Ugrás a tartalomhoz

Lézersugárforrások

Kreisz István (2012)

EDUTUS Főiskola

1. fejezet - A lézerekről általában

1. fejezet - A lézerekről általában

Az 1. modulban a lézerek feltalálásának és fejlődésének történetét ismerjük meg a fontosabb évszámok, híres személyiségek és munkásságuk megemlítése során. A lézer fizikai működésének megismerését követően az anyagmegmunkálásban leginkább elterjedt lézersugárforrás-típusok ismertetése következik, felépítésük, jellemző tulajdonságaik részletes bemutatásával.

A lézerek története

Az 1.1. leckében a lézerek feltalálásának és fejlődésének történetét ismerjük meg a fontosabb évszámok, híres személyiségek és munkásságuk megemlítése során. Szó lesz továbbá a lézeralkalmazás fontosabb magyar vonatkozású eseményeiről.

Fontosabb események

1917 Albert Einstein: kvantumátmenetek (a feketetest-sugárzás magyarázata, a stimulált emisszió alapelve, az Einsten-féle A és B koefficiens)

1917-ben Einstein feltette, hogy a gerjesztett atomból felszabaduló foton, kölcsönhatásba lépve egy másik, ugyanúgy gerjesztett atommal, előidézheti a másik atom visszaállását egy foton felszabadítása útján. A másik atom által kibocsátott foton frekvenciáját, energiáját, irányát és fázisát tekintve azonos lenne a hatást kiváltó fotonnal, és a hatást kiváltó foton változatlanul folytatná útját.

1.1.1.1. ábra Forrás: http://www.termeszetvilaga.hu/

1924 Van Vleck: „stimulált emisszió” kifejezés

1924 Richard C. Tolman: az „erősítés stimulált emisszió (negatív abszorpció) segítségével” ötlete

1928 Rudolph W. Landenburg: a stimulált emisszió (negatív abszorpció) kísérleti bizonyítása

1940 Valentin A. Fabrikant: a populációinverzió lehetőségének felvetése

1946 Felix Bloch, W. W. Hansen, Martin Packard (Stanford University): NMR-kísérlet, az első publikált populációinverzió; fizikai Nobel-díj: 1952

1946 G. Meyer-Schwickerath: az első szemműtét fénnyel

1947 Gábor Dénes: a holográfia alapelve az elektronmikroszkópiában, majd később kivitelezés lézerekkel; Nobel-díj: 1971

1950 Arthur L. Schawlow és Charles H. Townes: emittált fotonok a látható tartományba eshetnek

1951 Charles H. Townes (Columbia University): az első MASER (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation)

1951-ben jött rá, hogy szakítani kell a termikus egyensúly állapotával. Erősítő csak úgy készíthető, ha az elemi források (atomok, molekulák) közül több van gerjesztett, mint alapállapotban (ezt ma populációinverziónak hívjuk). Akkori fogalmakkal: negatív lesz a hőmérséklet, ami megváltoztatja az alfa (fényabszorpció) előjelét. Lehetőséget teremt a negatív abszorpcióra, az erősítésre. Két évbe tellett, míg az ötletet a gyakorlatban is meg tudták valósítani.

1.1.1.2. ábra Forrás: http://www.termeszetvilaga.hu/

1951 Joseph Werber (University of Maryland): a MASER független feltalálása

1951 Alekszandr Prohorov, Nyikolaj Baszov (Lebegyev Lab., Moszkva): a MASER független feltalálása; Nobel-díj (1964): Townes, Baszov és Prohorov

1954 Baszov, Prohorov és Townes: ammóniamézer

1957 Gordon Gould (Columbia University): a lézerek működési elve („30 éves szabadalmi háború”); LASER: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

1958 Arthur L. Schawlow és Charles H. Townes (Columbia University): az első cikk az optikai mézer működési elvéről; 1960: szabadalom

