Kaip suprasti lazerį?

Žmonija šviesą suprasti ir pažaboti bandė tūkstančius metų. Turbūt vieną pirmųjų istorijoje svarbių žingsnių žengė senovės graikai. Matematikas Euklidas X a. užrašė seniausią iš žinomų šviesos teorijų. Tiesa, teorija neatitinka dabartinių mokslo žinių, tačiau jos esmė buvo sudėti pagrindus ateities kartoms toliau gilintis į šviesą.

Fotonikos moksle lūžis įvyko, kai XVII a. šviesą nagrinėti ėmėsi Izaokas Niutonas (angl. Isaac Newton) ir Christiaanas Huygensas. Tačiau mokslininkai nesutarė – šviesa yra banga ar dalelė? Ir tik XX a. Maxas Planckas ir Albertas Einsteinas atskleidė tikrąją šviesos prigimtį. Būtent A. Einsteinas įrodė, kad šviesa yra ir banga, ir dalelė. Šviesa sklinda vakuume ir skaidriose medžiagose kaip elektromagnetinio lauko virpesiai (bangos), o atomai bei molekulės ją spinduliuoja ir sugeria atskiromis mažytėmis energijos porcijomis (dalelėmis), vadinamomis fotonais. A. Einsteinas savo darbuose atskleidžia ir spontaninio (dar vadinamo savaiminiu; kai sužadintoje būsenoje buvusi dalelė savaime pereina į pagrindinę būseną) bei priverstinio (kai sužadinta dalelė, paveikta fotono, pereina į pagrindinę būseną) spinduliavimo galimybę. Taip pradėtas kloti teorinis pamatas lazeriui sukurti.

Lazeris yra šviesos šaltinis. Tai pradėkime nuo pradžių: kas yra šviesa? Žinome, kad šviesą sudaro fotonai. Taip pat, kad šviesa yra elektromagnetinės bangos. Bangas galima apibrėžti išmatuojant jų ilgį. Pavyzdžiui, matomos šviesos bangos ilgis yra tarp 400 ir 750 nanometrų (nanometras yra viena milijardoji metro dalis).

Kuo mažesnis bangos ilgis, tuo didesnė fotonų energija. Pavyzdžiui, rentgeno spinduliais vadiname elektromagnetines bangas, kurių bangos ilgis yra nuo 10 nm iki 0,01 nm. Šios elektromagnetinės bangos yra jonizuojančios ir lengvai įsiskverbia į žmogaus kūną. Dar mažesnio bangos ilgio spinduliai, vadinami gama spinduliais, prasiskverbia per kūnus ir, priklausomai nuo intensyvumo, pažeidžia viską savo kelyje.

Kitame spektro gale yra ilgosios infraraudonųjų spindulių bangos ir mikrobangos, kurias vadiname šiluma. Lazeriai gali spinduliuoti šviesą nuo infraraudonųjų spindulių iki ultravioletinių.

Žodis „lazeris“ anglų kalboje yra frazės Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (liet. Šviesos stiprinimas priverstiniu spinduliavimu) akronimas.

Klasikinio lazerio pagrindinės dalys yra trys: optinis rezonatorius – du veidrodžiai (vienas pilnai atspindintis, kitas – dalinai), tarp jų – aktyvioji terpė (gali būti tam tikri kristalai, stiklai, dujos ar puslaidininkiai), ir trečioji – kaupinimo šaltinis aktyviajai terpei sužadinti (dujų išlydžio lempa ar puslaidininkinis lazerinis diodas).

Aktyvioji terpė sugeria kaupinimo šaltinio energiją, dėl to dalis terpės atomų tampa sužadintais (jų elektronai pakyla į aukštesnius energetinius lygmenis). Tačiau atomai nori grįžti į pagrindinę būseną ir tokiu būdu jie išskiria energiją fotono pavidalu. Tai vadinama savaiminiu spinduliavimu. Fotonai sklinda, o kai pataiko į kitus sužadintus atomus, prasideda priverstinis spinduliavimas. Atsispindėdami nuo veidrodžių ir sklisdami aktyviąja terpe, fotonai surenka vis daugiau sufazuotų fotonų. Kai kurie iš šių fotonų iš rezonatoriaus „išlekia“ per dalinai atspindintį veidrodį – juos mes ir vadiname lazerio spinduliu arba pluoštu.

