1.4.2.5. A lézer és a hologram

	A lézerfény legfontosabb tulajdonságai
	A lézer alkalmazásai
	CD

A fényforrások egy speciális típusa a lézer. Neve, az angol laser betûszó a Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (magyarul a fénykibocsátás indukált emisszióval) kifejezés rövidítése, ami a lézerfény létrejöttének sajátos körülményeire utal.

Az elsõ lézert az amerikai Maiman fejlesztette ki 1960-ban. A prototípus anyaga, amelyben a lézereffektus lejátszódott, rubinkristály (Cr₂O₃ -mal szennyezett Al₂O₃ kristály, amely rendelkezik a megfelelõ metastabil energiaszinttel) volt, gerjesztésként pedig egy villanólámpa fényét használta. A rubinkristály két végére féligáteresztõ, illetve egy nagy visszaverõ-képességû tükörréteget párologtattak.

Amikor a villanólámpa gerjeszti a rubint, és létrejön az a nagyon jól meghatározott energiájú (a metastabil állapot és az alapállapot különbségének megfelelõ) fény, amely a lézerfény kibocsátását elindítja, az elõször a kristály két végérõl sokszor visszaverõdve ide-oda cikázik a kristály tengelye mentén. Mivel a rubin oldalán nincsen tükör, a sokszori visszaverõdés miatt csak azok a sugarak maradnak meg a rendszerben, amelyek szigorúan párhuzamosak a kristály hossztengelyével.
Amikor a fény energiája meghaladja azt a mértéket, amely már ki tud lépni a féligáteresztõ tükrön, a lézer világítani kezd. A két tükör, vagyis voltaképpen az elrendezés geometriája miatt a kilépõ fény már nagyon párhuzamos nyalábokból áll, a sugár széttartása (divergenciája) elhanyagolhatóan kicsi.

Bár a lézerek hatásfoka elég alacsony, mivel a kijövõ energia nagyon keskeny nyalábba koncentrálódik, abban a kis térrészben az energia-leadás jelentõs lehet. Különösen érvényes ez az impulzus üzemmódú lézerekre, amelyek nem folytonosan világítanak, hanem nagyon rövid ideig, ezért nagy teljesítményû (P~ 1/t) impulzusokat bocsátanak ki.
Ma már nagyon sokfajta (gáz-, festék-, félvezetõ- stb.) lézert alkalmaznak.

1.4.2.1. A lézerfény legfontosabb tulajdonságai

A hélium-neon lézer jellegzetes vörös színû, hullámhossza: 632,8 nm

	A lézerek fénye nagyon monokromatikus (egyszínû).
	A létrejött fény koherens, nagy úthossz-különbségek esetén is alkalmas interferencia létrehozására
	A lézernyaláb keskeny és nagyon kis széttartású nyaláb (jól szemléltethetõ vele a fénysugár).
	A lézerek energiája kis térrészben koncentrálódik, impulzus üzemmód esetén nagyon rövid idõtartamban, vagyis a lézerfény teljesítménysûrûsége (E/At) a megszokott fényforrásokénak sokszorosa lehet.

1.4.2.2. A lézer alkalmazásai Jobbra: A lézerfény keskeny nyalábja alkalmas egyenes irány kitûzésére, pl. alagutak építésénél. Fent: Ez is lézer (elõadásokon használt fénymutató)

A kis széttartás tette lehetõvé, hogy az eddigi legpontosabb mérésekkel megmérjék a Hold-Föld távolságot. A Holdra fellõtt fénysugár eléggé koncentrált maradt ahhoz, hogy az Apolló ûrhajósai által elhelyezett tükrökrõl visszaverõdõ fény még mûszerekkel érzékelhetõ volt, így az oda-vissza út idejébõl a távolságot meghatározhatták.

Az energia koncentrálása miatt lézerfénnyel mûtéteket végezhetnek, fémeket vághatnak. Lézerfegyverrel egy helikopter röptében kettévágható.

Balra: Vesekövet hasít a lézer Jobbra: Lézeres retinakezelés

A lézerfény kiválóan alkalmas interferencián alapuló jelenségek létrehozására, interferenciás mérések végrehajtására, hologramok készítésére.

A lézer és az anyag kölcsönhatása révén mikroszkopikus felületi változások is létrehozhatók (például egy fémfelületen néhány atom elmozdítása). Ezek új megmunkálási lehetõségeket biztosíthatnak a mikroelektronika különbözõ területein, például a mikrochipek készítésekor. Lézeres felület-megmunkálás: Kerámiába fúrt lyuk (mélysége 600 m m, átmérõje 40 mm); Vékony bioszenzor-szálba vágott lyuk; Emberi hajszálba gravírozott betûk (excimer  lézerrel); Tintasugaras nyomtató fúvókája; Mûanyag felület 1,7 m m felbontású mintázata.

A lézerek az információ továbbításában, leolvasásában is fontos szerepet játszhatnak, például vonalkódok, CD-leolvasás, optikai információtovábbítás, stb.

