Lézer

Különböző hullámhosszú látható fényt kibocsátó lézerek:
piros: 635 nm, 660 nm
zöld: 520 nm, 532 nm
kék: 405 nm, 445 nm

A lézer olyan fényforrás, amely indukált emissziót használ egybefüggő fénysugár létrehozására. A lézerek tekintetében fény alatt bármilyen frekvenciájú elektromágneses sugárzást érthetünk, nem kizárólag csak látható fényt. Ennek megfelelően beszélhetünk például infravörös sugárzást és ibolyántúli sugárzást kibocsátó lézerekről is.

Legegyszerűbben kifejezve a lézer egy összetartott (koncentrált) fénysugár.

A lézer működési elve a fény gerjesztésén alapul. Az aktív környezetből energiát pumpálnak a rezonátorba, amiben gerjesztik a rezonátorban jelenlevő elektronokat. Az alapállapotba visszaeső elektronok fotonokat bocsátanak ki amelyek a rezonátorban további elektronokat gerjesztenek, stimulálnak. A nagy energiájú fotonok a rezonátor egy féláteresztő tükrén át lépnek ki. A kilépő fénynyaláb koncentrált és egységes hullámhosszú (ld. a kül. hullámhosszú lézerek képet).

Nevének eredete

A neve (laser) az angol Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation kifejezés rövidítése. Magyarországon a kiejtést követő lézer alakban használatos.

Kifejlesztése

Az első lézert az amerikai Theodore Harold Maiman fejlesztette ki 1960-ban. 1964-ben Alexander Mihajlovics Prohorov szovjet akadémikus, Charles Hard Townes amerikai és Nyikolaj Gennagyijevics Baszov szovjet fizikus a lézer és mézer megalkotásához vezető kvantum-elektrodinamikai kutatásért megosztva Nobel-díjat kaptak.

HeNe-lézer bemutatója a Kastler-Brossel Laboratóriumban

A lézerfény tulajdonságai

• A létrejött fény időben és térben koherens, a lézer által kibocsátott hullámok fázisa a sugár minden keresztmetszeténél azonos.
• A lézernyaláb keskeny és nagyon kis széttartású nyaláb. A lézerfény nagyrészt párhuzamos fénysugarakból áll, nagyon kis szóródási szöggel. Ezzel nagy energiasűrűség érhető el szűk sugárban, nagy távolságokban is.
• A lézerek energiája kis térrészben koncentrálódik, a lézerfény teljesítménysűrűsége a megszokott fényforrásokénak sokszorosa lehet.
• A lézer által kibocsátott hullámok mágneses mezejének iránya állandó.
• A lézerek fénye egyszínű. A lézersugár egy olyan elektromágneses hullám, amely közel egyetlen hullámhosszú összetevőből áll.

Lézeres adatátvitel

Szín	Hullámhossztartomány	Frekvenciatartomány
vörös	~ 625–740 nm	~ 480–405 THz
narancssárga	~ 590–625 nm	~ 510–480 THz
sárga	~ 565–590 nm	~ 530–510 THz
zöld	~ 500–565 nm	~ 600–530 THz
cián	~ 485–500 nm	~ 620–600 THz
kék	~ 440–485 nm	~ 680–620 THz
ultraibolya	~ 380–440 nm	~ 790–680 THz

A lézeres átvitelt alkalmazó adóvevő párokat pont-pont közötti adatátvitelre használhatjuk. E kommunikáció napjainkban teljesen digitális, a lézerfény irányított energiakoncentrációja nagyobb távolság (akár 5 km) áthidalását teszi lehetővé. Az illetéktelen lehallgatás, illetve külső zavarás ellen viszonylag védett. Az időjárási viszonyok azonban befolyásolják fény terjedését, így az eső, a köd, a légköri szennyeződések zavarként jelentkeznek, amik a kommunikációt akár teljesen blokkolhatják.

A lézerfényt azonban nemcsak a szabad térben, hanem ún. optikai szálban is lehet vezetni, így lézeres adatátvitel felhasználható lokális hálózatok, telefonközpontok összekötésére, valamint internetszolgáltatók adatátviteli gerincének kiépítéséhez és videorendszereket összefogó kommunikációs hálózat központi gerincének telepítéséhez. A megvalósított adatátviteli sebesség jelenleg 1 és 10 Gbps között a leggyakoribb. A technológia folyamatos fejlődést mutat, így a maximálisan elérhető adatátviteli sebesség az előbbieket valószínűleg már meghaladja. Magyarország rendkívül fejlett hagyományokkal rendelkezik lézerfejlesztés terén, a magyar lézeres szakembereket világszerte elismerik.

