Εφαρμογές των Λέιζερ

Από την εφεύρεση του πρώτου Laser το 1960 αναπτύχθηκαν εκατοντάδες τύποι που χρησιμοποιήθηκαν ή χρησιμοποιούνται σε ειδικές ή γενικές εφαρμογές. Όσο και αν κάποιος προσπαθήσει να συλλέξει το πλήρες φάσμα των εφαρμογών Laser θα υπολείπεται πάντα μερικών. Έτσι, θα επιχειρήσουμε να δώσουμε μόνο μία γενική εικόνα και παράλληλα να παραπέμψουμε τον αναγνώστη στην ελληνική και ξένη βιβλιογραφία, καθώς επίσης και στις ιστοσελίδες του Διαδικτύου με την αναζήτηση της φράσης Laser applications.

Κατά τη διάρκεια των τελευταίων δεκαετιών, το Laser έχει εξελιχθεί από μία πηγή μονοχρωματικής ακτινοβολίας σε ένα σπουδαίο εργαλείο για την επιστήμη, την τεχνολογία και την έρευνα. Μία εστιασμένη ακτίνα Laser είναι ό,τι το «θερμότερο» διαθέτει σήμερα ο άνθρωπος, ικανό να λειώσει το ατσάλι και να ελέγξει πυρηνικές αντιδράσεις.

Επεξεργασία υλικών

Η οπτική ισχύς ενός Laser και η τεράστια ενεργειακή του πυκνότητα το καθιστά αναντικατάστατο εργαλείο σε ένα ευρύ φάσμα βιομηχανικών εφαρμογών, όπου δίνεται έμφαση στην επεξεργασία των υλικών οποιασδήποτε σκληρότητας, πλαστικότητας, ή ευθραυστότητας. Επειδή μία δέσμη Laser είναι σχεδόν παράλληλη, μπορεί να εστιαστεί σε πολύ μικρή επιφάνεια προκαλώντας εξαιρετικά υψηλή ενεργειακή πυκνότητα. Η ιδιότητα αυτή του Laser χρησιμοποιείται στη συγκόλληση υλικών, ιδίως όταν κατέχουν διαφορετικούς συντελεστές θερμικής αγωγιμότητας (π.χ. συνδυασμός ανοξείδωτου χάλυβα και χαλκού), όπου οι συμβατικές τεχνικές συγκόλλησης αποτυγχάνουν.

Ολογραφία

Μία ενδιαφέρουσα εφαρμογή Laser είναι η ολογραφία και τα εξ αυτής παραγόμενα ολογράμματα, τα οποία παρέχουν μία τρισδιάστατη εικόνα ενός αντικειμένου. Σε μία σύνθετη διαδικασία, το φως Laser προσπίπτει σε ένα αντικείμενο και συλλέγεται από μία φωτοευαίσθητη φωτογραφική πλάκα. Λόγω των μοναδικών ιδιοτήτων του σύμφωνου φωτός, στο είδωλο δίνεται η έννοια του βάθους, μία παραίσθηση που παραμένει ακόμα και όταν παρατηρείται το ολόγραμμα από διαφορετικές γωνίες. Ίσως το πλέον συνηθισμένο ολόγραμμα να είναι η κατοπτρική υφή μίας πιστωτικής κάρτας, όπου ανάλογα με το φωτισμό αποκαλύπτονται εικόνες και χρώματα κάνοντας ακόμη πιο αλώβητο το βαθμό ασφάλειας από την παραχάραξη. Ανάλογη υφή έχουν και τα ευρωπαϊκά χαρτονομίσματα του ευρώ.

Παγίδευση ιόντων με Laser

Ένα νέφος ατόμων μπορεί όχι μόνο να θερμανθεί με ακτινοβολία Laser, αλλά και να ψυχθεί! Η ενδιαφέρουσα αυτή τεχνική, «ψύξη με Laser», (Laser cooling) αποτελείται από μία παγίδα ιόντων (ion trapping), όπου μερικά ιόντα εγκλωβίζονται σε μία ειδικά διαμορφωμένη διάταξη με την εφαρμογή ενός ηλεκτρικού και μαγνητικού πεδίου. Με την ακτινοβόληση συγκεκριμένου μήκους κύματος ενός Laser, είναι δυνατόν να μεταφερθεί ορμή από τα ιόντα προς τα φωτόνια. Έτσι, τα ιόντα χάνουν ενέργεια, επιβραδύνονται και τελικά ψύχονται. Αν αυτός ο μηχανισμός συνεχιστεί, τότε ενδεχομένως όλα τα ιόντα της παγίδας να υποστούν «ψύξη», δημιουργώντας μία ασυνήθιστη μορφή της ύλης, γνωστή ως συμπύκνωση Bose–Einstein, προς τιμή του Ινδού φυσικού Satyendra Bose (1894–1974, Παρότι απονεμήθηκαν, για τις θεωρίες του, περισσότερα του ενός βραβεία Nobel, στον ίδιο δεν απονεμήθηκε ποτέ η μεγάλη αυτή διάκριση. Τα βραβεία Nobel απονέμονται μόνο σε εν ζωή επιστήμονες). Το 1989 το βραβείο Nobel Φυσικής απονεμήθηκε στο γερμανό φυσικό Wolfgang Paul (1913–1993) για τη συμβολή του στην ανάπτυξη της τεχνικής της παγίδευσης ιόντων.

