L A S E R

L A S E RLaser on laite, jolla saadaan yksiväristä eli monokromaatista valoa, jolla on suuriintensiteetti. Laserin valo on samantaajuista ja vaiheista eli koherenttia valoa, jokaon tiivistynyt kapeaksi säteeksi. Laser tulee sanoista: Light Amplification by theStimulated Emsission of Radiation (‘valon vahvistaminen säteilyn stimuloidulla emissiolla’).Toiminta perustuu stimuloiduksi emissioksi nimitettyyn kvanttimekaaniseen ilmiöön. Laserintoimintamahdollisuudesta mainitsi julkisesti ensimmäisen kerran Albert Einstein vuonna 1917.Laserin valon ominaisuudet:- monokromaattisuus eli yksivärisyys: sisältää vain yhtä aallonpituutta(taajuutta)- koherenttisuus: aalloilla sama taajuus ja vaihe- suuri intensiteetti (valo voidaan fokusoida hyvin pienelle alalle)- yhdensuuntaisuus, kapea sädekeilaAtomin viritystilan purkautuminen tapahtuu yleensä ilman mitään erityistä syytä. Tällöin kyseessäon spontaani emissio, jossa elektroni e - siirtyy atomissa korkeammalta energiatilalta alemmalleemittoiden eli lähettäen fotonin eli säteilykvantin, joka on energia on sama kuin energiatasojenenergiaero: ∆E = En – Em = hf = hc/λ (kuva 1).Kuva 1. Spontaani emissio.Alussa atomi on virittyneessä tilassa, kun elektronie - on ylemmällä energiatasolla. Kun elektroni siirtyyalemmalle energiatasolle, atomi emittoi eli lähettääfotonin f eli energiakvantin, jonka energia on energiatilojen erotus: ∆E = En – Em = hf (kuva 1).Laserin toimintaperiaate:Laserin toiminta sen sijaan perustuu stimuloituun emissioon (kuva 2).Kuva 2. Stimuloitu emissio.Alussa atomi on virittyneessä tilassa ja atomiinosuu fotoni, jonka energia on suuruudeltaansama kuin energiatilojen erotus: ∆E = En – Em = hf.Vuorovaikutuksen seurauksena vapautuu fotoni,jolla on täsmälleen sama energia kuin atomiin osuneella fotonilla. Kyseessä on stimuloitu emissio.Virittynyt atomi stimuloidaan energialtaan sopivan fotonin avulla luovuttamaan säteilykvantti elifotoni. Atomista lähtee nyt kaksi samanlaista fotonia, joilla on sama energia, taajuus jaaallonpituus. Nämä fotonit saavat edelleen uusia virittyneitä atomeja purkautumaan ja syntyyketjureaktio, jolloin syntyy suuri joukko energialtaan samanlaisia fotoneja. Fotonien taajuus ∆ ja aallonpituus . Näin syntynyttä valoa kutsutaan laser-valoksi.

Laseraineen atomien kahden peräkkäisen energiatilan välillä on oltava suhteellisen pitkäikäinenviritystila, ns. metastabiili viritystila, jossa elektroni viipyy tietyn ajan (~ 1 ms) ennen putoamistaanalemmalle energiatilalle.Jotta laser voidaan rakentaa, on suuri joukko atomejasaatava siis viritettyyn tilaan riittävän pitkäksi aikaa.Tällaista tilannetta kutsutaan käänteiseksimiehitykseksi (populaatioinversio). Atomeja voidaanvirittää ”nostamalla” elektronit (optinen pumppaus)metastabiilia tilaa EB korkeammalle energiatilalle EC(kuva 3). Kun elektroni on nostettu alemmalta tilaltaviritystilalle EC , niin elektroni putoaa aluksi spontaaninemission takia metastabiilille viritystilalle EB (välitilalle).Tässä vaiheessa atomiin saapuu stimuloiva fotoni,jonka energia E = hf = hc/λ on yhtä suuri kuinmetastabiilin viritystilan ja alemman tilan energiaero Kuva 3. Laserin toimintaperiaate.hf = EB –EA. Tällöin tapahtuu stimuloitu emissio jaelektroni siirtyy metastabiililta tilalta EB alemmalle energiatilalle eli perustilalle EA ja atomistavapautuu fotoni. Lopputuloksena atomista lähtee kaksi samanlaista fotonia (stimuloiva jastimuloitu). Näillä fotoneilla on sama taajuus ∆ aallonpituus ,energia E = hf = hc/λ ja vaihe. Nämä fotonit voivat edelleen purkaa uusien atomien viritystiloja,jolloin tapahtuu ketjureaktio. Ketjureaktio syntyy, kun laiteputken päihin asennetuista peileistätoinen on osittain läpäisevä. Valo saadaan peilien avulla kulkemaan putkessa edestakaisin, jolloinlaservalon intensiteetti kasvaa. Valo tulee ulos osittain läpäisevän peilin kautta.Mitä on optinen pumppaus?Atomien viritys metastabiilin tilan yläpuolella olevalle energiatilalle tapahtuu ns. optisellapumppauksella, esimerkiksi- virittämällä laserin atomit nopeiden elektronien törmäyksillä (kaasulaserit)- valolla, jolloin laserin atomit absorboivat fotoneja (kiinteäaine- ja nestelaserit)- sähkövirralla (puolijohdelaserit)Kuvassa 4 on esitetty laserin rakennekaavio.Laser koostuu putkesta, jossa on väliainetta.Väliaineessa saadaan optisella pumppauksella(esim. sähkövirralla) aikaan metastabiilejaviritystiloja. Kun viritystiloilla on enemmänelektroneja kuin alemmissa energiatiloissasyntyy käänteinen miehitys (populaatioinversio).Kun yksi viritystila purkautuu, syntyvä fotoniaiheuttaa toisen samanlaisen viritystilanpurkautumisen ja näin aina edelleen.Syntyy ketjureaktio. Putken päihin asennetuista Kuva 4. Laserin rakennekaavio.peileistä toinen on osittain läpäisevä. Valo saadaanpeilien avulla kulkemaan edestakaisin, jolloin laservalon intensiteetti kasvaa. Valo tulee ulososittain läpäisevän peilin kautta. Puolijohdelaserissa lasersäde syntyy johtavuusvyöllä olevienelektronien ja valenssivyöllä olevien aukkojen stimuloidun rekombinaation kautta. Syntynyt fotonistimuloi uuden rekombinoitumisen ja prosessi jatkuu edelleen ketjureaktiona (kuva 5).

