- λέιζερ
- (laser). Διάταξη παραγωγής ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων με συχνότητα που αντιστοιχεί στην περιοχή του ορατού φάσματος ή κοντά σε αυτό. Ο όρος λ. προέρχεται από τα αρχικά των αγγλικών λέξεων: Light Amplification (by) Stimulated Emission (of) Radiation (ενίσχυση φωτός δι’ εξαναγκασμένης εκπομπής ακτινοβολίας) που ορίζει ακριβώς τη λειτουργία της διάταξης.
Το λ. προέρχεται από το μέιζερ (maser: Microwave Amplification [by] Stimulated Emission [of] Radiation = ενίσχυση μικροκύματος δι’ εξαναγκασμένης εκπομπής ακτινοβολίας), από το οποίο διατηρεί τη φυσική αρχή λειτουργίας. Επινοήθηκε το 1958 από τους Αμερικανούς φυσικούς Άρθουρ Σάβλοφ και Τσαρλς Θόουενς και κατασκευάστηκε το 1960 από τον Θίοντορ Μέιμαν, ο οποίος χρησιμοποίησε για τον σκοπό αυτόν καθαρό κρύσταλλο ρουβινίου (ρουμπίνι Al2O3 με προσμείξεις Cr3+). Στα επόμενα έτη πραγματοποιήθηκαν τα λ. αερίων (1961), ημιαγωγών (1962) και υγρών (1963). Το λ. αποτελείται βασικά από μια κοιλότητα συνήθως κυλινδρικής μορφής, τον λεγόμενο σωλήνα λ., που περιέχει μια ουσία στερεά, υγρή ή αέρια, το υλικό λ., και περικλείεται στα άκρα από δύο παράλληλα κάτοπτρα, το ένα ολικής (100%) και το άλλο μερικής (90-99,5%) ανάκλασης. Η ουσία που περιέχεται στον σωλήνα λ. αποτελείται από ενεργό υλικό, εκείνο δηλαδή που συμμετέχει στις διαδικασίες εκπομπής, και από αδρανές υλικό, που χρησιμεύει συνήθως για να συγκρατεί το ενεργό υλικό. Στο εξωτερικό του σωλήνα τοποθετείται μια διάταξη διέγερσης (άντληση) του ενεργού υλικού, η οποία λειτουργεί, ανάλογα με τον τύπο του λ., δι’ εκκένωσης, δι’ αναλαμπών, διά της εισαγωγής ηλεκτρικών φορτίων ή δι’ εφαρμογής πεδίου ραδιοσυχνότητας.
Όπως προαναφέρθηκε, η λειτουργία του λ. βασίζεται στην εκμετάλλευση του φαινομένου της εξαναγκασμένης εκπομπής. Το φαινόμενο αυτό μπορεί να ερμηνευθεί αν ληφθεί υπόψη ότι φωτόνια ή κβάντα φωτός με κατάλληλη ενέργεια μπορούν, καθώς διέρχονται από μια ουσία, να προκαλέσουν δύο γεγονότα: διέγερση, κατά την οποία τα ηλεκτρόνια των ατόμων της ουσίας μεταπηδούν σε μια υψηλότερη ενεργειακή στάθμη απορροφώντας τα φωτόνια· αποδιέγερση, που συντελείται με τη μετάβαση των ηλεκτρονίων σε χαμηλότερες ενεργειακές στάθμες, με επακόλουθο την εκπομπή φωτονίων (σε αυτό ακριβώς συνίσταται η εξαναγκασμένη εκπομπή). Υπό κανονικές συνθήκες, αφού η πλειονότητα των ατόμων σε μια ουσία, σε θερμοδυναμική ισορροπία, βρίσκεται στη χαμηλότερη ενεργειακή κατάσταση, θα υπερισχύσουν οι διαδικασίες διέγερσης με επακόλουθο την απορρόφηση των φωτονίων. Έτσι, επίσης υπό κανονικές συνθήκες, μια μονοχρωματική δέσμη φωτός χάνει ενέργεια κατά τη διέλευσή της από μια ουσία.
