Laser

HeNe-laser muodostaa punaisen pisteen taustalla näkyvälle valkoiselle pinnalle. Putken keskellä oleva hehku johtuu pumppauksesta, joka tarkoittaa energian syöttämistä laserin väliaineeseen. Varsinainen lasersäde on näkymätön.

Laser on laite, joka tuottaa koherenttia valoa. Koherentissa valossa kaikki valoaallot ovat saman pituisia ja värähtelevät samassa suunnassa ja samalla taajuudella. Tämä on mahdollista säteilyn stimuloidun emission avulla. Stimuloidussa emissiossa valo vahvistuu siten, että valon ohittama atomin elektroni siirtyy alempaan viritystilaan, ja lähettää valokvantin samaan suuntaan kuin ohittava valonsäde. Näin valonsäde vahvistuu.

Ensimmäinen laser kehitettiin Yhdysvalloissa vuonna 1960. Laseria käytetään muun muassa DVD- ja CD-levyjen lukemiseen, tiedon välityksessä valokuitua pitkin, viivakoodien lukuun ja laserkirjoittimissa. Laseria käytetään teollisuudessa muun muassa hitsauksessa ja leikkauksessa. Sotilaskäyttöisiä lasereita on etäisyysmittauksessa ja kohteen valaisussa. Lääketieteessä laseria käytetään muun muassa kirurgisiin tarkoituksiin.

Maailman tehokkaimmat laserit pystyvät noin 1 petawatin eli 10¹⁵ watin hetkelliseen tehoon. Vuonna 2009 Texasin yliopiston fyysikot kertoivat aikeesta nostaa tehoja noin tuhatkertaisesti 10¹⁸ wattiin eli yhteen eksawattiin.

Laser

Laser (engl. Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, valon vahvistaminen säteilyn stimuloidulla emissiolla) on optinen laite, joka tuottaa koherentin valonsäteen. Toiminta perustuu stimuloiduksi emissioksi nimitettyyn kvanttimekaaniseen ilmiöön. Laseroiva väliaine toimii optisena vahvistimena vain tietyllä aallonpituuskaistalla tai -kaistoilla aallonpituudelle. Usein väliaine on optisen resonaattorin sisällä. Tällöin valo on enemmän tai vähemmän kollimoitua ja monokromaattista.

Hehkulampuissa, joissa valo syntyy satunnaisen lämpöliikkeen vaikutuksesta, valo on epäkoherenttia, sen aallonpituuskaista on laaja ja sitä säteilee kaikkiin suuntiin.

Kollimointi, koherenttisuus ja kapeakaistaisuus eivät ole olennaisia ominaisuuksia laservalolle. Olennaista on valon syntymekanismi. Jotkin aineet, kuten neonilla pumpattu helium, vaativat laseroidakseen resonaattorin, josta valoa päästetään vain vähän ulos. Oikein rakennetusta resonaattorista lähtevä valo muodostaa säteen, joka on kapea, ja sen tehotiheys on suuri. Monet aineet, kuten typpi ja vety, laseroivat ilman resonaattoriakin, ja valoa säteilee joka suuntaan eikä koherenssi ole kovin suuri. Jotkut laserit tuottavat valoa, jolla on esimerkiksi kaksi ristikkäin polarisoitunutta lähekkäistä spektriviivaa (helium magneettikentässä, Zeemanin ilmiö).

Käytännössä laserissa valoa muodostuu kahden toisiaan kohtisuorassa vastakkain olevan peilin väliin. Toinen peileistä päästää pienen osan valosta ulos, josta muodostuu varsinainen lasersäde. Kulkiessaan edestakaisin peilien välissä valosta poistuvat erisuuntaiset ja -vaiheiset komponentit.

