A mindentudó fénysugár: a lézer

A lézer szó az angol LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation – fényerősítés kényszerített fénykibocsátás útján) betűszóból származik, s egy eszközcsalád működési elvét jelenti. Tapasztalataink szerint a fénynyalábok valamilyen közegen keresztülhaladva általában gyengülnek. 1917-ben azonban Einstein elméleti meggondolások alapján megjósolta, hogy létezik egy jelenség, a kényszerített emisszió, amely lehetővé teszi fénynyalábok erősítését is. Az ennek során keletkező erősödő fény tökéletesen rendezett (ún. koherens) nyaláb, amelynek széttartása rendkívül kicsi – például egy megfelelő optikával a Földtől 380 ezer km-re lévő Holdra juttatott lézernyaláb átmérője mindössze 50 m lesz. Másik kedvező tulajdonsága, hogy a lézer energiája egy megfelelő lencsével nagyon kis foltra (körülbelül egy tízmilliomod mm2-re) fókuszálható le.

Sokfajta egymástól fizikai méretben, teljesítményben, előállítási költségekben különböző lézer létezik. A lézeres mutatópálcában és a CD-lemezjátszóban lévő ún. félvezető lézer mákszem nagyságú, de a méretskála liliputi végletén az oszlop alakú, 2 mikrométeres félvezető lézerek állnak (2 mikrométer a mm ötszázad része, amely egyúttal azt is jelenti, hogy a 2 mikrométeres lézerből egy négyzetmilliméteren 500 x 500 = 250 000 fér el). A világ most készülő legnagyobb lézerrendszere ellenben, az USA-ban épülő National Ignition Facility (az irányított termonukleáris fúzió begyújtó szerkezete) egy futballpálya alapterületű 10 emeletes épületet fog kitölteni.

A lézeres mutatópálcában és a CD-lemezjátszóban lévő félvezető lézer teljesítménye 1 milliwatt, amely százszor kisebb, mint egy zseblámpaizzó teljesítménye. A Stratégiai Védelmi Kezdeményezés (közismertebb nevén a csillagháború) levegőbe telepített rakéta-megsemmisítő lézerének teljesítménye 1 megawatt. Szegeden az egyetem Optikai és Kvantumelektronikai Tanszékén épülő impulzusüzemű infravörös lézer tervezett csúcsteljesítménye 1 terawatt. (1 TW egyenlő 1 millió megawattal. A paksi atomerőmű teljesítménye 2 gigawatt, amely ötszázszor kisebb, mint az 1 TW. Ha Magyarország minden lakosának száz vasalója lenne, és mindenki az öszszes vasalóját egyszerre bekapcsolná, akkor a vasalók együttes teljesítménye 1 TW lenne.) Annak ellenére, hogy a lézerimpulzus csúcsteljesítménye óriási, a tanszék villanyszámlája nem túl magas, mivel a lézer mindössze 20 femtomásodpercig működik. (20 femtomásodperc egyenlő egy másodperc milliomod része egy milliomod részének ötvened részével.) Az USA-ban működő, az irányított termonukleáris fúzió begyújtására épített NOVA lézer impulzus csúcsteljesítménye 1250 TW.

A már említett National Ignition Facility 192 lézernyalábja a céltárgy-kamrában fókuszálódik a céltárgyra. Ha minden úgy történik, ahogyan a fizikusok gondolják és szeretnék, akkor a lézer segítségével, pontosan kontrollálhatóan beindul az energiatermelő termonukleáris fúzió, vagyis az a folyamat, amelyből a Nap tüze és a hidrogénbomba pusztító ereje származik. Ez a kísérlet szinte korlátlan és környezetvédelmi szempontból tiszta energiaforrással ajándékozhatja meg az emberiséget, márpedig kevés olyan dolog van, ami az emberiség jövője szempontjából lényegesebb lehetne, mint egy ilyen eszményi energiaforrás.

