,,Surmarelv!” ja ,,Kena idee, kuid mis sellest kasu on?” olid esimesteks reaktsioonideks laserite kohta. Praeguseks on laserid osa meie igapäevaelust, lihtsatest aparaatidest kuni popkultuurini välja.
Enne kui pahatahtlik Empire filmist Star Wars Episode IV: A New Hope lasi tähelaeva Death Star’i laseriga õhku terve planeedi, olid laserid juba rohkem kui puhas fantaasia. Laserid muutsid juba siis meie elu, mõnikord ka nii dramaatiliselt, et tekkis küsimus: mis on tegelikkus ja mis fantaasia?
Laserite taga peituval füüsikal on oma pikk ajalugu. Üheks esimeseks oluliseks verstapostiks on aasta 1917, kui Einstein, pärast suurt edu relatiivsusteooria ning footonite alal, tutvustas oma ideed indutseeritud kiirgusest, mille kohaselt footon kutsub ergastunud aatomis esile teise, identse footoni kiirgumise. Ligi nelikümmend aastat hiljem kasutas USA füüsik Charles Townes võimsate mikrolainete saamiseks õõnsuses paiknevast molekulidega keskkonnast just seda fenomeni. Põhiprotsessi võttis ta kokku nimetusega ‘mikrolaine võimendus sundkiirguse abil'(ingl. keeles microwave amplification by stimulated emission of radiation, toim), lühidalt ‘maser‘.
Deathstar'i surmakiir
Hiljem pakkusid Townes ja tema kolleeg Arthur Schawlow välja taolise meetodi nähtava valguse saamiseks. pärast mida tegi Theodore Maiman Hughes’i Teaduslaboratooriumist Californias selle ka tõelisuseks. 1960. aastal võmendas ta punast valgust tahkes rubiinpulgas – maailma esimene laser. Nime mõtles välja Gordon Gould, sel ajal Columbia Ülikoolis töödanud doktorantuuri lõpetanu. Ta võttis sõna ‘maser’ ja asendas sõna ‘mikrolaine’ sõnaga ‘valgus'(ingl. keeles light, toim), ning sai hiljem patendi oma panuse eest laseritehnoloogiasse.
Pärast Maimani valmistatud esimese laseri demonstratsiooni oli sel alal palju ärevust ning entusiasmi, ning varsti järgneski rubiinlaserile heelium-neoon ehk HeNe laser, mis leiutati 1960. aastal Bell’i Laboratooriumis. Seesugune laser suutis töötada väikesel, vähe energiat nõudval seadmel ning kiirgas stabiilset erkpunast kiirgust lainepikkusega 633 nanomeetrit. Ent kui kaks aastat hiljem märkasid General Electricu teadlased lasernähtust pooljuht galliumarseniidist valmistatud elektridioodil, valmis käepärasemgi seade. See esimene laserdiood on olnud aluseks suurele hulgale pisiseadmetele, mis kiirgavad erinevaid lainepikkuse ning energiaga kiiri. Dioodlaserist sai kiiresti enimkasutatav laseritüüp ning ta on seda ka praegu – vastavalt hiljutisele turuuuringule müüdi neid 2004. aastal 733 miljonit.
Parem elu tänu laseritele
Laserite erinevate tüüpide kättesaadavusege kasvas ka erinevate rakenduste arv, seesugused seadmed on meie ellu tunginud erakordselt suures ulatuses. Kuigi Maiman’i pani kohkuma väide nagu tema leiutis oleks ‘surmakiir’, said relvas kasutatava võimsusega laserrelvad reaalsuseks alles 20 aastat hiljem. Tõepoolest, enimkasutatavad laserid annavad välja kõigest millivatise energiaga kiiri.
Laserite erinevad rakendused
15 aastat pärast HeNe ning dioodlaserite leiutamist said need aluseks vöötkoodide skaneerimisele – mustvalge mustri arvutiseeritud registreerimine, mille järgi tuvastatakse toode vastavalt tema universaalsele tootekoodile, UPC-le. Idee sellise meetodi kasutamiseks müügis ning invertorides pärineb 1930ndatest, kuid esimene UPC-ga varustatud toode – pakk Wrigley’si nätse – ilmus poeletile alles 1974. aastal. Tänapäeval on see tehnoloogia ülemaailmselt kasutuses kümnetes tööstuses, triipkoode skaneeritakse biljoneid kordi päevas ning väidetavalt säästavad ostjad, edasimüüjad ja tootjad seeläbi aastas biljoneid dollareid.