A lézeres kommunikáció története

A szabadtéri optikai átvitel műszaki kiforrottságát gyakran lebecsülik amiatt a téves felfogás miatt, hogy milyen régóta állnak fejlesztés alatt ezek a rendszerek. A szabadtéri optikai átvitelt vagy optikai vezeték nélküli kommunikációs rendszert először Alexander Graham Bell mutatta be a 19. század végén (előbb mutatta be, mint a telefont). Bell szabadtéri optikai kísérletei arra irányultak, hogy az emberi hangot telefonjelekké alakította, és a vevők között a szabad téren át egy fénysugár mentén továbbította mintegy 180 méter távolságra. Bell a kísérleti eszközt "fotofonnak" nevezte, és ezt az optikai technológiát – és nem a telefont – tartotta elsődleges találmányának, mivel így az átvitelhez nem volt szükség vezetékekre.

Habár Bell fotofonja soha nem vált a mindennapi élet valóságává, demonstrálta az optikai kommunikáció alapelvét. A mai szabadtéri optikai átviteli vagy szabadtéri optikai kommunikációs rendszerek műszaki megoldásait lényegében az elmúlt 40 év során alakították ki, főként védelmi alkalmazásokra. Azáltal, hogy a szabadtéri optikai átvitel fő műszaki kihívásait megoldották, a légvédelmi illetve védelmi tevékenység olyan erős alapot jelent, amelyre a mai üzleti lézeres rendszereket alapozni lehet.

S most nézzük meg, hol tart a lézer történeti fejlődésében.

The New York Times egyik cikkében arról tudósított, hogy a világon az elmúlt két évben több mint 200 millió km hosszúságú száloptikai kábelt fektettek le, mivel a szolgáltatók reagáltak az internet-jelenségre és a végfelhasználók kielégíthetetlen sávszélesség-éhségére.

Az optikai kábelek lefektetésébe beruházott hatalmas összegek ellenére ennek legnagyobb része kihasználatlan, az irodai, kereskedelmi és ipari épületek 80-90%-a egyszerűen képtelen kielégítő sebességgel és biztonságban kapcsolódni a száloptikai gerinchálózathoz, mivel jellemzően az alternatív kapcsolatként felmerülő Wi-Fi-megoldások sorra kudarcot vallanak. Jelenleg a lézer optikai átviteli rendszerek jelentik az egyik legígéretesebb megoldást a feljövőben lévő széles sávú kapcsolatok igényeinek kielégítésére, és a kereskedelmi és ipari épületek gerinchálózatra való illesztésén kialakult szűk keresztmetszetre. A lézer-optika átviteli rendszerek számos kedvező jellemzővel bírnak, a legfontosabb ezek közül az alacsony beruházási és működési költség, a gyors telepítés, az optikai technológiának köszönhetően a száloptikai kábelekre jellemző több gigabites sávszélesség, a zavarokkal szembeni érzéketlenség és a lehallgatás elleni védelem.

A lézer egyéb felhasználási területei

• szemműtét és szemvizsgálat.
• navigáció: autonóm járművek és felderítőrobotok lézernyaláb segítségével képezik le 3 dimenzióban a terepet.
• polimerek fóliák, szövetek hegesztése: a lézerrel megolvasztják a műanyagot az érintkezési felületen, mely megszilárdulva mechanikailag ellenálló kötést hoz létre.
• fogfúrás: ennek elterjedésére még várni kell, de a technológia létezik. Másodpercenként 500 ezer lézerimpulzussal távolítják el a szuvas fogterületet vagy az öreg fogtömést.
• rakétaelhárítás: széles spektrumú lézernyalábbal tartják távol a hőkövető rakétákat.
• fémfelületek polírozása.
• villámvédelem: lézersugárral idéznek elő elektromos kisüléseket a felhőkben.
• biológiai vizsgálatok során használt fénymikroszkópok gyakran használnak különböző lézereket a minta megvilágítására, vagy a fluoreszkáló anyag gerjesztésére

Források

• Lézersugárforrások

További információk

• Tíz fegyver, amellyel a jövő háborúit fogják megvívni.