Uurimistöö laserid ja nende kasutamine (4)

Kehra Gümnaasium
11.A klass, reaalsuund
Siim Treilmann
LASERID JA NENDE KASUTAMINE
Uurimistöö
Juhendaja : õp August Kalamees
Kehra 2009
SISUKORD
SISSEJUHATUS 3
1.LASERI LEIUTAMINE 4
2.LASERITE AJALUGU 6
3.LASERI TÖÖPÕHIMÕTE 7
3.1 Pööratud jaotus 7
3.2 Optiline pumpamine 8
4.LASERI TÜÜBID 9
4.1 Rubiinlaser 9
4.2 Gaaslaser 9
4.3 Röntgen laser 10
4.4 Värvilaser 10
4.5 Elektronlaser 10
4.6 Tahkislaser 11
4.7 Pooljuhtlaserid 11
4.7.1.Dioodlaserid ehk injektsioonlaserid 11
5.LASERITE KASUTAMINE 12
5.1 Laser radarina 13
5.2 Laser puurina 13
5.3 Laser freesina 14
5.4 Laser autotöösuses 14
5.5 Laser pinnatööstuses 14
5.6 Laser silmahaiguste ravimiseks 15
5.7 Laser kirurgias 15
5.8 Lasergrammofon 15
5.9 Laser nurkade mõõtmiseks 16
5.10 Lasergüroskoobi ehitus 16
5.11 Mõõtmine lasergüroskoobi abil 16
5.12 Laserkeemia 17
6. HOLOGRAAFIA 18
KOKKUVÕTE 20
KASUTATUD ALLIKMATERJALID 21
Lisa 1. Hologramm 22

SISSEJUHATUS

Tänapäeval puutume laseritega igapäevaselt kokku. Meie arvutite CD lugejates ja ka CD kirjutajates, mis peaks enamustes arvutites ka olemas olema, kasutatakse lasertehnoloogiat. Samuti on too sama tehnoloogai kasutusel muudes meile tutavates ja igapäevastes asjades nagu näiteks: muusikakeskused, CD mängijad, laserprinterid ja skännerid. Iseasi on ainult see kas inimene ise ka on teadlik sellest, et nendes igapäevastes vahendites on lasertehnoloogai kasutusel.
Käesolevas uurimistöös on lähema vaatluse all laserid, koos nende kasutamise, tööpõhimõtte, ajaloo ja erinevate liikidega.
Uurimistöö eesmärgiks on leida informatsiooni laserite ajaloo kohta, (kes selle leiutas ja millal?)mis põhimõttel töötab laser ning millistes valdkondades ja kuidas on võimalik seda kasutada.
Uurimistöö hüpoteesiks on, et lasertehnoloogia on küllaltki uus asi ja et ei ole olemas eriti palju laseri liike.
Uurimistöös on kasutatud allikmaterjalidena Tolansky S raamatut „ Revolutsioon optikas“, Käämbre H „Laseri raamat“ ja raamatut „Kalender 1999“. Lisaks raamatutele on saadud materjali ka internetist.
Töö koosneb kuuest peatükist ja alajaotustest, kokku mahus 17 lehekülge.