Ιατρική

Τα Lasers παίζουν σημαντικό ρόλο στην Ιατρική. Η πλέον γνωστή εφαρμογή τους είναι στην οφθαλμολογική χειρουργική και ειδικότερα στην περίπτωση της αποκόλλησης του αμφιβληστροειδή από το χοριοειδή χιτώνα. Η θεραπεία στην περίπτωση αυτή συνιστάται στη συγκόλληση των χιτώνων που έχουν αποκολληθεί ή στην πήξη των αγγείων τους. Σημαντική όμως προσφορά τους αποδίδεται και στις χειρουργικές επεμβάσεις, όπου οι ακτίνες Laser έχουν αντικαταστήσει το χειρουργικό νυστέρι. Πηγές Laser διοξειδίου του άνθρακα και Nd:YAG έχουν εκτοπίσει τη χειρουργική «σμίλη» σε λεπτεπίλεπτες επεμβάσεις σε εσωτερικά όργανα του ασθενούς, π.χ. τραχεία, φάρυγγας και το μέσον αυτί, στα οποία η αδυναμία πρόσβασης κάνει δύσκολη την εγχείρηση. Στη δερματολογία, τα Lasers χρησιμοποιούνται για καυτηριάσεις στην επιφάνεια του δέρματος και στην αφαίρεση του τατουάζ. Το βασικό πλεονέκτημα των Lasers είναι η ικανότητα της θερμοπηξίας του αίματος, η έλλειψη μετεγχειρητικού οιδήματος και η ταχεία ανάρρωση του ασθενούς.

Ο κύριος ρόλος των Lasers και των εφαρμογών τους στην Ιατρική προσανατολίζεται προς τη διάγνωση και την έγκαιρη πρόληψη.  Η χρήση νέων διαγνωστικών τεχνικών (οπτική τομογραφία, διφωτονική μικροσκοπία κ.ά.) μπορούν να οδηγήσουν στην ανίχνευση π.χ. ίχνη νεοπλασιών σε μοριακό επίπεδο.

Θερμοπυρηνική σύντηξη

«Στο εκατομμυριοστό του δευτερολέπτου εκατομμύρια βαθμοί Κελσίου» ήταν η φράση με την οποία μία ομάδα αμερικανών φυσικών παρουσίασαν σε συνέδριο της Μαδρίτης (1988) τη δυνατότητα ταχείας θέρμανσης πλάσματος υδρογόνου, με υπερβραχείς παλμικές ακτίνες Laser και τη μετατροπή του σε Ήλιο (He) με την ταυτόχρονη έκλυση ενέργειας που αντιστοιχούσε σε εκατομμύρια βαθμούς Κελσίου. Τέτοιου είδους διεργασίες συμβαίνουν μόνο στον ήλιο και είναι γνωστές ως πυρηνική σύντηξη. Επομένως, ο ήλιος θεωρείται ως πρότυπο δημιουργίας γήινης θερμοπυρηνικής σύντηξης.

Μέχρι πρότινος δεν υπήρχαν αντίστοιχες πηγές Laser υπεριώδους (καθότι το υπέρυθρο και το ερυθρό αντανακλώνται από το πλάσμα) για την επίτευξη μεγαλεπήβολων σχεδίων. Οι μεγάλες και τεχνικές μηχανολογικές δυσκολίες έχουν σχεδόν ξεπεραστεί με την κατασκευή αρχικά του Nova και κατόπιν του γιγαντιαίου Athena project (Livermore της Καλιφόρνιας) και του Gekko XII (Οζάκα της Ιαπωνίας). Με τα τεράστια αυτά «κανόνια Laser» επιδιώκεται να συγκεντρωθεί (σε ένα σημείο του χώρου) ενέργεια ίση προς 10 εκατομμύρια Joule. Μέσα σε αυτό το Inferno στόχος είναι ένας πυρήνας υδρογόνου, ώστε οι επακόλουθες διεργασίες να είναι ανάλογες εκείνων του ηλίου και να προκύψει έκλυση θερμοπυρηνικής ενέργειας ικανής για περαιτέρω αξιοποίηση.

