Hatvan éves a megszelídített fény: a lézer

Újabb biofinomítót épít a Pannonia Bio Zrt. Dunaföldváron
2020-05-28
Izraeli kutatók: a letelepedés javította az ember egészségi állapotát
2020-05-29

A rovat támogatója:

Hatvan éves a megszelídített fény: a lézer

Megoldás keres problémát – Ezzel a jelmondattal született majdnem pontosan 60 éve, 1960 május 16-án a lézer, amely azóta valóban megszámlálhatatlan problémát talált és oldott meg sikeresen.

A lézer története, ahogy oly sok más fizikai alapokra épült berendezésé, Einsteinig vezethető vissza. Ő volt az, aki még 1917-ben lefektette az elméleti alapokat ahhoz, hogy később kézzelfogható eszközökké váljanak ezek a különös fényforrások, amelyek ma már behálózzák a számítástechnikát, az orvostudományt, sőt a hadászati technológiák jövőjét is jelenthetik. Einstein a nagy német fizikus, Max Planck nyomán írt először az elektromágneses sugárzás elnyeléséről és kibocsájtásáról, amely a lézerek lelkét adja.

Azaz a LASER-ek lelkét, hiszen eredetileg a LASER egy angol mozaikszó, a Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation rövidítése, amely tömören össze is foglalja annak működését: fénykibocsátás indukált emisszióval. Ez magyarul annyit tesz, hogy valamiféleképpen ráveszünk egy anyagot arra, hogy az egy bizonyos fénysugarat bocsásson ki. A lézerfény alapvetően nem különbözik attól a fénytől, amit a Nap, vagy egy asztali lámpa sugároz, egyediségük az alkotóelemek, a fényrészecskék katonás rendezettségében rejlik.

A Napból jövő természetes fény egyrészt szórt, másrészt rengeteg hullámhosszon, rengeteg színt sugároz egyszerre, amik összeadódva fehér fénnyé válnak a szemünkben. A lézerek viszont közismerten egyszínűek, kizárólag egy nagyon szűk hullámhossztartományt foglalnak el, de ami még fontosabb, a sugarak összetartók is, vagyis a fényrészecskék útja párhuzamos, mintha egy sínen száguldoznának. A lézer tehát megszelídített fény.

Azt viszont nehéz megmondani, ki is az igazi gazdája. Az ötvenes évek végén három kutató, Charles Hard Townes, Arthur Leonard Schawlow és Gordon Gould közel egyszerre kezdte kifejleszteni a lézert. Az első két fizikus a legendás Bell Laboratórium munkatársa volt, miközben az utóbbi doktorandusz hallgató volt a Columbia Egyetemen. A két csoport célja ugyanaz volt: létrehozni a látható fény tartományában működő MASERT. Ez volt ugyanis a lézerek elődje, ahol az L, mint “light”, azaz fény helyett az M betű a mikrohullámú sugárzásra utalt. A mikrohullám ugyanolyan elektromágneses hullám, mint a látható fény, csak más hullámhosszon, de a mögötte rejlő fizika ugyanaz. Ez azt is jelenti, hogy léteznek a többi hullámhosszt lefedő “lézerek”, mint a XASER a Röntgen-sugárzásnál, UVASER az ultraibolya hullámhosszon vagy RASER a rádióhullám tartományban is. Ezek a nevek a lézerrel ellentétben viszont sosem terjedtek el.

Townes és Schawlow 1958-ban nyújtott be egy szakcikket először az akkor még “optikai masernek” nevezett találmányukról, Gould viszont valamivel korábban ’57-ben, egy Townes-al való találkozás után jegyezte le ötleteit egy lehetséges lézerről, majd ’59-ben be is nyújtotta a szabadalmat. Ezt a szabadalmi hivatal visszautasította és a Bell Laboratóriumnak ítélte a szabadalmi jogokat. Ezt Gould nem fogadta el, fellebbezett, majd hosszas, majd harminc évig tartó huzavona után 1987-re valóban neki ítélték a szabadalmat. Tovább bonyolította a helyzetet, hogy mindeközben a nagy versenytárs Szovjetunióban az amerikaiaktól teljesen függetlenül Nyikolaj Baszov és Alexander Prohorov is a lézereken dolgozott. 1964-ben végül a két szovjet és Townes osztozhatott a fizikai Nobel-díjon, bár később, ’81-ben Schawlow is kapott egyet a lézer spektroszkópiáért.

1964 három Nobel Díjasa:

Gouldnak be kellett érnie a szabadalommal. A sors fintora, hogy a fentiek helyett a lézer nevét valójában ahhoz az amerikai mérnök és fizikus nevéhez kötjük, aki 1960-ban az első gyakorlatban működő berendezést meg is építette, ő pedig Theodore H. Maiman volt.