LASERI LEIUTAMINE

„Laseri leiutamise au oleks väär anda ühele mehele, selle 20. sajandi suursaavutusse on andnud oma osa nii Townes, Schawlow, Gould ja Maimann. Kui käsitleda veel erinevadi laseritüüpse , siis peaks nimetama veel väga palju nimesid. Viiekümnendate keskel oli laseri leiutamine õhus, nii või teisiti ta pidi varem või hiljem ilmuma. Niigi oli ta hilinenud pea nelikümmend aastat, sest laseri aluseks olevale stimuleeritud kiirguse olemasolule looduses näitas juba Albert Einstein Esimese maailmasõja ajal, aastal 1918. Tõsi on aga see et kõige enam välgatasid õiged mõtted laseri loomiseks ja laiaks rakendamiseks just Gordon Gouldi peas unetul sügisööl 1957. aastal.
Algusaastatel tudeeris Gould füüsikat Schenectady ülikooli kolledžis, tema huvid koondusid valgusnähtuste valda. 1941 aastal astus ta Yale´i ülikooli doktorantuuri, selle aga katkestas sõda. Peagi värvati ta tööle salaettevõtesse mis toodab uraani esimese aatomipommi tarvis. Sellal algab Gouldil kooselu neiuga, kes kaasab ta marksismi õpperingi. Ent julgeoleku organid saaavad haisu ninna ja pommivabriku väravad plaksatavad Gouldi ees kinni. Tal õnnestub leida hädapärast leivateenistust ühes peeglitööstuses. 1951 jätkab ta doktoriõpinguid Columbia ülikoolis, saksa immigrandi Polikarp Kuschi käeall. 1954 puhkeb üle Ühendriikide nõiajaht kommunistidele. Gould kutsutakse ameerika vastasetegevuse komisjoni ette. Kuna ta keeldub nimetamast teisi ringi liikemeid, vallandatakse ta õppetöölt. Raevunud Kuschil õnnestub siiski saada Gouldile assistendi koht Columbia ülikoolis ja võimalus doktoritööd jätkata.
Ülikoolis puutus ta kokku Charles Townesiga, kes oli leiutanud maseri, mille tööprintsiip sarnaneb hilisema laseri omaga . Murtakse pead kuidas sama põhimõte rakendada raadiolaineist sadu tuhandeid kordi lühematele valguslainetele.
Ööl vastu 10 novembrit 1957 saabub Gouldi tähetund. Otsekui välguvalgel taipab ta,kuidas valgusgeneraatorit ehitada ja käivitada , millised piiritud rakendusvõimalused võiksid el olla mujalgi kui valgussides. Kiiruga kannab ta oma ideed, esialgsed arvutused ja skeemid märkmikku ja laseb notaril kinnitada.
Paraku osutub leiutaja abituks patendinduses ja konsultanti mõistab ta ka võõriti, justkui peaks enne seadme patendeerimist olema valmis tolle töötav prototüüp, tegelikult oli vaja üksnes täpset kirjeldust paberil , mis Gouldil ka olemas oli. Innukalt asub ta asja kallale. Jätab õpingud ja liitub laseri ehitamise lootuses väikefirmaga TRG. Pentagoni laserrelva loomise väljavaadetega peibutades õnnestub TRG-l saada küsitud 300 000 dollari asemel tervelt miljon . Pentagoni raha toob kaasa asja salastamise. Gouldilt konfiskeeritakse ta märkmed (targu oli ta koopiad endale jätnud), rääkimata töö juurde lubamisest. TRG- mehed kül tohivad küsitleda Gouldi,temale aga ei või töö käigust hingatagi. Tema vastu tõttab tunnistust andma ka hüljatud naine.
Lõpuks 1959 esitab TRG koos Gouldiga notariseeritud märkmete põhjal patenditaotluse. Kuid on juba hilja . Charles Townes ja Arthur Schawlow olid teda edestanud publikatsiooni ja patendi taotlusega. Pealegi oli Theodore Maiman nende teooriale toetudes 16. mail 1960. aastal käivitanud maailma esimese laseri. 1964 saab Townes koos Aleksandr Prohhorovi ja Nikolai Bassoviga maserite/laserite eest Nobeli preemia. 1981 tõuseb nobelistiks ka Schawlow
Gouldi patendilootused kahanevad katatroofiliselt, kuigi tema taotluses on rida originaalseid aspekte . TRG loobub Gouldiga jändamast. Patendiamet väidab et Gouldi taotlustekst polnud nii põhjalik, et keegi saanuks selle põhjal laserit valmis teha. Leidur ei jäta jonni .kuid edasipürgimiseks on vaja ränka raha. Poole eest loodetavast patenditulust soostub firma REFAC protsessi jätkama. Kogenud patendijurist Richard Samuel usub vaistlikult Gouldisse.
Algab pea 20 aastat kestev patendisõda. Jaanuaris 1985 aastal algab föderaalkohtus uus protsess Gouldi asjas. Menetlust juhib naasnud kohtunik Flannery. Otsuseni jõutakse alles 19. detsembril. On juhtunud ime kohtunik Flannery on teinud kannapöörde ja asunud Gouldi poolele. Raske uskuda , et põhjuseks oli vaid Gouldi argumenteeritud veenvus. Otsus süüdistab patendiametit terves reas jämedais õigusrikkumistes. Järgmisel aastal toetudes föderaalkohut otsusele, antakse Gouldile kõik neli taotletud patenti.“1

LASERITE AJALUGU

1864 - 1940 : „Astronomiliste spketroskoopide aeg.
1917 : Einstein postuleeris valguskvante (footoneid) ja ergastas kiirguse.
1954 : Esimene mikrolainete laser.
1960 : Mikrolaine laser avastati Orioni udukogus.
1965 : Mikrolaine laserit kasutades avastati kosmilise tagatausta radiatsioon .
1966 : Esimene gaasdünaamiline laser.
1970 : Esimene laseri töötamise tõestamine tähtedel.
1973 : Laserit kasutades kvasarite avastamine.
1979 : Orioni udukous täheleid, kasutades infrapunalaserit.
1981 : Avastati Marsi ja Veenuse atmosfäär, kasutades süsihappegaas laserit.
1984 : Esimene rõntgenlaser
1993 : Gaasühendus plasmalaser.
1994 : Tehislaser tähtede vahel rändamas (kosmoses)
1995 : Kuiper Airborne Observatoorium avastab pikamaa infrapunalaserkiirguse tähel
1996 : Huble kosmose teleskoobiga avastati ultraviolettlaserkiirgus tähtedel.
2003 : Uuriti kõige tugevamaid lasereid, uuringute ja sõjaliste tegevuste tarvis.“2

