Lazeris: Šviesos Stiprinimas, Pakeitęs Pasaulį
Įvadas
Šiandien lazeriai yra neatsiejama mūsų gyvenimo dalis, naudojami įvairiose srityse - nuo medicinos ir pramonės iki telekomunikacijų ir kosmoso technologijų. Šis straipsnis skirtas išnagrinėti, kas yra lazeriai, kaip jie veikia, jų raidą ir svarbą mokslui bei technologijoms, ypatingą dėmesį skiriant Lietuvos indėliui į šią sritį.
Lazerio Gimimas ir Principai
1960 m. gegužės 26 d. buvo sukurtas lazeris, kuris sukėlė mokslo perversmą. Lazerio, kaip unikalaus mokslinio prietaiso, svarbą liudija Nobelio premijų gausa. Daugiau nei 10 Nobelio premijų fizikos ir chemijos srityse buvo skirtos už tyrimus, kurie be lazerių apskritai nebūtų buvę įmanomi.
Žodis „LASER“ kilo iš angliško trumpinio, apibūdinančio lazerio veikimo principą: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (šviesos stiprinimas pasitelkiant priverstinį spinduliavimą). Priverstinio spinduliavimo reiškinį dar 1916 m. teoriškai numatė Albertas Einšteinas, tačiau prabėgo beveik pusė amžiaus, kol šis reiškinys buvo pritaikytas praktikoje. 1958 m. JAV mokslininkai Čarlzas Hardas Taunsas (Charles Hard Townes) ir Artūras Leonardas Šavlovas (Arthur Leonard Schawlow) suformulavo fizikinius lazerio veikimo principus ir pasiūlė būdus įgyvendinti tai praktiškai. Dr. Teodoras Maimanas (Theodore H. Maiman) 1960 m. liepos mėn. sukūrė pirmąjį veikiantį lazerį.
Lazerio spinduliuotė sklinda pluošto ir impulso pavidalu, o visa šviesos energija yra labai koncentruota erdvėje ir laike, t. y. pasižymi labai dideliu koherentiškumu. Tokių savybių neturi joks kitas dirbtinis, o juo labiau natūralus šviesos šaltinis.
Lazerio Raida ir Taikymo Sritys
Tuometinėje mokslo visuomenėje lazerio išradimas buvo sutiktas įvairiai. Netrūko skeptikų, lazerio išradimą pašaipiai pavadinusių ne konkrečios mokslinės problemos sprendimu, o atvirkščiai - sprendimu, sukūrusiu daugybę problemų. Vis dėlto tolesnė lazerių raida parodė, kad skeptikai smarkiai klydo. Jau pačioje lazerių eros aušroje buvo sukurti įvairiausi kietojo kūno, dujų, puslaidininkių ir dažų lazeriai, spinduliuojantys regimojoje, ultravioletinėje ir infraraudonojoje spektro srityse.
Taip pat skaitykite: Pinigų spausdinimo technologijos ateitis
Lazeriai pradėti taikyti daugelyje mokslo ir pramonės sričių, medicinoje, karyboje ir t. t. Atsirado naujos tyrimų kryptys ir mokslo bei technologijų šakos: netiesinė optika, lazerinis medžiagų apdirbimas ir kt. Remiantis Web of Science duomenimis, vien tik 2019 m. žodis „laser“ buvo paminėtas beveik 46 000 mokslinių publikacijų. Prabėgus 60 metų po lazerio išradimo, jis kartu su tranzistoriumi ir kompiuteriu pagrįstai laikomas vienu svarbiausių mokslinių prietaisų, išrastų XX a.
Lazerio spindulys gali būti naudojamas labai įvairiai:
- Holografija: lazerių dėka buvo išrasta holografija.
- Atomų šaldymas: sukurti unikalūs atomų šaldymo metodai.
- Optoelektroniniai prietaisai: sukurti spartūs optoelektroniniai prietaisai.
- Medžiagų apdirbimas: lazeris puikiai tinka medžiagų apdirbimui.
- Medicina: atliekant regos korekciją lazeriu, lazeris gali būti naudojamas kaip itin preciziškas skalpelis. Taip pat gali būti naudojamas ir medicinoje, pavyzdžiui, gydant vėžį.
- Branduolinės atliekos: paveikus tinkama lazerio spinduliuote, branduolinio skilimo pusamžio laikas sutrumpėja nuo tūkstančių, milijonų metų iki valandų ar net minučių.
- Elementariųjų dalelių greitinimas: lazeris gali būti naudojamas elementariųjų dalelių greitinimui.
Čirpuotų Impulsų Stiprinimas ir Femtosekundiniai Lazeriai
2018 m. Nobelio premija fizikos srityje skirta Žeraro Muru (Gerard Mourou) ir Dona Teo Striklend (Donna Theo Strickland) už čirpuotų šviesos impulsų stiprinimo (Chirped Pulse Amplification) metodo išradimą, prasidėjusį naują lazerių erą. Tai leido pasiekti iki tol neregėtą lazerio generuojamų šviesos impulsų galią. Todėl dabar jis taikomas visuose šiuolaikiniuose ultratrumpųjų impulsų lazeriuose.