1960 Theodore H. Maiman: az első működő lézer (rubinlézer)

1960. május 16-át tekintik a lézer születésnapjának, amikor az Egyesült Államokban, a Hughes Laboratóriumban Maiman asztalán működni kezdett az első impulzusüzemű rubinlézer. Ma már tudjuk, hogy szó sem volt villanásról, hacsak a gerjesztő villanólámpa fényét nem tekintjük annak, de az a családi fotózások során is sokszor villog. Maiman mesterséges rubinkristályt helyezett két tükör közé – a gyakorlatban úgy, hogy a rúd merőlegesre csiszolt végeit beezüstözték –, és a rudat villanólámpával gerjesztette. Azt vette észre, hogy a kibocsátott fény spektrumában az egyik vonal (szín) kierősödött, sokszorosára nőtt az intenzitása egy másik közeli vonalhoz képest. Ez a fizikusok számára már egyértelmű jele volt a ma lézernek nevezett folyamatnak.

1.1.1.2. ábra Forrás: http://www.termeszetvilaga.hu/

1.1.1.4. ábra Forrás: http://www.termeszetvilaga.hu/

1961 A. G. Fox és T. Li (Bell Labs.): elméleti cikk az optikai rezonátorokról

1961 Ali Javan, William Bennet Jr., Donald Herriot (Bell Labs.): az első He-Ne lézer

1961 Columbia Presbyterian Hospital: az első orvosi alkalmazás

1962 Robert Hall (General Electrics): az első félvezetőlézer

1963 Bakos József, Csillag László, Kántor Károly, Varga Péter: az első hazai gázlézer; He-Ne 1,15 μm

1964 Farkas Győző, Náray Zsolt, Varga Péter: az első hazai szilárdtestlézer; rubin 694 nm

1964 J. E. Geusic, H. M. Markos, L. G. van Uiteit (Bell Labs.): az első Nd:YAG-lézer

1964 Kumar N. Patel (Bell Labs.): az első CO2-lézer

1964 W. Bridges (Hughes Labs.): az első argonionlézer

1964 Baszov, Prohorov, Townes (Nobel-díj): kvantumelektronika

1965 Csillag László, Kántor Károly, Rózsa Károly, Salamon Tamás: az első hazai látható He-Ne lézer 633 nm

1965 G. Pimentel, J. V. Kasper (University of California, Berkley): az első kémiai lézer

1965 Weaver: mézerek (később lézerek) felfedezése a csillagközi gázokban

1966 W. Silfvast, G. Fowles és B. Hopkins (University of Utah): az első fémgőzlézer

1966 P. Sorokin, J. Lankard (IBM Labs.): az első festéklézer

1970 Nyikolaj Baszov (Lebegyev Lab., Moszkva): az első excimer (Xe2) lézer

1970 Arthur Ashkin: lézercsipesz (alkalmazása nanoszerkezetek összeszerelésére és működtetésére)

1971 Gábor Dénes (Nobel-díj): holográfia

1.1.1.5. ábra Forrás: http://www.eletestudomany.hu/

1974 J. J. Ewing és C. Brau (Avco Everet Labs.): első nemesgáz-halogenid excimer

1974 CO2 planetáris (Vénusz, Mars) lézerfényforrások felfedezése

1977 J. M. Madey (Stanford University): az első szabadelektron-lézer

1977 Prof. Dr. Jakó Géza megkapja az Amerikai Lézersebészeti Társaság tudományos nagydíját

Orvosi kutatásai főként a belsőfül-folyadékokélettanára, valamint a fülészeti és gégészeti megbetegedések műtéttanára vonatkoznak. Munkássága rendkívüli jelentőségű a lágyrészek endoszkópos, lézeresmikrosebészete terén. Az általa kidolgozott műtéti módszer alapja az, hogy a mágneses magrezonancia-spektroszkópiával (MRI) kontrollált, száloptikás endoszkóppal közvetített lézerenergiahőkoagulációs nekrózist – makromolekulák, fehérjék kicsapódását – idéz elő a megbetegedett szövetekben, a daganatban, és ez sejtelhaláshoz vezet. Az általa kifejlesztett sebészi műszerek közül kiemelkedik a hasüreg és a szív mikrosebészetében egyaránt alkalmazott retraktor, a Jakoscope (jakoszkóp), illetve a gégesebészetben használt Jakó-féle gégetükör.

