Laserite ajalugu (0)

GUSTAV ADOLFI GÜMNAASIUM
Randolf Otsepp
LASERID Referaat
Juhendaja : Jana Paju
Tallinn 2010 Sisukord
SISSEJUHATUS ..........................................................................................3 LASERITE AJALUGU.............................................................................. ........4 Definitsioon.................................................................................... ......4 Lühidalt laserite ajaloost.................................................................. ........4 LASERITE TÜÜBID.........................................................................................5 Gaaslaser.............................................................................................5 Kemolaser.............................................................................................5 Vedeliklaser...........................................................................................6 Tahkislaser............................................................................................6 Dioodlaser .............................................................................................6 Elektronlaser..........................................................................................6 Töös olevad laserite tüübid.......................................................................7 LASERITE KASUTAMINE.................................................................................7 Objektide mõjutamine laserkiirgusega.........................................................7 Teabe hankimine ja töötlemine, teabe salvestamine , väljastamine, edastamine ja levitamine.............................................................................................8 EESTLASTE OSA LASERITE LEIUTAMISES........................................................9 KOKKUVÕTE................................................................................................10 KASUTATUD MATERALIDE LOETELU .............................................................11
2 Sissejuhatus
Tänapäeval puutume laseritega igapäevaselt kokku. Meie arvutite CD-lugejates ja ka CD-kirjutajates kasutatakse lasertehnoloogiat. Samuti on too sama tehnoloogia kasutusel muudes meile tuttavates ja igapäevastes eluvaldkondades nagu näiteks meditsiin , ehitus, tööstus jne. Lasereid kasutatakse väga laialdaselt kõikvõimalikes toodete ja väga sageli me ei teagi, et nendes igapäevastes vahendites on kasutusel just laser . Käesolevas uurimistöös on lähema vaatluse all erinevad laseritüübid koos nende tööpõhimõtte, ajaloo ja erinevate kasutusotstarvetega. Põgusalt vaadeldakse eestlaste rolli laserite arendamisel ja kasutamisel .
3 Definitsioon
Laser tuleneb inglisekeelsetest sõnadest light amplification by stimulated emission of radiation ehk ,,valguse võimendus kiirgusest stimuleeritud eritumise kaudu". Laser on kvantelektroonika põhiseade- kvantgeneraator. Koherentvalguse generaator rajaneb valguse stimuleeritud kiirgusel. Valguse all mõistetakse sel juhul lühilainelist elektromagnetkiirgust ( lainepikkus 1mm).
Lühidalt laserite ajaloost
Aastal 1917 mainis Albert Einstein esimesena looduses esinevat stimuleeritud emissiooni protsessi, mis viitas juba siis palju aastaid hiljem leiutatud laserite tööpõhimõtetele. Veel enne laserit leiutati aga maser (microwawe amplification by stimulated emission of radiation ehk ,,mikrolainete võimendus kiirgusest stimuleeritud eritumise kaudu") aastal 1954. Maseri leiutamise au kuulub Charles Townesile ja Arthur Schawlowile. Maserit kasutati raadiosignaali võimendamiseks. 1960. aastal leiutas ameeriklane Theodore Maiman rubiinlaseri, milles esimest korda realiseeriti pööratud jaotuse põhimõte. Rubiinlaserit kasutati esimest korda 1964 silma võrkkesta ravimisel. Mitmete allikate põhjal peetakse seda esimeseks optiliseks- ehk valguslaseriks. Samas peavad paljud tehnikaajaloolased esimeseks hoopis Gordon Gouldi valguslaserit. Igal juhul on kindel, et sõna ,,laser" kasutas esimest korda just see teadlane . Oma laseri ehitamist alustas ta juba 1958. aastal ent alles 1977. aastal õnnestus tal see lõpuks ka patenteerida. Esimene gaasilaser (põhineb püsival valgusel) leiutati 1960. aastal Ali Javani poolt. Robert Halli leiutatud revolutsiooniline pooljuhtlaser on ka tänapäeval kasutatav paljudes igapäevastes elektroonikaseadeldistes. Süsinikdioksiidlaser leiutati 1964. aastal. Sellest ajast alates on palju laseritüüpe leidnud kasutamist nii meditsiinis, tööstuses ja sidetehnoloogias.