LASERI TÖÖPÕHIMÕTE

Laserite töö baseerub kahel kvantoptilisel protsessil, nendeks on pööratud jaotus ja optiline pumpamine.3

Pööratud jaotus

„Pööratud jaotus esineb gaasi või tahke aine teatud viisil ergastatud aatomites elektronide energiavoode vahel.
Aatom koosneb tuumast ja selle ümber satsionaarsetel orbiitdel ringlevatest elektronidest, ilma et elektronid seejuures mingit energiat kiirgaksid. Tavalises , ergastamata aatomis ringleb välimine elektron oma madalaimal statsionaarsel orbiidil. Kui aatomile mingil moel(kas siis osakeste soojusliikumisest tingitud põrke tagajärjel või kokkupõrkel elektriliselt laetud osakesed või ehk valguskiirguse arvel)energiat juurde anda, läheb välimine elektron üle energeetiliselt kõrgemasse ergastatud olekusse, millest ta reeglina veidi aja möödudes langeb tagasi stasionaarsesse põhiolekusse, kiirates lisa energia footonina. Paljude mooduste hulgas elektron suurema energiaga olekusse siirda on üks, selleks on fluorestents. Vastava lainepikusega valgus tõstab elektroni põhiolekust välja, kuid elektron pöördub sinna valgust kiirates ruttu tagasi.
Tavalistel tingimustel tingimustel, juhul kui fluorestsentsi kutsub esile aine kiiritamine valgusega , ergastatakse kõrgemasse olekusse ainult tühine murdosa valgustavata aine aatomitest. Enamikus aatomitest jäävad elektronid põhiolekusse. Kui aga fluorestsentsi tekitada suure energiaga, intensiivse kontsentreeritud valgusvälgatuse abil, siis on lühikese ajavahemiku vältel ergastatud olekus rohkem elektrone kui põhiolekus, see tähendab seda et kõrgema energia tasemel olevate elektronide arv ületab madalamal energiatasemel olevate elektronide arvu. Säärast lühiajaliselt püsivat olukorda nimetataksegi pööratud jaotuseks.
Kui mingi kahe energiataseme vahel esineb elektronide pööratud jaotus ja sel hetkel siirdub üks elektron tagasi oma põhiolekusse , kiirates nagu tavaliselt fotooni, siis see footon möödub teel läbi aine paljudest teda ümbritsevatest ergastatud aatomitest ning võib neist ühe kiirgama stimuleerida. Niisugusel juhul leiab esialgse , protsessi algatanud fotooni ja hilisema, vallapäästetud footoni vahel aset interaktsioon , mille tulemusena asuvad mõlemad teele esialgse footoni reisisuunas, see tähendab et liiguvad samas suunas ja on praktiliselt koherentsed.
Kumbki selle paari footon võib äsjakirjeldatud protsessi korrata ning imelühikese ajavahemiku möödudes vallandub omamoodi ahelreaktsiooni tulemusena terve footonite laviin . Kõik footonid liiguvad ühes ja samas suunas, kõik on sama lainepikkusega ja kõik on optiliselt koherentsed. Tekkinud footonite laviini saab võimendada kui paigutada kogu süsteem kahe hästi peegelduva, samal ajal aga kergel läbipaistva peegli vahele, siis saalib äärmiselt koherentne ja teravalt suunatud valgustekimp edasi-tagasi piirkonnas, kus esineb pööratud jaotus. Valguse suure kiirus tõttu toimub see pidevalt kasvava intensiivsusega edasi-tagasi põrkumine välkkiirelt. Seega tekib kõigi tingimuste täitmise korral tohutult intensiivne, eriliste omadustega, väga lühiajaline valgusimpulss.“4

Optiline pumpamine

Optiline pumpamine mis tekitab pööratud jaotuse, toimub fluorestentsvalguse abil. Rubiin varrast ümbritseb ksenooniga täidetud spiraalne kvartstoru, mida omakorda piirab silindrikujuline peegel. Nüüd laetakse suur elektrokondensaator ning juhitakse läbi ksenoontoru võimas vooluimpulss. Kvartstorus tekib lühiajaline tohutult intensiivne ere valgusvälgatus, mille ümbritsev silindriline peegel rubiinvardale koondab. Just see võimas valgusimpulss põhjustabki pööratud jaotuse rubiinkristallis hajunud kroomiaatomites5.