1980 Geoffrey Pert (Hull University, UK): röntgen lézerfény generálása

1980 S. Chu, C. Cohen-Tannoudji, W. D. Phillips: atomok lézeres hűtése, fizikai Nobel-díj

1981 A. Schawlow és N. Bloembergen: fizikai Nobel-díj nemlineáris optikáért és lézerspektroszkópiáért

1981 D. Mattew (Livermore Labs.): az első „laboratóriumi” röntgenlézer

1997 S. Chu, W. D. Phillips és C. Cohen-Tanoudji (Nobel-díj): lézeres atomhűtés

1999 A. Zewail (California Institute of Technology): kémiai Nobel-díj kémiai reakciók fs-os lézeres követéséért

2000 Z. Alfjorov: fizikai Nobel-díj (megosztva) miniatűr félvezetőlézerekért (1963)

2002 K. Tanaka: kémiai Nobel-díj – MALDI (Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionisation)

2010 50 éves a lézer – jubileumi lézerkonferencia Párizsban

1.1.1.6. ábra Forrás: http://www.termeszetvilaga.hu/

Nobel-díjasok és -díjtalanok

A díjakat adják – tartja a közkeletű mondás. Egy ilyen eredmény feltétlen elismerést érdemel. A lézerekért (pontosabban a mézer/lézerelv megalkotásáért) C. Townes, N. Baszov és A. Prohorov részesült 1964-ben ebben a megtiszteltetésben. Tudjuk, hogy nem csak három ember meghatározó munkája volt az elért siker.

Két évre rá A. Kastler többek között a mézer- és lézerfizikában egyaránt fontos optikai gerjesztésért részesült az elismerésben. Sokkal később, 1981-ben A. Schawlow is megkapta, kissé más indoklással (lézerspektroszkópia). Mikor a kissé megkésett (17 év utáni) díj híréről értesülve megkérdezték, mit érez, rezignáltan válaszolta, hogy ezután végre talán már nem kell magyarázkodnia, miért éppen őt hagyták ki a sorból. Vele egy időben a lézerekkel végezhető ún. nemlineáris optikai beavatkozások úttörője, N. Bloembergen is díjazott lett mézerfizikai és lézerspektroszkópiai munkájáért. Ugyancsak megkésve, 2000-ben utazhatott Stockholmba Z. Alfjorov, akinek a legelterjedtebb lézertípus, a félvezetőlézerek legfontosabb kulcsproblémájának megoldását köszönhetjük. A sor szerencsére azóta is töretlenül folytatódik.

A „lézeres” Nobel-díjasok közül hatan is részt vettek 2010 nyarán a párizsi Louvre-ban megrendezett 50 éves jubileumi konferencián. A legsikeresebb és egyben legszellemesebb előadást a lézerfizika megkérdőjelezhetetlen atyja, a 95 éves, kiváló szellemi és fizikai állapotban lévő Charles Townes tartotta.

Talán nem felesleges azokról az úttörőkről is megemlékezni, akik szintén megérdemelték volna ezt a megtiszteltetést.

A fizikusok leginkább A. Maimant, az első működő lézer elkészítőjét hiányolják a listáról. Őt magas amerikai kitüntetéssel kárpótolták, és a „Dicsőség csarnokában” is helyet kapott. Szovjet oldalon is hosszan lehetne sorolni a kiemelkedő egyéniségeket. V. Fabrikant lényegében már 1939-ben felismerte a lézerelvet, s az 50-es évek közepén majdnem elindult héliumlézere. Kollégáival ellentétben ő kihagyta a szinte mindenki által követett mézeriskolát, és a gázkisülések vizsgálata során jutott el a fényerősítő gondolatáig.

Ugyancsak mellőzötté vált az a kutató is, akinek a közismert betűszót köszönhetjük.

A leckéhez kapcsolódó esettanulmányok

Gábor Dénes és a holográfia