Fysikaalinen perusta

Laserin osat:
1. Aktiivinen laseroiva väliaine
2. Laserin pumppausenergia
3. Peili
4. Puoliläpäisevä peili
5. Lasersäde

Laser koostuu laseroivasta väliaineesta ja resonantista optisesta kaviteetista, joka on usein esimerkiksi sopivan pituinen putki. Väliaineelta vaaditaan sopivia ominaisuuksia, jotta se olisi laseroivaa eli siinä esiintyisi stimuloitua emissiota. Jotta väliaine saataisiin laseroimaan, siihen syötetään eli pumpataan energiaa. Pumppausta voidaan tehdä optisesti syöttämällä valoenergiaa törmäysviritysmenetelmällä, jolloin energia siirtyy atomitörmäyksissä, tai syöttämällä varauksenkuljettajia väliaineeseen. Pumpattu energia synnyttää väliaineeseen viritystiloja. Kun jossain viritystilassa on enemmän hiukkasia kuin jossain toisessa alemmassa tilassa, syntyy käänteinen miehitys. Normaalisti väliaineen läpi kulkeva säde vaimenee, kun väliaine absorboi säteen fotoneita. Käänteisessä miehityksessä olevan väliaineen läpi kulkeva optinen säde kuitenkin saa aikaan enemmän stimuloitua emissiota kuin absorptiota ja säde vahvistuu. Näin ollen pumpattua laseroivaa väliainetta voidaan käyttää myös optisena vahvistimena.

Tuotettu valo on ominaisuuksiltaan samankaltainen kuin alkuperäinen signaali. Sen aallonpituus, vaihe ja polarisaatio säilyvät. Tästä johtuu laservalolle ominainen koherenssi ja polarisaatio-ominaisuuksien sekä kaviteetin rakenteen avulla saavutetun monokromaattisuuden säilyminen.

Optinen kaviteetti on peileistä muodostettu laite, joka mahdollistaa seisovien valoaaltojen syntymisen. Peilien ansiosta jokainen fotoni kulkee väliaineen läpi useita kertoja ennen kuin se emittoituu laserin suuaukosta tai menetetään absorption tai diffraktion takia. Jos väliaineen aikaansaama vahvistus on suurempi kuin aikaansaatu vaimennus, valonsäteen teho voi kasvaa eksponentiaalisesti. Koska stimuloidut emissiot kuitenkin vähentävät väliaineen vahvistuskykyä, voi vahvistus tietyssä vaiheessa saturoitua. Tällöin pumpattu energia, säteen vahvistus ja energianmenetykset ovat tasapainossa eikä säde vahvistu enempää. Liian pienillä pumppaustehoilla vahvistus on riittämätön ja syntynyt ulostuloteho olemattoman pieni.

Laserin synnyttämä valo on hyvin kollimoitunutta. Tämä tarkoittaa sitä, että suunnattaessa laserin valo kaukaiselle pinnalle sen muodostama valopisteen ala on suhteellisen pieni. Kuitenkin täydellisen kollimoitunutta sädettä ei voida diffraktion vuoksi saada aikaan. Tämän takia laservalokin leviää pitemmillä matkoilla hiukan. Tämä leviäminen riippuu kuitenkin voimakkaasti laserin tyypistä. Suurten kaasulasereiden säteet ovat usein hyvin kollimoituja, mutta pienten puolijohdelasereiden säteet hajoavat lähes välittömästi suuaukon jälkeen (kulmat saattavat olla jopa 50° luokkaa). Nämä hajaantuvat säteet voidaan kuitenkin kollimoida uudestaan optisilla laitteilla. Muiden kuin laserlähteiden valoa on sen sijaan erittäin vaikea kollimoida hyvin.

Koherenssilla tai koherenttisuudella tarkoitetaan valon kykyä interfereroida itsensä kanssa. Koherenttisuus määritellään tavallisesti sinä matkana, jolla interferenssi on mahdollinen. Matka riippuu aallonpituudesta ja kaistanleveydestä. Hehkulampulla tehollinen kaistanleveys on noin 150 nm ja keskimääräinen aallonpituus noin 550 nm. Näiden arvojen, 550 nm ja 150 nm suhteena saadaan selville interferenssikuvion maksimien ja minimien lukumäärä. Newtonin renkaita on hehkulampun valossa muutama kappale, ja koherentti matka muutamia satoja nanometrejä. Jos kaistaa kavennetaan värisuodattimella, niin koherentti matka ja renkaiden määrä lisääntyy vastaavasti. Valon kaistanleveys jatkuvatoimisessa kaasulaserissa (esimerkiksi HeNe) on aivan olennaisesti pienempi kuin hehkulampussa, mutta ei nolla. Tämä johtuu kuumassa kaasussa tapahtuvasta Doppler-ilmiöstä. Tarkasti ottaen laservalo ei ole monokromaattista, ja sen koherenttisuus on rajallinen, mutta kuitenkin aivan eri kertaluokkaa kuin muilla valonlähteillä.

