Wiedza i Życie 08/2020
W numerze m.in.:
Genetyka
(Nie)dobre GMO; Hanna Kijak

Geografia
Zagadki Madagaskaru; Andrzej Hołdys

Społeczeństwo
Póki śmierć nas nie połączy; Kamil Nadolski

Technika
Okręty wojenne przyszłości; Robert Czulda

Medycyna
Żywienie kliniczne; Mirosław Dworniczak

Pełny spis treści

Obalamy mity medyczne
Leki z roślin są łagodne i nie mogą zaszkodzić?

Chichot zza wielkiej wody
Ptasi móżdżek; Krzysztof Szymborski

Inne spojrzenie
Triki optyki; Justyna Jońca

Technologie
Ubranie dla żołnierza; Mary Roach

Genetyka
(Nie)dobre GMO; Hanna Kijak

Geografia
Zagadki Madagaskaru; Andrzej Hołdys

Zdrowie
Cukier – przyjaciel czy wróg?; Paulina Kłos-Wojtczak

Społeczeństwo
Póki śmierć nas nie połączy; Kamil Nadolski

Zdrowie
Chipsy, chrupki, prażynki; Mirosław Dworniczak

Technika
Okręty wojenne przyszłości; Robert Czulda

Biologia
Bańka ochronna zarodka; Marcin Powęska

Psychologia
Myślenie tendencyjne; Agata Cieślik

Etologia
Demokracja wśród zwierząt; Justyna Jońca

Medycyna
Żywienie kliniczne; Mirosław Dworniczak

Fizjologia
Czego nie wiesz o swoim ciele?; Andrzej Fedorowicz

Biologia
Wszechstronny mięsień; Katarzyna Kornicka-Garbowska

Recenzje

Laboratorium
Przeprawy z przyprawami; Renata Szymańska

Głowa do góry
Oceaniczny bóg podziemi; Weronika Śliwa

Listy czytelników

Aktualne numery
10/2020
09/2020
Kalendarium
Wrzesień
26
W 1911 r. podczas Międzynarodowego Kongresu Balneologicznego w niemieckim Bad Nauheim po raz pierwszy przyjęto definicję wody mineralnej.
Warto przeczytać
W zagubionej w lesie deszczowym Papui Nowej Gwinei jest maleńka wioska Gapun, w której mieszka 200 osób. Tylko 45 z nich mówi rdzennym językiem tayapu i z roku na rok jest ich coraz mniej. Amerykański antropolog Don Kulick postanawia udokumentować proces wymierania tego języka.

WSPÓŁPRACUJEMY
Logowanie

Nazwa użytkownika

Hasło

Autor: Jarosław Chrostowski | dodano: 2012-07-04
Era posłusznych fotonów

Od chwili wynalezienia laser i emitowane przez niego efektowne wiązki światła przyciągały uwagę mas. Trudno było jednak przypuszczać, że nowe urządzenie tak szybko trafi z laboratoriów pod przysłowiowe strzechy.


Pierwszy raz pojawił się na Ziemi dosłownie na chwilę, 16 maja 1960 roku, w laboratorium Theodore'a Maimana w Hughes Electric Corporation w Kalifornii. Trudno było wówczas przypuszczać, że jeden krótki, czerwony błysk zwiastuje narodziny nowej ery - ery światła laserowego.

Spotykane na co dzień źródła światła emitują fotony o różnych energiach, chaotycznie rozbiegające się na wszystkie strony. Na tym tle światło laserowe wyróżnia się wyjątkowym uporządkowaniem - fotony biegną niemal równolegle (formują wiązkę), każdy niesie tę samą energię (światło jest monochromatyczne), są zgodne w fazie (czyli spójne: grzbiety fal pojawiają się w tym samym miejscu w tym samym czasie) i spolaryzowane liniowo (bo drgają w tej samej płaszczyźnie). Wiązkę laserową można przy tym skupić na niewielkiej powierzchni i wówczas gęstość mocy rośnie do ogromnych wartości, rzędu nawet dziesiątków i setek terawatów na metr kwadratowy. Na dodatek energia może być dostarczana w ultrakrótkich impulsach. Takie narzędzie pozwala na rewolucyjne zastosowania.

Dziś lasery są wszędzie. Wykorzystujemy je do wyrafinowanych badań fizycznych, np. do konstruowania wzorców czasu lub pomiarów struktury czasoprzestrzeni, doskonale zadomowiły się w przemyśle i medycynie. Pełnią również funkcje naprawdę przyziemne: służą do skanowania kodów paskowych, do depilacji czy do zabawy z kotem (zwierzęta te uwielbiają gonić plamkę laserowego wskaźnika).