Lazerio veikimo principas

Kai šviesos spindulys (pvz., Saulės) praleidžiamas per prizmę, jis išsiskaido ir pavirsta vaivorykšte. Taip yra todėl, kad skirtingo bangos ilgio šviesa lūžta vis kitokiu kampu. Tačiau pro prizmę praleidus lazerio spindulį, vaivorykštės dažniausiai nepamatytume. Nuolatinės veikos arba nanosekundinių impulsų lazeriai spinduliuoja vienos spalvos arba labai siauro spektro spinduliuotę. Trumpėjant lazerio impulsams, pikosekundžių ar femtosekundžių trukmės impulsų lazerių spinduliuotė turi daugiau spalvų – praleidę per prizmę, skirtingas spektro dedamąsias pamatytume.

Kiek kitaip yra su baltos šviesos lazeriais, kuriuos mokslininkams pavyko sukurti tik 2016 m. Tokie lazeriai spinduliuoja baltą šviesą. Tai – daugelio milijonų šviesos bangų ilgių derinys.

Lietuva – iš nežinomos valstybės į lyderius

1918 m. Maxas Planckas paskelbia apie fotoną, energijos perdavimą kvantais (mažomis porcijomis), o 1921 m. Albertas Einsteinas suformuluoja teorinius lazerizmo pagrindus.

Praėjus keliems dešimtmečiams, 1953 m., Charlesas Townesas su Kolumbijos Universiteto kolegomis pademonstuoja pirmąjį veikiantį mazerį („m“ – iš žodžio „mikrobangos“). Tai – bendras radijo dažnių diapazono kvantinių generatorių ir stiprintuvų pavadinimas. Mazeris laikomas lazerio pirmaku. Lygiagrečiai vyksta tyrimai Sovietų Sąjungoje, kur su lazerių technologijomis dirba profesoriai Nikolajus Basovas ir Aleksandras Prochorovas.

1960 m. gegužės 16 d. Theodoras Maimanas su kolegomis Hughes Research Lab sukonstruoja ir įžiebia pirmąjį lazerį. 1964 m. Nobelio premija už fundamentinius kvantinės elektronikos tyrimus, lėmusius osciliatorių ir stiprintuvų, paremtų mazerių ir lazerių principu, sukūrimą skiriama Ch. Townesui, N. Basovui, A. Prochorovui. Pradžioje lazerio sukūrimą kai kurie mokslininkai priėmė skeptiškai. Anot jų, tai buvo ne problemos sprendimas, o sprendimas, galėjęs pridaryti dar daugiau problemų. Tačiau su laiku, pamačius lazerių naudą, skeptikai nutilo.

Lietuvoje viskas prasidėjo, kai Vilniaus universiteto Radiofizikos katedros vedėjas prof. Povilas Brazdžiūnas sugalvojo gabius Fizikos fakulteto studentus siųsti į geriausius Sovietų Sąjungos universitetus. Todėl 1962 m. į Maskvos M. Lomonosovo universitetą studijuoti lazerių fizikos buvo išsiųsti tuomet dar studentai Algis Petras Piskarskas, Evaldas Kazys Maldutis, Irena Gulbinaitė (pastaroji į Lietuvą vėliau negrįžo). Prof. P. Brazdžiūnas suprato, kad būtina pereiti iš klasikinės radiofizikos į kvantinę fiziką.

Palyginus greitai, jau 1966 m., pirmąjį lazerį Juozas Vidmantis Vaitkus, Jurgis Viščakas ir Remigijus Baltramiejūnas įžiebė Lietuvoje. Tai – kietakūnis rubino lazeris, kuris buvo naudojamas kaip instrumentas puslaidininkių fizikos tyrimams.

Praėjus keleriems metams po to, kai sušvito pirmasis lazeris, A. Piskarskas, apsigynęs disertaciją Maskvoje ir grįžęs į Lietuvą, Vilniaus universitete pradėjo ultratumpųjų (tuo metu – pikosekundinių, o vėliau – ir femtosekundinių) šviesos impulsų generavimą, stiprinimą, bei parametrinį derinimą ir stiprinimą. Į Lietuvą grįžęs E. Maldutis Lietuvos mokslų akademijoje pradėjo tirti šioje srityje naudojamų medžiagų sąveikos su lazerio spinduliuote mechanizmus, atlikti medžiagų pramušimo lazerio spinduliu tyrimus. Abiejose institucijose taip pat prasidėjo tyrimams reikalingų lazerių, spektrometrų ir pan. prietaisų kūrimas, konstravimas, gamyba.