Laserit jaetaan pulssilasereihin ja jatkuvatoimisiin lasereihin. Pulssilasereilla voidaan saavuttaa merkittävästi suurempia maksimitehoja kuin jatkuvatoimisilla lasereilla. Jotkut laserit voivat tuottaa valoa monilla aallonpituuksilla. Tämä mahdollistaa hyvin lyhyiden valopulssien tuottamisen. Nämä pulssit voivat olla kestoltaan vain femtosekunnin luokkaa (10^-15 s).

Vaikka sana laser viittaa erityisesti näkyvää valoa tuottavaan laitteeseen, käytetään sanaa myös muun taajuisia fotoneita tuottavista laitteista. Tässä artikkelissa sana valo voi siis tarkoittaa myös esimerkiksi röntgensäteitä, infrapunasäteilyä tai ultraviolettisäteilyä. Mikroaaltoja tai radioaaltoja tuottavaa vastaavaa laitetta kuitenkin sanotaan yleensä maseriksi. Tämä johtuu historiallisista syistä, sillä ensimmäiset mikroaaltoja tuottaneet maserit rakennettiin ennen valoa tuottavia lasereita.

Historia

Albert Einstein loi teoreettisen pohjan lasereille vuonna 1916 Planckin säteilylakia tarkastelleella tutkimuksellaan. Tähän työhön kuitenkin palattiin vasta toisen maailmansodan jälkeen vuonna 1953, kun Charles Townes ja jatko-opiskelijat James Gordon ja Herbert Zeiger rakensivat ensimmäisen maserin. Laite ei kuitenkaan pystynyt jatkuvan säteen tuottoon. Townes jakoi vuoden 1964 Nobelin fysiikanpalkinnon neuvostoliittolaisten Nikolai Basovin ja Aleksandr Prohorovin kanssa, jotka olivat selvitelleet jatkuvan säteen tuottamiseen liittyviä ongelmia.

Vuonna 1957 Townes ja Arthur Leonard Schawlow tutkivat Bell Labsillä infrapuna-alueen masereita. Infrapuna kuitenkin hylättiin ja tutkimus keskitettiin näkyvän valon aallonpituuksiin. Aluksi tätä laitetta kutsuttiin optiseksi maseriksi, jolle haettiin patenttia seuraavana vuonna. Asiasta myös julkaistiin tieteellinen artikkeli (Phys. Rev. Vol. 112, 6).

Samanaikaisesti tämän kanssa jatko-opiskelija Gordon Gould Columbian yliopistosta työskenteli talliumin energiatasoja käsittelevän tutkimuksen parissa. Townesin tavattuaan Gould oli tehnyt muistiinpanoja ideastaan rakentaa "LASER". Termi laser kuitenkin julkaistiin ensimmäistä kertaa Gouldin vuoden 1959 artikkelissa. Gould suunnitteli -aseria käytettäväksi päätteenä laitteen tuottaman aallonpituuden mukaan, mutta lopulta vain termi laser yleistyi. Gould pohti useita sovelluksia lasereille muun muassa spektroskopian, interferometrian ja ydintekniikan alalta. Gould haki patenttia myöhemmin samana vuonna. Tämä hakemus kuitenkin hylättiin ja Bell Labs sai patentin vuonna 1960. Tätä seurasi yli parikymmentä vuotta kestänyt riita, jonka tuloksena liittovaltion tuomioistuin määräsi vuonna 1987 Gouldille patentin optisesti pumpatusta ja kaasupurkauslaserista.

Ensimmäisen toimivan laserin rakensi Theodore Maiman Hughes Research Laboratoriesilla vuonna 1960. Näin hän voitti muun muassa Townesin ryhmän Columbian yliopistossa ja Schawlow'n ryhmän Bell Labseillä. Maimanin laser oli optisesti pumpattu rubiinilaser, joka tuotti 694 nm pulssittaista punaista valoa. Samana vuonna iranilainen Ali Javan sekä William Bennet ja Donald Herriot rakensivat ensimmäisen kaasulaserin. Siinä käytettiin väliaineena heliumin ja neonin seosta.

