Punainen laservalo syttyi ensi kertaa 16. toukokuuta 50 vuotta sitten. Laser on keksintö, jota merkittävyydeltään voi verrata vain transistoriin ja integroituun piiriin.

Laserille on nyt niin paljon erilaisia sovelluksia, että tuntuu vaikealta uskoa, mitä siitä ajateltiin 50 vuotta sitten. Kun Theodore Maiman rakensi ensimmäinen laserin toukokuussa 1960, sen sanottiin olevan ”ratkaisu, joka etsii ongelmaa”.

1900-luvun keksinnöistä laser voittaa ainakin patenteissa laskettuna jopa transistorin ja integroidun piirin. Myönnettyjen patenttien otsikoissa ja tiivistelmissä vain hakusanat ”moottori” ja ”tietokone” antavat enemmän osumia kuin laser.

– Laserin seuraavat 50 vuotta näyttävät vieläkin kirkkaammilta, sanoi Stanford Photonics -tutkimuskeskuksen johtaja Tom Baer Yhdysvaltain tiedeviikolla San Diegossa helmikuussa. Tiedeviikon seminaari oli yksi laserin 50-vuotisjuhlavuoden, Laserfestin, tapahtumista.

Sisältö jatkuu mainoksen alla

Käytettiin jo Vietnamissa

Erilaisia lasereita kehitettiin jo 1960. Heliumin ja neonin seosta laseroivana väliaineena käyttävä laser tuotti hieman erisävyisen punaisen keilan kuin tekivät Maimanin rubiinikiteen kromiatomit. Pari vuotta myöhemmin esiteltiin puolijohdelaser eli laserdiodi, joka on elektroniikassa näppärä komponentti. Sen ominaisuuksia on mahdollista muuttaa seostamalla puolijohdetta eri tavoin.

Sisältö jatkuu mainoksen alla

Kuten niin usein tekniikan historiassa, sotilaat olivat nytkin uuden innovaation ensimmäisiä soveltajia. Yhdysvaltain armeija käytti laseria Vietnamin sodassa merkitsemään viholliskohteita täsmäpommeja varten.

Maanalaisia viemäreitä ja junatunneleita rakentaneet urakoitsijat käyttivät laseria San Franciscon alueella jo 1960-luvulla pysyäkseen oikeassa suunnassa. Ensimmäiset viivakoodinlukijat ilmaantuivat kauppoihin 1970-luvulla.

Neil Armstrong jätti ensimmäisellä miehitetyllä kuulennolla heinäkuussa 1969 kiertolaisemme pinnalle peilin, joka heijastaa laserpulssin takaisin Maahan. Sen avulla tutkijat onnistuivat mittaamaan Maan ja Kuun välisen etäisyyden ennennäkemättömän tarkasti.

1980-luvulla lasersäde näkyi tavallisen kuluttajan arjessa. Cd-soittimen lukupää ei tosin vuoda valoa laitteen ulkopuolelle, mutta vuosikymmenen loppupuolella laserosoittimilla saattoi jo kokouksissa viestiä teknisestä edelläkävijyydestään.

Nyt yhteiskunta käytännössä pysähtyisi, jos laserit yhtäkkiä lakkaisivat toimimasta.

Laseria joka lähtöön

Vaikka kaikki laserit perustuvat Albert Einsteinin jo 1917 esittämään stimuloidun emission ideaan, teemaa on kehitelty lukemattomilla eri tavoilla.

Ensinnäkin laseroivana väliaineena voidaan käyttää melkein mitä alkuainetta hyvänsä. Eri väliaineilla saadaan aikaan melkein mitä tahansa näkyvän valon aallonpituuksia.

Ennen näkyvän valon laseria tutkijat osasivat jo tuottaa koherentteja mikroaaltoja. Nykyään laserinsinöörien hallussa on sähkömagneettinen spektri radioaalloista röntgensäteilyyn.

Laseroiva väliaine voi myös olla missä olomuodossa tahansa. Ensimmäiset kaasulaserit esiteltiin pian rubiinilaserin jälkeen, mutta myös plasma tai neste käy.

Ensimmäinen laser tuotti salaman kaltaisen lyhyen laserpulssin. Sittemmin opittiin tekemään jatkuvatoimisia lasereita. Lyhimmillään laserin pulssi voi nykyään olla attosekunnin suuruusluokkaa – miljoonasosan sekunnin biljoonasosasta. Attolaserin tuottaman säteen pituus jää siis alle nanometrin.

Attosekunnin pulssilla on mahdollista kuvata atomimaailman nopeita tapahtumia. Lyhyestä pulssista on samanlainen etu kuin vaikka urheilukuvaajalle tavallisen kameran lyhyes­tä suljinajasta.

