LASER 2005

Slide2: 

LASER Mis? Kuidas? Milleks? Henn Käämbre Tartu Ülikooli Füüsika Instituut

Slide3: 

Loeng TÜ bio-geo-teaduskonna 2. kursuse tudengitele Vanemuise t ringauditooriumis 24. okt . 2005

Slide4: 

Roy Glauber, 80, USA Harvardi Ülik. professor John Hall, 71, USA Colorado Ülik. professor Theodor Hänsch, 63, Saksamaa, Müncheni Ülik. professor 2005. A. Nobeli füüsikalaureaadid Üldse on laseritega seotud tööde eest määratud 16 Nobeli füüsikaauhinda (incl. 2005)

TÜ FI laserilaboris: 

TÜ FI laserilaboris

Mis?: 

Mis? Laser on tehisvalgusallikas, mis eristub teistest valgusallikatest, tavavalgustitest (elektripirn, luminestsentslamp, neoontoru jt) selle poolest, et kiirgab kitsaid (suunatud) valguskimpe, mis on koherentsed, monokromaatsed ja võivad olla ülieredad (intensiivsed). Laserikiirt saab ülimalt koondada ruumis (ülipeeneks – μm suurusjärgus valgustäpiks) ja ajas (piko- koguni femtosekundi – 10-12 – 10-15 s – suurusjärgus välkeks e impulsiks).

Slide8: 

Light Amplification (amplifier) by Stimulated Emission of Radiation Akronüüm, lühendsõna, vrd USA, NATO Valguse võimendus (võimendi) stimuleeritud kiirguse kaudu; võimendi  generaator

Koherentsus: 

Koherentsus Koherentsed lained (a) võnguvad ühistaktis (muutumatu faasi- vahega), levivad kõik samas suunas, mittekoherentsed (b) – võn- guvad kõik eri taktis (faasivahe ei püsi) ja levivad suvalistes suundades. Koherentseid valguslaineid kiirgavad laserid, mittekoherentseid – tavavalgustid (elektripirn, küünal.... ka Päike)

Interferents: 

Interferents LAINEPILDIS... ... JA FOOTONITE PILDIS R.Glauber, kvantoptika isa, näitas (1963) teoreetiliselt, kvantelektro- dünaamikat rakendades, et valguse koherentsus tähendab footonite seostatust, korrelatsiooni. Footonid koonduvad just sinna, kus lainepildis on interferentsmaksimumid. Kvantoptika on kujunenud viljakaks uurimisvallaks. lad: inter – seas, ferens – kandev Laine hari+hari, nõgu+nõgu  max, hari+nõgu  min

Slide11: 

Albert Einsteini on vahel nimetatud ka laseri vanaisaks. Aastal 1916 näitas ta, et peale vabakiirguse peab looduses eksisteerima ka stimuleeritud e sundkiirgus. Einsteini üliviljaka aasta 1905 järgi on välja kuulutatud rahvusvaheline füüsika-aasta 2005. “Kui mu teooria osutub õigeks, ütlevad prantslased, et ma olen kosmopoliit, aga sakslased – et ma olen sakslane; kui ta osutub valeks, ütlevad prantslsed, et olen sakslane, sakslased – et olen juut.

Esmiklaser: 

Esmiklaser Theodore Maiman *1927; USA -- tegi 1960 maailma esimese laseri – rubiinlaseri (16.V1960). Rubiin: Al2O3:Cr3+; Cr: punane kristall, punane kiirgus, λ = 634 nm; Maiman pole nobelist

Üks nüüdislasereid: 

Üks nüüdislasereid

Maiman toetus teooriaalustele, mille andsid:: 

Maiman toetus teooriaalustele, mille andsid: Charles Townes * 1915, USA Nikolai Bassov 1922 – 2001, NSVL Aleksandr Prohhorov 1916 – 2002 NSVL Arthur Schawlow 1921 – 1999, USA Townes, Bassov, Prohhorov – Nobeli preemia 1964; Schawlow – 1981.