Στο λ., αντίθετα, προκαλείται η τεχνητή αύξηση του αριθμού των ατόμων που βρίσκονται σε υψηλότερη ενεργειακή κατάσταση (αναστροφή πληθυσμού) διά της θέσης του ενεργού υλικού, υπό την επίδραση μιας ακτινοβολίας διέγερσης. Καθώς διέρχεται μέσα από το ενεργό υλικό, στο οποίο υπερισχύουν τα διεγερμένα άτομα, η ακτινοβολία παράγει έναν αριθμό αποδιεγέρσεων και επομένως εκπομπές αρκετά μεγαλύτερες από εκείνες που προέρχονται από τις διεγέρσεις, με αποτέλεσμα η αναδυόμενη από το λ. ακτινοβολία να προκύπτει εξαιρετικά ενισχυμένη. Η αύξηση της έντασης της ακτινοβολίας γίνεται σε βάρος εξωτερικού έργου, αναγκαίου για την αλλοίωση της κατανομής των ατόμων στις ενεργειακές στάθμες.
Η περιγραφή αυτού του μηχανισμού εκπομπής διασαφηνίζει τον λόγο που το λ. είναι μια πηγή σύμφωνου φωτός τόσο στον χώρο όσο και στον χρόνο, αντίθετα απ’ ό,τι συμβαίνει, για παράδειγμα, σε μια λάμπα εκκένωσης (μια συνήθης φωτεινή πηγή αποτελείται από ένα μεγάλο πλήθος στοιχειωδών φωτεινών πηγών, εκ των οποίων παράγονται φωτεινά κύματα που παρουσιάζουν διαφορά φάσης και συχνότητας μεταξύ τους). Σε αυτήν, η εκκένωση παράγει μόνο τη διέγερση ενός μεγάλου αριθμού ατόμων ή μορίων του αερίου που υπάρχει μεταξύ των ηλεκτροδίων της λάμπας. Τα σωματίδια που διεγέρθηκαν εκπέμπουν μετά φως εξαιτίας της αυθόρμητης αποδιέγερσης, φαινόμενο που δίνει αφορμή σε εκπομπή ασύμφωνου φωτός, δεδομένου ότι συντελείται με καθυστέρηση εντελώς τυχαία σε σχέση με τη διέγερση. Το λ. αντίθετα αποτελεί μια πηγή συμφώνου φωτός, γιατί το φως παράγεται από έναν μεγάλο αριθμό ατόμων, τα οποία αποδιεγείρονται συγχρόνως από τον εξαναγκασμό της προσπίπτουσας ακτινοβολίας.
Ένα άλλο χαρακτηριστικό του φωτός λ. είναι η υψηλή κατευθυντικότητα που παρέχεται από τη γεωμετρική κατασκευή της διάταξης. Πράγματι, τα εκπεμπόμενα φωτόνια με υπό γωνία διεύθυνση ως προς τον άξονα του σωλήνα λ. εγκαταλείπουν το σύστημα και διασκορπίζονται, ενώ εκείνα που εκπέμπονται παράλληλα προς τον άξονα διαδίδονται ώσπου να φτάσουν στα κάτοπτρα που είναι τοποθετημένα στα άκρα του σωλήνα. Σε αυτό το σημείο, διατρέχουν επανειλημμένα ολόκληρο το μήκος του σωλήνα πριν εξέλθουν τελικά μέσα από το ημιδιαφανές κάτοπτρο. Επειδή κατά τη διάρκεια αυτής της παλινδρομικής κίνησης τα φωτόνια, συγκρουόμενα με τα διεγερμένα άτομα του ενεργού υλικού, τα εξαναγκάζουν να εκπέμψουν νέα φωτόνια της ίδιας φάσης και του ίδιου μήκους κύματος, γίνεται αντιληπτό με πόση ταχύτητα το κύμα ενισχύεται προοδευτικά σε ένταση, διατηρούμενο κατ’ αυτό τον τρόπο τελείως σύμφωνο.
Το μήκος του σωλήνα έχει υπολογισμένες διαστάσεις, έτσι ώστε να αποτελέσει μια κοιλότητα συνήχησης (το μήκος του είναι ίσο προς ένα ακέραιο πολλαπλάσιο του μισού μήκους κύματος της ακτινοβολίας λειτουργίας).
