Światło jest falą elektromagnetyczną, identyczną w swojej naturze z falami radiowymi wypełniającymi całą przestrzeń Wszechświata. Przewidywał to angielski fizyk, Maxwell, który w połowie XIX wieku na drodze czysto matematycznej wykazał, że muszą istnieć w otaczającym nas świecie fale elektromagnetyczne, które przemieszczają się z taką szybkością, jak pomierzona przez współczesnych mu fizyków prędkość światła.
Istnienie fal elektromagnetycznych (radiowych) potwierdzono doświadczalnie dopiero po śmierci Maxwella i rozpoczął się szalony rozwój telekomunikacji oraz wykorzystywania tego zjawiska w innych dziedzinach przemysłu. Jednak światło, aż do połowy XX wieku, można było wytwarzać tylko w sposób naturalny, podgrzewając przedmioty i gazy do wysokiej temperatury. Obserwując zjawiska elektromagnetyczne związane ze światłem, fizycy stwierdzili, że światło nie jest wysyłane w sposób ciągły (tak jak obserwowali nadajniki fal radiowych), lecz składa się z bardzo małych porcji energii, kwantów. Może to wyglądać paradoksalnie, lecz te porcje energii (kwanty) są tym większe, im mniejsza jest długość fali.
Nadajnikami fal świetlnych są pojedyncze atomy, a ściślej, elektrony zmieniające pozycje w atomach. To, że światło „widzimy”, zawdzięczamy miniaturowym odbiornikom tego zakresu fal radiowych, którymi są w oczach cząsteczki chemiczne zmieniające swój kształt pod wpływem kwantów światła. W płomieniach lub w rozżarzonych metalach, elektrony przeskakują chaotycznie, kiedy i jak „chcą”, wysyłając światło o różnych długościach fal i w różnych kierunkach. Badając te zjawiska, fizycy stwierdzili, że można w niektórych substancjach powstrzymać elektrony przed wysłaniem kwantu energii, jakby „zamrozić” je do czasu, gdy zostanie podany sygnał wyzwalający tę energię.
W latach sześćdziesiątych XX wieku zaczęto budować pierwsze „wzmacniacze światła” wpompowując i zatrzymując energie w kryształach rubinu, a następnie wyzwalając ją przesyłanym przez rubin promieniem światła. Można sobie to wyobrazić, jako dawną armię, gdy żołnierze siedzieli w polu oczekując na sygnał. Przebiegający przez pole jeden żołnierz mógł poderwać innych, którzy zaczynali biec razem z nim w jednym kierunku.
Zjawisko w krysztale nazwano „wzmacnianiem światła przez wymuszoną emisję promieniowania” i z pierwszych liter tego określenia w języku angielskim (Light Amplification by Stimulated Emmision of Radiation) utworzono słowo LASER, które wrosło we wszystkie języki świata. Niemal natychmiast, po pierwszych demonstracjach i opisach lasera rubinowego, zaczęto budować inne lasery używające gazów, cieczy i związków chemicznych, jako substancji zdolnych do wzbudzania akcji laserowej. Szczególnie tanie w produkcji okazały się miniaturowe lasery półprzewodnikowe (diody laserowe).
Fizycy, od początku przepowiadali laserom ogrom zastosowań i nie mylili się. Z laserami spotykamy się niemal wszędzie, a wielkość rocznej produkcji elementów i urządzeń laserowych na świecie sięga kilkunastu miliardów dolarów.
Jest wiele zalet światła laserowego. Można go wysyłać w żądanym czasie w dokładnie określonym kierunku, bardzo wąską wiązką (jak szpilka). Może być skoncentrowane na mikroskopijnej powierzchni, gdzie porównanie z „główką szpilki” jest nawet niewłaściwe, gdyż może to być powierzchnia tysiące razy mniejsza. Moc światła wiązki laserowej może być przeogromna, zależy to od sposobu i czasu gromadzenia energii w laserze.
Najwcześniejsze widoczne wokół nas zastosowanie laserów to sklepowe czytniki kodów na sprzedawanych towarach. Wykorzystuje się w nich tylko jedną zaletę światła laserowego – możliwość uzyskiwania bardzo wąskiego promienia ściśle określonej barwy. Widzimy, jak czytnik sklepowy oświetla znak na towarze, wąską, czerwoną kreską. W rzeczywistości jest to szybko przebiegający tam i z powrotem promień laserowy. Światło odbite od kodu paskowego, jaśniejsze lub ciemniejsze, zależnie czy promień przebiega przez ciemną kreskę czy przez jasne pole pomiędzy kreskami, jest odczytywane przez fotodetektor i rozszyfrowywane przez komputer.
Czytniki sprzedawanych towarów mają wiele zalet, zarówno dla klientów jak i dla zarządców sklepów. Klient może być szybko obsłużony, dużo szybciej niż wtedy, gdy sprzedawca musiał ręcznie wpisywać wartość towaru. Zarządca sklepu może natomiast dostawać na bieżąco informacje, jakie towary są sprzedawane i ile jeszcze pozostało ich na półkach i w magazynie.
Drugim powszechnie spotykanym zastosowaniem laserów są czytniki płyt kompaktowych CD i DVD. To już nie dawna igła drgająca w rowku płyty i niszcząca ją, odczytuje zapis, lecz wąski promień lasera odbija się od wklęsłości i wypukłości płyty. Gęstość ścieżek na płytach „laserowych” zwiększono stukrotnie. Na grubości kreski wykonanej długopisem może się zmieścić kilkaset ścieżek odczytywanych laserem.