Φωτοχημεία

Στη Χημεία μελετήθηκαν μηχανισμοί που απαιτούσαν απειροελάχιστη χρονική ανάλυση, καθώς και τα προϊόντα χημικών αντιδράσεων. Όμως η μεγάλη πρόοδος επιτελέστηκε στη φωτοχημεία λόγω των εξαιρετικών επιδόσεων του Laser σε μονοχρωματικότητα, λαμπρότητα και κατευθυντικότητα. Δόθηκε συνεπώς η δυνατότητα της επιλεκτικής απορρόφησης του φωτός από τα άτομα και τα μόρια της ύλης, ιδιότητα την οποία καμία άλλη φωτεινή πηγή δεν διέθετε μέχρι τότε. Μερικά συστήματα Laser παράγουν εξαιρετικά υπερβραχείς παλμούς που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την έναρξη και την ανάλυση μίας χημικής αντίδρασης. Η τεχνική αυτή είναι γνωστή ως  femtoχημεία.

Οι υπερβραχείς παλμοί χρησιμοποιούνται για να εξετάσουν τις ενδιάμεσες διεργασίες των αντιδράσεων μέσα από μία πολύ υψηλή χρονική ανάλυση που επιτρέπει την ανίχνευση των βραχύβιων παραγόμενων ενδιάμεσων προϊόντων. Αυτή η μέθοδος είναι ιδιαίτερα χρήσιμη στη βιοχημεία για την ανάλυση των πρωτεϊνικών λειτουργιών.

Φασματοσκοπία Laser

Μία από τις πρώτες ιδέες εφαρμογών των Lasers ήταν τα πεδία της Φυσικής και της Χημείας. Στη Φυσική, η «δράση» των Lasers χρησιμοποιήθηκε για να μελετηθούν ακριβέστερα οι εργασίες των Kirchoff, Bunsen, Frauenhofer και άλλων σπουδαίων πρωτεργατών της φασματοσκοπίας του 18ου και 19ου αιώνα με σύγχρονες τεχνικές, δημιουργώντας έτσι ένα ολόκληρο πεδίο έρευνας, τη φασματοσκοπία Laser.

Laser ημιαγωγών

Αν και το πρώτο Laser που αναπτύχθηκε ήταν στερεάς κατάστασης, για πολλά χρόνια τα πιο κοινά εμπορικά συστήματα ήταν τα Lasers αερίου Ηλίου–Νέου, τα Lasers ιόντων αργού και των οργανικών χρωστικών ουσιών. Τα Lasers He–Ne περιορίστηκαν σε εκπαιδευτικά πειράματα επίδειξης, τα Lasers Ar+ απαιτούσαν μεγάλες παροχές ηλεκτρικού ρεύματος και πηγές ψύξης, ενώ οι χρωστικές ουσίες ήταν συχνά τοξικές.

Η τάση της τεχνολογίας σήμερα είναι προς τα Lasers ημιαγωγών και στερεάς κατάστασης, ως αποτέλεσμα της απλής χρήσης και της αξιοπιστίας τους. Ένα διοδικό Laser είναι βασισμένο σε μία δομή ημιαγωγών πολλαπλών στρωμάτων που καθορίζει το μήκος κύματος εκπομπής. Δεδομένου ότι κατασκευάζονται με τις ίδιες τεχνικές που χρησιμοποιούνται και για τα κυκλώματα των υπολογιστών, τα διοδικά Laser είναι σήμερα τα πλέον οικονομικά. Εκπέμπουν ισχύ έως και δεκάδες Watt, κυρίως όταν κατασκευάζονται σε σειριακή μορφή (Laser diode array).

Διοδικά Laser που είναι σήμερα εμπορικά διαθέσιμα εκπέμπουν ένα ευρύ οπτικό φάσμα από το υπέρυθρο έως και το κυανό μήκος κύματος. Οι εφαρμογές τους περιλαμβάνουν τους πομποδέκτες τηλεπικοινωνιών, τα CD και τους δείκτες Laser (Laser pointer). Ίσως η πλέον διαδεδομένη εφαρμογή Laser είναι η χρήση τους στα compact disks (CD). Οι δίσκοι CD και DVD περιέχουν διαμορφωμένες τις ακουστικές και οπτικές πληροφορίες επί ειδικής επιφάνειας, η ακτίνα Laser διαβάζει τις πληροφορίες χωρίς να έρθει σε επαφή με το υλικό, παρέχοντας κατά συνέπεια μία σχεδόν άπειρη διάρκεια ζωής στο δίσκο.

