Mis on laser? Põhimõtete selgitus

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 sünkroonselt. 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 füüsikalist põhimõtet: 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 –, mida kõik laserid järgivad tänapäevani.

Laservalgus erineb tavaliste valgusallikate poolt toodetud valgusest kolme määrava omaduse poolest:

• Monokromaatiline — kiir koosneb ühestainsast lainepikkusest, mis määrab selle värvi ja selle, kuidas see erinevate materjalidega interakteerub.
• Koherentne – valguslained liiguvad üksteisega faasis, mis hoiab kiire stabiilsena ja ennustatavana kaugemalgi.
• Kollimeeritud – kiir jääb kitsaks ja paralleelseks, mitte ei hajuta laiali, kontsentreerides energia väikesele alale.

Laser on optiline seade, mis tekitab stimuleeritud emissiooni abil monokromaatilise, koherentset ja kollimeeritud valguskiire. Nende omaduste kombinatsioon annab laserkiirele lõikamiseks, mõõtmiseks ja side rakendusteks vajaliku fookuse ja intensiivsuse.

Kuidas laser töötab? (Põhiprintsiip)

Mis on stimuleeritud emissioon?

Stimuleeritud emissioon 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 fotoneid. Laseris käivitavad või „stimuleerivad“ seda vabanemist teised sama lainepikkusega fotonid, mis käivitavad identseid, faasis olevaid fotoneid hõlmava ahelreaktsiooni.

Samm-sammult: energiasisendist laserkiireni

Protsess, mis muudab sisendenergia laserkiireks, toimub järjekindlas järjekorras:

1. Energiaallikas, mida nimetatakse pumbaks, suunab energiat – elektrilist, optilist või keemilist – võimenduskeskkonna (materjal, mis toodab valgust, kui sellele antakse energiat) sisse.
2. Võimenduskeskkonnas olevad aatomid neelavad selle energia ja vabastavad fotone stimuleeritud emissiooni kaudu.
3. Optilise resonaatori (valgust edasi-tagasi peegeldav resonaator) mõlemas otsas asuvad peeglid peegeldavad neid fotone korduvalt võimenduskeskkonnas, võimendades valgust iga läbimise järel.
4. Kui valgus resonaatori sees koguneb, suureneb selle intensiivsus ja see muutub üha koherentsemaks.
5. 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 võimenduskeskkonda, võimaldades sellel enne väljumist võimenduda.
• Väljundkoppler — 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 ühilduvuse kohta, leiate meie täielikust võrdlusjuhendist: 4 laserseadmetes kasutatavat lasertüüpi (CO₂, kiud-, diood-, UV-laser)

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 moonutusega.
• Laserpuhastus — rooste, värvi või katete eemaldamine ilma kemikaalide või abrasiivaineteta.
• Meditsiinilised rakendused — 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 konkreetse kasutatava laseri suhtes kehtivaid eeskirju.

Milliseid materjale ja millise paksusega materjale saab laseriga läbi lõigata?

Lõikamisvõime sõltub laseri tüübist, selle väljundvõimsusest ja materjali omadustest. Näiteks kiudlaserid suudavad lõigata metalle alates õhukestest lehtmetallist kuni mitme sentimeetri paksuseni, sõltuvalt võimsusest, samas kui CO₂-lasereid kasutatakse sagedamini 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.