Laser on seade, mis tekitab tihedalt fokuseeritud valguskiire protsessi abil, mida nimetatakse stimuleeritud emissiooniks. Erinevalt lambist või päikesest pärinevast valgusest liigub laserkiir ühes suunas, ühel lainepikkusel, kusjuures lained liiguvad üksteisega sünkroonis. See täpsus võimaldab laseritel lõigata terast, teha delikaatseid silmaoperatsioone ja edastada andmeid kiudoptiliste võrkude kaudu.
Mis on laser? (Mõiste)
LASER on lühend sõnadest „Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation“ (valguse võimendamine stimuleeritud kiirguse abil). Nimi kirjeldab selle taga olevat füüsikat: seade võimendab valgust stimuleeritud kiirguse abil, kuni see moodustab kontsentreeritud kiire.
Esimese toimiva laseri demonstreeris 1960. aastal Ameerika füüsik Theodore Maiman, kes kasutas võimenduskeskkonnana sünteetilist rubiinikristalli. See seade pani aluse põhiarhitektuurile – võimenduskeskkond, pumballikas, optiline resonaator –, millest kõik laserid tänapäeval endiselt lähtuvad.
Laservalgus erineb tavaliste valgusallikate poolt toodetud valgusest kolme määrava omaduse poolest:
- Monokromaatiline — kiir koosneb ühest lainepikkusest, mis määrab selle värvi ja selle, kuidas see erinevate materjalidega interakteerub.
- Koherentne — valguslaineid liiguvad üksteisega samas faasis, mis hoiab kiire stabiilsena ja ennustatavana kaugemalgi.
- Kollimeeritud — kiir jääb kitsaks ja paralleelseks, mitte ei laiene, kontsentreerides energia väikesele alale.
Laser on optiline seade, mis tekitab stimuleeritud kiirguse abil monokromaatilise, koherentse ja kollimeeritud valguskiire. Nende omaduste kombinatsioon annab laserkiirele lõikamiseks, mõõtmiseks ja side rakendusteks vajaliku fookuse ja intensiivsuse.
Kuidas laser töötab? (Põhiprintsiip)
Mis on stimuleeritud kiirgus?
Stimuleeritud kiirgus on füüsikaline protsess, millest tuleneb ka laseri nimi. Lihtsustatult öeldes: energia läheb sisse ja fotonid – valguse osakesed – tulevad välja sünkroniseeritud voona.
Kui laseris olevad aatomid neelavad energiat, hüppavad nende elektronid kõrgemale energiatasemele. Kui need elektronid naasevad madalamale tasemele, vabastavad nad footoneid. Laseris käivitavad või „stimuleerivad“ seda vabanemist teised sama lainepikkusega fotonid, mis panevad käima identsete, faasis olevate fotonite ahelreaktsiooni.
Samm-sammult: energiasisendist laserkiireni
Protsess, mis muudab sisendenergia laserkiireks, toimub järjekindlas järjekorras:
- Energiaallikas, mida nimetatakse pumbaks, suunab energiat – elektrilist, optilist või keemilist – võimenduskeskkonna (materjal, mis toodab valgust, kui sellele antakse energiat) sisse.
- Võimenduskeskkonna aatomid neelavad selle energia ja vabastavad fotone stimuleeritud emissiooni kaudu.
- Optilise resonaatori (valgust edasi-tagasi peegeldav resonaator) mõlemas otsas asuvad peeglid peegeldavad neid fotone korduvalt võimenduskeskkonna läbi, võimendades valgust iga läbimise järel.
- Kui valgus koguneb resonaatori sisemusse, suureneb selle intensiivsus ja see muutub üha koherentsemaks.
- Valgus väljub osaliselt peegeldava peegli, väljundkopleri kaudu fokuseeritud laserkiirena.
See tsükkel kordub pidevalt ja äärmiselt suure kiirusega, mistõttu tundub, et laser lülitub sisse hetkega.
Laseri põhikomponendid
Iga laser, olenemata tüübist või võimsusest, tugineb samadele neljale põhikomponendile:
- Võimenduskeskkonna (aktiivne keskkond) — materjal, näiteks gaas, kristall, pooljuht või vedelik, kus toimub stimuleeritud kiirgus ja tekib valgus.
- Energiaallikas (pump) — varustab võimenduskeskkonna aatomeid ergastava energiaga. Tavalised pumpallikad on elektrilahendused, välklambid ja dioodlaserid.
- Optiline resonaator (peeglid) — peeglitepaar, mis peegeldab valgust tagasi võimenduskeskkonna läbi, võimaldades sellel enne väljumist võimenduda.
