Laserite tööpõhimõte ja ehitus (2)

Laser

Sõna laser on lühend inglisekeelseist sõnadest “ Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation” (valguse võimendamine stimuleeritud kiirguse varal ). Laser kui optiline kvantgeneraator (kvantelektroonika põhiseade) on valguse stimuleeritud kiirgumisel rajanev koherentvalguse generaator, harvemini valguse võimendi. Valguse all mõistetakse sel juhul lühilainelist elektromagnetkiirgust, mille lainepikkus on suurem , kui 1mm. Laserite töö baseerub pööratud jaotuse ja optilise pumpamise nime kandvatel kvantoptilistel protsessidel.
Laser on üpris eriliste omadustega uut liiki valgusallikas. Tema poolt kiiratud valgus võib olla erakordselt intensiivne, äärmiselt kõrge koherentsuse astmega ning koondunud väga kitsasse lainepikkuste vahemikku, pealegi võib valgus allikast väljuda kitsa paralleelkiirtekimbuna. Laseri väga intensiivne, rangelt koherentne ja kitsa paralleelkiirtekimbuna leviv kiirgus on toonud talle väga palju kasutusalasid. Laser ei ole mitte üksnes energiarikas ja suure intensiivsusega, vaid ühendab lisaks sellele mõningaid valguslainete jooned raadiolainete mõningate omadustega.
Laseri põhimõtte avastas Charles Townes USA-s 1954. aastal, viimistledes seda koos Schawlow´ga.

Laseri tüübid

Lasereid jagatakse töörežiimi, ergasti ja kiirguri järgi.

• alalislaserid
  
• välklaserid (impulsslaser)
  
  • neodüümlaser
    
• tahkislaser
  
  • rubiinlaser
    
  • kristall -laser
    
• gaaslaser
  
  • argoon -laser
    
  • heelium -neoon laser
    
  • krüptoonlaser
    
• süsinikdioksiidlaser
  
• eksimeerlaser
  
• vedeliklaserid
  
  • värvlaser
    
• pooljuhtlaser (dioodlaser)
  
• kemolaserid
  

Gaaslaserid

Gaaslaserid on enamasti alalislaserid. Ergastamiseks rakendatakse neis harilikult töögaasis toimuvat elektrilahendust, harvemini ergastatakse neid keemiliselt, valgus- või korpuskulaarkiiritusega. Elementaarkiirgureiks on neis aatomid (näiteks Ne), ioonlasereis ioonid (Ar+, Cd+-aur), molekullasereis molekulid (CO2). Molekullasereis rakendatakse võnkeseisunditevahelisi siirdeid. Niisuguste molekullaserite kasutegur on 10-30%. Gaaslaseritega on saadud valguse seni ületamatud koherentsus, monokromaatilisus ja suunatus. Võimsamad ja suurimad gaaslaserid on jugalaserid ehk gaasidünaamilised laserid (võimsus 104-105 W). Neis lastakse tuline aktiivgaas läbi düüside ülehelikiiruslikult paisuda, kusjuures ta järsult (adiabaatiliselt) jahtub. Gaasi (enamast CO2) molekulide madalamad võnketasemed tühjenevad seejuures kõrgemaist kiiremini, tekib pöördhõive. On leitud, et heeliumi ja neooni teatud vahekorras segu võib tekitada laserefekti. Seejuures asub gaas torus sobivate peeglite vahel. Gaasiaatomeid saab ergastada (kutsuda esile pööratud jaotuse), kui tekitada gaasisambas elektrilahendus. Kümnest osast heeliumist ning ühest osas neoonist koosnevas gaasisegus on võimalik esile kutsuda selline laserefekt, mille tulemusena kiirgub laserivalgust punases lainealas. Et gaasisegu kiirgab piisavalt, siis on seadme kiirgusvõimsus rubiinlaseriga võrreldes palju väiksem, kummatigi on gaaslaseri valmistamine ja ekspluateerimine naeruväärselt odav. Ta valgus on monokromaatiline, kuigi mitte väga hele, ja koherentne.

Kemolaserid

Kemolaserites juhitakse valguse genereerimiseks kokku gaasid, mille reageerides tekivad ergastatud molekulid (näiteks ahelreaktsioonis F+H2→(HF)+H; F+CH4→(HF)+CH3; O2+CS→(CO)+SO). Reaktsiooni vallandab harilikult valgustamine või elektrilahendus, mis tekitab vabu radikaale. Enamik kemolasereid kiirgab infrapunaalal (2-6 μm), nende kasutegur ja võimsus on suured.

Eksimeerlaseid

Eksimeerlaserid on kemolaserid, milles kiirgavad ebapüsivad ergastunud molekulkompleksid – eksimeerid (Ar2) või eksipleksid (XeCl, KrO), mis tekivad näiteks elektrilahenduses või korpuskulaarkiirituse toimel ning footonit kiirates põhiseisundisse langenult kohe lagunevad. Eksimeerlaserid on tõhusaimad ultravioletse laserikiirguse allikad, nad töötavad plinklasereina umbes 10-8 s kestvate välgetega. Eksimeerlaserid on väga efektiivsed nina-, kõrva- ning kurguhaiguste ravil.