Maimanin rubiinilaserissa väliaineeseen pumppasi energiaa tavallinen, valokuvaajien tarpeisiin suunniteltu salamalamppu. Pumppausenergiana voi kuitenkin käyttää jopa toista laseria, jolloin teho kasvaa.

Teho vaihtelee huimasti

Luennoitsijan laserosoittimesta lähtevän punai­sen säteen teho on alle milliwatin. Laservalon luonteesta kertoo, että näinkin heikko teho riittää tuottamaan kirkkaan pisteen kymmenien metrien päästä.

Hiilidioksidilaserit taas kykenevät tuottamaan jatkuvan infrapunasäteen hyvällä, jopa 20 prosentin  hyötysuhteella. Hurjimmillaan säteen teho voi olla satoja kilowatteja.

Tehokkaat hiilidioksidilaserit leikkaavat ja hitsaavat esimerkiksi terästä. Teholtaan pienempiä lasereita voi käyttää kaivertamiseen. Laserpulssi höyrystää materiaalin pintaa niin nopeasti, ettei kuumuus ehdi välittyä kovin syvälle työstettävän kappaleen sisälle.

Myös kirurgit ja ihotautilääkärit käyttävät hiilidioksidilasereita, koska kudoksien vesi imee infrapuna-aallonpituuksia hyvin.

Yksittäinen laserpulssi voi nousta paljon huikeampiin tehoihin. Lawrence Livermoren laboratorion National Ignition Facilityssä Kaliforniassa kehitetään fuusioreaktoria, joka käynnistyisi laserpulssilla.

Valtavassa rakennelmassa 192 lasersädettä kohdistetaan pieneen pellettiin, joka sisältää vedyn fuusioituvia isotooppeja. Pellettiin iskeytyy muutaman sekunnin biljoonasosan ajan jopa satojen terawattien teho. Sen pitäisi aikanaan käynnistää fuusioreaktori eli saada vety-ytimet yhtymään toisiinsa heliumiksi.

Vahvistin mullisti tietoliikenteen

Laser on mullistanut tavallisen ihmisen elämää eniten tiedonsiirrossa. Nykymuotoinen internet ei olisi mahdollinen, jos kansainväliset runkoverkot perustuisivat kuparikaapeleihin tai satelliittilinkkeihin. Vain valokaapeleissa kulkeva laservalo pystyy kuljettamaan kaikki ne videot ja musiikkikappaleet, joita yhä suurempi osa internetin datasta on.

Valokaapelit eivät kuitenkaan olleet kovin hyödyllisiä pitkien matkojen tiedonsiirrossa, ennen kuin erbiumilla seostetut optiset vahvistimet kehitettiin 1980-luvun lopussa. Sitä ennen lasersignaali vahvistettiin sähköisesti, eli optinen signaali vastaanotettiin, muunnettiin sähköiseen muotoon ja lähetettiin eteenpäin uudella laserilla.

Tämä oli todella epäkäytännöllistä: vaikka valokuidun kapasiteetti mahdollistaa useamman signaalin samanaikaisen lähettämisen, vahvistin pystyi vahvistamaan vain yhtä signaalia kerrallaan. Pitkillä välimatkoilla vahvistin tarvittiin 500–600 kilometrin välein, jotta signaali ei vaimenisi liikaa. 1990-luvulla optisten vahvistimien käyttöönotto sai aikaan valtavan kasvun tiedonsiirtokapasiteetissa. Optisten vahvistimien kehittäjät saivat Helsingissä vuonna 2008 Millennium-palkinnon.

Jos laserit lakkaisivat toimimasta, käytännössä kaikki tietoliikenne pysähtyisi. Sähköposteja ei voisi lähettää, luottokortit eivät toimisi eikä seinästä saisi käteistä.

Optista tietokonetta kaivataan

Tavallisia laserlaitteita käytetään jo lukemattomissa arkisissa sovelluksissa. Kehitys kuitenkin jatkuu esimerkiksi uusilla aallonpituuksilla.

Tutkijat kehittävät röntgenlasereita, jotta biokemistit voisivat havainnoida yksittäisten  molekyylien kemiallisia reaktioita samalla kun niitä tapahtuu. Millimetriaaltojen lasereista yritetään kehittää skannereita lentokenttien turvatarkastuksiin.

Nykyistäkin lasertekniikkaa saatetaan käyttää uusiin tarkoituksiin. Jo seuraavien kymmenen vuoden kuluessa voi odottaa uusia menetelmiä syövän diagnosointiin. Ihon sisään tunkeutuva laserpulssi voisi tunnistaa melanooman.

Laseria on käytetty paljon tietoliikenteessä, mutta itse tietokoneet ovat toistaiseksi säilyneet elektronisina laitteina. Jos yksittäisten komponenttien väliset sähkökaapelit korvattaisiin lasereilla, tietokoneiden ja kännyköiden sähkönkulutus vähenisi tuntuvasti.

