Vasárnapi Új Szó, 1989. július-december (22. évfolyam, 27-52. szám)
1989-12-01 / 48. szám
V ÚJ szú F989. XII. 1. TUDOMÁNYI TECHNIKA A Csehszlovák Tudományos Akadémia prágai Fizikai Intézetében kifejlesztett, 10,6 fim hullámhosszon infravörös tartományban működő, magas feszültségű egyenáramú kisüléssel gerjesztett lézer optikai mérések, interferencia mérések végzésére, valamint egyes hőkezelési eljárásokra is alkalmas, főleg a műanyagok feldolgozásánál. A prerovi Meop- ta vállalat és a Nehézgépipari Müvek Dubnicai Elektrotechnikai Kutatóintézete közösen fejlesztette ki azt a lézeres szintezőrendszert, amely lehetővé tette a földmunkákat végző gépek vezérlésére használt külföldi rendszerek behozatalának megszüntetését. A rendszer detektora a kotrógép karján van elhelyezve, s a vezetőfülkében fényjelzés figyelmezteti a gép kezelőjét a kotrógép kanalának nem megfelelő helyzetére. A Csehszlovák Tudományos Akadémia Rendszertani és ökológiai Biológiai Intézetében lézeres mérőberendezést fejlesztettek ki a növények fluoreszcens sugárzásának mérésére. A növények másodlagos fluoreszcens sugárzását hélium-neon lézeres koherens sugárzással idézik elő. A mérésekből következtetni lehet a vizsgált növény egészségi állapotára és természeti környezetének ökológiai viszonyaira. Jifí Smíd felvételei már polgári célú eszközként is egyre szélesebb körben alkalmazzák a lézert, az atomkorszak egyik jellegzetes találmányát, amely megszületését a kvantummechanika sikeres gyakorlati alkalmazásának köszönheti. Célszerű tehát közelebbről is megismerkedni működési elvével és alkalmazhatóságának területeivel. A CD lejátszókban például a lézer már hétköznapi társunk. A mai értelemben vett lézer már nem fedi az eredeti elnevezés által meghatározott fogalomkört, hiszen az angol elnevezés (Light Amplification by Stimulated Emisson of Radiation = fényerósítés gerjesztett emisszió által) csak a látható fény tartományába eső elektromágneses hullámokról szól, ezzel szemben már a röntgensugárzás tartományában is készítettek lézert. A lézer sugárnyalábja nem akármilyen, nem olyan, mint például egy izzólámpa vagy egy neoncső sugárnyalábja, hanem koherens. Hogy mit is jelent ez a szó, azt a következő példával szemléltethetjük: ha egy tömegfelvonuláson az emberek nem zeneszóra lépkednek, akkor mindenki saját ritmusában szedi a lábát, s az egyes felvonulók léptei között legfeljebb csak véletlenszerű kapcsolat jöhet létre. Egy katonai díszszemlén azonban az indulóra menetelő egységekben a katonák léptei azonos hosszúságúak, összehangoltak, egyszerre mozgó lábuk alatt szinte dübörög a föld. \ Az első példában leírt, szervezet- lenül mozgó tömeget egy izzólámpához hasonlíthatjuk. Ennek sugárzása nem egységes, vagyis az általa kibocsátott elektromágneses kvantumok, a fotonok között csak véletlenszerű kapcsolat lehet, mig a lézer esetében az összehangolt lépésekkel menetelő katonai alakulat a megfelelő hasonlat. A lézer ugyanis azonos hullámhosszú és azonos fázisú (adott pillanatban azonos állapotú) fotonokat bocsát ki. Az ilyen fotonokból álló sugárzást koherensnek nevezzük, s a lézer az a berendezés, amellyel ilyen sugárzás könnyen gerjeszthető. HOGYAN MŰKÖDIK? Azt már tudjuk, hogy a lézerek koherens elektromágneses sugárzás forrásai. De hogyan működik egy ilyen berendezés? Ennek megértéséhez a kvantum- mechanika törvényeit kell segítségül hívni. A kvantummechanika értelmében egy kristály atomjai vagy molekulái, az atom elektronjai, az atommag nukleonjai