Visi žinome, kad šviesa yra fotonai. Tai elementariosios dalelės, neturinčios nei elektros krūvio, nei rimties masės. Fotonai egzistuoja tik judėdami šviesos greičiu, o kiekvienas iš jų turi ir savo energiją. Šviesai sklindant ne vakuumu, o medžiaga, fotonai sugeriami. Taip fotono energija perduodama medžiagos atomams. Pastariesiems po tam tikro laiko išspinduliavus fotoną, energija iš medžiagos perduodama naujai išspinduliuotam fotonui.
Taip pat niekam ne paslaptis, kad viską pasaulyje sudaro atomai. Atome esantys neutronai ir protonai sudaro branduolį, o aplink jį juda elektronai. Pastarieji gyvena skirtinguose energijos lygmenyse.
Pirmasis energijos lygmuo vadinamas pagrindiniu, ten galime rasti pačių tingiausių elektronų. Aukštesni lygmenys vadinami sužadintaisiais, tačiau norint, kad elektronas ten persikraustytų, jam reikia įgyti energijos. Čia į pagalbą ateina fotonai. Pašvietus į medžiagą, pagrindiniame lygmenyje esantys elektronai sugeria fotonus, įgauna jų energiją ir pakyla į aukštesnį, sužadintąjį, energijos lygmenį. Lygiai tą patį darote ir jūs, kai savaitgalį gulinėjate ant sofos, tačiau suvalgę sočią vakarienę staiga įgaunate energijos ir palikę patogią sofą lekiate susitikti su draugais.
Visi mėgstame tinginiauti, ne išimtis ir elektronai.
Visi mėgstame tinginiauti, ne išimtis ir elektronai. Sužadintiesiems elektronams pabosta būti aukštesnių energijų lygmenyse, todėl kažkada jie vėl turi grįžti atgal į pagrindinį lygmenį, o tai gali nutikti dviem būdais. Pirmasis, kai elektronas pavargęs tiesiog išspjauna prieš tai sugertą fotoną ir pats praradęs energiją krinta atgal į pagrindinę būseną – tai vadinama savaiminiu spinduliavimu.
Antrasis būdas, kai jau sužadintas elektronas sugeria dar vieną tokios pat energijos fotoną. Tuomet jis iš karto nusprendžia, kad to jam jau per daug, ir išspjovęs abu fotonus vėl grįžta į pagrindinę būseną. Tai vadinama priverstiniu spinduliavimu, ir būtent juo paremtas lazerio veikimas. Nuostabu tai, kad po priverstinio spinduliavimo visi išspjauti fotonai yra visiškai vienodi, t. y. jie juda ta pačia kryptimi ir yra tos pačios energijos.
Toks atomų rinkinys, t. y. tam tikra medžiaga, kurią naudosime lazerinei spinduliuotei kurti, vadinamas aktyviąja terpe. Nuo to, kokią aktyviąją terpę pasirinksime, priklauso, kokią lazerio šviesą turėsime. Taip yra todėl, kad skirtingų medžiagų atomai sugeria, o vėliau išspjauna tik tam tikrų energijų fotonus. Skirtingų energijų fotonai reiškia skirtingų spalvų šviesą.
Išsiaiškinę pagrindinius principus, jau galime pasigaminti lazerį. Taigi pasirinkę aktyviąją terpę, įdedame ją į rezonatorių. Rezonatorius – dėžė, kurios abiejuose galuose yra po veidrodį. Vienoje pusėje esantis veidrodis atspindi visą šviesą. Kitoje pusėje esantis veidrodis yra šiek tiek kiauras, jis dalį šviesos atspindi, o kitą dalį praleidžia į lauką. Dar vienas svarbus lazerio komponentas, esantis rezonatoriaus viduje, yra šviesos šaltinis. Tai gali būti šviesos diodas, lempa ar net kitas lazeris.
Taigi šviesos šaltinis šviečia į mūsų pasirinktą aktyviąją terpę. Pastarosios atomai sugeria iš šviesos šaltinio sklindančius fotonus ir pereina į sužadintąją būseną. Sugeriant dar daugiau fotonų, įvyksta jau minėtas priverstinis spinduliavimas. Jo metu atomai išspjauna daug vienodos energijos fotonų, ir šie draugiškai juda viena kryptimi. Tuomet tvarkingi fotonai rezonatoriuje atsispindėję nuo vieno veidrodžio pakeičia kryptį ir juda toliau, kol atsispindi nuo priešingoje pusėje esančio veidrodžio. Taip koherentinė šviesa rezonatoriuje juda pirmyn⎯atgal, pakeliui dar labiau sužadindama aktyviąją terpę ir sukeldama dar intensyvesnį priverstinį spinduliavimą, kurio metu gimsta dar daugiau tokių vienkrypčių fotonų. Taigi šviesa stiprinama tol, kol per kiaurąjį rezonatoriaus veidrodį išeina kryptinga lazerinė spinduliuotė. Štai taip veikia lazeris.