Οπτικές επικοινωνίες

Οι πιο σύγχρονες εφαρμογές Laser εμφανίζονται στον κλάδο των τηλεπικοινωνιών, όπου ένα σκέλος του οπτικού συστήματος (δηλαδή η οπτική ίνα) μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να διαβιβάσει μία πληροφορία (π.χ. φωνή ή δεδομένα) σε μεγάλες αποστάσεις με ασφάλεια και χωρίς την εξάρτηση των ατμοσφαιρικών συνθηκών. Τα καλώδια των οπτικών ινών είναι συνεπώς ο βασικός παράγοντας για τη λειτουργία των οπτικών επικοινωνιών, επειδή προσφέρουν τη δυνατότητα αποστολής φωτεινών ψηφιακών σημάτων υψηλής ποιότητας και χαμηλών απωλειών. Επίσης, μεταφέρουν περισσότερες πληροφορίες από τα χάλκινα καλώδια, καθιστώντας τα ικανά για τις σημερινές τεχνολογικές απαιτήσεις. Τα φωτεινά σήματα μπορούν να διαμορφωθούν (π.χ. με πληροφορίες) είτε από διόδους LED είτε από Laser. Τα τελευταία έχουν το σημαντικό πλεονέκτημα της μονοχρωματικότητας, που επιτρέπει την ελάχιστη δυνατή αλλοίωση της μορφής των παλμών κατά μήκος της οπτικής ίνας. Φωτονικές διατάξεις που χρησιμοποιούνται στις οπτικές επικοινωνίες αποτελούνται από διοδικά Laser σε μέγεθος ενός κόκκου σιταριού και με κατανάλωση ενέργειας <1mW.

Τηλεμετρήσεις

Το Laser Ηλίου–Νέου και τα διοδικά Laser αποτελούν μέρος τυποποιημένων διατάξεων για μετρήσεις μεσαίων αποστάσεων. Ένας παλμός Laser στέλνεται προς έναν ανακλαστήρα. Μετριέται η χρονική διαφορά μεταξύ εκπεμπόμενου και επιστρέφοντος παλμού για να υπολογιστεί η απόσταση πηγής και κατόπτρου. Αυτή η τεχνική της τηλεμετρίας χρησιμοποιείται στη γεωδαισία και στη χαρτογράφηση. Με ανάλογες τεχνικές (αλλά με ισχυρότερες δέσμες Laser) μετρήθηκε με πολύ μεγάλη ακρίβεια η απόσταση γης–σελήνης, όταν οι αστροναύτες των αποστολών ΑΠΟΛΛΩΝ 11 και 14 τοποθέτησαν στην επιφάνεια της σελήνης μεγάλα ανακλαστικά κάτοπτρα, τα οποία σκόπευαν συγκεκριμένο σημείο της γης. Ανάλογες τηλεμετρήσεις γίνονται σήμερα και με γεωστατικούς δορυφόρους για τη μελέτη της απομάκρυνσης των ηπείρων.

Τηλεπισκόπηση

Μία πολύ ενδιαφέρουσα εφαρμογή των ακτίνων Laser είναι σε μετρήσεις του ατμοσφαιρικού περιβάλλοντος. Σε αντίθεση με τις κλασικές μεθόδους ανίχνευσης και ανάλυσης των ανθρωπογενών ρυπογόνων ουσιών, η τεχνική LIDAR (Light Detection and Ranging) επιτρέπει (με τη βοήθεια της αλληλεπίδρασης της οπτικής ακτινοβολίας Laser και των συστατικών της ατμόσφαιρας) την τηλεπισκόπηση των αέριων ρύπων. Το σύστημα LIDAR λειτουργεί επί της ίδιας αρχής όπως και ένα RADAR και είναι σε θέση να εκτελεί ποιοτικές και ποσοτικές αναλύσεις από απόσταση και σε συγκεκριμένη περιοχή ρύπανσης. Η δέσμη Laser μπορεί να περιστρέφεται προς όλες τις διευθύνσεις του χώρου δίνοντας έτσι τη δυνατότητα δισδιάστατης και τρισδιάστατης χαρτογράφησης των ρύπων. Για την απορρόφηση της δέσμης Laser από κάποια ουσία, θα πρέπει το μήκος κύματος λ της οπτικής δέσμης να συμπίπτει με ένα αντίστοιχο μήκος κύματος (λon) του φάσματος απορρόφησης της ρυπογόνου ουσίας.