LASERI 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).6

Rubiinlaser

„Pööratud jaotuse põhimõte realiseeeriti esimest korda rubiinlaseris, sünteetilisest rubiinist kristallvardas, millele valmistamise ajal oli lisatud tühine hulk kroomi(0,05%). Selline kroomikogus annab rubiinile roosa tooni. Just nimelt need ühtlaselt, otsekui metalliauruna kristallis hajunud kroomiaatomid on süüüdi laser kiirguses. Rubiinvarda kvaliteet peab olema esmaklassiline. Varda mõlemad otsad poleeritakse hästi tasaseks, esimestes laserites kaeti nad veel poolläbipaistva hõbedakihiga et esilekutsuda kiirte edasi-tagasi pendeldamisest tingitud võimendusefekti. Laseri käivitab optiline pumpamine.“7

Gaaslaser

„Enamik gaaslasereid on alalislaserid ning nende ergatamiseks rakendatakse neis harilikult töögaasis toimuvat elektrolahendust. Väga harva ergastatakse neid keemiliselt, valgus-või korpuskulaarkiiritusega. Elementaarkiirgureiks on neis aatomid , ioonlasereis ioonid , molekulaarlasereis molekulid. Molekullasereis rakendatakse võnkeseisundite vahelisi siirdeid. Sellise molekulaarlaseri kasutegur on 10-30%. gaaslaseritega on saavutatud seni ületamatut valguse koherentsust, monokromaatilisus ja suunatus. Võimsamad ja suurimad gaaslaserid on jugalaserid ehk gaasidünaamilised laserid . Neis lastakse tuline aktiivgaas läbi düüside ülehelikiiruslikult paisuda, kusjuures ta järsult 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 – väärtuslik abimees mitmete optiliste uurimustööde puhul. Mõõtmetelt üsna tillukesed, nii et neid saab koguni käes hoida.“8

Röntgen laser

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.9

Värvilaser

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).10

Elektronlaser

Elektronlasereis (vabaelektronlasereis) kiirgab ondulaatorit ehk võngutit läbiv ülikiirete, relativistlike elektronide kimp. Ondulaatoris lisandub elektronide kulgliikumisele nende võnkumne risti kulgemise suunaga. Mõningail tingimustel rühmitub elektronikimp ondulaatoris elektronisalkade jadaks, mis kiirgab koherentselt. 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.11

Tahkislaser

Tahkislaseri kiirgurkehaks on monokristall või klaasplokk, elementaarkiirgurid on lisandiiooniid või värvustsentrid. Tahkislaserid on enamasti mõõduka kasuteguriga (0,1-1%), kuid võimsad väikelaserid, mis genereerivad peamiselt spektri nähtavas ja lähi infrapunapiirkonnas. Tahkislasereid käivitatakse fotoergastusega ( võimsate välklampidega, teiste laseritega, sealhulgas pooljuhtlaseritega). Paljudel juhtudel rakendadakse neid hiidvälkerežiimis.12

Pooljuhtlaserid

Pooljuhtlaserid on tahkislaserite eriliik. Pöördhõive luuakse neis pooljuhikristalli juhtivus- ja valentsiooni vahel ning kiirgus tekib elektronide ja aukude stimuleeritud rekombineerumisel. See on üks kõige tavalisemaid laseritüüpe13

Dioodlaserid ehk injektsioonlaserid

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 tõhusamaid14

LASERITE KASUTAMINE

„Laserikiirguse rakendused saab jaotada kahte põhirühma.
1) Objektide mõjutamine laserikiirgusega: intensiivne, koondatud laserikiir võib objekti sulatada, aurustada, pihustada või plasmastada, orgaanilisi aineid koaguleerida või söestada. Objekte mõjutatakse näiteks laserkirurgias, lasertöötluses (lõikamisel, mulgustamisel, keevitamisel), termotuumaenergeetikas (kütuse viimiseks tiheda kuuma plasma seisundisse) ja laserrelvastuses. Vähem intensiivne laserikiiritus võib ajendada objektide sisemuundeid, näiteks purustada keemilisi sidemeid , muuta aine optilisi ja muid omadusi. Seda rakendatakse näiteks laserkeemias, seal hulgas isotoopide eraldamisel, mittelineaarses optikas, geenitehnikas, laserravis ja põllumajanduses.
2) Teabe hankimine ja töötlemine, teabe salvestamine, väljastamine, edastamine ja levitamine. Nende hulka kuuluvad laserite rakendused metroloogias ning kontrolli- ja tüürimisseadmeis (seal hulgas ülitäpsetel joonmõõtmistel, näiteks lasergüroskoopias), 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. Laserseadmed on oma l-ta analoogidest (kui need on olemas) enamasti tunduvalt tõhusamad, näiteks võib laserikiir sidekanalina sama ajaga edastada 103-105 korda 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.“15