A lézeres mutatópálcában és a CD-lemezjátszóban lévő félvezető lézer pár centbe kerül. Az árskála másik végén lévő Stratégiai Védelmi Kezdeményezés, vagyis az űrbe és levegőbe telepített lézer alapú rakétaelhárító rendszer előállítása olyan költséges, hogy a szovjetek által készített másolat anyagi terhei jelentősen hozzájárultak a kommunista világrendszer gazdasági gerincének összeroppanásához.

MINDENNAPI ÉS NEM MINDENNAPI LÉZEREK

Érdemes közelebbről megismerkednünk olyan eszközeink működésével, amelyek vagy mindennapi életünk állandó szereplőivé váltak, vagy nagyon sokszor hallhattunk már róluk.

A CD-lemez a digitalizált zenei információt spirálvonal mentén elhelyezkedő gödröcskék formájában tárolja, leolvasása úgy történik, hogy egy lézerdióda fényét egy megfelelő lencserendszer a forgó CD felületére fókuszálja. A lemezről visszaverődő fény a fénydetektorra jut, s intenzitása minden olyan pillanatban hirtelen leesik, amikor a gödröcskék pereme áthalad a fókuszponton. Ily módon a gödröcskék hossza, azaz a digitalizált zenei információ kiolvasható, dekódolható és muzsikává alakítható.

Az áruházi vonalkód-leolvasóban lévő lézerdióda fényét egy rezgő tükör végigpásztázza a vonalkódon. A csíkrendszerről visszaverődő lézerfény intenzitásának időbeli változását a leolvasóban lévő fénydetektor regisztrálja. Ebből az elektromos jelből a vonalkód-leolvasóhoz kapcsolt számítógép azonosítja az árut, vagyis megkülönbözteti egymástól például a salátát, a kutyaeledelt, a borotvakrémet és a menyasszonyi ruhát.

A lézeres gépjármű sebességmérőben lévő lézerdióda rövid fényimpulzusokat bocsát ki. A gépjárműről visszaverődő fényimpulzust a készülékben lévő fénydetektor észleli, és egyúttal megméri a visszaverődött impulzus késését a kibocsátáshoz képest. Ismerve a fény terjedési sebességét, a gépjármű távolsága és annak időbeli változása (azaz a jármű sebessége) kiszámítható.

A legfontosabb hadászati alkalmazásban a pilóta vagy a szárazföldön bátran megbúvó harcos egy ún. célkijelölő lézerrel rávilágít a megsemmisítendő céltárgyra, mintha megjelölné egy mutatópálcával. A lézerirányítású bomba orrában lévő optikát és elektronikát a gyártás során arra tanították meg, hogy a bombát pontosan a célkijelölő lézer fényfoltjára vezesse. ĺgy a bomba találati pontossága méteres nagyságrendűre javítható.

A lézer alkalmazásai között vannak egészen különlegesek is, mint például a gyorsfényképezés, ami egy 1 mikroszekundum ideig felvillanó vakuval történik. A legrövidebb lézerfelvillanások időtartama a 10 femtoszekundumos tartományban van, amely százmilliószor rövidebb, mint az egy mikroszekundum. Az ilyen rövid impulzusokkal százmilliószor gyorsabb folyamatok (pl. kémiai reakciók, molekulák keletkezése, elektronikus eszközök működése) is lefényképezhetők úgy, hogy a folyamat fázisait ki lehet merevíteni egymás után következő állóképekként.

Tartós szőrtelenítésre akkor van lehetőség, ha a bőrt megfelelő lézerimpulzussal megvilágítjuk, az erős fényelnyeléssel rendelkező szőrtüszők hőmérséklete hirtelen megemelkedik, a szőr elhal és idővel kihullik. Hasonlót problémát jelent a tetoválások eltávolítása, ahol szintén segíthet a mindentudó lézertechnika. A tetoválás festékanyaga ugyanis jól elnyeli az ún. rubin és neodimium lézerek sugárzását, melynek hatására a festék kémiailag szétbomlik, színét veszti majd felszívódik, így a lézer mintegy kiradírozza a tetoválást.

