Τι είναι το Laser; - Του Κωνσταντίνου Δ. Καρπούζα, Καθηγητού Φυσικής-Χημείας

Το Laser αποτελεί μία ειδική δέσμη φωτεινής ακτινοβολίας, που δεν υπάρχει σε φυσικές συνθήκες, αλλά παράγεται μόνο στο εργαστήριο με ειδικό τεχνολογικό εξοπλισμό.

Το laser έχει κάποιες μοναδικές ιδιότητες και διαφέρει σε σχέση με το απλό φως.

1) Εκπέμπει σε ευθεία γραμμή, ενώ το φως διαχέεται, σκορπίζεται.

2) Aποτελείται από ένα μόνο χρώμα, είναι μονοχρωματικό, έχει ένα μήκος κύματος, ενώ το απλό φως αποτελείται από συνδυασμό πολλών χρωμάτων, έχει πολλά μήκη κύματος.

3) Η φωτεινή δέσμη του Laser παρουσιάζει συνοχή, που σημαίνει ότι τα φωτεινά κύματα κινούνται μαζί σε φάσεις και στον χρόνο και στον χώρο. Από την άλλη πλευρά, το φως που δεν έχει συνοχή στον χώρο και στο χρόνο, όπως είναι το συνηθισμένο φως ενός κοινού λαμπτήρα, αποτελείται από ένα μείγμα φωτεινών κυμάτων με διαφορετικές  συχνότητες που ταξιδεύουν σε διαφορετικές κατευθύνσεις.

4) Η ακτινοβολία Laser είναι εστιασμένη μορφή ενέργειας σε ένα συγκεκριμένο σημείο. Η ενέργεια που έχει η ακτινοβολία Laser σε ένα τετραγωνικό εκατοστό είναι 360.000 φορές μεγαλύτερη από εκείνη που έχει η ηλιακή ακτινοβολία! Παρεμβάλλοντας επιπλέον ειδικούς φακούς, η ενέργεια της ακτινοβολίας Laser που απελευθερώνεται σε κάθε τετραγωνικό εκατοστό μπορεί να αυξηθεί μέχρι και 1.000 ακόμη φορές!

Η ακτινοβολία Laser, δηλαδή, ξεκινάει από την πηγή της και καταλήγει στον στόχο έχοντας την ίδια διάμετρο και το ίδιο χρώμα. Η δέσμη φωτός Laser μπορεί να μεταφερθεί είτε άμεσα στον αέρα όπως το κοινό φως είτε μέσω ειδικών μεταφορέων δέσμης όπως οι οπτικές ίνες.

Ας θυμηθούμε κάποιες έννοιες από τη Φυσική του Λυκείου! Για λόγους απλότητας και κατανόησης λέμε ότι: Με βάση τις σύγχρονες απόψεις το φως έχει διπλή φύση. Σε κάποια φαινόμενα που σχετίζονται με την εκπομπή και την απορρόφηση του συμπεριφέρεται ως κύμα και σε φαινόμενα που σχετίζονται με τη διάδοσή του, με το ταξίδι του από ένα σημείο σε άλλο συμπεριφέρεται ως κύμα. Τα φωτόνια είναι τα κβάντα φωτός, τα στοιχειώδη ποσά ενέργειας, που συνιστούν το φως. Έχουν σωματιδιακή και κυματική φύση και παράγονται κατά τη διέγερση ενός ατόμου. Αν κάποιο άτομο αποκτήσει μεγαλύτερη ενέργεια από αυτή που έχει σε νορμάλ συνθήκες λέμε ότι διεγείρεται και σε ελάχιστο χρόνο επανέρχεται στην προηγούμενη κατάσταση εκπέμποντας την παραπανήσια του ενέργεια με τη μορφή φωτονίων. Το μήκος κύματος είναι η απόσταση που κάνει ένα κύμα σε μια περίοδο.

Όταν έχουμε μια συσκευή laser αυτή «παράγει» ενισχυμένη ενέργεια, ένα μόνο μήκος κύματος, φωτόνια ίδια μεταξύ τους και αυτό που βγαίνει είναι μια ακτίνα με φωτόνια υψηλής ενέργειας που κινούνται σε ευθεία γραμμή, σε συγκεντρωτική ακτίνα, έχουμε δυνατό φως. Στο απλό φως βγαίνουν φωτόνια με διαφορετικά μήκη κύματος, μερικά με αυξημένη ενέργεια και άλλα με μικρότερη. Γίνεται λοιπόν διάχυση. Η διαφορά του laser με το απλό φως είναι απλά στον τρόπο παραγωγής του φωτός και στον τύπο του φωτός.

Από τι αποτελείται μια συσκευή laser;

Με απλά λόγια λέμε ότι περιέχει έναν μακρόστενο κρύσταλλο ρουμπινιού, στον οποίο είναι τυλιγμένος σωλήνας φωτός. Στο αριστερό άκρο του κρυστάλλου υπάρχει ένας παχύς καθρέφτης όπου μόνο χτυπάνε τα φωτόνια χωρίς να μπορούν να περάσουν μέσα του και στο δεξιό άκρο από εκεί που θα βγει η ακτίνα υπάρχει ένας πιο «αδύνατος» ημιπερατός καθρέφτης όπου κάποια φωτόνια χτυπάνε και γυρίζουν πίσω και άλλα βγαίνουν.

Μια τάση στο σύστημα αναγκάζει τον σωλήνα φωτός να αναβοσβήνει στιγμιαία και το φως του, πέφτει πάνω στον κρύσταλλο οπότε τα άτομά του απορροφούν την ενέργεια, απορροφούν φωτόνιο και διεγείρονται. Κάποιο ηλεκτρόνιο αποκτά μεγαλύτερη ενέργεια και όταν σε λίγο ξαναγυρίσει στην παλιά του κατάσταση παράγεται φωτόνιο με συγκεκριμένο μήκος κύματος που αντιστοιχεί σε κόκκινο χρώμα, στην περίπτωσή μας. Όσα φωτόνια παράγονται με αυτό τον τρόπο κυκλοφορούν μέσα στον κρύσταλλο χτυπώντας από τον έναν καθρέφτη στον άλλο και στην διαδρομή τους προκαλούν νέες διεγέρσεις ατόμων παράγοντας πολλά φωτόνια. Όσα από αυτά έχουν μεγάλη ενέργεια βγαίνουν έξω από τον δεξιό καθρέφτη και τα υπόλοιπα συνεχίζουν το πέρα δώθε. Αυτά τα πανίσχυρα φωτόνια με την μεγάλη ενέργεια πουν κατάφεραν να βγουν έξω είναι το laser. Τα φωτόνια αυτά βγαίνουν όλα στην ίδια ευθεία, έχουν ίδιες ιδιότητες, ίδια ενέργεια.

Χειρουργικές επεμβάσεις στο μάτι, παραγωγή θερμοκρασιών που προσεγγίζουν τους 100.000.000 βαθμούς Κελσίου, εκπομπή σημάτων σε τεράστιες εμβέλειες, τομή υλικών πολύ μεγάλης «σκληρότητας», είναι μερικά μόνον παραδείγματα χρήσης του Laser που κάποτε είχε απορριφθεί από την επιστημονική κοινότητα.

ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΟΣ Δ. ΚΑΡΠΟΥΖΑΣ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ ΦΥΣΙΚΗΣ - ΧΗΜΕΙΑΣ