Basov ja Javan ehdottivat puolijohdelaseria. Ensimmäisen laserdiodin esitteli Robert N. Hall vuonna 1962. Hallin galliumarsenidilaite tuotti 850 nm:n infrapunavaloa, joka ei ollut nähtävissä ihmissilmin. Ensimmäinen näkyvän valon puolijohdelaser esiteltiin myöhemmin samana vuonna. Kuten varhaiset kaasulaserit nämä puolijohdelaitteet tuottivat vain pulssittaista valoa. Ne vaativat myös jatkuvaa jäähdytystä nestemäisellä typellä.

Ensimmäinen jatkuvatoiminen laserdiodi kehitettiin vuonna 1970 yhtä aikaa sekä Neuvostoliitossa että Bell Labsillä. Ensimmäiset laajalle levinneet sovellukset olivat viivakoodien lukija vuonna 1974 ja laserlevysoitin vuonna 1978. Ensimmäinen todella menestynyt laserin sisältänyt kulutustuote oli CD-soitin, joka tuli markkinoille vuonna 1982.

Sovellukset

Laserleikkaus teollisuudessa

Laserleikkaus lääketieteessä

Laser langattomassa tiedonsiirrossa

Adaptiivisen optiikan sovelluksessa ilmakehään suunnatuilla lasereilla luodaan keinotekoinen valonlähde ilmakehän aiheuttamien häiriöiden mittaamiseen.

Laserkomponenttien halpeneminen on sittemmin johtanut yhä uusiin laajalle sovelluksiin. Samoin erikoistuvat lasertyypit mahdollistavat uusien aallonpituuskaistojen hyödyntämisen, suuremmat ulostulo- ja maksimitehot, paremman energiatehokkuuden ja tarkasti säädeltävät ulostulopulssit.

Kun laser alun perin kehitettiin, sitä sanottiin "ratkaisuksi, joka etsii ongelmaa". Nykyään niillä on lukuisia tieteellisiä, lääketieteellisiä, viihteellisiä, teollisia, sotilaallisia, lainvalvonnallisia ja tietoteknisiä sovelluksia. Vuonna 2004 maailmassa myytiin, laserdiodit pois lukien, 131 tuhatta laseria. Laserdiodeja myytiin 733 miljoonaa. Esimerkkinä laserin arkipäiväisestä sovelluksesta mainittakoon CD- ja DVD-levyt sekä vielä yleistymätön laserhammaspora, jolla hampaan poraaminen ei satu laisinkaan.

Laserien monikäyttöisyys johtuu niiden tuottaman valon monokromaattisuudesta, koherenttisuudesta ja kyvystä saavuttaa suuria tehoja. Koherenttia lasersädettä voidaan käyttää suurten tietomäärien tallentamiseen. On myös mahdollista kohdistaa tehokkuudeltaan keskinkertainen laser pienelle alalle, jolloin sitä voidaan käyttää esimerkiksi leikkaamiseen tai polttamiseen. Lasereita käytetään myös tiedonsiirrossa optisia kuituja pitkin ja optisessa datansiirrossa vapaassa tilassa kuten muutaman kilometrin etäisyydellä esteettömällä linjalla olevien talojen välillä ja avaruudessa satelliittien välillä, jopa gigabitin sekuntivauhtia.

Tieteellisessä käytössä lasereita käytetään monissa interferometrisissa ja spektroskopisissa menetelmissä. Niitä voidaan käyttää myös epälineaarisen optiikan tutkimuksessa, kaukokartoituksessa, maanmittauksessa ja avaruussovelluksissa. Esimerkiksi Kuuhun on viety 1969 ja jälkeen heijastimen tavoin toimivia mutta optisesti paljon laadukkaampia takaisinheijastusprismoja joita on siitä asti käytetty Maan ja Kuun välisen etäisyyden mittaukseen noin senttimetrin tarkkuudella. Maan kiertoradalla on vähän vastaavia Lageos satelliitteja joita on käytetty Maan painovoimakentän vaihteluiden mittaamiseen. Maanmittarit kiinnittävät vastaavasti toimivia laserheijastimia mittauspisteisiin tarkentaakseen mittauksiaan laseretäisyysmittareillaan. Ainakin osa lidareista käyttää laseria.