Lézeres hûtéssel érték el az eddigi legalacsonyabb hõmérsékletet, közelítették meg legjobban az abszolút zérus fokot (és nyerték el ezért az 1997-es fizikai Nobel-díjat). A lehûtött anyagot keresztezett lézernyalábokkal ütköztették oly módon, hogy az ütközés során a részecskék veszítsenek a mozgási energiájukból. Az elért hõmérséklet mindössze 200 milliárdod kelvin fok volt.

Részecskék a lézernyalábok kereszttüzében ("keresztfagyában"). A kísérletben a lézert úgy hangolták, hogy a vele ütközõ részecskék minden egyes ütközésnél veszítsenek a mozgási energiájukból

CD

A lézerfényt a technikában sok helyen használják információk olvasására. Vonalkód leolvasók például minden nagyobb áruházban mûködnek. A digitális információtárolás elterjedt eszköze a CD- (compact disc) lemez. Egy ilyen lemezen csaknem 5 km-nyi lejátszósáv van, ami 640 Mbyte információt (kb. 80 perc zenét, több száz képet, több mint 300 ezer gépelt oldal szöveget) rögzít. Ahogy a morzekód pontokból és vonalakból áll, a CD-lemezen az 1 és 0 digitális jeleket is kiemelkedések, "dudorok" és sima felületek alkotják.

A Bill Gates kezében tartott CD lemezen annyi információ fér el, mint a két papírtornyon. A CD felszíne.

A középrõl spirál alakban kifelé haladó lejátszósávban található jeleket lézerfény "olvassa le". A sima felület a fényt az érzékelõbe vetíti, a dudor szétszórja. A visszavert fény hiányát az érzékelõ 1-esként, a sima felületrõl visszavert fényt 0-ként értelmezi. Ezeket a jeleket azután kiértékelik, visszaalakítják, erõsítik, és a képernyõn láthatóvá vagy a hangszórón hallhatóvá teszik.

A CD elkészítéséhez elõször az általában analóg információt kell digitális jelekké alakítani. Hangfelvételnél a hanghullámokból a mikrofonok képeznek elektronikus jeleket, majd ezeket digitalizálják. A mérést a felvétel során másodpercenként 44 100-szor végzik el, így a kapott értékek igen pontosan jelenítik meg az eredeti hangot. A bináris kódolás módszere mérésenként 65 535 hangerõ megkülönböztetését teszi lehetõvé.
A mesterlemez készítésekor a kódolt jeleket elektromos impulzusok formájában juttatják el a lézerhez, amely azok ütemében villogó lézersugárral világítja meg az alatta forgó, fényérzékeny polikarbonát alapanyagú, üres üveglemezt. A villanások eredményeképpen gödröcskék alakulnak ki, melyek kémiai eljárással hívhatók elõ.
A késõbbiekben a mesterlemezt úgy sokszorosítják, hogy elõször másolatot készítenek róla, majd ezt mûanyagba nyomják. A gödröcskékbõl így kiemelkedések lesznek. A lemezt ezután vékony alumíniumréteggel vonják be, hogy visszatükrözze a fényt, majd erre átlátszó mûanyag védõréteget visznek.
A kiolvasáskor a letapogató lézerfény - a régi, hagyományos lemezjátszókon használt tûkkel szemben - nem karcolja a lemezt. A digitális technika azonban még a karcolások esetén is lehetõséget nyújt az információ megõrzésére. Ehhez a CD-re vitt digitális jeleket csoportokra, úgynevezett "adatszavakra" osztják, majd ezekbõl segédadatokat, például ún. "ellenõrzõ szavakat" is generálnak, amelyek az intelligens kiolvasó és feldolgozó rendszert segítik.
Az ellenõrzõ szavak olyan digitális jelsorozatok, amelyeket két-két adatszóból képeznek, és amelyek éppen egy bittel nagyobbak az eredetieknél. Egy-egy ellenõrzõ szóhoz minden adatszót kétszer használnak fel, mindig más adatpárral. Amennyiben egy lemezsérülés következtében a három szóból csak kettõ marad, a harmadikat ki lehet számítani belõle. De még ha mindhárom szó megsérül is, a szavak kombinációiból ki lehet számítani a hiányzó értéket.

Egy másik módszer a számítástechnikában több helyen is alkalmazott úgynevezett paritásellenõrzés. Itt két szónak a bitjeit speciálisan úgy összegezik, hogy az összeadáskor a helyiérték átvitelét nem hajtják végre. Így új "paritásszavakat" kapnak, amelynek bitszáma megegyezik az eredeti szavak bitszámával. Ha a felvétel visszaolvasása után a három szó bármelyike hiányzik vagy hibás, azt újra ki lehet számítani.

Az így generált segédszavakat a lemezen általában az eredeti adatoktól távolabb tárolják, nehogy egyszerre minden adat megsérülhessen. A segédszavak tárolásakor ugyan csökken a rögzített információ összmennyisége, de ezzel a módszerrel elérhetõ, hogy még a lemezen lévõ 1-2 mm-es lyuk esetén is minden adat visszanyerhetõ legyen.