Τα λ. που χρησιμοποιούνται σήμερα ταξινομούνται ανάλογα με το ενεργό υλικό και το σύστημα άντλησης που χρησιμοποιούν. Τα λ. στερεάς κατάστασης χρησιμοποιούν γενικά υαλώδεις ουσίες ή ράβδους μονοκρυστάλλων ως αδρανές υλικό και ιόντα λανθανίου (La) ή άλλων μετάλλων ως ενεργό υλικό. Το σύστημα άντλησης είναι οπτικού τύπου συνεχούς λειτουργίας ή κατά παλμούς, ανάλογα με την ισχύ της διάταξης, και χρησιμοποιούνται λάμπες αερίου ξένου (Xe), βολταϊκού τόξου, ατμών υδραργύρου (Hg) ή ξένου και πυράκτωσης. Στα λ. αερίων χρησιμοποιείται γενικά μείγμα ηλίου-νέου (He-Ne), νέου-οξυγόνου (Ne-O2), αργόν (Ar), κρυπτόν (Kr), ξένον (Xe) και διοξείδιο του άνθρακα (CO2), και σύστημα άντλησης με ηλεκτρική εκκένωση ή πεδίο ραδιοσυχνότητας. Μπορούν να λειτουργούν διαρκώς ή κατά παλμούς με ισχύ εξόδου κυμαινόμενη μεταξύ μιλιβάτ και μεγαβάτ.
Οι δύο αυτοί τύποι, δηλαδή στερεάς κατάστασης και αερίου, είναι εκείνοι στους οποίους έχουν γίνει τα περισσότερα πειράματα και είχαν αρχικά αξιοποιηθεί πρακτικά. Υπάρχουν επίσης τα λ. υγρής κατάστασης, στα οποία χρησιμοποιείται ένα ενεργό διάλυμα (ιόντα σπάνιων γαιών και οργανικές συνθέσεις) μέσα σε ένα διαλυτικό αδρανές και άντληση οπτικού τύπου (δηλαδή από εξωτερική φωτεινή πηγή), καθώς επίσης και τα λ. ημιαγωγών με άντληση διά εισαγωγής φορτίων. Το 1966 δοκιμάστηκε ακόμα η δυνατότητα να χρησιμοποιηθούν, ως ενεργό υλικό, μερικά μόρια χρωστικών οργανικών ουσιών μέσα σε αδρανές υλικό υγρό, για παράδειγμα νερό (H2O) ή αλκοόλη (C2H5OH), ή στερεό (για παράδειγμα, Plexiglas).
Τα λ. οργανικών χρωστικών παρουσιάζουν μεταξύ άλλων το χαρακτηριστικό ότι έχουν τη δυνατότητα εκπομπής σε οποιοδήποτε μήκος κύματος του ορατού φάσματος. Η εστίαση του σύμφωνου φωτός, που παράγεται από ένα λ., σε ένα εμβαδόν με διαστάσεις λίγων μηκών κύματος, επιτρέπει την επίτευξη μεγάλων συγκεντρώσεων ενέργειας. Το φαινόμενο έχει ευρεία διάδοση στη χειρουργική (επεμβάσεις στον αμφιβληστροειδή, σε όγκους κ.α.), στην επεξεργασία με ακρίβεια επί σκληρών υλικών (τήξη, κοπή, διάτρηση κλπ.) και γενικότερα σε όλες τις εφαρμογές που απαιτούν υψηλές συγκεντρώσεις ενέργειας σε πολύ περιορισμένες επιφάνειες.
Μεγάλο επίσης ενδιαφέρον παρουσιάζουν οι εφαρμογές του λ. στον τομέα των τηλεπικοινωνιών. Μεταξύ των στοιχείων που ευνοούν το σύστημα τηλεπικοινωνίας με λ. είναι η μεγάλη χρησιμοποιήσιμη περιοχή συχνοτήτων (πλάτος ζώνης) με αυτή τη διάταξη, εκτός βέβαια της μεγάλης κατευθυντικότητας και του εντοπισμού της δέσμης στον χώρο. Η εκπομπή μπορεί να γίνει είτε κατευθείαν στον ελεύθερο χώρο είτε σε οπτικές ίνες. Το εκπεμπόμενο κύμα πρέπει να είναι φυσικά διαμορφωμένο, να μεταβάλλεται δηλαδή κατά μερικές παραμέτρους (συχνότητα, φάση, εύρος κλπ.), ώστε να μπορέσει να μεταφέρει πληροφορίες.