Slide15: 

Gordon Gould s. 1920, USA Tehnikahuvilise ema õhutusel huvitub noor Gordon leiutamisest,jumaldab Edisoni, Belli, Marconit, unistab ise leiduriks saada. Töötades doktorantuuris Townesi käe all tutvub maserite printsiibiga. Tähetund ööl vastu 10 novembrit 1957: ta visandab märkmikku enamiku laseri printsiipe ja rakendusvõimalusi, vermib sõna LASER, deponeerib märkmiku notariaalselt. 1959 esitab patendi- taotluse – hilja, Schawlow ja Townes edastasid. Algab 30-aastane patendisõda, vist pikim ajaloos, mille Gould lõpuks võidab. Tema vastu olid laserifirmad, föderaal- valitsus. Kuid 1985. aastaks olid teiste patendid aegunud, ja Gouldi taskusse hakkavad litsentsitasudena voolama kümned miljonid. Fanaatiline sihikindlus ja jonnakus olid eesmärgile jõudnud. Autokoormad toimikuid, otsuseid, patendid korda antakse, kord tühistatakse. Koguni Archimedesele vihjatakse. Lähemalt: ajak Luup, 21. juuli 2000, lk 22-23.

Kuidas...: 

Kuidas... ...laser toimib? Laseri toimimise aluseks on stimuleeritud kiirgus

Siirded kahe valitud energiataseme vahel aatomis/molekulis: 

Siirded kahe valitud energiataseme vahel aatomis/molekulis Kui tavaliselt käsitletakse elektrone energiatasemetel, siis aatomihulkade puhul, nagu laseris, tuleb vaadelda aatomeid energiatasemetel. Seejuures peame silmas muidugi aatomeid, mille teataval tasemel paikneb elektron. Taset iseloomustab: E – taseme energia N – aatomite hulk tasemel, taseme hõive e asustatus τ – aatomi (tema elektroni) püsimisaeg tasemel e taseme eluiga Metastabiilne on ergastatud tase, millel elektron (aatom) püsib tavatult kaua, τ suurusjärgus 10-3 s, ergastatud tavataseme 10-8...10-9 s vastu. Põhjus: kvantmehaanilised siirdekeelud (keelureeglid).

Slide18: 

Stimuleerima, stimulatsioon  sundima; stimulus – (lad.) astel /eeslite sörkima õhutamiseks/; Stimuleeritud e indutseeritud kiirgus – sundkiirgus. Vastand: Spontaanne kiirgus e vabakiirgus Spontaanne  sponte sua – (lad.) vabal tahtel; spontaneus – (lad.) isetekkeline; indutseeritud  inducere – (lad.) sisse juhtima E1 neeldumine E2 vabakiirgus sundkiirgus E1 < E2 Footon, hf = E2-E1 Elektron „all“ Elektron „ülal“ E, N, τ B12ρN1 B21ρN2 AN2 B12 = B21 = B Sundsiirete tempo määrab: kas N1 > N2 või N2 > N1 Siirdetempo Valgus võimeneb ρ – kiirgus-tihedus

Spontaanne siire ja stimuleeritud siirded: 

Spontaanne siire ja stimuleeritud siirded

Slide20: 

Kui neeldumise tõttu ainet läbiv valgus nõrgeneb, siis stimuleertud kiirguse tõttu ainet läbiv valgus tugevneb, VÕIMENEB (negatiivne neeldumine).

Tavahõive... ja pöördhõive: 

Tavahõive... ja pöördhõive 1 2 N1 >> N2 N1 < N2 T > 0 “T < 0” NEGATIIVNE ABSOLUUTTEMPERATUUR

Laseriehituse põhiprobleem:kuidas saavutada pöördhõivet?: 

Laseriehituse põhiprobleem: kuidas saavutada pöördhõivet?

Kas pöördhõive on saavutatav üksnes kahte energiataset rakendades, s.o. võimendada aktiivainele langevat kiirgust sagedusel hf = E2 – E1?: 

Kas pöördhõive on saavutatav üksnes kahte energiataset rakendades, s.o. võimendada aktiivainele langevat kiirgust sagedusel hf = E2 – E1? -- Ei! Mida rohkem siirdeid „üles“, seda enam suureneb N2. Mida suurem N2, seda enam toimub siirdeid „alla“, kuni jõutakse tasakaaluni, N1 = N2, kuid mitte pöördhõiveni, N2 > N1. Tuleb rakendada aatomite vahepealsete kuhjumisladudena metastabiilseid tasemeid. N2 N1 E2 E1

Kolmik- ja neliksiirdelaseri energiatasemed: 

Kolmik- ja neliksiirdelaseri energiatasemed

Laseri üldskeem: 

Laseri üldskeem Ergasti Kiirgur (aktiivaine) Resonaator (peeglipaar) Poolläbipaistev Laserikiir Läbipaistmatu

Slide26: 

1. Stardivalmis rubiinlaser 2.Välklamp sähvatas

Slide27: 

3. Välklamp sähvatas, ergastas aatomid pöörd- hõivesse 4. Footonid pendeldavad peeglite vahel, stimuleerides üha uusi kiirgusakte, tekib kiirguslaviin

Slide28: 

5. Valguslaviin, koherentne suunatud laserikiir väljub läbi poolläbipaistva peegli. Suuna annavad kiirele peeglite telgjoon ja kiirguri pikergune kuju; võimenevad vaid pikisuunas levivad/peegelduvad valguslained (footonid), ristsuunas levijad väljuvad kiirgurist võimenemata, laserikiirde lisandumata .