Na co to komu, czyli początek
Historia laserów zaczyna się od pewnego dość młodego, bo ledwie dobiegającego czterdziestki pana. W 1916 roku w swojej pracy naukowej dotyczącej prawa promieniowania Plancka zasugerował on istnienie zjawiska nowego typu. Elektron w atomie może przebywać w stanie podstawowym, o najniższej energii, lub w którymś ze wzbudzonych. Obliczenia wskazywały, że jeśli elektron jest w stanie wzbudzonym, a na atom padnie kwant promieniowania o energii odpowiadającej różnicy między poziomem wzbudzonym a niższym, wówczas elektron przejdzie do tego stanu, emitując kwant promieniowania identyczny z padającym. Na „wejściu" mamy więc jeden foton, na „wyjściu" już dwa, o tej samej energii, fazie i polaryzacji, poruszające się w tym samym kierunku. Nowe zjawisko jest zatem naturalną metodą powielania fotonów. Współcześni ocenili odkrycie jako mało przydatne, przecież atomy najczęściej przebywają w stanie podstawowym! Inwersja obsadzeń, czyli sytuacja, gdy w układzie fizycznym mamy więcej atomów wzbudzonych niż w stanie podstawowym, wydawała się skrajnie mało prawdopodobna (warto tu dodać, że dziś znamy przypadki gazów i ciał stałych, gdzie wskutek efektów kwantowych inwersja obsadzeń nie jest konieczna do zaistnienia akcji laserowej i nawet 80% atomów przebywa w stanie podstawowym). Sceptyczne przyjęcie nie miało specjalnego wpływu na samopoczucie odkrywcy, bo ten był już światu doskonale znany z innych powodów. Zapewne dlatego dziś tak niewielu pamięta, że emisję wymuszoną odkrył Albert Einstein.

Pierwsze urządzenie używające emisji wymuszonej do wzmacniania promieniowania elektromagnetycznego, zbudowane na Columbia University w Nowym Jorku w 1954 roku, wykorzystywało inwersję obsadzeń w cząsteczkach amoniaku i operowało w zakresie mikrofal. Nazwano je mikrofalowym wzmacniaczem światła poprzez emisję wymuszoną, czyli maserem (akronim od Microwave Amplification by the Stimulated Emission of Radiation). Konstrukcja masera wymuszała fizyczną separację wzbudzonych cząsteczek, co powodowało, że pracował on wyłącznie impulsowo.

Cztery lata później Charles Townes, który przewodził grupie konstruktorów amerykańskiego masera, i Arthur L. Schawlow z Bell Labs zaprezentowali prace teoretyczne dotyczące maserów działających w zakresie światła widzialnego. Ponieważ w języku angielskim „światło" to „light", z czasem masery optyczne zaczęto nazywać po prostu laserami. W 1960 roku Townes i Schawlow otrzymali patent na swoje urządzenie, mimo że jesienią 1957 roku pomysł na laser zgłosił do opatentowania jeden z doktorantów Townesa, Gordon Gould (po 30 latach, decyzją sądu, patent trafił w ręce tego ostatniego). Gould współpracował z Theodorem Maimanem z Hughes Electric Corporation w Kalifornii - i to właśnie Maimanowi udało się zbudować pierwszy laser. Ośrodkiem czynnym był w nim pręt rubinowy o płaskich, równoległych, posrebrzanych końcach, pełniących funkcję rezonatora optycznego. Rubin był umieszczony wewnątrz spiralnej lampy błyskowej, która działała jako pompa wzbudzająca atomy chromu w rubinie. Atomy te zaczynały spontanicznie emitować fotony, przechodząc do stanu podstawowego. Proces zachodził jednak stosunkowo wolno, wzbudzonych atomów przybywało szybciej, niż ubywało i pojawiała się inwersja obsadzeń. W tych okolicznościach część fotonów z emisji spontanicznej zaczynała inicjować emisję wymuszoną. Kwanty promieniowania odbijały się następnie od luster i inicjowały kolejne procesy emisji wymuszonej. Uporządkowany przez rezonator strumień fotonów przedostawał się przez jedno z luster w postaci wiązki laserowej.

Laser laserowi nierówny
Ośrodkiem czynnym w laserach jest zazwyczaj gaz (atomowy hel z neonem, hel z kadmem, argon, ksenon, krypton, cząsteczkowy ditlenek węgla, cząsteczkowy azot, zjonizowane fluorki gazów szlachetnych - ekscymery itp.) lub ciało stałe z zawieszonym w jego matrycy czynnikiem laserującym (korund domieszkowany chromem lub tytanem, jony pierwiastków ziem rzadkich, uran, neodym itp.). Najczęściej spotykanymi laserami są jednak lasery półprzewodnikowe, składające się z szeregu warstw półprzewodnikowych. Inwersję obsadzeń otrzymuje się w nich, wstrzykując elektrony do pasma przewodzenia, a promieniowanie powstaje przy przepływie prądu przez odpowiednią strukturę półprzewodnikową. Lasery tego typu są małe, odporne na uszkodzenia i wymagają niskich napięć, co tłumaczy ich wielką popularność. Znacznie rzadziej spotyka się lasery zbudowane na cieczach: chelatowe (korzystające ze związków metaloorganicznych zwanych chelatami) lub barwnikowe z barwnikiem organicznym rozpuszczonym w roztworze, umożliwiające w pewnym zakresie regulację długości emitowanej fali. Niektóre lasery, np. jonowy helowo-kadmowy, emitują równocześnie promieniowanie w kolorach czerwonym, zielonym i niebieskim, co w rezultacie daje wiązkę białą.