Laser radarina

Radar määrab objekti asukoha kindal sagedusega raadiolainete objektilt tagasipeegeldumise järgi. Raadiolokaator teeb kindlaks objekti kauguse, mõõtes elektroonselt ära ajaintervalli raadiolainete väljasaatmise ja objektilt peegeldunud signaali saabumise vahel. Peegeldunud raadiolainete abil näeb objekti kuju ja piirjooni isegi läbi pilvede või tiheda udu.
Objekti täpse asukoha määramise seisukohalt on laserivalgusel raadiolainete ees mitmeid eeliseid. Esiteks kujutab laserivalgus endast väga kitsast kiirtekimpu. Teiseks on tal väga väike lainepikkus . Et raadiolokaator töötab mõne sentimeetrises lainepikkuste alas , siis tingituna lokalisatsiooni optikast ja lainete difraktsioonist läheb objekti täpse asukoha määramiseks vaja üsna suurt antenni. Sõltub ju igasuguse “optilise” süsteemi lahutusvõime vaatluseks kasutatava lainepikkuse ja “läätse” või “peegli” läbimõõdu suhtest .
Et laserivalguse lainepikkus on raadiolainete omast tublisti väiksem, siis on lainepikkuse ja optilise süsteemi apertuuri suhe rubiinlaserist väljuva valguse jaoks märksa väiksem kui sama suhe raadiolainete ja näiteks 100-meetrise diameetriga radarpeegli korral – laserkiirel on objekti asukoha täpsel kindlaks määramisel radari ees suuri eeliseid. Paraku muudavad suits, pilvitus ja udu laserkiirguse kasutamiskõlbmatuks, kuna nad hajutavad selle.
Kui laserikiir on suunatud kõrgest korstnast tõusvale suitsupahvakule, siis mida hõredam on suitsupilv, seda vähem peegeldub temalt laserivalgust tagasi. Ent laserikiired on niivõrd intensiivsed, et registreerivad suitsupilve ka siis, kui see on paljale silmale ammu nähtamatuks muutunud. Selle meetodi (hajumisefekti) abil on uuritud atmosfääri saastatust suitsuga.16

Laser puurina

„Laseriga saab puurida ülipeeni auke, näiteks kunstkiu või peentraadi tõmbesilmi valmistades( viimasel juhul eeskätt tehisteemandisse) või siis kellarubiinidesse pisikeste hammasrataste laagriteks. Kergesti saab teha ka keerulisi profiiliga avasid ja lõikeid: laserlõikurit on hõlpus juhtida arvutiabil, programmiliselt. Eeliseks on seegi et aukude, avade , lõigete servad ja lõikepinnad tulevad siledad, puhtad ja krassideta, nad ei vaja järeltöötlust. On laserseadmeid millel pooleteise sentimeetri paksusega terasplaati saab lõigata kiirusega 1 m/min , millimeetristplekki aga 12 m/min. Laserkiirte mõjutsoon on väga kitsalt koondatud. Erinevalt tavatehnoloogiatest ei kuumendata, moonutata ega kahjustata materjali lõikejoonest või keevitusliitest eemal.“17

Laser freesina

„Töödelda saab mitte ainutl lehtmaterjali vaid ka küllatki suuri materjaliplokke, juhtides laserkiirt nii et see lõikab välja kolmemõõtmelise eseme. Niiviis jäljendatakse freesimist. Siin on jälle oluliseks eeliseks see et keeruline detail projekteeritakse arvutiprogrammi kujul. Programmi saab kirjutada nii et raal selle järgi otse juhib laserkiirt, pole vaja mingeid lisarakiseid eseme valmistamiseks. Täpselt ja puhtalt on võimalik valmistada väga erineva kuj ja suurusega detaile, nii ülipisikesi kui ka üsna kogukaid. Keeruka kujuga esemeid ja osi tehakse ka raskesti töödeldavaist materjalidest pulbermetallurgia menetlusel, paagutades metallipulbreid laserkiirega.“18

Laser autotöösuses

„Lasertöötlus on eriti laialdast kasutust leidnud autotööstuses. Ameerika ja jaapani autotööstustes tehakse valdav osa autokerede keevisliidetest laseriseeritud konveierliinidel. Autotööstuste soosiv hoiak laserite kasutamiseks on tingitud sellest et autokerede valmistamisel on tarvis keevitada keeruka kujuga detaile ning seda saab teha väga hästi automatiseeritud laserite abil. Peale selle on laserkeevised väga puhtad ja kvaliteetsed et ei vaja mingit järeltöötlust.“19

Laser pinnatööstuses

„Laserite abil saab metallipindu muuta kulumis- ja korrosioonikindlamaks neid sobivalt valitud laserkiirega üle libistades (pindade laserlõõmutus , laserkarastus). Toodete täiustusvõimalusi avardab seegi, et nende pinnale saab laserkiirega peale sulatada teise materjali õhukese kihi või tekitada pindmise sulamikihi. Kattematerjal puhutakse laserkiirde sageli pulbristatud kujul vastavast tüüsist. Nõnda saab oluliselt tõsta näiteks lennukimootorite turbiinilabade vastupidavust ja töökindlust. On võimalik valmistada masinaosi, näiteks mootorikolbe kergest materjalist – alumiiniumsulamist, kattes nende pinda märksa vastupidavama olluse, titaankarbiidi õhukese kihiga . Enamasti on alusmaterjal vasupidavast kattematerjalist ka tunduvalt odavam.“20