Kuva 5. Puolijohdelaser.Ensimmäinen laser valmistettiin vuonna 1960. Kaasulasereista tunnetuin ja tavallisin on He-Nelaser.Siitä saadaan jatkuvaa punaista valoa (aallonpituus λ ≈ 670 nm). Tampereen teknillisessäyliopistossa (TTY, silloinen TTKK) kehitettiin huoneen lämpötilassa toimiva sinivihreä pulssilaser,jonka sinivihreän valon aallonpituus λ on 510 nm. Nykyisin on kehitetty laserlaitteita(Blu-ray ja HD DVD), jotka hyödyntävät sinistä laservaloa (aallonpituus λ ≈ 405 nm).Koska sinen laservalon aallonpituus on pienempi kuin punaisen, niin tämä mahdollistaa esimerkiksientistä suuremman (kuusinkertaisen) tiedontallennuskapasiteetin. Yksipuolisen ja -kerroksisenBlu-ray-levyn tallennuskapasiteetti on noin 25 gigatavua, kaksikerroksisen 50 GB ja nelikerroksisen100 GB. Esimerkiksi vanhalle yksipuoliselle ja -kerroksiselle DVD:lle mahtuu tietoa 4,7 GB jakaksikerroksiselle DVD-levylle 8,5 GB. Parikerroksinen Blu-ray-levylle mahtuu parhaimmillaan yliyhdeksän tuntia HD-videota tai 23 tuntia standardia videota (SD).Erilaisia lasereita:- kaasulaserit (He-Ne-laserit, Argon-laserit, CO2-laserit, CO-laserit)- puolijohdelaserit, …Laser-valon käyttö ja sovelluksia:- lasertulostimet- cd-, dvd- ja blue ray-soittimet, ym.- poliisien lasertutkat- etäisyyden mittaus- laserosoittimet- leikkaukset lääketieteessä, esim. kudosten ja silmien laser-leikkaukset (He-Ne –laser)o Silmien korjausleikkauksessa silmän linssin muotoa (sarveiskalvon hionta) korjataan,jolloin likinäköisyys, kaukonäköisyys ja/tai hajataitto korjaantuu(kaihileikkaukset tehdään ultraäänellä)o luomien, tatuointien, syntymämerkkien ja ihokarvojen poisto,o hampaiden poraus (ei yleistynyt)- tutkimukset lääketieteessä; kudosten leikkaus- viivakoodien luenta; kaupan kassat, ym.- tehosteena konserteissa- laserleikkaukset teollisuudessa; metallien työstö ja hitsaaminen (CO2 –laser, 1000 MW),muovin, kartongin ja paperin leikkaus, …- tiedon siirto (valokaapelit) ja tallennus- fuusioreaktoreissa korkean lämpötilan aikaansaamiseen- kolmiulotteisten kuvien eli hologrammien tekeminen- tieteellinen käyttö; esim. interferometrit, spektroskopia,tähtitiede (kaukoputkien adaptiivinen optiikka)- kaukokartoitus, maanmittaus (laseretäisyysmittarit)- lentokoneiden gyroskoopit- sotilaskäytössä, esim. kohteen määritys, laser-aseet, …

- avaruussovellukset, esim.o Maan ja Kuun välinen etäisyys määritetään lasersäteillä, jotka suunnataan Kuuhunsijoitettuihin kolmeen peiliin. Peilit vietiin Kuuhun Apollo-lentojen yhteydessä vuosina1969–1972. Mittausjärjestelmää on myöhemmin kehitetty niin, että nykyäänmittaustuloksen virhemarginaali on vain muutamia millimetrejä. Mittausten mukaan Kuuetääntyy Maasta 3,8 senttiä vuodessa vuorovesivoimien vaikutuksesta. Sama ilmiövähentää maapallon pyörimisnopeutta (Tieteen kuvalehti)o maan painovoimakenttien vaihtelujen mittaus satelliiteilla...Lähteet:- Lehto-Havukainen- Maalampi-Leskinen: Fysiikka 8, Tammi- Hatakka-Saari-Sirviö-Viiri-Yrjänäinen: Physica 8, Wsoy- Tieteen kuvalehti- http://fi.wikipedia.org/wiki/Laser