- Väljundühendaja — osaliselt peegeldav peegel, mis laseb osal võimendatud valgusest lahkuda resonaatorist laserkiirena.
Laserite tüübid: lühike ülevaade
Võimenduskeskkonna tüüp on peamine tegur, mis eristab üht lasertüüpi teisest – erinevad materjalid tekitavad erinevaid lainepikkusi, võimsustasemeid ja kiire omadusi.
- CO₂-laserid kasutavad gaaside segu ja neid kasutatakse laialdaselt mittemetalliliste materjalide lõikamiseks ja graveerimiseks.
- Kiudlaserid kasutavad võimenduskeskmena legeeritud optilist kiudu ning on tuntud oma kõrge efektiivsuse ja täpsuse poolest metallide töötlemisel.
- Dioodlaserid põhinevad pooljuhtkiipidel, pakkudes kompaktset suurust ja otsest elektrilist tõhusust.
- UV-laserid tekitavad lühikesi lainepikkusi, mis sobivad peenmärgistamiseks ja mikrotöötlemiseks.
- Nd:YAG-laserid kasutavad kristallkeskkonna ning sobivad nii graveerimiseks kui ka sügavmärgistamiseks.
Lisateavet iga lasertüübi kohta, sealhulgas tüüpiliste rakenduste ja materjalide sobivuse kohta, leiate meie täielikust võrdlusjuhendist: 4 lasertüüpi, mida kasutatakse lasermasinates (CO2, kiud-, diood-, UV-laserid)
Milleks lasereid kasutatakse? (Rakendused tööstuses)
Lasertehnoloogia toetab laia valikut tööstuslikke ja kaubanduslikke protsesse, sealhulgas:
- Laserlõikamine — lehtmetalli, plastiku, puidu ja tekstiili ülitäpne lõikamine.
- Lasergraveerimine — püsivate kujundite, logode või teksti märkimine pinnale.
- Lasermärgistamine — seerianumbrite, vöötkoodide või kaubamärkide lisamine jälgitavuse tagamiseks.
- Laserkeevitus — metallosade ühendamine kontsentreeritud soojusega ja minimaalse deformatsiooniga.
- Laserpuhastus — rooste, värvi või katete eemaldamine ilma kemikaalide või abrasiivaineteta.
- Meditsiinilised rakendused — kirurgiliste operatsioonide läbiviimine, nägemise korrigeerimine ja kudede ravi.
- Telekommunikatsioon — andmete edastamine kiudoptiliste kaablite kaudu pikkade vahemaade taha.
Need rakendused põhinevad eespool kirjeldatud samadel põhimõtetel, mis on kohandatud kasutatava laseri lainepikkuse, võimsuse ja võimenduskeskkonna järgi.
Korduma kippuvad küsimused
Kas kõik laserid on silmadele ohtlikud?
Mitte kõik laserid ei kujuta endast sama suurt ohtu; oht sõltub laseri võimsusest, lainepikkusest ja kokkupuuteajast. Madala võimsusega laserid, nagu näiteks laserpointerid, võivad otsese või pikaajalise kokkupuute korral siiski silmi kahjustada, samas kui suurema võimsusega tööstuslaserid nõuavad spetsiaalseid kaitsekorpuseid ja kaitseprille. See teave on üldine – järgige alati tootja ohutusjuhiseid ja kasutatava konkreetse laseri suhtes kehtivaid eeskirju.
Milliseid materjale ja millise paksusega saab laseriga läbi lõigata?
Lõikamisvõime sõltub laseri tüübist, võimsusest ja materjali omadustest. Näiteks kiudlaserid suudavad lõigata metalle alates õhukestest lehtmetallist kuni mitme sentimeetri paksuseni, sõltuvalt võimsusest, samas kui CO₂-lasereid kasutatakse tavaliselt õhemate mittemetalliliste materjalide, nagu puit, akrüül ja kangas, lõikamiseks. Täpsed paksuse piirid varieeruvad seadme järgi ja neid tuleks kontrollida tootja spetsifikatsioonide alusel.
Mis vahe on laseril ja LED-il?
LED (valgusdiood) tekitab spontaanse emissiooni teel mitmesuguste lainepikkustega koherentset valgust, samas kui laser tekitab stimuleeritud emissiooni teel koherentset, monokromaatilist valgust. Selle tulemusena levib LED-valgus paljudes suundades, samas kui laserkiir jääb koondunuks kitsasse kiiresse.