Laser silmahaiguste ravimiseks

„Silmaarstid olid ühed esimesed laserite rakendajad üldse, tehes sellega algust juba 1960 aastate alguses, üsna pea pärast laseri leiutamist. Hõlpsasti silma juhitava laserkiirega saab mitmeid raskeid silmarikkeid parandad ilma senini vältimatu kirurginoa sekkumiseta, seejuures peaaegu vaevuseta ja sageli ambulatoorselt, patsienti haiglasse võtmata. Silma soonkesta irdunud võrkkesta paigaldatakse tagasi laser-oftalmokoagulaatoriga - punktkeevitusega sarnaneva menetluse teel. Ähvardavalt ränga silmatõve – glaukoomi- puhul vähendatakse silma haiguslikult tõusnud siserõhku , puurides laseriga sarvkesta avasid. Lühinägelikust ravitakse, kiiritades sarvkesta ultravalguslaseriga. See vähendab sarvkesta kumerust , nii et kesta ja silmaläätse koosmõjul langeb kujutis taas vikerkestale ja inimene hakkab jälle nägema selgesti ilma prillide või kontaktläätsede abita .“21

Laser kirurgias

„Kirurgias on laserkiirte oluline eelis terasskalpelli ees kiire täielik steriilsus ja veretus: kõrvetades peenemate veresoonte lõikekohti , ta ühtlasi suleb need. Soodne on ka see et peeni kiudvalgusjuhtmeid kaudu saab laserkiirt juhtida tõvestatu kohta mitmesugustes kehaõõntes, soontes jm ulma neid kirurgiliselt avamata. Nii on võimalik näiteks pihustada neeru- sapi – ja põiekive, kõrvaldada lubiladestusi veresoontes. Viies ohtlikesse kasvajatesse teatavaid laservalgust neelavadi pigmente, lagunevad kasvajad soodsatel juhtudel laserkiirituse toimel. Nahapinnale tekkinud kasvajaid saab mõnikord ka otse laserkõrvetuse teel kõrvaldada.“22

Lasergrammofon

Grammofon mis taasesitab heli digitaalselt heliplaadilt- kopmaktplaadilt- cd´lt. Kompaktplaadile salvestatud digitaalsignaali loeb optiliselt fotodiood , millele lange plaadilt peegeldunud väikesevõimsuseline pooljuhtlaseri kiir. Signaali lugemise joonkiirus on jääv, seepärast sõltub plaadi pöörlemiskiirus sellest, kui kaugel plaadi tsentrist mingil hetkel signaaliloetakse. Laseri automaatsüsteem tagab taasesituspea õige asendi plaadi suhtes, plaadi vajaliku pöörlemiskiiruse, palade otsimise plaadilt etteantud programmi järgi.
Sarnane lasergrammofonile on ka CD kirjutaja. Nende vahe seisneb selles, et viimane võimaldab salvestada andmeid CD´le. See seade on kõigile kättesaadav. Seega kõigil on võimalik ise endale CD plaate kirjutada, olgu selleks siis kasvõi näiteks muusika .23

Laser nurkade mõõtmiseks

„Nendes laserites, mida kasutatakse joonmõõtmiseks, pendeldab kiir edasi- tagasi kahe peegli vahel, läbides võimendavat aktiivainet paljukordi. Neid nimetatakse sirglaseriteks. Nurga mõõtmistel läheb vaja ringlasereid, milles genereeruv valgusvoog pannakse tsirkuleerima mööda kinnist kontuuri.
Ringlaseril rajaneb lasergüroskoop, riist millega saab mõõta nurkkiirust ja – nihkeid. Lasergüroskoopi kasutatakse laevade lennukite ja rakettide juhtimisel, tunnelite rajamisel ja mujal kus on vaja määrata nurknihkeid ja säilitada suunda ruumis.“24

Lasergüroskoobi ehitus

„Optilise ringresonaatri moodustavad kolm peeglit. Valgusallikas on heeliumi ja neooni seguga lahendustoru. Kui lasta torust läbi küllalt tugevalt lahendusvoolu, hakkab ringlasereis tsirkuleerima kaks vastassuunades levivat valguslainet. Ühe peegli kaudu lastakse osa kummastki lainest välja, kahest abipeeglist koostatud interfereomeetrisse. Nagu teisteski kaasaegsetes interfereomeetrites, registreerib interferentsipildi muutusi fotoelektriline tajur koos impulsiloenduriga.“25

