Hvernig er leysiljós búið til?

Nafn þitt

Netfang þitt

Netfang móttakanda

Ruslpóstvörn =

Svar

Hvernig er leysiljós búið til?
Nafnið „leysir“ er hljóðlíking enska heitisins „laser“. Enska heitið er myndað úr upphafsstöfunum í lýsingu á ferlinu: „light amplification by stimulated emission of radiation“ eða „ljósmögnun fyrir tilstilli örvaðrar útgeislunar“. Þess háttar ljósmögnun er notuð til að búa til leysiljós í gasi eða föstu og fljótandi efni.

Albert Einstein uppgötvaði örvaða útgeislun árið 1916 við hlið sjálfsprottinnar útgeislunar og gleypingar atóma og sameinda á ljósi í efni. Þar sem hún er mun sjaldgæfari en hin fyrirbærin, tóku menn ekki eftir því að hægt var að nota ljósörvun til að magna útgeislun ljóss fyrr en árið 1960. Sjálfsprottin útgeislun atóma er algengust frá öllu efni við upphitun. Hún er tilviljunarkennd og svipar þannig til geislavirkni efna. Gleyping atóma á sömu ljósorkuskömmtum er andstæða fyrirbærið við hana og hindrar hún frjálsa ferð ljósgeisla um efnið.

Örvunin er fólgin í því að ljósalda af réttri tíðni getur hrifið samskonar öldu með sér frá atómi, sem er í hlöðnu orkuástandi sem nemur E = hf. Einstein sýndi fram á að báðar öldurnar fjarlægjast síðan atómið í takt hver við aðra á ljóshraða með sömu tíðni, útbreiðslustefnu og skautun. Til þess að koma mögnun ljóss til leiðar í efni, þá verður að sjá til þess að ljós sem fer í gegnum efnið, örvi fleiri atóm til að gefa frá sér ljós, en atóm sem gleypa ljós með sömu tíðninni f. Takist þetta, þá verður efnið gagnsætt fyrir ljósi af þessari ákveðnu tíðni og geislar umframljósinu. Ef hluta umframsljóssins er skilað aftur til efnisins, endurtekur leikurinn sig og efnið getur aftur magnað sérhvern áfallandi ljósgeisla með keðjuverkun fjölda atóma. Þegar hér er komið sögu, getur allur efnisbúturinn einnig skilað af sér hluta geislunarinnar til umhverfisins í mynd leysiljóss með tíðninni f.

Þessari aðferð til að búa til leysiljós lýstu Bandaríkjamennirnir Charles H. Townes (1915-2015) og Arthur L. Shawlow (1921-1999) í grein árið 1958. Í greininni stungu þeir meðal annars upp á því að koma efni – sem kæmi til greina sem leysiljósgjafi - fyrir á milli tveggja samsíða spegla, svonefnds ljóshermils (e. light resonator). Speglarnir mundu þá sjá til þess að endurkasta ljósinu í sífellu til baka inn í efnið. Leysiljósgeisli mundi þá magnast upp á ás speglatvennunar. Með því að láta annan spegilinn vera gagnsæjan að hluta, væri síðan hægt að sleppa hluta geislans í gegnum spegilinn burt frá tækinu. Þetta fyrirkomulag á speglunum mundi einnig leiða til þess að allar örvaðar öldur í efninu milli þeirra væru knúnar til þess að vera í takt hver við aðra. Mynd 1 hér fyrir ofan lýsir þessari hugsaðri uppsetningu þeirra.

Þriðja Bandaríkjamanninum Theodore H. Maimann (1927-2007) tókst með þessu móti árið 1960 að koma leysiútgeislun frá roðasteini eða rúbín, af stað. Að vísu ekki í samfelldum geisla eins og Townes og Schawlow höfðu lýst, heldur í stökum púlsum. Hann notaði blossaljós úr myndavél til að örva efnið í tækinu eins og mynd 2 sýnir.

Margar tegundir hafa leysum hafa verið þróaðir í ýmsum efnum: jóna-, sameinda-, kristalla-, gler-, vökva-, hálfleiðara- og glerþráðaleysar; ýmist í skápa-, borðtækja-, lófa- og títuprjónshausastærð. Einnig hafa verið búnir til örsmáir leysar, á stærð við stakar sameindir. Þar fyrir utan hefur leysiútgeislun verið komið af stað í öðru efnisástandi eins og í rafeindageislum, yfirborðsrafgasbylgjum og atómgeislum.

Smíðaðir hafa verið leysar sem geisla út á stökum litrófslínum á sviði röntgengeisla, útfjólublás, sýnilegs og innrauðs ljóss fram til örbylgna. Útgeislun þeirra er ýmist í einum samfelldum öldugangi, eða endurteknum snörpum lotum, það er að segja púlsum eða púlsaröðum. Samfellt geislafl leysa getur numið kílówöttum, sem nýtist til dæmis til að skera og sjóða saman málmþynnur í bílasmíði.

Snörpustu púlsar sem framleiddir hafa verið með leysum til þessa eru um 20 attósekúndur að lengd, sem er tuttugu milljón-milljón-milljónasti hluti úr sekúndu. Á þeim tíma kemst ljós með 300.000 km/s hraða í lofttæmi aðeins yfir vegalengd sem samsvarar þvermáli eins atóms. Púlsarnir eru því notaðir til að rannsaka orkuskipti innan atóma og þeirra hvers við annað.

Þótt orkan í einstökum púlsum leysis sé lítil, til dæmis 100 millijoule, getur toppaflið í einum stuttum púlsi numið 100 megawöttum. Það er sambærilegt við samfellt afl eins raforkuvers. Þetta mikla toppafl leysipúlsanna má nota til að bora göt í flest efni, jafnvel í tennur hjá tannlækni.

Myndir:

• Leysirinn 50 ára: Aðdragandi, smíði og árangur - raust.is. (Sóttar 24.02.2015).

...