Lasery znajdują wiele zastosowań w poligrafii i układach CNC, czyli w komputerowym sterowaniu urządzeń numerycznych.

Laserów używamy na szeroką skalę w medycynie; dzięki nim możemy ingerować w tkanki, tnąc je laserowym ostrzem albo wypalając zmiany na skórze. Możemy również skanować części ludzkiego ciała. Lasery umożliwiają nieinwazyjne badania tkanek ludzkich. Na przykład Optical Coherence Tomography (OCT), o której jakiś czas temu zrobiłem odcinek na Nauka. To Lubię, pozwala w sposób nieinwazyjny wizualizować strukturę ludzkiego oka.

Przeczytaj też: Tomografia optyczna – przełom w badaniach wzroku

Laserów używa się do skanowania powierzchni Ziemi z kosmosu albo do mapowania otoczenia w autonomicznym pojeździe. Dzięki laserom znaleźliśmy fale grawitacyjne. Lasera można używać w meteorologii, geodezji, w wojsku i to nie tylko w przyrządach celowniczych, albo do artystycznych pokazów.

Lasery wykorzystywane są również do transmisji światłowodowej, a bez nich nie byłoby dziś już może nieco zapomnianych, ale jeszcze kilka lat temu bardzo popularnych płyt CD, DVD czy BlueRay. Zresztą światłowody i płyty, które już właściwie wyszły z obiegu, to nie jedyne przykłady bezpośredniego wpływu laserów na nasze codzienne życie.

Lasery stanowią budulec zegarów optyczno-atomowych – najdokładniejszych obecnie wzorców czasu, więc dzięki laserom wiemy naprawdę bardzo dokładnie, która jest godzina. Mało tego, praktycznie każdy z nas używa smartfona. W najnowszych modelach montowane są lasery pozwalające wykrywać twarz użytkownika i dzięki temu odblokowywać telefon.

To nie wszystko, dzięki precyzji laserów, wiele skomplikowanych podzespołów znajdujących się w naszym smartfonie może być tak małych, że wszystkie mieszczą się w niewielkiej obudowie, którą możemy schować do kieszeni.

Laser – podsumowanie

Lasery często kojarzą nam się z bronią w produkcjach science-fiction, ale jak dotąd przyczyniły się głównie do rozwoju przemysłu, medycyny czy nauki. Choćby dlatego, że umożliwiły precyzyjny pomiar stałych atomowych czy stałych chemicznych.

Szerokie wykorzystanie laserów przyczyniło się do odkrycia wielu nieznanych wcześniej zjawisk czy do rozwoju spektroskopii, czyli dziedziny nauki zajmującej się analizą widm będących efektem promieniowania. A to pozwoliło na prace badawcze nie tylko w laboratoriach, ale także na orbitach planet czy księżyców.

Dokładne mapy Marsa mamy także dzięki laserom. Tak samo jak dokładny, bardzo dokładny pomiar odległości pomiędzy Ziemią a Księżycem. Ta dokładność wynosi części milimetra. Dzięki laserom wiemy, że Księżyc oddala się od Ziemi o niecałe 4 cm rocznie. 

Na zakończenie jeszcze jedno. Okazuje się, że lasery w armiach całego świata to już nie tylko wymysł futurystów. W systemach detekcji, naprowadzania, zwiadu są od dawna. Ale teraz testowane jest ich użycie jako broni. Działa laserowe testowane są choćby w amerykańskiej armii.

Będzie je można montować nie tylko na olbrzymich jednostkach US Navy, ale również na kołowych transporterach i na ciężarówkach, czyniąc laserową broń całkowicie mobilną. W Izraelu z kolei, systemy ochrony przeciwrakietowej i przeciwlotniczej są lub wkrótce zostaną rozbudowane o broń laserową. Przyszłość jest dziś, między innymi dzięki laserom. 

Zobacz również
Próbki z Marsa zagrożone?

Próbki z Marsa zagrożone?

16.05.2024 29:31

Podcasty NTL