4 Laserite tüübid
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
Gaasilaserid on enamasti alalislaserid. Ergastamiseks rakendatakse neis harilikult töögaasis toimuvat elektrilahendust, harvemini ergastatakse neid keemiliselt, valgus- või korpuskulaarkiiritusega. Elementaarkiirgureiks on neis aatomid , ioonid või molekulid. Molekullasereis rakendatakse võnkeseisunditevahelisi siirdeid. Gaaslaseritega on saadud valgus suur koherentsus, monokromaatilisus ja suunatus. Võimsamad ja suurimad gaaslaserid on jugalaserid. Neis lastakse tuline aktiivgaas läbi düüside ülehelikiiruslikult paisuda, kusjuures ta järsult jahtub. Gaasimolekulide madalamad võnketasemed tühjenevad seejuures kõrgemaist kiiremini ning tekib pöördhõive. Gaasiaatomeid saab ergastada, kui tekitada gaasisambas elektrilahendus.
Kemolaser
Kemolaserites juhitakse valguse genereerimiseks kokku gaasid, mille reageerides tekivad ergastatud molekulid. Reaktsiooni vallandab harilikult valgustamine või elektrilahendus, mis tekitab vabu radikaale. Enamik kemolasereid kiirgab infrapunaalal. Eksimeerlaserid on kemolaserid, milles kiirgavad ebapüsivad ergastunud molekulkompleksid. Eksimeerlaserid on tõhusaimad ultravioletse laserikiirguse allikad ja nad on väga efektiivsed nina-, kõrva- ning kurguhaiguste ravil.
5 Vedeliklaser Eeskätt on neist kasutusel värvlaserid, nende aktiivaine on orgaanilise värvaine lagus , ergasti harilikult teine laser (näiteks eksimeer-, argoon-, metalliaurulaser). Värvilaserite põhieelis on valguslaine pikkuse sujuv muudetavus laias vahemikus. See toimub astmeliselt värvaine vahetamise teel.
Tahkislaser
Tahkislaseri kiirgurkeha on monokristall või klaasplokk, elementaarkiirgurid on lisandiioonid või värvustsentrid. Tahkislaserid on enamasti mõõduka kasuteguriga, kuid võimsad välkelaserid, mis genereerivad peamiselt spektri nähtavas ja lähiinfrapunapiirkonnas. Tahkislasereid käivitatakse fotoergastusega. Paljudel juhtudel rakendatakse neid hiidvälkereziimis. Tahkislaserite eriliik on pooljuhtlaserid , milles luuakse pöördhõive pooljuhikristalli juhtivus- ja valentsitsooni vahel ning kiirgus tekib elektronide ja aukude stimuleeritud rekombineerumisel.
Dioodlaser
Dioodlaserid ehk injektsioonlaserid on pooljuhtalaldid, millest tugeva pärivoolu läbiminekul hakkab kiirgama alaldav siirdekiht. Dioodlaserid on väikseimad, ökonoomseimad ning kasutatavaimad nüüdislaserid. Pooljuhtkiirguriga lasereis võib ergastiks olla ka elektronikimp (näiteks laserteleviisori ekraanis).
Elektronlaser
Elektronlasereis kiirgab võngutit läbiv ülikiirete, relativistlike elektronide kimp. 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.
6 Röntgenlasereis (raserid) on kiirguriks paljukordselt ioniseeritud aatomite plasma , mida tekitatakse ülivõimsate optiliste laserite või koguni tuumaplahvatusega ja selle tagajärjel tekib stimuleeritud röntgenkiirgus. Röntgenkiirte võimalikke rakendusi on näiteks mikroobjektide holograafia ja laserrelv.
Töös olevad laserite tüübid
Hetkel üritatavad erinevad teadlased luua gammalaserit, mille töö põhineks radioaktiivsete aatomituumade energiatasemete vahelistel stimuleeritud siiretel. Eeskätt püütakse rakendada Mössbaueri efekti andvaid tuumi, ergastina kasutatakse neutron- või gammakiirgust.pikkuse sujuv muudetavus laias vahemikus.
Laserite kasutamine
Laserikiirguse rakendused saab jaotada kahte põhirühma: 1. Objektide mõjutamine laserikiirgusega 2. Teabe hankimine ja töötlemine, teabe salvestamine, väljastamine, edastamine ja levitamine.