Laseriliike: 

Laseriliike Töörežiimi järgi: Välke- e impulsslaserid (10-3...10-14 s) Alalislaserid Kiirguri järgi: Tahkislaserid Gaaslaserid Vedeliklaserid (tellitava lainepikkusega värvlaserid) Pooljuhtlaserid (dioodlaserid) Ergasti järgi: Välklambiga Elektrivooluga gaasis Elektrivooluga pooljuhtdioodis Keemilise reaktsiooniga (kemolaserid)

Kasutavamaid laseritüüpe: 

Kasutavamaid laseritüüpe

Laserite iseloomulikke näitajaid: 

Laserite iseloomulikke näitajaid Erinevate laseritüüpide... ...kiirgus langeb lainepikkuste vahemikku 1000 μm...3 nm, s.o. ulatub üle 6 suurusjärgu ... võimsus on 10-9... 1020 W (s.o. varieerub 29 suurusjärgu piires) ... mõõtmed varieeruvad juuksekarva läbimõõdust kuni suure hoone gabariitideni ... laserivälked võivad kesta üksnes 6 ×10-15 s ehk mõne femtosekundi

MILLEKS LASER KÕLBAB?: 

MILLEKS LASER KÕLBAB?

Kus kohtate laserit argielus?: 

Kus kohtate laserit argielus? Laserviip (ingl. laser pointer) CD (kompaktplaat), CD-mängija Kassaautomaat (vöötkoodi lugeja) Maamõõdus Hologrammid (turvamärgised rahatähtedel jm) Valgusside (optilised kiud, kiudkaablid) Laservaatemängud (laseršõud)

Laserside: 

Laserside Pürgimine kõrgematele sagedustele (esialgu MASERid) sai tõukejõuks laserite loomisel Kollased postid teede ääres – kiud-valguskaablite tähis Telefoni-, faksi- ja arvutiside Kaabeltelevisioon MIKS valgusjuhtmed, mitte kiired õhus?

Kiudvalgusjuhe (optiline fiiber): 

Kiudvalgusjuhe (optiline fiiber) „Kokkukeritud valguskiir“

Slide36: 

Südamik Ümbris (cladding) Kaitsekate ... ja pikilõige n Kiudvalgusjuhtme... ...ristlõige

Bioloogia (raku- ja molekulaar-bioloogia, biomeditsiin): 

Bioloogia (raku- ja molekulaar- bioloogia, biomeditsiin)

Laserpintsett I: 

Laserpintsett I Heledusjaotus laserikiires Läbipaistev kübe kistakse valguse murdumisel edasiantava impulsi mõjul kiire keskmesse ja lükatakse valguse rõhu toimel valguse levisuunas.

Laserpintsett II: 

Laserpintsett II Laserikiir Nihutatav alus Alusklaas Objektiiv, 100 × Katteklaas Preparaat

Laserpintsett III: 

Laserpintsett III

Laserkirurgia: 

Laserkirurgia Oftalmoloogia – laser-silmaoperatsioonidega nt irdunud võrkkesta „tagasikeevitamine“ algasid 1960ndail laseri rakendused; glaukoomi ravi Laserskalpell – veretu, kauteriseeriv (kalgendav) „Võtmeaugu-operatsioonid“

Laser-silmakirurgia: 

Laser-silmakirurgia LASIK (Laser In-Situ Keratomileusis).

Laserteraapia: 

Laserteraapia Nahahaiguste ravi Sünnimärkide, tätoveeringute, nahakortsude kõrvaldamine („laser-iluravi“ maailmas eriti levinud, Internet:1996 1 mln kosmeetilist lasermenetlust, 2000 aastaks oodati 3,4 mln). enne ... ... ja pärast lasermenetlust

Laserravi vaseaurude laseriga: 

Laserravi vaseaurude laseriga TÜ nahahaiguste kliinikus, TÜ FI, Estla loodud aparatuuriga

Laserravi II: 

Ekseemi kiiritus labakäel Pigmendilaikude kõrvalda-mine (Dr. M.Reidla) Laserravi II

Tähelepanu! LASER ON OHTLIK!: 

Tähelepanu! LASER ON OHTLIK!

