LASER

1
(No Transcript)
2
LASER
Mis?
Kuidas?
Milleks?
Henn Käämbre Tartu Ülikooli Füüsika Instituut
3
Loeng TÜ bio-geo-teaduskonna 2. kursuse
tudengitele Vanemuise t ringauditooriumis 24.
okt . 2005
4
Roy Glauber, 80, USA Harvardi Ülik. professor
John Hall, 71, USA Colorado Ülik. professor
Theodor Hänsch, 63, Saksamaa, Müncheni Ülik.
professor
2005. A. Nobeli füüsikalaureaadid
Üldse on laseritega seotud tööde eest määratud 16
Nobeli füüsikaauhinda (incl. 2005)
5
(No Transcript)
6
TÜ FI laserilaboris
7
Mis?
Laser on tehisvalgusallikas, mis eristub
teistest valgusallikatest, tavavalgustitest
(elektripirn, luminestsentslamp, neoontoru jt)
selle poolest, et kiirgab kitsaid (suunatud)
valguskimpe, mis on koherentsed, monokromaatsed
ja võivad olla ülieredad (intensiivsed). Laserik
iirt saab ülimalt koondada ruumis (ülipeeneks
µm suurusjärgus valgustäpiks) ja ajas (piko-
koguni femtosekundi 10-12 10-15 s
suurusjärgus välkeks e impulsiks).
8

• Light
• Amplification (amplifier) by
• Stimulated
• Emission of
• Radiation
• Akronüüm, lühendsõna, vrd USA, NATO
• Valguse võimendus (võimendi) stimuleeritud
  kiirguse kaudu
• võimendi ? generaator

