Laserul este acronimul pentru “Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation – “Amplificarea luminii prin emisia stimulata de radiatii ”, conceptul constand in stimularea energetica a materiei, pentru a o determina sa elibereze particule dinamice, in mediul inconjurator, pe durata intoarcerii la starea initiala. Asadar, un atom stimulat interactioneaza cu un foton (particula elementara, usoara, specifica radiatiei luminoase) aflat in aceasi stare energetica. In momentul in care acest foton este intalnit, va duce la emiterea unui alt foton, cu aceeasi energie. Primul care a formulat o asemenea teorie este Albert Einstein, in anul 1916, demonstrand Legea lui Plank. Ideea, revolutionara la vremea respectiva, a fost considerata ciudata, iar interactiunea unui foton cu un atom aflat in stare de excitatie parea a fi un fenomen extrem de rar.
Precursorul laserului purta denumirea de “maser” si avea rolul de a amplifica radiatia electromagnetica a undelor cu lungimi foarte scurte, in genul celor de la cuptoarele cu microunde, de aici si denumirea sa, M (maser), in loc de L (laser). Pentru ca tehnologia a fost utilizata in timpul celui de-al Doilea Razboi Mondial, foarte multi cercetatori au decis studierea intensiva a radiatiei microundelor, apeland la echipamente militare ramase la terminarea razboiului. Primul “maser” a fost construit de catre Charles H. Townes, care, impreuna cu James Gordon si Herbert Zeiger, au reusit izolarea moleculelor de amoniac stimulate energetic. Nikolai Basov si Alexander Prokhorov, doi cercetatori de origine rusa, au dezvoltat aceasta idee, construind oscilatoare si amplificatoare bazate pe principiul “maser”, motiv pentru care cei doi primesc Premiul Nobel pentru Fizica, in anul 1964.
La scurt timp dupa ce conceptul de maser a devenit realitate, specialistii in domeniu au inceput sa studieze posibilitatea de a stimula emisiile de radiatii si in alte unde ale spectrului electromagnetic. Townes si Arthur Schawlow, inca din decembrie 1958, propusesera si publicasera primul plan detaliat de construire a unui maser optic, in jurnalul de fizica ce purta numele de “Physical Review”. Cu toate acestea, construirea unui maser optic (dispozitiv care, mai tarziu, va fi numit laser optic) avea sa intampine numeroase dificultati.
Spectrele foarte mici ale luminii vizibile, dar si dificultatea de a gasi un mediu de excitare potrivit necesitau aparate de masurare mult mai precise decat cele de pana la acel moment. De abia in anul 1960, fizicianul american Theodore Maiman construieste primul amplificator de lumina (primul laser), prin emisia stimulata de radiatii, dispozitiv capabil sa opereze doar in trei niveluri energetice. La scurt timp, Peter Sorokin si Mirek Stevenson pun la punct laserul cu patru nivele, care putea, cel putin in teorie, sa emita un output continuu, chiar daca acest tip de output este practic imposibil de obtinut in stare solida.
Spre finalul anului 1960, Ali Javan, William Bennet si Donald Herriot reusesc sintetizarea primului gaz de tip laser, prin folosirea neonului si a heliului. Acest tip de gaz, purtand si numele de He-Ne, a devenit amplificatorul de lumina, prin emisia stimulata de radiatii, dominant pentru urmatorii 20 de ani, pana cand dispozitivul cu semiconductori, foarte ieftin, a fost lansat la sfarsitul anilor 1980. He-Ne-ul este folosit si in ziua de astazi, pentru scanarea codului de bare al produselor, pentru supravegherea diferitelor tipuri de echipamente, dispozitivul aducand doua mari inovatii – este primul laser capabil sa emita un fascicul continuu, iar actiunea de durata a acestuia putea fi initiata de catre o descarcare electrica, si nu de catre o descarcare intensa de fotoni. Pentru ca aceste lasere erau limitate ca putere, Kumar N. Patel, inginer indian, incepe, in anul 1964, sa lucreze cu dispozitive cu dioxid de carbon si monoxid de carbon, pe care le amesteca cu azot, heliu si apa, pentru a regla foarte fin proprietatile amplificatorului de lumina, prin emisia stimulata de radiatii. Earl Bell descopera laserul ionic, in momentul in care plaseaza ioni de mercur, in heliu, pentru a determina o actiune indelungata. Chiar daca acest tip de amplificator de lumina nu si-a gasit aplicatii, a fost un predecesor direct al amplificatorului de lumina cu ioni de argon, dezvoltat de catre William Bridges. Amplificatoarele de lumina cu gaz au fost urmate de amplificatoarele de lumina cu vapori metalici.