Slide48: 

Ettevaatust, laserivalgus!

Slide49: 

Laseriohu hoiatusmärgid

Lasermõõturid, navigatsiooniseadmed: 

Lasermõõturid, navigatsiooniseadmed

Slide51: 

Laserlood – nöörloodi asendaja Laser-nurgamärkija Laser-vaaderpass (vesilood) Laser-mõõdulint

Slide53: 

Laser-dokkimisseade

“Laserkamm”: 

“Laserkamm” Valguse sagedus f = 1015 Hz Laserkammi täpsus (suhtviga) 10–15, s.o valguse sagedust saab määrata ~ 1 Hz täpsusega John Hall Theodor Hänsch

Ülikõrged temperatuurid,rakendused tehnikas, sõjanduses: 

Ülikõrged temperatuurid, rakendused tehnikas, sõjanduses Erinevate materjalide (metall, mineraalid, puit, plastikud) lõikamine, puurimine, keevitamine, pinnatöötlus, graveerimine Lasertuumatuli – termotuumareaktsioonid – laserenergeetika. Laserrelvad

Laserkeevitus: 

Laserkeevitus Laser welding of the Passat at Volkswagen, Emden

Laser-termotuumatehnika –tuleviku energeetika?: 

Laser-termotuumatehnika – tuleviku energeetika? Photograph of the inside of the NIF laser target chamber. This 10-metre diameter vessel will be sealed to provide a vacuum environment, allowing the laser to interact with a millimetre-scale ìtargetî suspended at the chamber centre. The various holes in the chamber are to allow the 192 laser beams to enter and to allow diagnosis of the ensuing plasma explosion.

USA laserrelv : 

USA laserrelv April 21, 2004 Rob Hewson, the editor of Jane's Air Launched Weapons, said: "The laser will be the atomic weapon of the 21st century. Since the 1970s, US scientists have conducted a series of secret experiments in the Nevada desert using lasers.

USA 100-kW ründelaser: 

USA 100-kW ründelaser

Slide60: 

Laseriga relvastatud hävitajad võivad lahingusse astuda juba a. 2015 (New Scientist.com, July 20, 2002)

WTC, New York, 11. sept. 2001: 

WTC, New York, 11. sept. 2001 Christofer Bollyn, American Free Press Ajaloo suurim varing, hukkus 3000 inimest. Kahtlustatakse, et terroristide lennukeil oli laserrelv (tekkis keravälguga sarnanev plasmoid), mis tekitas ülikõrge temperatuuri (1700o C; tavapõleng: 900oC); tõusis tohutu tolmupilv; betoon tolmustus, paljud ohvrid aurusid (to!); põleng kestis 3 kuud, vaatamata pidevale uhtmisele veega. Eksperdid: analoogilisi tolmustamisi on täheldatud varem laserrelva katsetamisel/demonstratsioonil. Selline laserrelv on algselt loodud N. Liidus. Praegu seda arendatakse/täiustatakse USA-Iisraeli ühistöös tohutute summade varal. Bushi administratsioon väldib WTC pädevat uurimist. USA kindral John Castello:”Oleme ulme muutnud tegelikkuseks”

Kontrastiks – laserkülmutus, ülimadalad temperatuurid: 

Kontrastiks – laserkülmutus, ülimadalad temperatuurid

Laserkülmutus: 

Laserkülmutus Mikrokelvinid  nanokelvinid; v = 104 cm/s  1cm/s Ülikülm aurupilv

Laserid füüsikas, keemias: 

Laserid füüsikas, keemias Laserspektroskoopia (FI – spektrisälkamine) Mittelineaarne optika Keemiliste reaktsioonide käigu täppisuurimine ja mõjutamine, ka keemiatööstuses

Täiendlugemist: 

Täiendlugemist W.T.Silfvast. Lasers. In: Handbook of Optics, vol. 1, Chapter 11; McGraw-Hill, 1995. TÜ pearaamatukogus XA-12036 M. Csele. Fundamentals of Light Sources and Lasers, Wiley, 2004 TÜ pearaamatukogus XA-12279 Internet, otsingusõnad lasers, laser biology, laser medicine, laser tweezers, laser weapons, military lasers jpt Nt howstuffworks.com/laser.htm Achilles.net/~ypvsj/history/ /members.aol.com/jimb3d/lasers.html

Slide66: 

TÄNAN KUULAMAST!