Samuti hakkasid laserid domineerima suhtlusvahendites. Nüüdseks ühendavad nad võrkudeks miljoneid arvuteid üle kogu maailma, seda tänu optilistele klaaskiududele, mööda mida liiguvad kiirustel mitu terabaiti sekundis kahendsüsteemis bitid. Optiliste kaablitega infrastruktuuri hakkasid telefonifirmad paigaldama 1970ndate lõpupoolel, esimene üle Atlandi ulatuv ning USA-d Euroopaga ühendav kiudkaabel alustas tööd 1988. aastal. Tänapäeval on üle kogu maailma vee all tuhandeid kilomeetreid kiudoptilisi kaableid. Seda globaalvõrgustikku hoiavad töös laserdioodid, mis viivad valgust kiududesse, millede läbimõõt on kõigest paar mikromeetrit. Pikkade distantside läbimine kiududes levivat valguslainet praktiliselt ei mõjuta, lainepikkused ei muutu pea üldse. Selles rollis on laserid osaks meie globaliseeruvast maailmast.
1964. aastal ilmunud bondifilmis Goldfinger võis aga näha laserit, mis lõikas metallplaati. Sellele aga järgnesidki nähtamatut infrapunalainet kiirgavad võimsad süsinikdioksiidlaserid. 1964. aasta leiutatud (CO2) lasereid, mis kiirgasid väsimatult sadu vatte, hakati tööstuslikus lõikamises kasutama 1970ndatel. Nüüd on saadaval kilovatised versioonid, mida kasutatakse ‘kaugkeevitamisel’ näiteks autotööstuses, kus juhitud laserkiir suudab ülikiirelt lõpetada mitu kohtkeevitust. Kõrgenergiaga laserid on sobilikud kasutamiseks ka muudeks tööstusülesannetes.
Digitaalmeedia
Kuid lisaks laserite abistavatele ja praktilistele kasutusviisidele, mida on nad teinud meie meelelahutuseks? Esiteks, laserites on valguslaineid võimalik ülitäpselt kontrollida, seeläbi saab helilaineid digitaalformaadis salvestada kui pisikesi märgistusi, tagasimängitava heli täpsus on väga kõrge. ’70ndate lõpus hakkasid Sony ja Philips välja töötama viisi 12-sentimeetrise diameetriga läikivatele plastikketastele,CD-dele, digitaalselt kodeeritavat muusikat. Digitaalseid bitte tähistasid plastikule kantud mikromeetrisuurused süvendid, neid skaneeris taasesituseks CD-mängijas asuv laserdiood. Tagasi vaadates vääriks see tehnoloogia eraldi muusikalist kiidulaulu, kuid esimene, 1982. aastal välja lastud CD oli kõigest rokkartisti Billy Joel’i “52nd Street.”
1990ndate keskel tehti CD-de 74-minutilise mahtuvuse üle suur edusamm tänu digitaalsetele videoplaatidele(DVD-dele), kuhu mahub terve film. 2009. aastal ilmusid Blu-ray kettad(BD-d), mis mahutavad kuni 50 gigabaiti, mis on piisav ülikõrge resoultsiooniga filmi salvestamiseks. Nende formaatide erinevuseks on kirjutamiseks ja lugemiseks kasutatavate lainepikkuste erinevus – CD-del 780 nm, DVD-del 650 nm ning BD-del 405 nm. Lühemate lainepikkuste abil saab teha väiksemaid märgistusi ilma difraktsiooni segava mõjuta, see aga lubab ühele ruumiühikule mahutada rohkem andmeid.
Kuigi allalaadimiste revolutsioon on viinud CD-de müügi languseni on laserid meelelahutusäris siiski vajalikud. Nad kannavad muusikat, filme ja kõike, mida on võimalik internetist vaadata või alla laadida ning salvestavad need meie arvutitesse, nutitelefonidesse ja muudesse digiseadmetesse.
Surmakiir?