Ακτίνες λ. κατά παλμούς με πολύ υψηλή ισχύ (και πέραν του μεγαβάτ) επέτρεψαν σημαντικές προόδους στον τομέα της επιστημονικής έρευνας, που αφορά τη δομή της ύλης και τις ατομικές και μοριακές ιδιότητες. Σε αυτό τον κλάδο της έρευνας αξιοποιείται ακόμη και η πολύ μικρή διάρκεια του παλμού (10-8 έως 10-15 δευτ.) προκειμένου να διασαφηνιστούν μερικά μεταβατικά φαινόμενα που υπάρχουν στη δομή των ατόμων.
Ενδιαφέρουσες λύσεις, αρκετά απλές και οικονομικές, προσέφερε το λ. ακόμα και σε πολλά άλλα, πρακτικής φύσης, προβλήματα, που συνδέονται με τους πλέον ποικιλόμορφους τεχνικούς τομείς· για παράδειγμα, η χρήση του στην τοποθέτηση καλωδίων και πετρελαιαγωγών, στην επισήμανση ελάχιστων υποχωρήσεων σε έργα τοιχοποιίας (υδατοφράγματα, γέφυρες κλπ.), στην αυτόματη επεξεργασία μεταλλικών αντικειμένων, όπου η κατευθυντικότητα και ο εντοπισμός της ακτίνας λ. επιτρέπουν τις πιο ακριβείς ευθυγραμμίσεις.
Σήμερα, η ευρύτερη χρήση των λ. απαντάται στις συσκευές αναπαραγωγής ήχου και δεδομένων (compact disk), σε εκτυπωτές υψηλής ευκρίνειας, σε τηλέμετρα (όργανα για μέτρηση αποστάσεων), σε οπτικούς δείκτες λ. (laser pointers) και τέλος στην οπτική επένδυση μουσικών θεαμάτων.
1. Κανονική κατάσταση, όχι σε διέγερση: όλα σχεδόν τα άτομα του υλικού λέιζερ βρίσκονται στη χαμηλότερη κατάσταση ενέργειας.
2. Αναστροφή του πληθυσμού των ατόμων: η εξωτερική διέγερση «αντλεί» έναν αριθμό ατόμων σε ανώτερες ενεργειακές στάθμες.
3. Εκπομπή λέιζερ: τα σε διέγερση άτομα μεταπηδούν σε κατώτερες στάθμες, εκπέμποντας φωτόνια με την ίδια συχνότητα και φάση.
Α. 1) σωλήνας λέιζερ· 2) υλικό λέιζερ υγρό· 3) λυχνία (με αέριο ξένο) για «οπτική άντληση»· 4) κάτοπτρο· 5) θάλαμος στάθμης του υγρού· 6) διάκενο· 7) ψυκτικό υγρό· 8) ακτίνα λέιζερ.
Β. 1) υλικό λέιζερ στερεό· 2) σπειροειδής λυχνία «οπτικής άντλησης»· 3) σκανδάλη· 4) διάκενο· 5) ψυκτικό υγρό· 6) ακτίνα λέιζερ.
Γ. 1) σωλήνας λέιζερ· 2) υλικό λέιζερ αέριο (αέριο καθαρό ή μείγμα αερίων)· 3) κάτοπτρο· 4) διάκενο· 5) ψυκτικό υγρό· 6) «άντληση» με ηλεκτρικές εκκενώσεις· 7) γωνία Brewster· 8) ακτίνα λέιζερ.
Οι ακτίνες λέιζερ χρησιμοποιούνται και στην οπτική επένδυση ποικίλων θεαμάτων.
* * *τοφυσ.1. διάταξη σύμφωνης ενίσχυσης ή παραγωγής ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων με χρήση τής ενέργειας διεγέρσεως ατομικών ή μοριακών συστημάτων που βρίσκονται σε κατάσταση συντονισμού2. η ακτινοβολία που εκπέμπεται από μια τέτοια διάταξη («ακτίνες λέιζερ»).[ΕΤΥΜΟΛ. Μεταφορά στην ελλ. ξεν. όρου, πρβλ. αγγλ. laser, που είναι προφορά τής ακρωνυμίας η οποία σχηματίζεται από τα αρχικά γράμματα τών λέξεων: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation «ενίσχυση φωτός με εξαναγκασμένη εκπομπή ακτινοβολίας»].
Dictionary of Greek. 2013.