Treptat, curentii electrici au fost inlocuiti cu reactii chimice, pentru generarea efectului de lunga durata, cu racire rapida, prin expansiune, pentru a duce la starea de excitatie a particulelor, cu folosirea jonctiunilor din semiconductoare sau prin folosirea unui mediu fara electroni, tot pentru crearea unui efect de lunga durata.
Utilizari ale laserului
La scurt timp dupa ce a fost descoperit, laserul a fost valorificat in domenii diverse.
- Concentratia exacta de energie produsa de raza laser face posibila incalzirea, topirea si taierea materialelor, cu mare precizie.
- Tesutul uman poate fi tratat cu raze laser, fara a fi atacate zonele din jur.
- Tehnologia laser a permis inventarea si functionarea sistemelor cu CD si DVD.
- Burghiele uriase utilizate la saparea tunelurilor sunt ghidate prin raze laser.
- Telemetrul laser realizeaza masuratori de mare precizie, inclusiv in spatiul cosmic. De exemplu, distanta Pamant – Luna este calculata, cu un astfel de aparat, cu o precizie de +/- 20 de centimetri.
- In zona comunicatiilor, cresterea numarului de persoane care foloseau telefonul, transmisiile electronice, semnalele releelor de televiziune si nevoia de a comunica in spatiu au contribuit la popularitatea acestui amplificator de lumina. Posibilitatea de a folosi laserul in telecomunicatii a venit din teoria conform careia cantitatea de energie coerenta pe care o unda electromagnetica o poate transporta este propotionala cu frecventa sa. Undele optice au frecvente de 110 ori mai mari decat undele radio si de 105 ori mai mari decat microundele. Laserele par, astfel, o solutie ideala. In anul 1970, Charles Kao si George Hockham descopera ca fibra de sticla poate transmite lumina intr-o maniera foarte eficienta. Tot in 1970, este gasita o modalitate de imbunatatire a jonctiunilor din semiconductori, care va reduce densitatea curentului electric de la 100.000 amperi/cm2 la 8000 amperi/cm2, pentru ca, mai apoi, sa se ajunga chiar la 1000 – 3000 amperi/cm2. Aceste doua tehnologii complementare au stimulat un alt foarte mare salt in ceea ce priveste aplicabilitatea laserului.
- Spectroscopia de tip “Raman” – care permite analiza compozitiei moleculare si a structurii unui material, lasandu-l intact – ar fi ramas de domeniul imposibilului, daca nu ar fi existat amplificatorul de lumina bazat pe efectul descoperit de fizicianul indian care i-a dat si numele (Chandrashekhara Venkata Raman), un fenomen care implica dispararea inelastica a luminii. Acest tip de spectroscopie este folosit, in general, in farmacologie, in chimia mediului, pentru analiza diverselor probe de sol, roca, metal etc.
- In medicina, analiza spectrala (spectroscopia) este o metoda noninvaziva pentru diverse masuratori (de exemplu, al nivelului de antioxidanti din organism), in imagistica medicala, in evaluarea metabolismului etc.
Cel mai puternic laser din lume va fi realizat in Romania
Anul acesta, 2012, Comisia Europeana a alocat 180 de milioane de euro, Centrului de cercetare de la Magurele – ELI-NP (Extreme Light Infrastructure – Nuclear Physics), pentru a construi infrastructura, iar alte 350 de milioane de euro vor fi destinate asamblarii laserului (cel mai puternic din lume) si dezvoltarii unor tehnologii de varf in domeniul fizicii nucleare, astrofizicii, bio-stiintelor etc. Cercetatorii romani vor colabora, in acest sens, cu specialisti din 13 tari si de la 40 de universitati de prestigiu, din intreaga lume. Realizarea laserului va viza diverse aplicatii in industria medicamentelor, a materialelor nucleare, in microelectronica, in tratarea deseurilor radioactive etc.