Kuigi laserrelvadega kaasnev moraalsus on küsitav, kasutatakse lasereid ka muudes, vaieldamatult heades rakendustes, näiteks meditsiinis. Esimest korda kasutati laserit meditsiinilistel eesmärkidel 1961. aastal, kui Columbia Ülikooli arstid hävitasid rubiinlaseriga patsiendi võrkkestal asuva kasvaja. Et laserkiir siseneb silma ilma seda kahjustamata, on oftalmoloogia lasermeetoditest enim kasu saanud. Laserite mitmekülgsus on aga viinud ka laserdiagnoosini ning ravimeetoditeni muudes meditsiinivaldkondades.
Laserite kasutusvõimalusi
CO2 ja muud tüüpi erinevate lainepikkuste, energiate ja impulss-sagedustega laserite abil saavad arstid ülitäpselt kudet aurustada ning samuti kudet lõigata, haava samal ajal traumade ärahoidmiseks kauteriseerides. Üheks meditsiinilise kasutuse näiteks on LASIK(ingl. keeles laser-assisted in situ keratomileusis), laseri ja mikrokeratoomi abil sooritatav refraktiivkirurgiline protseduur silma defektidest tulenevate nägemishäirete korrigeerimiseks, kus laserkiire abil muudetakse võrkkesta kuju. 2007. aastaks oli selle protseduuri läbi teinud juba ligi 17 miljonit inimest üle maailma.
Dermatoloogias kasutatakse lasereid rutiinselt hea- ja pahatahtlike nahakasvajate ravimiseks ning samuti kosmeetilistes protseduurides, näiteks sünnimärkide ja tatoveeringute eemaldamisel.
Õilsa eesmärgi nimel kasutatakse lasereid ja baas- ja rakendusteaduses. Ühe märkimisväärse näitena võib tuua National Ignition Facility(NIF), mis asub Lawrence Livermore Rahvuslikus Laboratooriumis Californias. NIF’i 192 ultraviolettvalgust kiirgavad laserid, mis asuvad 10-korruselises staadionisuuruses hoones, on mõeldud deuteeriumiga täidetud millimeetri suuruse kuulikese laskmiseks lühiajalise laserimpulsiga, millel energiat mitmesaja teravati ringis. Niiviisi loodetakse saavutada tähtedes või tuumaplahvatuses olevad tingimused, lubades uurida nii astrofüüsikalisi protsesse kui ka tuumarelvi.
Üldsusele rohkem teadaolevaks eesmärgiks on indutseerida vesiniku tuuma sünteesumist heeliumiks, ka Päikeses toimuv protsess.
Laserid igapäevakultuuris
Ülivõimsate ning ülinõrkade laserite vahele jäävad aga keskmise võimsusega laserid, millede abil on võimalik valmistada hästinähtavaid seadmeid nii kunsti kui meelelahutuse tarbeks. Suur laserkunsti kujutav näitus peeti Cincinnati Kunstimuuseumis juba 1969. aastal.
Ent laserid on veelgi rohkem nähtaval olnud suurtes kohtades. ’60ndatel leiutati laserkiired, mis jälgivad dünaamiliselt muusikat ning järgivad keerulisi mustreid ruumis. See viis silmapaistvate demonstratsioonideni, näiteks 1970. aasta Expo maailmanäituse showni Osakas, Jaapanis.
Laserid on märgatavalt mõjutanud nii meie igapäevaelu kui ka teadust. Maseritena on nad olnud osaks teaduslikust uurimustööst, kaasaarvatud uuringud väljaspool laserteadust ennast, mis on toonud endaga kaasa rohkem kui 10 Nobeli preemiat. Neist esimeseks oli 1964. füüsikapreemia Charles Townes‘ile, Alexandr Prokhorovile ning Nicolay Basovile nende fundamentaalse töö eest laserite alal. Teiste laseritega seotud Nobeli preemiate hulka kuulub holograafia leiutamine ning esimese Bose-Einstein kondensaadi valmistamine, mis saadi laserjahutades aatomipilve ülimadalatel temperatuuridel. Samuti on laserid kümnetes rakendustes alates Ramani spektroskoopiast kuni optikaseadmetest astronoomiliste teleskoopideni teaduse tegemisega otseselt seotud.
Isegi kõige suurema mõttelennuga ulmekirjanikud ei osanud ette näha, et Maimani leiutis muudab muusikaäri, loob helendava kunsti ning on kasutuses supermarketites üle kogu maailma. Vähemasti laserite kultuurilise mõju poolest ületab reaalsus tõepoolest väljamõeldisi.
Artikli allikas asub siin, antud artikkel on vaid lühikokkuvõte.