Mõõtmine lasergüroskoobi abil

„Ringlaseris jooksevad pidevalt teineteisele vastu kask laserkiirguse lainet. Kui resonaator onpaigal, siis on võnkesagedus mõlemas laines sama kui aga resonaator panna rõnga tasapinnas pöörlema, siis kulub ühel lainel resonaatoris täistiiru tegemiseks rohkem, teisel aga vähem aega. Laserkiiruse sagedus sõltub resonaatori läbimiseks kuluvast ajast, seepärast tekib pöörlemisel vastassuundades levivate lainete sageduste vahel erinevus. See diferents on võrdeline pöörlemiskiirusega. Vastavalt on ka interferentsribade nihkumise kiirus seadme väljundis võrdeline resonaatori pöördumise nurkkiirusega . Registreeriv seade muundab heleduse muutudes voolutõugeteks. Pöördenurga määramiseks loendatakse registraatorisse tulnud fotovoolu impulsid , nurkkiiruse määramiseks tehakse kindlaks nende saabumise sagedus.
Lasergüroskoop suudab määrata nurkkiirusi, mis ulatuvad tuhandetest pööretest sekundis sajandikkraadini tunnis. Üks täispööre viimati mainitud kiirusega võtab aega üle nelja aasta. Kella tunniosuti pöörleb 3000 korda kiiremini. Säärane mõõtmistäpsus võimaldab näiteks kuunduda mitte kaugemale kui 10 kilomeetrit ettenähtud punktist. Mõningate hinnangute järi on lasergüroskoobi tundlikkuse piiriks nurkkiirust üks miljondik kraadi sekundis ehk üks pööre 40 000 aastaga.“26

Laserkeemia

Laserkeemia on füüsikalise keemia haru, mi uurib laserkiirgusega stimuleeritavaid keemilisi reaktsioone ning kemolasereis toimuvaid, monokromaatilisi koherentset elektromagnetkiirgust tekitada võimaldavaid protsesse. Laseri meetodeid rakendatakse näiteks ainete ( sealhulgas boraanide ja freoonide ) sünteesimiseks, sarnaste omadustega lisandite eraldamiseks puhastatavast ainest, eri isotoopide sarnaste ühendite üksteisest eraldamiseks ning lokaalseks pinnatööstuseks ja katmiseks. On kemolasereid, mille keemilise reaktsiooni energia otseselt ja lisaenergiata muundub kiirgusenergiaks.27

HOLOGRAAFIA

Gaaslaseril on võime katkematult kiirata heledat , äärmiselt koherentset valgust. Seda väärt omadust pööras oma kasuks uut liiki fotograafia, mida nimetatakse holograafiaks, sest ta kasutab kolmemõõtmelise kujutise andmiseks ära kogu optilise informatsiooni objekti kohta. Holograafia on ruumilise kujutise saamise meetod, mis põhineb objekti poolt tekitatud difraktsiooniefektide registreerimisel fotoplaadile ning mida seniajani on saatnud edu vaid koherentse valgusallika kasutamisel .
Holograafia põhimõtte formuleeris esimesena D. Gabor Lodonis 1949. aastal, ent praktikas võimaldas selle idee realiseerida alles laseri loomine. Esimesed õnnestunud hologrammid tehti alles 1963. aastal. Holograafia kujutab endast iseäralikku ruumilise pildi saamise võtet, kus objekti kujutis moodustub difraktsiooni tõttu, ilma kujutist tekitava läätse vahenduseta.
Koherentse valgusega valgustatud objektilt difrageerunud kiired on kõik koherentsed. Nad sisaldavad endas täielikku informatsiooniobjekti välimuse kohta. Praktikas saame säärase situatsiooni luua, valgustades objekti laserikiirtega. Kui nüüd objektilt difrageerunud koherentne valgus suunata fotoaparaadile, siis interfereeruvad valguskiired omavahel, moodustades punktidest, laikudest ja triipudest koosneva kireva segu, millel näiliselt pole esialgse objektiga midagi ühist, mis tõeliselt aga kätkeb täielikku optilist informatsiooni objekti välimuse kohta. Informatsioon on vaid salvestatud äärmiselt keeruka interferentsipildi näol.
Koherentne otsevalgus ja koherentne difrageerunud valgus interfereeruvad fotoplaadil. Tulemusena saadav interferentsiribade muster näib tähenduseta vöötide-täppide-tähnide tohuvabohuna, ent sisaldab tegelikult täielikku optilist informatsiooni objekti kuju, värvuse ja asendi kohta.
Üks hologrammi tegemise võimalustest on kujutatud joonisel(vt. Joon. 1 lk 22). Gaaslaserist tuleb koherentne valguskiir AB. Tähega B märgitud osa allikast lähtuvast valgusest langeb otse objektile O. Objektilt hajunud difrageerunud valguslainete kogum langeb fotoplaadile P ka tähega A märgitud osa samast koherentsest valgusest. Siin fotoplaadil need kaks kiirtekimpu interfereeruvad. Tekkiv interferentsipilt jäädvustub fotoplaadil. Saadav foto, hologramm, näib lähestikku asetsevate korrapäratute, kaootiliselt väänlevate ja keerduvate joonte-mullide rägana. Ometi on tähtis tõdeda, et selles interferentsiribade mustris kätkeva informatsiooni koguhulk on hoopis ulatuslikum kui tavaline foto iial anda suudaks. Hologramm sisaldab peale intensiivuste veel ju informatsiooni difrageerunud valguskiirte faaside kohta. Faasierinevused aga etendavad interferentspildi moodustumisel niisama tähtsat osa kui intensiivsuse erinevused. Hologramm võimaldab rekonstrueerida objekti ruumilist kujutist.
Holograafiat rakendatakse väikestest detailidest kujutiste tegemisel, võnkuvate plaatide uurimisel .28