9
Koherentsus
Koherentsed lained (a) võnguvad ühistaktis
(muutumatu faasi- vahega), levivad kõik samas
suunas, mittekoherentsed (b) võn- guvad kõik
eri taktis (faasivahe ei püsi) ja levivad
suvalistes suundades. Koherentseid valguslaineid
kiirgavad laserid, mittekoherentseid
tavavalgustid (elektripirn, küünal.... ka Päike)
10
Interferents
lad inter seas, ferens kandev Laine
harihari, nõgunõgu ? max, harinõgu ? min
LAINEPILDIS... ... JA FOOTONITE PILDIS
R.Glauber, kvantoptika isa, näitas (1963)
teoreetiliselt, kvantelektro- dünaamikat
rakendades, et valguse koherentsus tähendab
footonite seostatust, korrelatsiooni. Footonid
koonduvad just sinna, kus lainepildis on
interferentsmaksimumid. Kvantoptika on kujunenud
viljakaks uurimisvallaks.
11
Kui mu teooria osutub õigeks, ütlevad
prantslased, et ma olen kosmopoliit, aga
sakslased et ma olen sakslane kui ta osutub
valeks, ütlevad prantslsed, et olen sakslane,
sakslased et olen juut.
Albert Einsteini on vahel nimetatud ka laseri
vanaisaks. Aastal 1916 näitas ta, et peale
vabakiirguse peab looduses eksisteerima ka
stimuleeritud e sundkiirgus. Einsteini üliviljaka
aasta 1905 järgi on välja kuulutatud
rahvusvaheline füüsika-aasta 2005.
12
Esmiklaser
Theodore Maiman 1927 USA -- tegi 1960 maailma
esimese laseri rubiinlaseri (16.V1960).
Rubiin Al2O3Cr3 Cr punane kristall, punane
kiirgus, ? 634 nm Maiman pole nobelist
13
Üks nüüdislasereid
14
Maiman toetus teooriaalustele, mille andsid
Aleksandr Prohhorov 1916 2002 NSVL
Charles Townes 1915, USA
Arthur Schawlow 1921 1999, USA
Nikolai Bassov 1922 2001, NSVL
Townes, Bassov, Prohhorov Nobeli preemia 1964
Schawlow 1981.
15
Tehnikahuvilise ema õhutusel huvitub noor Gordon
leiutamisest,jumaldab Edisoni, Belli, Marconit,
unistab ise leiduriks saada. Töötades
doktorantuuris Townesi käe all tutvub maserite
printsiibiga. Tähetund ööl vastu 10
novembrit 1957 ta visandab märkmikku enamiku
laseri printsiipe ja rakendusvõimalusi, vermib
sõna LASER, deponeerib märkmiku notariaalselt.
1959 esitab patendi- taotluse hilja, Schawlow
ja Townes edastasid. Algab 30-aastane
patendisõda, vist pikim ajaloos, mille Gould
lõpuks võidab. Tema vastu olid laserifirmad,
föderaal- valitsus. Kuid 1985. aastaks olid
teiste patendid aegunud, ja Gouldi taskusse
hakkavad litsentsitasudena voolama kümned
miljonid. Fanaatiline sihikindlus ja jonnakus
olid eesmärgile jõudnud. Autokoormad toimikuid,
otsuseid, patendid korda antakse, kord
tühistatakse. Koguni Archimedesele
vihjatakse. Lähemalt ajak Luup, 21. juuli 2000,
lk 22-23.
Gordon Gould s. 1920, USA
16
Kuidas...
...laser toimib?
Laseri toimimise aluseks on stimuleeritud kiirgus
17
Siirded kahe valitud energiataseme vahel
aatomis/molekulis
Kui tavaliselt käsitletakse elektrone
energiatasemetel, siis aatomihulkade puhul, nagu
laseris, tuleb vaadelda aatomeid
energiatasemetel. Seejuures peame silmas muidugi
aatomeid, mille teataval tasemel paikneb
elektron. Taset iseloomustab E taseme
energia N aatomite hulk tasemel, taseme hõive e
asustatus t aatomi (tema elektroni) püsimisaeg
tasemel e taseme eluiga Metastabiilne on
ergastatud tase, millel elektron (aatom) püsib
tavatult kaua, t suurusjärgus 10-3 s, ergastatud
tavataseme 10-8...10-9 s vastu. Põhjus
kvantmehaanilised siirdekeelud (keelureeglid).
18
Stimuleerima, stimulatsioon ? sundima stimulus
(lad.) astel /eeslite sörkima õhutamiseks/
Stimuleeritud e indutseeritud kiirgus
sundkiirgus. Vastand Spontaanne kiirgus e
vabakiirgus Spontaanne ? sponte sua (lad.)
vabal tahtel spontaneus (lad.) isetekkeline
indutseeritud ? inducere (lad.) sisse juhtima
E2
Valgus võimeneb
E, N, t
B12?N1
E1 lt E2
AN2
B21?N2
Siirdetempo
E1
? kiirgus-tihedus
Footon, hf E2-E1
sundkiirgus
neeldumine
vabakiirgus
Elektron all
B12 B21 B
Elektron ülal
Sundsiirete tempo määrab kas N1 gt N2 või N2 gt N1
19
Spontaanne siire ja stimuleeritud siirded
20
Kui neeldumise tõttu ainet läbiv valgus
nõrgeneb, siis stimuleertud kiirguse tõttu
ainet läbiv valgus tugevneb, VÕIMENEB
(negatiivne neeldumine).
21
Tavahõive... ja pöördhõive
2
1
N1 lt N2
N1 gtgt N2
T gt 0
T lt 0
NEGATIIVNE ABSOLUUTTEMPERATUUR
22
Laseriehituse põhiprobleemkuidas saavutada
pöördhõivet?
23
Kas pöördhõive on saavutatav üksnes kahte
energiataset rakendades, s.o. võimendada
aktiivainele langevat kiirgust sagedusel hf E2
E1?
-- Ei! Mida rohkem siirdeid üles, seda enam
suureneb N2. Mida suurem N2, seda enam toimub
siirdeid alla, kuni jõutakse tasakaaluni, N1
N2, kuid mitte pöördhõiveni, N2 gt N1. Tuleb
rakendada aatomite vahepealsete kuhjumisladudena
metastabiilseid tasemeid.
N2
E2
N1
E1
24
Kolmik- ja neliksiirdelaseri energiatasemed
25
Laseri üldskeem
Ergasti
Kiirgur (aktiivaine)
Laserikiir
Poolläbipaistev
Läbipaistmatu
Resonaator (peeglipaar)
26
1. Stardivalmis rubiinlaser
2.Välklamp sähvatas
27
3. Välklamp sähvatas, ergastas aatomid
pöörd- hõivesse
4. Footonid pendeldavad peeglite vahel,
stimuleerides üha uusi kiirgusakte, tekib
kiirguslaviin
28
5. Valguslaviin, koherentne suunatud laserikiir
väljub läbi poolläbipaistva peegli.
Suuna annavad kiirele peeglite telgjoon ja
kiirguri pikergune kuju võimenevad vaid
pikisuunas levivad/peegelduvad valguslained
(footonid), ristsuunas levijad väljuvad
kiirgurist võimenemata, laserikiirde lisandumata
.
29
Laseriliike