csak bizonyos meghatározott energiaértékekkel rendelkezhetnek. Ha egy atom elektronja magasabb energiaszintre kerül, mint azt az adott körülmények „előírják“, akkor foton kibocsátásával igyekszik visszajutni a termodinamikai egyensúlynak megfelelő energiaszintre. Ha ez külső befolyás nélkül megy végbe, akkor spontán kibocsátásról, emisszióról beszélünk, ha viszont az emisszió egy másik foton hatására következik be, akkor gerjesztett emisszióról van szó. A gerjesztő fotonnak ugyanakkora energiájúnak kell lennie, mint amekkora a kibocsátott foton energiája, mert egyébként nem gerjeszthetné az emissziót, így hullámhosszuknak is meg kell egyeznie. Emellett a két foton fázisa is azonos, tehát a fotonok koherensek. A lézerhatás létrehozásához szükséges követelményeknek akkor tehetünk eleget, ha az azonos energiaszintre gerjesztett elektronnal rendelkező atomok száma nagyobb az alacsonyabb energiaszinten levő atomok számánál. Ezt a jelenséget populációinverziónak nevezzük, mert a kevésbé valószínű elektronállapotok vannak túlsúlyban. A populáció-inverzió előállítása azonban meglehetősen nehéz feladat, mivel az atomok spontán emisszióval gyorsan elvesztik gerjesztett állapotukat, így a gerjesztett emisszióban való részvételükhöz kevés idő áll rendelkezésünkre. Az olyan közeget, amelyben a populációinverzió megvalósítható, aktív közegnek nevezzük. A gyakorlatban használt lézerek többek között abban is különböznek egymástól, hogy mi az aktív közegük. Ha sikerült létrehoznunk populációinverziót, amit általában „pumpálással“, vagyis az aktív közeg állandó külső gerjesztésével lehet elérni, akkor a keletkező fotonok újabb emissziókat gerjeszthetnek, s az egész jelenségeket megsokszorozhatjuk, ha a lézer két végére tükröt helyezünk. Ekkor a tükrökről visszaverődő fotonok ismét gerjesztett emissziót idézhetnek elő, s ún. foto- lavina indulhat el, melynek lézersugár az eredménye. MILYEN A SZERKEZETE? Hogy milyen hullámhosszon sugároz a lézer, az attól függ, hogy milyen az aktív közege, milyen energiaszinten hozható létre benne populációinverzió. Az aktív közeg halmazállapota alapján megkülönböztetünk szilárdtest-, folyadék- és gázlézert, ezeken kívül külön kategóriát alkotnak a félvezető lézerek. A legismertebb szilárd-lézer a rubinlézer. Ennek aktív közege egy kb. 20 cm hosszú és 1 cm átmérőjű, rúd alakú rubinkristály (kb. 0,05 % krómmal szennyezett alumínium- oxid egykristály). Az aktív közeg gerjesztését, azaz pumpálását xenon villanólámpa végzi. A rubinrúd két vége tükrökkel van ellátva. Az egyik végén teljesen visszaverődő, a másikon néhány százalékban áteresztő tükör található. Ezen a részben áteresztő tükrön léphet ki a lézersugár, amely azonban nem ad folytonos fénynyalábot, hanem impulzusokból áll. Ennek az az oka, hogy a fotonlavina felerősödésekor egyszerre túl sok elektron kerül alacsonyabb energiaszintre, így a populációinverzió megfordul, ezért egy kis időre van szükség, míg a pumpálás hatására megújul az újabb fotonlavinát elindító állapot. Egyéb szilárdtest-lézerekben általában üvegbe telepített szennyezések alkotják az aktív közeget. Gázlézerekben leggyakrabban nemesgázok, nemesgáz-keverékek, nitrogén, szén-dioxid vagy fémgö- zök alkotják az aktív közeget. A gázlézerek előnye a szilárdtest-lézerekkel szemben, hogy általában folyamatos működésre képesek. Tipikus képviselőjük a hélium-neon nemesgáz-keveréket tartalmazó gázlézer. Ebben a gázkeverók kvarc gázkisülési csőben helyezkedik el, s a neonionok populációinverzióját