Technologijos dėka buvo sukurti naujos kartos ultratrumpųjų šviesos impulsų kietakūniai femtosekundiniai lazeriai, atvėrę daug naujų eksperimentinių tyrimų krypčių. Naujos kartos femtosekundiniai lazeriai paskatino milžiniškus kokybinius šuolius įvairiose mokslo srityse. Pavyzdžiui, leido sukurti naujos kartos - femtosekundines šviesos technologijas. Buvo praskleistas nanopasaulio paslapčių šydas.
Išradus lazerį, buvo pabrėžiama, kad lazeris yra šviesos šaltinis, spinduliuojantis labai tiksliai apibrėžto bangos ilgio šviesą, pasižyminčią spektriniu grynumu.
Taip pat skaitykite: Mokslo populiarinimas pasaulyje
Lietuva - Lazerinės Technologijos Lyderė
Lietuvos mokslo įstaigose ir pramonės įmonėse yra ne tik kuriami nauji lazeriai, garsinantys Lietuvą visame pasaulyje, bet plėtojamos ir lazerinės šviesos technologijos. Jas galima taikyti valdant šviesos sklidimą fotoniniuose kristaluose, labai tiksliai apdorojant medžiagas. Tokie kompleksiniai tyrimai daugelį metų intensyviai plėtojami VU Lazerinių tyrimų centre. Šių darbų sėkmę iliustruoja 2019 m. Lietuvos mokslo premija, skirta prof. Mikui Vengriui, dr. Mindaugui Malinauskui ir prof. A. Dubiečiui už fundamentinius ir taikomuosius intensyvios lazerio spinduliuotės sąveikos su medžiaga tyrimus. Gautos naujos žinios apie fizikinius ir cheminius vyksmus skaidriose medžiagose.
Vilniuje dirba apie 1000 lazerininkų ir toks skaičius daro įspūdį net galingiausioms pasaulio valstybėms. „Vilnius - lazerių sostinė. Nė vienoje sostinėje nėra tokios didelės gyventojų proporcijos, dirbančios lazerių srityje,“ - sako Vilniaus universiteto mokslininkas ir startuolio „Lidaris“ vadovas dr. Andrius Melninkaitis.
Lietuviški lazeriai yra vieni geriausių pasaulyje, todėl tikėtina, kad ateityje jie keliaus net į Marsą ar kitus kosminius kūnus. Jau dabar 320 kilometrų aukštyje skriejantis Europos kosmoso agentūros palydovas „Aeolus“ atmosferą zonduoja su lazeriu, kuriame, tikėtina, yra ir lietuviškų komponentų. Lietuvių įmonė „Optolita“ šiai misijai gamino specialius kristalus, kurie pakeičia lazerio bangos ilgį.
Prieš beveik metus Nobelio premijos laureatas prof. Gerardas Morau (Gérard’as Mourou) įžiebė vieną galingiausių lazerių pasaulyje, kurį sukūrė lietuviai. Lazerinė sistema SYLOS2A įrengta Vengrijoje, ELI-ALPS tyrimų centre, viename iš ELI (angl.: extreme light infrastructure, liet.: ekstremalios šviesos infrastruktūra) padalinių. Lazerį SYLOS2A, kuriame taip pat naudojama OPCPA technologija, ELI-ALPS centro užsakymu pagamino dviejų Lietuvos lazerių įmonių - „Ekspla“ ir „Light Conversion“ - konsorciumas. Lazeris buvo kuriamas ir konstruojamas dviem etapais, tai užtruko 5 metus. O sistemos vertė - beveik 5 mln. eurų.
SYLOS: Galingiausias Lazeris ir Jo Panaudojimas
ELI-ALPS technologinis pamatas yra OPCPA (angl.: optical parametric chirped-pulse amplification, liet.: optinis parametrinis čirpuotų impulsų stiprinimas) technologija, taikant ją gaunami vieno ar kelių optinių ciklų, t. y., itin trumpi ir didelės energijos lazerio impulsai. Įdomu tai, kad šią technologiją sukūrė ir ištobulino vienas Lietuvos lazerių pionierių - prof. Algis Piskarskas.
Taip pat skaitykite: Renginiai Molėtuose: „Mokslo sriuba“
SYLOS taip pat pasitarnaus generuojant aukštąsias harmonikas, pasiekiant itin trumpus šviesos bangos ilgius. Tai - ultravioletiniai bei rentgeno spinduliai. Skirtumas nuo dabar medicinoje ar kitur naudojamų rentgeno spinduliuočių - pastarieji yra didelio intensyvumo ir gerai sukolimuoti.
Dar vienas ekstremalias ribas plečiantis taikymas - elementariųjų dalelių greitinimas. Lazeris sąlyginai didelis, poros automobilių dydžio, tačiau būsima dalelių greitinimo laboratorija tikrai pranoks savo mažumu kitus, kelių futbolo stadiono dydžio ir dar gerokai didesnius, pasaulyje garsius dalelių greitintuvus - kaip, pavyzdžiui, CERN, kurio greitintuvo ilgis yra 27 km.
Lazeriai Telekomunikacijose ir Kosmose
Šiandien vietoj paprastų varinių kabelių naudojami šviesolaidžiai. Susidomėję šviesolaidžio naudojimu telekomunikacijų srityje, mokslininkai sugalvojo konstruoti šviesolaidinius lazerius.
Vienas iš būdų spręsti kosmoso taršos problemą - lazeriai. Nebeveikiantys palydovai ir jų nuolaužos aplink Žemę gali skrieti dešimtis ar net šimtus metų.
tags: #mokslo #sriuba #kas #yra #lazeriai