Gordon Gould a szabadalmával

Maiman rubinkristályokból rakta össze az első, valóban látható hullámhosszba eső, vörös lézerberendezést. A lézerek hullámhossza, azaz színe ugyanis szorosan kapcsolódik a lézert létrehozó anyag energiaállapotaihoz. Az atomok körül keringő elektronok különböző pályákat foglalnak el, és ha egy elektron egy magasabb energiaállapotból egy alacsonyabba esik, akkor a kettő közötti különbség fényrészecske, foton formájában fog távozni. Ezt a jelenséget már ismerték a lézerek előtt is.

Theodor Maiman az első működő lézerrel

Az igazi felfedezés abban rejlett, hogy ha egy ugyanilyen energiaállapotú (hullámhosszúságú, színű) foton beleütközik az atomba, akkor az is foton kibocsájtásra készteti a gerjesztett elektronokat. Ez azt jelenti, hogy ha folytonosan magasabb energiaállapotban tudjuk tartani az elektronokat, akkor egy beérkező foton egy új fotont szül. A lézer zsenialitása az, hogy ezt az egész folyamatot két tükör közé szorítják, ahol az oda-vissza cikázó fotonok egymást hozzák létre egy folyamatos láncreakcióban – érdemes viszont megjegyezni, hogy a fényrészecskék nem a “semmiből” ugranak elő, betartják az energiamegmaradás törvényét, a keletkezésükhöz szükséges üzemanyagot az elektronok folyamatos gerjesztése adja.

A lézerek elengedhetetlen szerepet játszanak számos területen, legyen az szemműtét, anyagmegmunkálás, a már kifutófélben lévő CD-k és DVD-k jeleinek kiolvasása és írása, tolatóradarok, távolságérzékelés és még sorolhatnánk. A lézerek nagyban előre vitték a fizikát is, különösképp a csillagászatot. Lézerek nélkül ugyanis nem találtunk volna gravitációs hullámokat sem, ahol egy 4 kilométer hosszú lézernyaláb hosszának atomnyi megváltozásából észlelték sikerrel a téridő nyúlását-rövidülését.

A fizikusok számára van még egy rendkívül előnyös tulajdonsága a lézereknek: rendkívül gyorsak. A lézerfényt ugyanis nem csak irányba és színbe lehet rendezni, létrehozhatók lézer impulzusok, azaz villanások. Ilyen üzemmódban nem folytonos fényt kapunk, mint egy mutatópálca esetén, hanem egy lövedéket, amely egy rövid villanásban rengeteg energiát hordozhat. A Szegeden működő, az egész világon egyedülálló ELI-ALPS Kutatóintézet képes attoszekundumos lézerimpulzusokat is létrehozni, amelyek új fizikai kísérleteket tesznek lehetővé. Ez felfoghatatlanul rövid idő 10 a mínusz 18-adikon másodperc. Összehasonlításképp, egy másodperc körülbelül annyi attoszekundum, mint ahány másodperc a Világegyetem teljes kora, a több mint 10 milliárd év. Az ennyire rövid impulzusok egy lassított kamera képéhez hasonlóan tudják számunkra lelassítani a fizikai jelenségeket, hogy azok minden lépése megfigyelhető lehessen.

Az ultrarövid lézer impulzusok olyannyira előrelendítik a fizikai kutatásokat, hogy 2018-ban már a harmadik, lézerekkel kapcsolatos Nobel-díjat osztották ki, ezúttal Arthur Ashkin, Gérard Mourou és Donna Strickland részére. Maga az ELI megépülése is Mourou-nak köszönhető, aki 15 évvel ezelőtt először vetette fel, hogy szükség lesz egy ilyen kutatóközpontra.

Hatvanéves pályafutásuk alatt a lézerek gyorsan betörtek a hadiiparba is, gondoljunk csak az akciófilmekből is ismerős vörös lézeres célzókészülékekre. 2017 óta viszont már nem csak célozni, hanem lőni is lehet velük, ekkor mutatta be az Egyesült Államok Haditengerészete a világ első aktív lézerágyúját. A fegyver hangtalan, pontossága maga mögött hagyja a hagyományos töltényekét, hiszen a szél és a távolság egyáltalán nem befolyásolja, sebessége pedig a fénysebesség.

Az első kutatók jól sejtették, a lézerek feltalálásával valóban olyan eszközt sikerült létrehozni, amelynek felhasználási területe határtalan és folyamatosan csak nő. Még olyan nem várt helyeken is felbukkan, mint a Notre Dame székesegyház restaurálása, hiszen a tűzeset előtt, 2010-ben milliméter pontosan letapogatták annak minden szegletét, így a csodálatos gótikus székesegyházat elvileg tökéletesen újra lehet majd építeni. A lézerek előtt továbbra is fényes jövő áll.

Vélemény, hozzászólás?

Az email címet nem tesszük közzé. A kötelező mezőket * karakterrel jelöltük