Vedeliklaserid

Vedeliklasereist on käibel eeskätt värvlaserid, nende aktiivaine on orgaanilise värvaine lagus , ergasti harilikult teine laser (näiteks eksimeer-, argoon-, metalliaurulaser). Värvilaserite põhieelis on valguslaine pikkuse sujuv muudetavus laias vahemikus (umbes 0,3-1,3 μm). See toimub astmeliselt värvaine vahetamise teel ning astme piires sujuvalt resonaatori spektraalselektoriga (näiteks difraktsioonivõrega).

Tahkislaserid

Tahkislaseri kiirgurkeha on monokristall või klaasplokk, elementaarkiirgurid on lisandiioonid (näiteks Cr3+, Nd3+) või värvustsentrid. Tahkislaserid on enamasti mõõduka kasuteguriga (0,1-1%), kuid võimsad välkelaserid, mis genereerivad peamiselt spektri nähtavas ja lähiinfrapunapiirkonnas. Värvustsenterlaserite lainepikkus on laias infrapunaalas reguleeritav. Tahkislasereid käivitatakse fotoergastusega (võimsate välklampidega, teiste laseritega, sealhulgas pooljuhtlaseritega). Paljudel juhtudel rakendatakse neid hiidvälkerežiimis (seni suurim välkevõimsus 1014 W on USA tahkislaseril NOVA). Tahkislaserite eriliik on pooljuhtlaserid , milles luuakse pöördhõive pooljuhikristalli juhtivus- ja valentsitsooni vahel ning kiirgus tekib elektronide ja aukude stimuleeritud rekombineerumisel.

Dioodlaserid

Dioodlaserid ehk injektsioonlaserid on pooljuhtalaldid, millest tugeva pärivoolu (umbes 103 A/cm2) läbiminekul hakkab kiirgama alaldav siirdekiht – pn-siire (homolaseris) või kahe heterosiirde vaheline kiht (heterolaseris). Dioodlaserid on väikseimad (kiirguri mõõtmed umbes 0,1 mm), ökonoomseimad (kasutegur on 50%) ning kasutatavaimad nüüdislaserid (üle 90% aastas toodetavate laserite arvust – 1990. a. andmetel). Eelistatakse heterolasereid kui tõhusamaid.

Röntgenlaserid

Röntgenlasereis (raserid) on kiirguriks paljukordselt ioniseeritud aatomite plasma , mida tekitatakse ülivõimsate optiliste laserite või koguni tuumaplahvatusega. Elektronide ja ioonide järkjärgulisel taasühinemisel või ioonide põrkergastusel pöördhõivestuvad aatomite siseelektronkatted ja selle tagajärjel tekib stimuleeritud röntgenkiirgus. Resonaatoripeegleina võivad toimida näiteks kristallvõred. Röntgenkiirte võimalikke rakendusi on näiteks mikroobjektide holograafia ja laserrelv.

Rubiinlaser, selle töö ja ehitus

Pööratud jaotuse põhimõte realiseeriti esmakordselt rubiinlaseris (praegu kõige levinumad laserid), sünteetilisest rubiinist kristallvardas, millele on valmistamise ajal lisatud tühine hulk kroomi . Rubiin on alumiiniumoksiidi kristall teatud lisandiga, mis tingib tema suurepärase värvuse. Safiir on sama kristall, ainult teise lisandiga. Neid kristalle osatakse nüüd tehislikult valmistada pikkade varraste kujul, mille kristallivõre on väga hea kvaliteediga. Puhas, lisanditeta alumiiniumoksiidi kristall on värvitu ja läbipaistev. Kui kasvatamise ajal lisada talle veidi titaani, omandab kristall helesinise tooni ning tulemuseks on kalliskivi – safiir. Kroomi lisamisel muutub kristall leekivpunaseks ning saaduseks on rubiin. Kroomisisalduse vähenemisel saadakse roosa rubiin.
Üldlevinud laserimaterjal on sünteetiline rubiinvarras, mis sisaldab 0,05% kroomi (roosa toon). Need ühtlaselt, otsekui metalliauruna kristallis hajunud kroomiaatomid “on süüdi” laserikiirguses. Rubiinivarda optiline kvaliteet peab olema esmaklassiline. Varda mõlemad otsad poleeritakse hästi tasaseks, esimestes laserites kaeti nad veel poolläbipaistva hõbedakihiga, et kutsuda esile kiirte edasi-tagasi pendeldamisest tingitud võimendusefekti. Kahvaturoosakas varras neelab ultravioletset, rohelist ja kollast valgust, laseb aga läbi ainult sinist ja punast. See määrabki tema värvuse.

Kasutatud materjal

Samuel Tolansky ”Revolutsioon optikas”
Boriss Fomin ”Sädemest laserini”
http://www.fi.tartu.ee/ce/epl22042000laserkristall.ht m
http://et.wikipedia.org/wiki/Laser