A SZARUHÁRTYA-SZOBRÁSZATTÓL A SZUPERLÁTÁSIG

A jól látó szem optikai összetevői (a szaruhártya és a szemlencse) a párhuzamos fénysugarakat pontosan a fényérzékeny ideghártyára fókuszálják, így azon tökéletesen éles kép jelenik meg. A rövidlátó szem szaruhártyája túlságosan görbült, a távollátó szemé pedig a szükségesnél laposabb. A rövidlátás és a távollátás korrigálására szóró-, illetve gyűjtőlencsét alkalmaznak szemüveg vagy kontaktlencse formájában.Az utóbbi években elterjedőben van egy LASIK-nek nevezett műtéti eljárás, melynek során az éleslátás eléréséhez szükséges lencsét a szaruhártyából lézer segítségével alakítják ki. Az első lépésben egy mikrokeratomnak nevezett késsel a szaruhártyából egy 0,15 mm vastagságú lebenyt alakítanak ki. Második lépésben a lebenyt felhajtják, és egy ún. excimer lézer segítségével megfelelő alakú és vastagságú lencsét marnak ki a szaruhártyából. Ezek után a lebenyt visszahajtják, amely rövid idő alatt visszatapad és rögzül. A műtét eredményeképpen a szaruhártya görbülete éppen megfelelő lesz, biztosítva az éles, homálymentes optikai leképezést. Az eljárás kritikus mozzanata a lebeny vágása. (A kb. fél milliméter vastag szaruhártyából egy papír vékonyságú, tökéletesen párhuzamos, sima felületű lebenyt kell kivágni egy gyaluhoz hasonló, rezgő nyelves motorizált késsel. Ehhez tökéletes eszközre és biztos kezű orvosra van szükség.)

Juhász Tibor, Szegeden végzett fizikus ötlete alapján az Egyesült Államokban új lézer alapú lebenyvágó eszközt fejlesztettek ki. Egy 0,6 pikoszekundum időtartamú lézerimpulzust egy tökéletes lencserendszer segítségével lefókuszálnak a szaruhártya felülete alá 0,15 mm mélységbe. (1 pikoszekundum egy másodperc milliomod részének egy milliomod része.) Ennek hatására a szaruhártyában egy mikrorobbanás jön létre, amely egy kb. egy század milliméter átmérőjű buborékot hoz létre a szaruhártyában. A lézer másodpercenként tízezer impulzust bocsát ki. Egy precíziós számítógép-vezérelt tükörrendszer a lézernyalábot spirális alakban úgy pásztázza, hogy az 1 perc alatt több mint félmillió, egymással szorosan érintkező buborékot hoz létre, ami végeredményben egy a szaruhártya felületével párhuzamos vágási síkot eredményez, kiváltva ezzel a mechanikus mikrokeratomot. A lézer alapú Intralase keratommal eddig végzett harmincezer műtét azt mutatta, hogy a lézer alapú keratom számos előnnyel rendelkezik a mechanikusakkal szemben.

Az emberi szem tökéletes érzékszerv, de az evolúció azért elkövetett néhány apró hibát kialakításában. ĺgy a szemfenéken létrejövő kép minősége nem éri el az alapvető optikai jelenségek (diffrakció) által szabott legjobb felbontó képességet. Megbízható adatok vannak arra, hogy a látóideg-hártya illetve az emberi agy akár több mint hatszor több vizuális információ feldolgozására is képes lenne, így elvileg akár szuperlátással is rendelkezhetnénk. Ennek eléréséhez számos műszaki feladatot kell még megoldani, például tovább kell tökéletesíteni a LASIK eljárást, a beavatkozást végző lézerrendszer műszaki fejlesztését.

A szuperlátás elérésére (eltekintve néhány foglalkozástól – pl. pilóták, sportolók) tömeges klinikai igény valószínűleg nem lesz, de a kifejlesztés alatt lévő technológia várhatóan alkalmas lesz a bonyolult leképezési hibában szenvedő gyengén látók látásának elfogadhatóvá tételére, amire annál komolyabb igény van.

Készítette az M&H Communications szabad felhasználásra, a szerzői jogok korlátozása nélkül.