egyenáramú vagy nagyfrekvenciás kisülés segítségével érik el. A neonionok alkalmazásának nagy előnye, hogy mintegy 30 különböző energiaszinten állítható elő velük populációinverzió, így a lézersugár hullámhossza a visszaverő tükrök módosításával (attól függően, hogy a tükrök milyen hullámhosszon verik vissza a fotonokat) változtatható. A félvezető lézerek populációinverzióját a félvezető anyagba megfelelő módon bevitt töltéshordozók segítségével hozhatjuk létre. Ha egy erősen szennyezett félvezető dióda pn átmenetére nyitó irányú árammal elektronokat és lyukakat juttatunk, akkor elegendő mennyiségű töltéshordozó esetében előfordulhat, hogy a magasabb energiaszinten levő állapotok száma meghaladja az alacsonyabb energiaszintú állapotok számát, azaz populációinverzió jön létre. Ha az elektronok és a lyukak között sugárzásos rekombináció játszódik le, és a keletkező fotonokat a pn átmenetre merőlegesen elhelyezett tükrökkel visszavezetjük az aktív rétegbe, akkor fotonlavina indulhat el, vagyis lézersugár keletkezhet. Félvezető lézerekben leggyakrabban gallium-arzenidot alkalmaznak. E lézerek nagy előnye, hogy méretük kicsi, sugárzásuk intenzitása pedig a pn átmenet feszültségével arányosan változtatható, vagyis modulálható. AZ ALKALMAZÁS TERÜLETEI Mivel a lézerből kilépő fénynyaláb párhuzamos fénysugarakból áll, ezért a lézerek többek között távmérőkben és iránykitúzökben is alkalmazhatók. A lézeres távmérőkben kizárólag hélium-neon gázlézert használnak. A mérés során a lézerből kilépő fény amplitúdóját (intenzitását) modulálják, s a megmérendő távolságban elhelyezkedő tárgyról visszaverődő sugárzás beérkezésének az idejét amplitúdó-összehasonlítással állapítják meg. Ezután a fény terjedési sebességének ismeretében a távolság könnyen megadható. A lézeres távmérők hatótávolsága meglehetősen nagy, és pontosságuk is figyelemreméltó. A lézeres iránykitűzésnél a kitűzés irányába vetített lézersugár bármely közbenső pontban láthatóvá tehető, így a közbenső pontok külön bemérésére nincs szükség. A lézeres iránykitűzésnél a lézersugarat általában hagyományos geodéziai műszer (szintező berendezés) távcsövén keresztül vetítik ki. Mivel a lézerfényt a fénykábelek jól vezetik, ezért a geodéziai műszert nem kell a lézerrel egybeépíteni. Az így kialakított berendezés a terepen könnyen szállítható. A nagyobb teljesítményű lézerek ipari megmunkálásra használhatók. Ezeknél az eljárásoknál a lézersugár energiája az anyagban hővé alakul át. A hevítés mértékének megfelelően olvadáspont alatti, olvadáspont és forráspont közötti, valamint forráspont fölötti megmunkálási módszereket különböztetünk meg. Az olvadáspont alatti eljárásokhoz a felületi edzés, az átkristályosítás és a vegyi felületkezelés tartozik. A felületi edzés főleg a bonyolult és nehezen hozzáférhető felületek kezelésénél jöhet számításba, ilyenek például a motorhengerek belső felületei, a szelepülések, a dugattyúhornyok, furatok stb. Az átkristályosítás főleg félvezető elemek újrakristályo- sítására alkalmas, ezzel a módszerrel javíthatók a kristályhibák, vagy amorf rétegek kristályosíthatok újra. A vegyi felületkezelésnél a lézer a vegyi folyamatok reakcióképességének növelésére szolgál. Az olvadáspont és a forráspont közötti hőmérsékleteken a lézeres hegesztési és forrasztási eljárások a jellemzők. Lézerrel a nagy hővezető képességű fémek (réz, ezüst, arany) is jól hegeszthetők. A lézeres hegesztés előnye, hogy pontosan a megkívánt alakú varratok készítésére