Tikri lietuviai turi žinoti ne tik, kaip veikia lazeris, bet ir tai, kad mūsų šalis šioje srityje yra tikra karalienė.
Tikri lietuviai turi žinoti ne tik, kaip veikia lazeris, bet ir tai, kad mūsų šalis šioje srityje yra tikra karalienė. Ne mažiau nei krepšinis lazerių mokslas garsina Lietuvą visame pasaulyje. Praėjusiais metais dvi didžiausios lazerių įmonės Lietuvoje „Light Conversion“ ir „Ekspla“ sujungė savo technologijas ir sukūrė sparčiausią lazerį, vieną iš didžiausių lazerių pasaulyje, kuris gali generuoti labai trumpus ir labai galingus šviesos žybsnius. Šio lazerio impulsų galia, telpanti vieno kubinio mikrometro tūryje, viršija branduolinės jėgainės galią! Neįtikėtina ir tai, kad Lietuvos lazerių pramonė užima daugiau nei pusę pasaulio ultratrumpųjų impulsų lazerių rinkos. Jei gyventume Daktaro Blogio pasaulyje, šis tikrai mėgintų užsukti į mūsų šalį įsigyti galingų lazerių.
Kyla klausimas, ar lazeriai tikrai gali būti tokie galingi ir pavojingi, kokie vaizduojami kine?
Garsioje 1964 metų filmo „Auksapirštis“ scenoje blogiukas lazeriu bando perpjauti Jamesą Bondą. Atsižvelgiant į tuomečių lazerių galimybes, greičiausiai taip slaptojo agento nužudyti nepavyktų, nebent tik jį apakinti.
Tačiau šiais laikais dabartiniai lazeriai tapo daug galingesni ir smarkiai pranoko pirmtakus, taigi Jamesui Bondui tokia situacija baigtųsi mirtimi. Bet nėra ko bijoti, dažniausiai lazeriai naudojami daug kilnesniais tikslais ir smarkiai palengvina kasdienybę. Pavyzdžiui, medicinoje atliekant sudėtingas ir kruopštumo reikalaujančias operacijas skalpelis dažnai iškeičiamas į lazerį, nes pastarasis gali itin tiksliai pašalinti reikiamą audinio vietą, nepažeisdamas šalia esančių sveikų audinių. Tuo pat metu žaizda uždeginama, sustabdomas kraujavimas ir sumažinama užkrėtimo rizika.
Be lazerių negalėtume įsivaizduoti ir kasdienybės: biuruose naudojami lazeriniai spausdintuvai, parduotuvėse nuskaitomos prekės, internetinis ryšys ir net spalvingai apšviestos diskotekos. Lietuvių gaminami ultratrumpųjų impulsų lazeriai naudojami mikroelektronikoje, medicinoje ir mobiliuosiuose įrenginiuose. Lazeriai mus supa visur, o jų galimybės kasdien sparčiai auga. Vienintelis limitas – mūsų vaizduotė ir kūrybiški lazerių panaudojimo sprendimai.
„IPhO“ – Tarptautinė fizikos olimpiada yra kasmetinis individualus fizikos konkursas, skirtas vidurinių mokyklų ir gimnazijų mokiniams. 2021 m. liepos 17–25 dienomis ši olimpiada pirmą kartą vyks Lietuvoje – Vilniuje ir nuotoliniu formatu!
Olimpiadą organizuoja Švietimo, mokslo ir sporto ministerija, Lietuvos mokinių neformaliojo švietimo centras ir Vilniaus universitetas.
Daugiau apie IPhO 2021 informacijos rasite ČIA.
Šaltiniai:
- https://www.youtube.com/watch?v=Pxiu7fDBAvk
- https://www.quora.com/Is-4kW-laser-enough-to-cut-a-person-in-half-Would-that-be-possible-with-a-laser-for-an-industrial-use?fbclid=IwAR1iyDjKxKEC23ZmTBShmzWS_JyKf32TZRCyvlCr2p1ojV4Fb4V60ApKe7c
- Csele, Mark (2004). Fundamentals of Light Sources and Lasers. Wiley. ISBN 0-471-47660-9.
- Svelto, Orazio (1998). Principles of Lasers. 4th ed. Trans. David Hanna. Springer. ISBN 0-306-45748-2.