Artikkeli perustuu esitelmiin, joita alan tutkijat pitivät Yhdysvaltain tiedeviikon laser-seminaarissa San Diegossa helmikuussa. Lisätietoja myös www.laserfest.org

Marko Hamilo on vapaa tiedetoimittaja ja Tiede-lehden vakituinen avustaja. Julkaistu Tiede -lehdessä 5/2010.

Näin laser toimii

Laser tarkoittaa sananmukaisesti valon vahvistamista stimuloidun säteilyemission avulla. Lyhenne tulee sanoista light amplification by stimulated emission of radiation.

Laservalon valoaallot ovat samaa aallonpituutta eli väriä, samassa vaiheessa, niiden värähtely tapahtuu samassa suunnassa ja valokeila on hyvin kapea.

Tavallisen valon, kuten hehkulampun, valokvantit eli fotonit lähtevät satunnaisiin suuntiin ja valoaallot ovat satunnaisessa vaiheessa.

 

Laserlaite koostuu

– Laseroivasta eli viritetystä, stimuloitavasta väliaineesta

– Pumppauslaitteesta, joka antaa fotoneille energiaa

– Kahdesta peilistä, joista toinen päästää valoa lävitseen lasersäteen verran

Laserissa atomit ovat valmiiksi virittyneessä tilassa eli imeneet itseensä fotonin.Atomeja häiritään eli stimuloidaan uusilla fotoneilla.

Atomien viritys laukeaa, ja ne lähettävät perustilaan palatessaan kaksi fotonia, joilla on keskenään sama aallonpituus, vaihe sekä kulku- ja värähtelysuunta.

Stimuloitu emissio tapahtuu väliaineessa monta kertaa, kun fotonit kimpoilevat peileistä edestakaisin ennenkuin lopulta pääsevät puoliläpäisevästä peilistä ulos.

 

Erilaisia lasereita

– Maser: Mikroaaltojen aallonpituudella toimiva aser.

Laser: Optinen eli light aser. Koska maser keksittiin ensin, laseria kutsuttiin alkuun optiseksi maseriksi.

Xaser: Röntgenlaser eli x-ray aser. Termi ei vakiintunut.

Raser: Radioaaltojen aallonpituudella toimiva aser. Termi ei vakiintunut.

Saser: Äänilaser eli sound aser. Laserin kaltainen ilmiö ääniaalloilla. Saser onnistuttiin tuottamaan ultra-äänillä vuonna 2009.

 

Laserin puoli vuosisataa

1917  Albert Einstein esittää idean stimuloidusta emissiosta, johon laser perustuu.

1954  Yhdysvaltalainen Charles Townes rakentaa ensimmäisen mikroaaltolaserin eli maserin Columbian yliopistossa New Yorkissa.

1958  Townes esittää yhdessä Arthur Schawlow’n kanssa ”optisen maserin” idean Physical Review -lehdessä. Teoreettinen artikkeli herättää keksijöiden kiinnostuksen.

1960  Toukokuun 16:ntena yhdysvaltalainen Theodore Maiman kollegoineen esittelee ensimmäisen rubiinilaserin Hughesin tutkimuslaboratoriossa Kalifornian Malibussa. Laite sai pumppausenergiansa salamalampusta. Väliaine oli pienellä määrällä kromi-ioneja seostettu rubiinikide.

1962 Ensimmäinen puolijohdelaser, laserdiodi, esitellään. Se mullistaa myöhemmin tiedonsiirron.

1964 Charles Townes ja neuvostoliittolaiset Aleksandr Prohorov ja Nikolai Basov saavat Nobelin palkinnon töistä, jotka johtivat maserin ja laserin kehittämiseen.

1974 Ensimmäinen viivakoodinlukija tulee kaupan kassalle.

1982 Ensimmäinen laseria käyttävä kuluttajasovellus, cd-soitin, saadaan markkinoille.

1984 Ensimmäinen röntgenlaser mahdollistaa plasman kuvaamisen.

1987 Ensimmäiset erbiumilla seostetut kuituvahvistimet esitellään.

1988 Ensimmäisessä Atlantin alittavassa valokaapelissa on kuituvahvistimia noin 60 kilometrin välein.

1994 Laserit otetaan käyttöön hammashoidossa. Laserpora ei aiheuta kipua – sitä ei edes tunne. Tässä meneillään hampaiden valkaisu.

1996 Kaikkien aikojen suuritehoisin laserpulssi tuotetaan Lawrence Livermoren laboratoriossa Kaliforniassa: yli 1015 wattia.

2009 Charles Kao, Willard Boyle ja George Smith saavat Nobelin palkinnon keksinnöistä, jotka mahdollistivat valokuitujen käytön tietoliikenteessä.

Sisältö jatkuu mainoksen alla