Viestinnässä ja etäisyysmittauksissa laserin monokromaattisuudesta on erityistä hyötyä jos on mahdollista käyttää atomiviivasuodatinta tai muuta optista suodatinta joka päästää läpi vain oikeanlaista laservaloa.

Lääketieteessä laserilla voidaan suorittaa näönkorjausleikkauksia sekä poistaa tatuointeja, karvoja ja syntymämerkkejä paremmin kuin esimerkiksi suodatetulla ja kohdistetulla auringonvalolla. Teollisuudessa lasereilla voidaan leikata metalleja. Lasereita voidaan soveltaa myös lentokoneiden gyroskoopeissa ja joissain fuusioreaktoreissa. Lasertutkaa käytetään nopeusvalvonnassa. Sotilaskäytössä lasereita voidaan soveltaa eräänlaisena varoituslaukauksen korvikkeena, häikäisyyn, eräänlaisena erittäin tarkasti kohdistettuna valonheittimenä / lamppuna, maalinetsinnässä ja kohteen määrittämisessä, tulevaisuudessa mahdollisesti myös aseena, esimerkiksi ampumaan alas lentokoneita, ohjuksia ja häiritseviä lintuja alueilla joilla ei saa käyttää luoteja tai hauleja (kuten kaupunkien keskustoissa).

Lasertyyppejä

• Kaasulaserit
  • HeNe-laser (aallonpituudet 543 nm ja 633 nm)
  • Argon(-Ion) laser (aallonpituudet 458 nm, 488 nm tai 514,5 nm)
  • hiilidioksidilaserit (aallonpituus 10,6 µm) - käytetään teollisuudessa leikkaamiseen ja hitsaamiseen, voivat tuottaa jopa 100 kW:n tehon. Nykyään termi CO₂-laser on sikäli harhaanjohtava, että kaasuseoksessa on hiilidioksidia vain kymmenkunta prosenttia, suurin piirtein saman verran typpeä ja loput heliumia. Tarkan seoksen määrittelee leikkauslaitteen valmistaja.
  • hiilimonoksidilaserit - vaativat jäähdytystä, voivat tuottaa jopa 500 kW:n tehon
• Eksimeerilaserit, tuottavat ultraviolettia valoa. Käytetään puolijohteiden valmistukseen ja LASIK-silmäkirurgiassa. Aallonpituuksia 157 nm (F₂), 193 nm (ArF), 222 nm (KrCl), 248 nm (KrF), 308 nm (XeCl), 351 nm (XeF).
• Dermatologiassa käytetään usein lasereita esimerkiksi tatuointien ja syntymämerkkien poistoon. Tyypillisiä lasereita ovat muun muassa rubiinilaser (694 nm), aleksandriittilaser (755 nm), pulssitettu diodilaserhila (810 nm), Nd:YAG (1 064 nm), Ho:YAG (2 090 nm) ja Er:YAG (2 940 nm).
• puolijohdelaserit,
  • pienet: käytetään laserosoittimissa, lasertulostimissa ja CD/DVD-soittimissa.
  • suuremmat: teollisuuden leikkaus- ja hitsauskäyttöön on olemassa jopa 10 kW:n tehoisia diodilasereita.
• ulkoista resonaattoria käyttävät puolijohdelaserit, jotka tuottavat suuria tehoja hyvällä säteenlaadulla. Lisäksi säteilyn aallonpituuden viivanleveys on kapea ja aallonpituutta voidaan säätää. Vaihtoehtoisesti voidaan tuottaa erittäin lyhyitä laserpulsseja.
• Väriainelaserit
• kvanttikaskadilaserit
• neodyymirikastetut YAG-laserit, infrapuna-alueella toimivia suurteholasereita joilla hitsataan, leikataan tai merkitään metalleja tai muita materiaaleja.