• Töörežiimi järgi
• Välke- e impulsslaserid (10-3...10-14 s)
• Alalislaserid

• Kiirguri järgi
• Tahkislaserid
• Gaaslaserid
• Vedeliklaserid (tellitava lainepikkusega
  värvlaserid)
• Pooljuhtlaserid (dioodlaserid)

• Ergasti järgi
• Välklambiga
• Elektrivooluga gaasis
• Elektrivooluga pooljuhtdioodis
• Keemilise reaktsiooniga (kemolaserid)

30
Kasutavamaid laseritüüpe
31
Laserite iseloomulikke näitajaid

• Erinevate laseritüüpide...
• ...kiirgus langeb lainepikkuste vahemikku 1000
  µm...3 nm, s.o. ulatub üle 6 suurusjärgu
• ... võimsus on 10-9... 1020 W (s.o. varieerub 29
  suurusjärgu
• piires)
• ... mõõtmed varieeruvad juuksekarva läbimõõdust
  kuni suure hoone gabariitideni
• ... laserivälked võivad kesta üksnes 6 10-15 s
  ehk mõne femtosekundi

32
MILLEKS LASER KÕLBAB?
33
Kus kohtate laserit argielus?
CD (kompaktplaat), CD-mängija
Kassaautomaat (vöötkoodi lugeja)
Maamõõdus
Laserviip (ingl. laser pointer)
Valgusside (optilised kiud, kiudkaablid)
Laservaatemängud (laseršõud)
Hologrammid (turvamärgised rahatähtedel jm)
34
Laserside

• Pürgimine kõrgematele sagedustele (esialgu
  MASERid) sai tõukejõuks laserite loomisel
• Kollased postid teede ääres kiud-valguskaablite
  tähis
• Telefoni-, faksi- ja arvutiside
• Kaabeltelevisioon
• MIKS valgusjuhtmed, mitte kiired õhus?

35
Kiudvalgusjuhe (optiline fiiber)
Kokkukeritud valguskiir
36
Kiudvalgusjuhtme...
...ristlõige
... ja pikilõige
Kaitsekate
Ümbris (cladding)
Südamik
n
37
Bioloogia (raku- ja molekulaar-bioloogia,
biomeditsiin)
38
Laserpintsett I
Läbipaistev kübe kistakse valguse murdumisel
edasiantava impulsi mõjul kiire keskmesse ja
lükatakse valguse rõhu toimel valguse levisuunas.
Heledusjaotus laserikiires
39
Laserpintsett II
Laserikiir
Objektiiv, 100
Katteklaas
Alusklaas
Preparaat
Nihutatav alus
40
Laserpintsett III
41
Laserkirurgia

• Oftalmoloogia laser-silmaoperatsioonidega nt
  irdunud
• võrkkesta tagasikeevitamine algasid 1960ndail
  laseri
• rakendused glaukoomi ravi
• Laserskalpell veretu, kauteriseeriv (kalgendav)
• Võtmeaugu-operatsioonid

42
Laser-silmakirurgia
LASIK (Laser In-Situ Keratomileusis).
43
Laserteraapia

• Nahahaiguste ravi
• Sünnimärkide, tätoveeringute, nahakortsude
• kõrvaldamine (laser-iluravi maailmas eriti
  levinud,
• Internet1996 1 mln kosmeetilist lasermenetlust,
  2000
• aastaks oodati 3,4 mln).