Lasery mogą wysyłać światło niewidzialne naszymi oczami. Początkowo łatwiej było konstruować lasery „podczerwone”, lecz lepsze rezultaty osiąga się w laserach o krótszej fali, zbliżonych do światła niebieskiego. Opanowana w ostatnich latach technologia niebieskich laserów (blue-ray) pozwoliła na znaczne zwiększenie pojemności zapisu na srebrzystych płytach.
Światło lasera może być niebezpieczne dla naszych oczu. Wprawdzie większość laserów znajdujących się w naszym otoczeniu ma na tyle małą moc, że nie powoduje uszkodzenia oczu, ale na każdym laserze umieszcza się ostrzeżenia, gdyż zbyt długie wpatrywanie się w wąski intensywny promień nie jest korzystne. Niektóre lasery wysyłają światło podczerwone, dla nas niewidoczne, lecz nie mniej szkodliwe.
Zalety światła laserowego wykorzystuje się w drukarkach komputerowych pracujących na podobnej zasadzie jak kserokopiarki. W maszynach kopiujących dawnego typu płyty światłoczułe naświetlane były normalnym światłem odbitym od kopiowanego oryginału. Później, do miejsc słabiej naświetlonych przylegał specjalny czarny proszek, obraz przenoszony był na papier i utrwalany grzejnikiem, przez roztopienie oraz trwałe przylgnięcie proszku do papieru.
Obecnie, w kopiarkach laserowych, bardzo wąski promień lasera odpowiednio włączany i wyłączany przez komputer, omiata tę samą płytę światłoczułą tworząc kształt liter i ilustracji, a dalej proces przebiega podobnie jak w kserokopiarkach. Dzięki wąskiemu promieniowi lasera, drukowane kształty są bardzo precyzyjne i ostre.
Odpowiednio sterowane światło lasera może również grawerować napisy na przedmiotach o nieregularnym kształcie, na przykład na butelkach lub owocach. Coraz częściej stosuje się laserowe drukarki, również kolorowe, w krótkoseryjnej poligrafii.
Światło laserów świetnie nadaje się do przesyłania informacji na odległość. Odpowiednio zmieniane (modulowane) i wpuszczone do cienkich nitek szklanych (światłowodów) zastępuje prąd przewodzony w miedzianych drutach. Obecnie większość kabli telekomunikacyjnych to światłowody.
Podręczne lasery używane są przy pracach budowlanych, pozwalając wyznaczyć linie proste i poziomy oraz mierząc czas powrotu odbitego promienia, podają nam odległość do przedmiotów i ścian. Policjanci zaopatrzeni w automatyczne dalmierze laserowe, mierząc kilkakrotnie w krótkim czasie odległości zbliżającego się samochodu, dostają wyliczoną jego prędkość. Wiele zastosowań laserów wykorzystuje ich właściwość skupiania dużych energii na małej powierzchni. Wykorzystywane jest to w chirurgii, gdyż cięcie skóry wykonane promieniem lasera powoduje mniej uszkodzeń i szybciej się goi. W chirurgii o
czu lasery są niezastąpione. Używając układów soczewek, można skupiać promienie lasera na wybranych punktach w głębi oka, nie powodując uszkodzeń na powierzchni.
Od ponad 30 lat konstruowane są lasery dużych mocy używane w przemyśle do cięcia materiałów. Efekt cięcia wywoływany jest szybkim odparowywaniem bardzo wąskiego pasma materiału. Lasery potrafią ciąć nawet grube płyty stalowe, ceramiczne i kamienne.
Różne zalety laserów wykorzystuje wojsko. Więcej tych „zastosowań” można zobaczyć an filmach akcji i sience-fiction. W praktyce wojskowej promienie lasera są wykorzystywane do wskazywania celu ręcznej broni, prowadzenia rakiet do celu i oczywiście do telekomunikacji. Opracowano wprawdzie „pociski laserowe” strzelające ogromnej mocy promieniem światła uzyskiwanym jednorazowo z lasera chemicznego wzbudzanego wybuchem. Są również opracowane, na razie teoretycznie, lasery kosmiczne, w których wybuch jądrowy powoduje wysyłanie wąskiej wiązki promieni gamma niszczącej satelity i rakiety międzykontynentalne.
Od wielu lat konstruowano w USA przepotężny laser, który ma umożliwić reakcję termojądrową, podobnie jak na Słońcu, dającą energię z połączenia jąder wodoru. Laser, a w zasadzie system złożony z około dwustu laserów, budowano w kalifornijskim National Ignition Facility od 12 lat i budowę ukończono zgodnie z planem przed kilkoma dniami.
Laser ten w ciągu kilku miliardowych części sekundy wyzwoli energię porównywalną z jednoczesnym zapaleniem piętnastu żarówek przez każdego mieszkańca USA. Energia ta skupiona na kapsułce wielkości groszku, zawierającej izotopy wodoru (deuter i tryt), rozgrzeje gaz do 100 milionów stopni i ściśnie go do gęstości stokrotnie przewyższającej gęstość ołowiu. Powinno to wyzwolić w gazie energię termojądrową przewyższającą wielokrotnie tę energię, którą włożono w „strzał” lasera. Jak tę energię odzyskiwać uruchamiając ciągle pracującą elektrownię, będzie przedmiotem badań przez następne kilka lat.
Projekt ten jest konkurencyjny do budowanego we Francji reaktora, „ściskającego” i rozgrzewającego wodór potężnymi polami magnetycznymi. Pisałem o tym w ubiegłym roku.
Na koniec wypada wspomnieć, że sterowane komputerem promienie kolorowych laserów używane są do wyświetlania obrazów na sklepieniach i ścianach budynków, a nawet na zamglonym niebie. Takie i inne zastosowania zjawiska odkrytego pół wieku temu zależą tylko od pomysłowości ludzi. (ami)
Redakcja