Septintajame dešimtmetyje Lietuvoje prasidėję lazerių fizikos ir technologijos mokslai vis stiprėjo, o jau 1983 m. įkurta pirmoji lazerinės ir elektroninės technikos gamykla „Eksma“. Jos pradinis uždavinys buvo gaminti lazerius ir jų komponentus Lietuvos Mokslų akademijos Fizikos instituto mokslininkams, bet greitai pasirodė, kad šių lazerių ir jų komponentų reikia ne tik jiems – užsakomieji darbai išsiplėtė visame pasaulyje.

Po Lietuvos nepriklausomybės atkūrimo atėję nauji laikai atnešė ne tiek naujų iššūkių, kiek naujų galimybių. Kaip prisimena „Eksplos“ vadovas ir vienas iš įkūrėjų Kęstutis Jasiūnas, šviežiai iškeptiems lazerių fizikos daktarams teko rinktis: eiti į gatvę, važiuoti į užsienį, prekiauti metalais (ypač retaisiais) ar kurti verslą Lietuvoje. Pasirinkusiems verslą, lengva nebuvo – trūko ir priemonių ir lėšų toms priemonėms įsigyti. Situaciją gelbėjo fizikų išradingumas. Kavos skardinės, dulkių siurblių žarnos, skalbimo mašinos siurbliai – neįtikėtini dalykai buvo įdarbinti kuriant pirmuosius prototipus.

Kaip ir visos kitos save gerbiančios aukštųjų technologijų bendrovės, „Ekspla“ savo veiklą 1992 m. pradėjo, be abejo, garaže. Tiksliau rūsyje. Tokiu būdu vienu šūviu buvo nušauti du zuikiai:

• rūsyje buvo stabilus pagrindas ir mažos vibracijos,
• tokią vietą pavyko gauti.

Pirmasis „Eksplos“ lazeris buvo pademonstruotas pasaulinėje parodoje Miunchene 1993 m. Ir iškart vietoje buvo „sukirsta rankomis“ su Miunsterio universitetu. Sulig pirmuoju pardavimu atsivėrė vartai į pasaulį – iškart sekė pardavimai į Japoniją, po to į JAV ir į likusį pasaulį. Beje, 1993 m. ir keliais po to sekusiais metais „Eksplos“ lazeriai buvo vienintelė Lietuvos produkcija, eksportuojama į Japoniją. Detaliau su „Eksplos“ istorija galima susipažinti ČIA.

Geras pavyzdys užkrečia. Netrukus ir kiti Lietuvoje pagaminti lazeriniai produktai rado savo kelią į pasaulį. Neretai susidarydavo kuriozinės situacijos – klientai žinodavo, kas ta „Ekspla“, kas ta „Eksma“, bet štai kad iš Lietuvos, kad iš Vilniaus, prisimindavo toli gražu ne visi. Ir keliaudavo klientų laiškai į Prahą Latvijoje ir pan. kryptimis.

Pamažu, pasaulio mokslo centrai, universitetai ir įmonės ėmė pripažinti lietuviškos gamybos lazerius. Nežinomi veikėjai iš neegzistuojančios valstybės („Kas ta Lietuva?“) tampa projektų ir verslo partneriais. O Lietuva įsitvirtina pasaulio lazerių rinkoje.

Kuo ypatingi lietuviški lazeriai?

Kas bendro tarp 66 geriausių universitetų pasaulyje, CERN, NASA ir Eksplos lazerių. Eksplos lazeriai žinomi ir naudojami visame pasaulyje. Todėl natūraliai kyla klausimas, kuo jie išskirtiniai:

• Lietuviai buvo vieni pirmųjų pasaulyje, išvystę technologijas lazeriams, kurie naudojami moksle. Tai – lazeriai, generuojantys labai trumpus, bet galingus šviesos žybsnius, kurių smailinė galia prilygsta branduolinei jėgainei.

• Lietuvių kurtos lazerių technologijos taip pat leido lazerio bangos ilgį keisti labai paprastai. Prieš tai, norint tai padaryti, reikėdavo pasigaminti visai naują lazerį.

• Pastarąjį dešimtmetį lietuviams pavyko sukurti ir itin aplinkos poveikiui atsparius lazerius, galinčius veikti ne tik steriliose mokslinėse laboratorijose, todėl juos imta taikyti ir plačiau. Lietuviški lazeriai dabar naudojami medicinoje, pramonėje, ir net buityje. Mobiliųjų telefonų ekranai, kompiuterių monitoriai, fotoaparato blykstės… Ar galėtumėt pagalvoti, kad nemaža tikimybė, jog galbūt šie ir kai kurie kiti mus supantys daiktai buvo pagaminti panaudojant būtent lietuviškus lazerius?