enne ...
... ja pärast lasermenetlust
44
Laserravi vaseaurude laseriga
TÜ nahahaiguste kliinikus, TÜ FI, Estla loodud
aparatuuriga
45
Laserravi II
Ekseemi kiiritus labakäel
Pigmendilaikude kõrvalda-mine (Dr. M.Reidla)
46
Tähelepanu! LASER ON OHTLIK!
47
(No Transcript)
48
Ettevaatust, laserivalgus!
49

Laseriohu hoiatusmärgid
50
Lasermõõturid, navigatsiooniseadmed
51
Laser-vaaderpass (vesilood)
Laser-nurgamärkija
Laser-mõõdulint
Laserlood nöörloodi asendaja
52
(No Transcript)
53
Laser-dokkimisseade
54
Laserkamm
Theodor Hänsch
John Hall
Valguse sagedus f 1015 Hz Laserkammi täpsus
(suhtviga) 1015, s.o valguse sagedust saab
määrata 1 Hz täpsusega
55
Ülikõrged temperatuurid,rakendused tehnikas,
sõjanduses

• Erinevate materjalide (metall, mineraalid, puit,
  plastikud)
• lõikamine, puurimine, keevitamine, pinnatöötlus,
  graveerimine
• Lasertuumatuli termotuumareaktsioonid
  laserenergeetika.
• Laserrelvad

56
Laserkeevitus
Laser welding of the Passat at Volkswagen, Emden
57
Laser-termotuumatehnika tuleviku energeetika?
Photograph of the inside of the NIF laser target
chamber. This 10-metre diameter vessel will be
sealed to provide a vacuum environment, allowing
the laser to interact with a millimetre-scale
ìtargetî suspended at the chamber centre. The
various holes in the chamber are to allow the 192
laser beams to enter and to allow diagnosis of
the ensuing plasma explosion.
58
USA laserrelv
Rob Hewson, the editor of Jane's Air Launched
Weapons, said "The laser will be the atomic
weapon of the 21st century. Since the 1970s, US
scientists have conducted a series of secret
experiments in the Nevada desert using lasers.
April 21, 2004
59
USA 100-kW ründelaser
60
Laseriga relvastatud hävitajad võivad lahingusse
astuda juba a. 2015 (New Scientist.com, July 20,
2002)
61
WTC, New York, 11. sept. 2001
Christofer Bollyn, American Free Press Ajaloo
suurim varing, hukkus 3000 inimest. Kahtlustatakse
, et terroristide lennukeil oli laserrelv (tekkis
keravälguga sarnanev plasmoid), mis tekitas
ülikõrge temperatuuri (1700o C tavapõleng
900oC) tõusis tohutu tolmupilv betoon
tolmustus, paljud ohvrid aurusid (to!) põleng
kestis 3 kuud, vaatamata pidevale uhtmisele
veega. Eksperdid analoogilisi tolmustamisi on
täheldatud varem laserrelva katsetamisel/demonstra
tsioonil. Selline laserrelv on algselt loodud N.
Liidus. Praegu seda arendatakse/täiustatakse
USA-Iisraeli ühistöös tohutute summade varal.
Bushi administratsioon väldib WTC pädevat
uurimist. USA kindral John CastelloOleme ulme
muutnud tegelikkuseks
62
Kontrastiks laserkülmutus, ülimadalad
temperatuurid
63
Laserkülmutus
Mikrokelvinid ? nanokelvinid v 104 cm/s ? 1cm/s
Ülikülm aurupilv
64
Laserid füüsikas, keemias

• Laserspektroskoopia (FI spektrisälkamine)
• Mittelineaarne optika
• Keemiliste reaktsioonide käigu täppisuurimine ja
  mõjutamine, ka keemiatööstuses

65
Täiendlugemist

• W.T.Silfvast. Lasers.
• In Handbook of Optics, vol. 1, Chapter 11
  McGraw-Hill, 1995.
• TÜ pearaamatukogus XA-12036
• M. Csele. Fundamentals of Light Sources and
  Lasers, Wiley, 2004
• TÜ pearaamatukogus XA-12279
• Internet, otsingusõnad lasers, laser biology,
  laser medicine, laser
• tweezers, laser weapons, military lasers jpt
• Nt
• howstuffworks.com/laser.htm
• Achilles.net/ypvsj/history/
• /members.aol.com/jimb3d/lasers.html

66
TÄNAN KUULAMAST!