Η μεθοδολογία που ακολουθείται ονομάζεται διαφορική απορρόφηση (DIAL) και στηρίζεται στην εκπομπή δύο ακτινοβολιών, με μήκη κύματος λon και λoff, όπου το λoff είναι ένα μήκος κύματος εκτός της γραμμής απορρόφησης της ουσίας. Από την επιστροφή των δύο αυτών σημάτων και με κατάλληλη επεξεργασία υπολογίζεται η συγκέντρωση της ουσίας.

Με ένα σύστημα LIDAR μπορεί να μετρηθούν αέριοι ρύποι, όπως π.χ. SO2, NO2, όζον και αερολύματα με ελάχιστες τιμές ανίχνευσης 5–10ppb, χωρικής διάκρισης του ρύπου περίπου 5 μέτρα και απόσταση εμβέλειας της δέσμης 2–5 χιλιόμετρα. Τελευταία, γίνεται προσπάθεια τηλεπισκόπησης των υδρατμών και του μεθανίου (στα στρώματα της ατμόσφαιρας) επειδή μαζί με το διοξείδιο του άνθρακα θεωρούνται αιτίες για τη δημιουργία του φαινομένου του θερμοκηπίου.

Laser show

Τα Lasers έχουν βρει επίσης μία θέση στον κόσμο της ψυχαγωγίας: συναυλίες περιλαμβάνουν συχνά φωτιστικά εφφέ σε ένα συγχρονισμένο «χορό» μουσικής και φωτός.

Στρατιωτικές εφαρμογές

Αμέσως μετά την εφεύρεση των Lasers έγιναν εντατικές προσπάθειες για την εφαρμογή τους σε στρατιωτικούς σκοπούς. Με την ανάπτυξη τελευταίων τύπων (π.χ. χημικά Laser και Laser υπεριώδους) δόθηκε η εντύπωση κάποιας προόδου στη χρήση του Laser ως κατευθυνόμενου ενεργειακού όπλου κυρίως για αμυντικές εφαρμογές! Πρόκειται για διατάξεις συμπαγείς και αερομεταφερόμενες που τοποθετούνται σε ένα αεροσκάφος και θα μπορούσαν να προστατεύσουν άλλα αεροσκάφη από επίθεση πυραύλων. Παρά ταύτα, τα τεχνικά προβλήματα των διατάξεων είναι πολλά και σοβαρά και δεν διαφαίνεται η πρακτική τους εφαρμογή τουλάχιστον στο κοντινό μέλλον.

Ένα άλλο παράδειγμα της άμεσης χρήσης ενός Laser ως αμυντικού όπλου αναπτύχθηκε στα πλαίσια του προγράμματος «πρωτοβουλία για τη στρατηγική αμυντική», γνωστό ως πόλεμος των άστρων. Αυτό το πρόγραμμα θα χρησιμοποιούσε επίγειες ή δορυφορικές βάσεις Laser για να καταστρέψει ένα διηπειρωτικό βαλλιστικό βλήμα. Φαίνεται ότι ούτε αυτό το πρόγραμμα έχει ακόμη πρακτική εφαρμογή, καθότι φαινόμενα ατμοσφαιρικών διαταραχών (π.χ. οπτικής διασποράς και διάθλασης) περιορίζουν την ακρίβεια των στόχων και μειώνουν την αξιοπιστία των συστημάτων.

Όμως, πολλά άλλα συστήματα Laser χρησιμοποιούνται σε στρατιωτικές εφαρμογές. Π.χ. ένας καταδείκτης στόχων (Laser sight) είναι ένα μικρό, συνήθως ορατό και ελαφρύ Laser που τοποθετείται σε ένα περίστροφο ή τουφέκι και εκπέμπει μία φωτεινή ακτίνα παράλληλα προ την κάννη. Δεδομένου ότι η ακτίνα Laser έχει μικρή απόκλιση, το φως Laser εμφανίζεται ως μικρό στίγμα ακόμη και σε μεγάλες αποστάσεις. Ο χρήστης σκοπεύει τη δέσμη Laser προς τον επιθυμητό στόχο και η κάννη του πυροβόλου όπλου ευθυγραμμίζεται. Πρόσφατες μελέτες έχουν δείξει ότι τέτοιου είδους Laser θεωρούνται αποτελεσματικά εργαλεία για την επιβολή του νόμου. Οι εγκληματίες είναι πιθανόν να παραδίδονται χωρίς αντίσταση, όταν βλέπουν ένα κόκκινο στίγμα Laser στο στήθος τους.