• ytterbium-rikastetut laserit, esimerkiksi Yb:YAG, Yb:KGW, Yb:KYW, Yb:SYS, Yb:BOYS, Yb:CaF2, tai Yb-rikastettuja laseja (esimerkiksi valokuidut). Toimivat tavallisesti 1 020-1 050 nm aallonpituuksilla. Saavutetaan hyvä hyötysuhde ja suuri teho. Yb:YAG-laserilla saavutetaan suurin teho erittäin lyhyillä pulsseilla.
• erbium-rikastettu YAG, 1 645 nm
• tulium-rikastettu YAG, 2 015 nm
• Holmium YAG, 2 096 nm, infrapuna-alueen tehokas laser, jonka teho absorboituu vesipitoisiin kudoksiin millimetrin paksuisella alueella. Laseria käytetään tavallisesti pulssilaserina ja teho ohjataan optista kuitua pitkin kohteeseen. Laseria käytetään muun muassa nivelten päällystämiseen, karieksen poistamiseen hampaista, syöpäsolujen tuhoamiseen ja munuais- ja virtsakivien tuhoamiseen.
• Titaani-rikastetut safiirilaserit, viritettävä infrapuna-alueen laser, käytetään spektroskopiassa.
• Erbium-rikastetut kuitulaserit, käytetään optiseen kuituun valmistettuna optisen tietoliikenteen vahvistimina.

Laserin käyttöturvallisuus

Laserin vaarallisuus perustuu laserin pitkään kantamaan ilmassa (toisin sanoen säde ei leviä ja hajoa tavanomaisen valokeilan tavoin). Jo pienen tehon (~1 mW) laserin säteily voi aiheuttaa näkövaurioita. Aallonpituuksilla, joilla sarveiskalvo ja linssi kohdistavat hyvin valoa, koherentti ja kapea lasersäde voi fokusoitua hyvin pienelle verkkokalvon alueelle aiheuttaen nopeasti kudosvaurioita.

Laserit on turvallisuusluokiteltu luokkiin I–IV. Luokan I laser on ei aiheuta pysyviä näkövaurioita, mutta turvallisuusluokan IV laser voi polttaa iholle palovamman hetkessä.

Laser populaarikulttuurissa

Laser on monille tuttu tietokonepeleistä ja sci-fi elokuvista.

Katso myös: Laseraseet (Tähtien sota)

Populaarikulttuurissa ja erityisesti science fictionissa ja toimintaelokuvissa laser esitetään usein virheellisesti. Toisin kuin esimerkiksi Star Wars -elokuvissa nähdään, lasersäde ei koskaan näy tyhjiössä (avaruudessa). Säde on mahdollista nähdä vain, mikäli jokin väliaine kuten sumu tai pöly sirottaa sen kohti katsojaa. Intensiteetiltään suuri lasersäde näkyy ilmassa Rayleigh- tai Raman-sironnan vuoksi.

Lasersäteen eteneminen on yleensä esitetty liian hitaana, muistuttaen perinteisen suorasuuntausammuksen etenemistä. Todellisuudessa säde etenee valonnopeudella, joten tulituksen kohde näkee säteen lähes osuman hetkellä.

Joissakin toimintaelokuvissa on laserilla toteutettuja turvajärjestelmiä, jotka sankari saa näkymään käyttäen jotakin pölyä tms. ja ohittaa järjestelmät tyypillisesti peilejä käyttäen. Todellisuudessa on halvempaa ja tavallisempaa toteuttaa turvajärjestelmä infrapuna-alueen lasereilla kuin näkyvän valon lasereilla. Tässä tapauksessa sankarilla täytyisi olla lämpökamera havaitakseen säteet.

Katso myös

• Maser
• Energia-ase

Kirjallisuutta

• Koechner, Walter: Solid-State Laser Engineering. 3rd ed. Springer-Verlag, 1992. ISBN 0-387-53756-2.
• Siegman, Anthony E.: Lasers. University Science Books, 1986. ISBN 0-935702-11-3.
• Sifvast, William T.: Laser Fundamentals. Cambridge University Press, 1996. ISBN 0-521-55617-1.
• Svelto, Orazio: Principles of Lasers. 4th ed. (trans. David Hanna). Springer, 1998. ISBN 0-306-45748-2.
• Yariv, Amnon: Quantum Electronics. 3rd ed. Wiley, 1989. ISBN 0-471-60997-8.
• Csele, Mark: Fundamentals of Light Sources and Lasers. Wiley, 2004. ISBN 0-471-47660-9.

Aiheesta muualla

• Sam's Laser FAQ Samuel M. Goldwasserin laser-UKK (englanniksi)
• Encyclopedia of laser physics and technology Tohtori Rüdiger Paschottan laserfysiikan tietosanakirja (englanniksi)
• Lasereiden turvallisuusluokat (Säteilyturvakeskus)
• [1]