• Aukščiau – tik dangus. Lietuviškų lazerių panaudojimas sparčiai plečiasi. Pvz. 2019–2020 m. Eksploje gaminami „Photosonus“ serijos lazeriai sėkmingai išbandyti fotoakustiniuose tyrimuose kovojant su krūties vėžiu.

Dabar Lietuvoje lazerių mokslą plėtoja 7 universitetai ir tyrimų centrai, kuriuose dirba apie 200 mokslininkų ir tyrėjų, iš kurių – apie 50 proc. daktarų. Veikia daugiau nei 40 įmonių, kuriose dirba virš 1000 darbuotojų, iš kurių – 10 proc. daktarų. Taigi 10 tūkst. Lietuvos gyventojų tenka bent 4 lazerių ir optinių technologijų ekspertai.

Įmonės per metus parduoda produkcijos už 150 mln. eurų. Įmonių pardavimų apimtys dvigubėja kas 4–5 metus, o darbuotojų skaičius dvigubėja kas 9–10 metų. Daugiausiai lietuviškų lazerių perka Europos Sąjungos valstybės (tokios, kaip Vokietija ir Prancūzija), JAV, Kinija. Paskaičiuota, kad iš viso eksportuojama į 75 pasaulio valstybes.

Be to, 2019 m. būtent lietuviams pavyko sukurti vieną galingiausių lazerių pasaulyje – SYLOS. Kuris gali padėti sprendžiant tarptautinę branduolinių atliekų problemą. Apie SYLOS plačiau paskaityti galite ČIA.

Lazeriai Lietuvoje

1962 m. Prof.  P. Brazdžiūno dėka į Maskvos M. Lomonosovo universitetą  išsiunčiami A. Piskarskas, E. Maldutis, I. Gulbinaitė

1966 m. įžiebiamas pirmasis lazeris

1969–1970 m. atidaromos A. Piskarsko (VU) ir E. Maldučio (MA) lazerių tyrimų laboratorijos

1983 m. įkurtas Lazerinių tyrimų centras

1983 m. įkurta bandomoji lazerinės ir elektroninės technikos gamykla „Eksma“

1984 m. sukurtas pirmasis komercinis lazeris „Vijuka 1“(„Eksma“)

1986 m. sukurtas LIDARAS – atmosferos užterštumo matavimo sistema

1987 m. parduotas pirmasis lazeris (PL1020, Vokietija) – „Eksplos“ pikosekundinių lazerių pirmtakas

1989 m. sukurtas lietuviškas medicininis lazeris endoskopinėms operacijoms „Medula“ (VU)

1990 m. sukonstruotos tūrinio graviravimo staklės („Eksma“)

1992 m. Vilniaus universitete sukurta OPCPA (angl.: Optical Parametric Chirped-pulse Amplification, liet.: optinis parametrinis čirpuotų impulsų stiprinimas) technologija, kuri dabar yra viena pagrindinių technologijų pasaulyje, kuriant pasaulio itin didelės galios lazerius

1993 m. lazeriai buvo vienintelė produkcija, kuri iš Lietuvos buvo eksportuojama į Japoniją

1996 m. pirmieji lazerių pardavimai į JAV

2004 m. įkurta Lazerių ir šviesos mokslo ir technologijų asociacija

2010 m. reorganizavus Chemijos, Fizikos ir Puslaidininkių fizikos institutus, įkuriamas Fizinių ir technologijos mokslų centras (FTMC)

2010 m. įkuriamas Lazerinių ir inžinerinių technologijų klasteris LITEK

2011 m. „Eksplos“ sukurta lazerinė sistema pripažinta pažangiausiu pasaulyje gaminiu mokslinių lazerių kategorijoje ir apdovanota lazerių „Oskaru“ prestižiniame konkurse „Prism Awards for Photonics Innovation“ (JAV)

2015 m. atidaromas Saulėtekio slėnio technologijų ir inovacijų centras

2017 m. sukonstruota, ELI-ALPS tyrimų centro Vengrijoje užsakymu, ultrasparti ir didelio intensyvumo lazerinė sistema SYLOS1 („Ekspla“ ir „Šviesos konversija“)

2019 m. startavo SYLOS2A – dar galingesnė ir spartesnė sistemos modifikacija