alkalmas. A lézeres forrasztást ott alkalmazzák, ahol hegesztésre nincs lehetőség, a forrasztás helye nehezen hozzáférhető, vagy a forrasztás környezetében hőhatásokra érzékeny alkatrészek találhatók. A forráspont fölötti eljárásoknál elsősorban különböző anyagok vágása, darabolása a cél. Itt alkalmazzák a legnagyobb teljesítményű lézereket, hiszen a vágatok, furatok előállításánál a vágat vagy a furat teljes mélységében túl kell lépni a forrásponti hőmérsékletet. A gyógyászatban a lézer elsősorban a sebészek eszköze. Lézerrel a lágy- és a csontszövetek gyorsan túíhevíthetők, elpárologtathatok, így sebészeti beavatkozásra kiválóan alkalmasak, különösen olyan műtéteknél, mint pl. a szem operálása, ahol a hagyományos eszközök méreteik miatt nehezen alkalmazhatók. A lézereket vese- és epekövek eltávolítására is felhasználják. Ezeknél az eljárásoknál nincs szükség hagyományos értelemben vett sebészeti beavatkozásra, mivel a lézerrel egyszerűen elpárologtatják az epevagy a vesekövet. A félvezető lézerek kis méreteik és változtatható intenzitású sugárzásuk következtében elsősorban a tömegkommunikációs rendszerekben, a számítástechnikában és a szórakoztató elektronikában nyertek alkalmazást. Nagyobb telefonközpontokat ma már fénykábelekkel kapcsolnak össze, s ezekben a fénykábelekben az információt félvezető lézerek által gerjesztett fénynyalábok szállítják. A fénykábel egyetlen szálja nagyságrendekkel több adatot képes egyszerre továbbítani, mint egy hagyományos telefonkábel, s az információátvitel minősége is jobb. A digitális technika ma már nemcsak a számítógépek kiváltsága, hanem a szórakoztató elektronika területére is betört. A digitális hangvagy képrögzítés sokkal jobb minőséget biztosít, mint a hagyományos analóg rendszer. Ennek köszönhető a CD lejátszók népszerűsége is, amelyeknél a digitális információ előnyeit még az is növeli, hogy az itt alkalmazott lézeres leolvasás érintésmentes, tehát a CD lemezeket nem koptatja a lejátszófej. Érdemes még szót ejteni a lézerek talán legismertebb és leglátványosabb alkalmazási területéről, a holográfiáról. A koherens lézersugárral olyan hologram készíthető, amely a sugárzással megvilágított tárgy minden pontjáról teljes információt raktároz el, annak háromdimenziós méreteit is rögzíti. Ha egy ilyen hologramot újra levetítünk, akkor az adott tárgy háromdimenziós képét láthatjuk magunk előtt. Sokak álma a háromdimenziós mozi megvalósítása, de egyelőre csak állóképek rögzítésére használják a holográfiát. Elsősorban építészek számára lehet hasznos az épületek, hidak statikai vizsgálatához, ugyanis hologramok segítségével rendkívül kis deformációk, elváltozások is kimutathatók. Ezzel a felsorolással még ki sem merítettük a lézerek gyakorlati alkalmazhatóságának minden területét, de így is megállapíthatjuk, hogy alig harminc év leforgása alatt rendkívül széles körben érvényesültek, s mindennapi életünk megszokott tartozékaivá válnak. Érdemes tehát tovább bővíteni gyakorlati alkalmazásuk lehetőségeit, ami teljes összhangban van a társadalmi munkatermelékenység növelésével. Sajnos, a lézerek tökéletesítése a polgári célú hasznosításon kívül a katonai célú fejlesztési irányzatokban is megnyilvánul. Az ún. csillagháborús elképe- zésekben ellenséges célpontok megsemmisítésére lézerágyúk alkalmazását tervezik. A tudományos és technikai forradalomnak tehát árnyoldalai is vannak, s ezek elhárítása és felszámolása az emberiség létfontosságú feladatai közé tartozik. MAKRAI LÁSZLÓ 1 «