Objektide mõjutamine laserikiirgusega
Objekte mõjutatakse näiteks laserkirurgias, lasertöötluses (lõikamisel, mulgustamisel, keevitamisel), termotuumaenergeetikas (kütuse viimiseks tiheda kuuma plasma seisundisse) ja laserrelvastuses. Vähem intensiivne laserikiiritus võib purustada keemilisi sidemeid , muuta aine optilisi ja muid omadusi. Seda rakendatakse näiteks laserkeemias, seal hulgas isotoopide eraldamisel, mittelineaarses optikas, geenitehnikas, laserravis ja põllumajanduses.
7 Teabe hankimine ja töötlemine, teabe salvestamine, väljastamine, edastamine ja levitamine
Siia kuuluvad laserite rakendused metroloogias ning kontrolli- ja tüürimisseadmeis, 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. Laserikiir võib sidekanalina sama ajaga kordi 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.
8 Eestlaste osa laserite leiutamises
Maailmas on kolm arvestatavat eksimeerlasereid tootvat maad ­ USA, Saksamaa ja Eesti. Eesti lasereid kasutatakse sellistes kohtades nagu kosmoseagentuur NASA, tuumauuringute uurimiskeskus Los Alamoses (kus leiutati tuumapomm ), "tähesõdadega" seotud AMES Laboratory's, USA mere- ja õhujõududes ja mujalgi. 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 on meie laserseadmed väga töökindlad. 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 , millele ennustatakse kõikvõimalike tarbeesemete tootmisel suurt tulevikku.
9 Kokkuvõte
Enne referaadi koostamist teadsin üldistatult, et laserit kasutatakse meditsiinis ning laser-kaardikepis, põhimõte jäi siiski segaseks. Tänu referaadile tean, milline on laserite tööpõhimõte ja kuidas nad täpsemalt meditsiinis või muul alal kasutatavad on. Ka polnud ma varem mõelnud, et laserid ümbritsevad meid igapäevaselt- poes, DVD- mängijas, CD-mängijas. Laseri kogu kasutuspõhimõte sai mulle selgeks läbi selle referaadi kirjutamise. 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. Teaduse arenedes tekib neid tõenäoliselt ajaga pidevalt juurde. Laseri kui teadusliku saavutuse üle võib aga inimkond vaid rõõmu tund.
10 Kasutatud materjalide loetelu Raamatud:
1. Õpilase teadusentsüklopeedia, Tallinn kirjastus ,, Varrak " 2000, Lk 308
2. Samuel Tolansky " Revolutsioon optikas" "Valgus" Tallinn 1975, 177-196
3. EE 5, Tallinn Kirjastus "Valgus" 1990, lk 411-415
4. Boriss . Fomin "Sädemest laserini", kirjastus "Valgus" Tallinn 1966 85-142
5. Hans Backe "Retk füüsikasse" kirjastus "Valgus" Tallinn 1984, 185-187
Allikas internetis
6. http://inventors.about.com/od/lstartinventions/a/laser.ht m
7. http://doktor.med.ut.ee/biofys/BFTFest.html
8. http://www.loodusajakiri.ee/horisont/arhiiv/horisont-arhiiv/1998/06/laser.html
9. http://ubin.tehnokratt.net/stories/storyReader$35
10. http://www.hambaarst.ee/uudis.php?uudis=76
11. http://www.elin.ttu.ee/EEU-Elec/BMEs/BMTTPROG.HTM#Laserthe
12. http://www.terviseleht.ee/200030/30_laserherpes.php3
13. http://www.hambaarst.ee/uudis.php?uudis=228
14. http://www.kirjastused.com/nebadon/valgus.ht m
15. http://www.silmalaser.ee/index.php?id=6
16. http://www.tevalo.ee/products/pdf/FLUKE2003.pdf
17. http://www.fi.tartu.ee/ce/epl22042000laserkristall.ht m
18. http://www.kodutohter.ee/arhiiv/ruu m
19. http://www.pqletajad.ee/km/kiirusmoot.html
20. http://www.fi.tartu.ee/ce/epl11112000laseraurustus.ht m
11 21. http://www.arvutiweb.ee/seadmed/kettad/dvd/dvd.ht m
22. http://www.hexaplan.ee/index.php?sisu=toode&cat_id=7&subcat_id=32&id=57
12 13