lézer
(laser, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation,
fénykibocsátás indukált emisszióval, lézerközeg, négyszintű lézerek, háromszintű lézerek, impulzus üzemmódú lézer)
A fényforrások
egy speciális típusa a lézer.
Neve, az angol laser betűszó a Light
Amplification by Stimulated Emission of Radiation (magyarul a fénykibocsátás
indukált emisszióval) kifejezés
rövidítése, ami a lézerfény létrejöttének sajátos körülményeire utal.
Az első lézert
az amerikai Maiman fejlesztette ki 1960-ban.
A prototípus lézerközege, amelyben a lézereffektus lejátszódott,
rubinkristály (Cr2O3
-mal szennyezett Al2O3 kristály,
amely rendelkezik a megfelelő metastabil
energiaszinttel) volt, gerjesztésként
pedig egy villanólámpa fényét használta.
A rubinkristály két végére egy féligáteresztő,
illetve egy nagy visszaverő-képességű tükörréteget
párologtattak.
Amikor a villanólámpa gerjeszti a rubinkristály
atomjait, és létrejön az a nagyon jól meghatározott
energiájú (a metastabil állapot és az alapállapot különbségének megfelelő) fény,
amely a lézerfény kibocsátását elindítja, az először a kristály
két végéről sokszor visszaverődve ide-oda cikázik a kristály tengelye mentén.
Mivel a rubin oldalán nincsen tükör,
a sokszori visszaverődés miatt csak azok a sugarak maradnak meg a rendszerben,
amelyek szigorúan párhuzamosak a kristály
hossztengelyével.
Amikor a fény energiája meghaladja azt
a mértéket, amely már ki tud lépni a féligáteresztő tükrön, a lézer világítani
kezd. (A fenti animáción ez a folyamat látható.) A két tükör,
vagyis voltaképpen az elrendezés geometriája miatt a kilépő fény
már nagyon párhuzamos nyalábokból áll, a sugár széttartása (divergenciája) elhanyagolhatóan
kicsi.
Végül erőteljes, vörös színű lézersugár lép át a féligáteresztő tükrön.
A lézerműködéshez elengedhetetlenül szükséges populációinverzió csak a termikus egyensúlytól távoli rendszerekben valósulhat meg. Ilyen rendszer csak úgy hozható létre, ha a rendszerbe folyamatosan energiát táplálnak.
A bevitt energiával az atomi elektronokat szelektív módon magasabban gerjesztett állapotokba juttatják. Ezek az elektronok aztán egyre kisebb energiájú gerjesztett állapotokon keresztül törekednek az alapállapotba jutni. E folyamat során a hosszabb élettartamú gerjesztett állapotokban (amelyeket metastabil állapotoknak nevezzük) nyilvánvalóan több elektron tartózkodik, mint a rövidebb élettartamúakban. Ha közülük a hosszabb élettartamú nívó van feljebb, akkor a populációinverzió e két szint között máris megvalósult. Ehhez azonban valóságos rendszerekben több energiaszintre is szükség van, a tipikus lézerben minimálisan négy energiaszint van, amelyekhez négy elemi energiaátadó lépés tartozik.
Az (1) lépésben az atomot valamilyen hatékony és szelektív mechanizmus segítségével egy, a lézernívók fölötti (esetleg azzal egybeeső energiájú) szintre juttatjuk. Erről a szintről (esetleg szintekről) az elektronok igen gyorsan a felső lézerszintre jutnak. Ez a (2) jelű lépés legtöbbször sugárzásmentes átmenet, a közben felszabadult energia a lézeranyagot melegíti. Ezt követi az E2 és E1 szintek közötti lézerátmenet (3), amely során a lézerfényt alkotó fotonok egyike is kisugárzódik.
A populációinverzió akkor állhat fönn, ha az alsó lézerszint igen gyorsan kiürül (4). Az ilyen típusú energiadiagrammal rendelkező lézereket négyszintű lézereknek nevezik. Egyes lézerekben ez (4) lépés hiányozhat (azaz az alsó lézerszint az alapállapot), ekkor a populációinverzió megvalósítása sokkal nehezebb. Ez utóbbi esethez tartoznak a háromszintű lézerek.
Bár a lézerek hatásfoka elég
alacsony, mivel a kijövő energia nagyon
keskeny nyalábba koncentrálódik, abban a kis térrészben az energialeadás jelentős
lehet. Különösen érvényes ez az impulzus üzemmódú lézerekre, amelyek
nem folytonosan világítanak, hanem nagyon rövid ideig, ezért nagy teljesítményű
impulzusokat bocsátanak ki.
Ma már nagyon sokfajta (gáz-,
festék-, félvezető-,
stb.) lézert alkalmaznak.
A lézerek jellemző tulajdonságai:
- fényük nagyon monokromatikus (egyszínű).
- a létrejött fény koherens, nagy úthossz-különbségek esetén is alkalmas interferencia
létrehozására
- a lézernyaláb keskeny és nagyon kis széttartású nyaláb (jól szemléltethető
vele a fénysugár).
- energiájuk kis térrészben koncentrálódik, impulzus üzemmód esetén nagyon rövid
időtartamban, vagyis a lézerfény teljesítménysűrűsége (E/At) a megszokott
fényforrásokénak sokszorosa lehet.
A lézerek alkalmazásai:
- A lézerfény kiválóan alkalmas interferencián alapuló jelenségek létrehozására,
interferenciás mérések végrehajtására, hologramok készítésére.
- Intenzív, vékony, világosban is jól látható nyalábja miatt "mutatópálcának"
alkalmazzák.
- Kis térrészre koncentrálódó nagy energiája miatt alkalmas különböző anyagok
megmunkálására pl. nagyon apró furatok, bemarások készítésére. (Így készítik
például a tintasugaras nyomtatók fuvókáit.)
A képen
lézersugárral hajszálba maratott betük láthatók.
- Gyógyászati alkalmazásokra is felhasználható, pl. vesekövek szétzúzására.
- A lézerek az információ továbbításában, leolvasásában is fontos szerepet
játszhatnak, például vonalkódok, CD-leolvasás, optikai információtovábbítás,
stb. (Az egyszerű, olcsó félvezető lézerek
jóvoltából, már szinte minden háztartásban megtalálhatók a DVD játszókban.)
- Egy különleges alkalmazása a lézerhűtés,
ezzel érték el az eddigi legalacsonyabb hőmérsékletet
(mindössze 200 milliárdod kelvin fokot).
Lexikonomban többféle lézertípus és más lézerekkel kapcsolatos címszó található. A keresőben a lézer beírásával az összes ilyen címszó legyűjthető.