KOKKUVÕTE

Uurimistöö käigus selgus et lasertehnoloogia näol on tegemist küllaltki vana tehnoloogiaga, mida on arendatud juba pikka aega. Aja möödudes on laserid muutunud palju ökonoomsemaks ja nende mõõtmed on oluliselt vähenendu. Samuti on juurde tekkinud hästi palju erinevaid laseri liike ja neil kõigil on erinev ehitus ja kasutusvaldkond , mis sõltub iga laseri individuaalsetest omadustest. Mida rohkem aeg edasi seda rohkem leitakse neile kasutusvaldkondi juurde ja leiutatakse juurde uusi laseri tüüpe või täiustatakse vanu veelgi edasi.
Uurimistöö algul püstitatud hüpotees, et laser tehnoloogia on küllaltki uus tehnoloogia pidas paika. Töö käigus tuli välja, et laseri aluseks olevale stimuleeritud kiirguse olemasolule looduses näitas juba Albert Einstein. Tõsi selle teooria rakendamiseni jõuti pea 50 aastat hiljem, kui lõpuks suudeti valmis teha esimene töötav laser, mille autorik oli Maiman ja valmis see 1960 aastal.
Minu teine oletus , et ei ole olemas eriti palju erinevaid laseri liike ei pidanud paika. Selle 49 aastaga mis on möödunud sellest ajast, kui esimene laser ilmavalgust nägi on teadlased leiutanud väga palju erinevaid laseri liike millest minul aimugi polnud ja igatühte neis kasutatakse erinevaks otstarbeks.

KASUTATUD ALLIKMATERJALID

Kalender 1999, 1998,

KÄÄMBRE, H., Laseri raamat, 1978,

KÄÄMBRE, H., Kolmekümneaastane patendisõda, Luup, 2000, nr 13

Laser Stars , http://laserstars.org/history/ (22.03.2009)

THE X-RAY LASER:FROM UNDERGROUND TO TABLETOP, https://www.llnl.gov/str/Dunn.html (22.03.2009)

TOLANSKY, S., Revolutsioon optikas, 1975,

WIKIPEDIA, http://en.wikipedia.org/wiki/Free_electron_laser (22.03.2009)

Lisa 1. Hologramm

Joonis 1. Hologrammi tegemise võimalus.
1KÄÄMBRE, H., Kolmekümneaastane patendisõda, Luup, 2000, nr 13
2Laser Stars, http://laserstars.org/history/ (22.03.2009)
3TOLANSKY, S., Revolutsioon optikas, 1975, lk 178
4TOLANSKY, S., Revolutsioon optikas, 1975, lk 178
5TOLANSKY, S., Revolutsioon optikas, 1975
6KÄÄMBRE, H., Laseri raamat, 1978
7TOLANSKY, S., Revolutsioon optikas, 1975, lk 179
8TOLANSKY, S., Revolutsioon optikas, 1975, lk 182
9THE X-RAY LASER:FROM UNDERGROUND TO TABLETOP, https://www.llnl.gov/str/Dunn.html (22.03.2009)
10KÄÄMBRE, H., Laseri raamat, 1978, lk 74-78
11WIKIPEDIA, http://en.wikipedia.org/wiki/Free_electron_laser (22.03.2009)
12KÄÄMBRE, H., Laseri raamat, 1978, lk 59-66
13Sealsamas, lk 59-66
14Sealsamas, lk 55-66
15KÄÄMBRE, H., Laseri raamat, lk
16TOLANSKY, S., Revolutsioon optikas, 1975, lk 187
17Kalender 1999, 1998, lk 63
18Sealsamas, lk 63
19Sealsamas, lk 64
20Kalender 1999, 1998, lk 64
21Sealsamas, lk 65
22Sealsamas, lk 65
23KÄÄMBRE, H., Laseri raamat, 1978, lk 113
24Sealsamas, lk 114
25Sealsamas, lk 114
26KÄÄMBRE, H., Laseri raamat, 1978, lk 114-115
27Sealsamas, lk 180-185
28KÄÄMBRE, H., Laseri raamat, 1978, lk 180-185