Laser skończył 50 lat

Czytniki kodów kreskowych w kasach, odtwarzacze i nagrywarki DVD, zabiegi medyczne i kosmetyczne, obróbka materiałów i zaawansowane badania naukowe - lasery są dziś obecne niemal w każdej dziedzinie życia.

16 maja 1960 roku amerykański uczony, zatrudniony w przedsiębiorstwie Hughes Electric Corporation w Kalifornii, Theodore Maiman, po raz pierwszy uzyskał efekt, nazywany "wzmocnieniem światła poprzez wymuszoną emisję promieniowania", czyli "Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation", w skrócie LASER. Ten pionierski eksperyment, którego celem było pokazanie, że zasadę stosowaną już od kilku lat do wytwarzania mikrofal można wykorzystać także do wytwarzania światła, zapoczątkował rewolucję technologiczną, która dziś ułatwia i umila nam życie na każdym kroku.

Co ciekawe, na początku wielki wynalazek Maimana spotkał się raczej z chłodnym przyjęciem. Ludzie próbowali dowiedzieć się, co to za urządzenie i jak można je wykorzystać. W prasie pojawiały się przeróżne doniesienia, czasami nawet straszne. Ducha tego okresu, kiedy w mediach doniesienia z „frontu” Zimnej Wojny przenikały się z filmami klasy B o kosmitach, dobrze oddaje tytuł jednego z artykułów na temat Maimana: „Mieszkaniec Los Angeles odkrywa promienie śmierci”.

Od tamtego czasu laser zrewolucjonizował nasze życie. Umożliwia przechowywanie danych w ogromnych ilościach i ich przesyłanie z prędkością światła. Mierzy materiały i tnie je z sub-milimetrową precyzją.

"Lasery są obecnie stosowane w tak wielu dziedzinach, że często nie zdajemy sobie sprawy z faktu używania produktów lub technologii, które bez nich nie mogłyby istnieć" - mówił fizyk Czesław Radzewicz z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego, Koordynator Narodowego Laboratorium Technologii Kwantowych.

Jak wyjaśnił prof. Radzewicz, wiązka światła, tworząca promień lasera wytwarzana jest w taki sposób, że prawie nie rozbiega się w miarę oddalania się od swojego źródła. To właśnie odróżnia laser od światła pochodzącego z "normalnych" źródeł. "Osiąga się to dzięki układowi luster zwanego rezonatorem, który zmusza światło do poruszania się tylko w jednym kierunku" - tłumaczył fizyk. "Ponadto, wiązka lasera, padająca na soczewkę skupiającą może być zogniskowana do bardzo małej plamki o średnicy kilku mikrometrów" - dodał.

Najczęściej laser wytwarza falę elektromagnetyczną, która charakteryzuje się tym, że składa się tylko ze światła o jednej barwie. "Można sobie wyobrazić, że jest to jeden, precyzyjnie wyizolowany kolor z tęczy" - wyjaśnił prof. Radzewicz. Drgania tej fali są w szczególny sposób uporządkowane. Odbywają się tylko w jednej płaszczyźnie, czyli np. tylko "w górę" i "w dół", a nie na przemian w pionie i w poziomie (zjawisko to nazywane jest polaryzacją liniową). Ponadto, kolejne nadchodzące odcinki fali, swoimi "dołkami" trafiają w miejsca, gdzie wcześniej znajdowały się "dołki" poprzednich odcinków fali, czyli drgania są niezwykle regularne. "Ta cecha, nazywana spójnością, dla lasera jest bardzo ważna, bo bardzo długie, nawet liczące setki tysięcy kilometrów, odcinki fali są w ten sposób zsynchronizowane. Dla porównania, dla światła słonecznego ta wartość wynosi poniżej jednego mikrometra - podkreślił naukowiec.

Pierwszy laser, skonstruowany przez Theodora Maimana wykorzystywał kryształ rubinu, wyszlifowany w kształt walca. "Wokół tego walca owinięta była lampa błyskowa, przypominająca rurkę, stosowaną w neonach reklamowych. Błysk lampy pobudzał kryształ, dzięki czemu w jego wnętrzu możliwe było wzmacnianie światła. Płaskie podstawy lasera były pokryte srebrem, tworząc rodzaj częściowo przezroczystych luster, od których wielokrotnie odbijało się wzmacniane światło zanim wydostało się na zewnątrz" - tłumaczył prof. Radzewicz.

Specyficzne właściwości światła laserowego powodują, że można je wykorzystywać w wielu dziedzinach. "Na przykład, możliwość ogniskowania wiązki laserowej do bardzo małych rozmiarów to podstawa działania dysków optycznych CD, DVD i Blue Ray, bo im mniejsza plamka, tym więcej bitów można zapisać na dysku. Kiedy laser emituje impuls o dużej mocy, to w ognisku wiązki jest tak duże natężenie, że powstaje tam gorąca plazma, którą uczeni chcą nawet wykorzystać do +zapalenia+ reakcji termojądrowej" - mówił fizyk.

Bez możliwości ogniskowania wiązki laserowej do małej plamki nie byłoby sieci światłowodowych stanowiących podstawę współczesnego internetu, bo nie byłoby sposobu wprowadzenia światła do rdzenia światłowodu.

Ponieważ wiązka lasera jest mało rozbieżna, to można wysłać ją na wiele kilometrów i mierzyć światło rozproszone przez chmury, zanieczyszczenia lub inne obiekty w atmosferze, czyli zbudować lidar - laserowy odpowiednik radaru i przy jego pomocy mierzyć własności atmosfery czy też pozycję samolotu bez ruszania się z powierzchni Ziemi. "W wersji policyjnej urządzenie to skutecznie dyscyplinuje kierowców łamiących ograniczenia prędkości i, w odróżnieniu od klasycznego radaru, nie może być wykryte" - zaznaczył prof. Radzewicz.

Zogniskowana wiązka laserowa to także uniwersalne i niezwykle precyzyjne narzędzie. Wykorzystuje się ją do, między innymi, cięcia i spawania metali, na przykład, karoserii samochodów czy obróbki paneli słonecznych. Jest to także jedyna znana obecnie metoda wiercenia otworów w głowicach drukarek atramentowych. W medycynie wiązka laserowa to sterylny skalpel używany, przede wszystkim, do korekty wad wzroku oraz operacji na siatkówce.

Precyzję sterowania wiązkami laserowymi wykorzystują czytniki kodów kreskowych, spotykane w kasie każdego większego sklepu. Czarne kreski w kodach inaczej rozpraszają światło niż białe odstępy między nimi. Czujniki, znajdujące się w czytniku są w stanie wykryć zmiany w rozproszonej wiązce lasera i "odczytać" układ kresek w kodzie.

Lasery, już dziś stosowane powszechnie, są dopiero na początku swojej drogi rozwoju. Trwają badania nad powiększeniem ich mocy i uzyskaniem promieniowania z obszaru rentgenowskiego. Wykorzystanie laserów jako broni, sposobu komunikacji, narzędzia do obróbki materiałów lub do przesyłania energii na naszych oczach przechodzi ze sfery science fiction do rzeczywistości.