2018. január–február: jegyzet, orvostudomány, portré, lézer, innováció, tudomány, atomenergia, energiagazdálkodás, startup, agrárium, zöldkörnyezet, genomika, fenntarthatóság, kiállítás/konferencia, robotika, it
2018. február 6.

Szerző:
Bogdán Zoltán

A lézerek elterjedése

A fél évszázada felfedezett lézer mondhatni fénysebességgel hódította meg a világot. Kiderült ugyanis, hogy a kellően koncentrált, gyakran láthatatlan fénysugár ugyanolyan biztonsággal vágja át az emberi szöveteket, mint az ujjnyi vastagságú acéllemezeket, a CD- és DVD-leját­szókba épített mini vörös lézer pedig az adattárolás új minőségét jelentette. Ma már meg sem lepődünk rajta, ha lézeres szemműtétet vagy alakformálást ajánlanak, a lakásfelújító brigád pedig lézeres szintezővel jelöli ki a csempék helyét a falon. A lakásunkba vezető optikai kábelekben szintén lézerek továbbítják a digitális jeleket. Arról viszont jóval kevesebbet tudunk, hogy a szolgáltatások mögött tucatnyi lézertípus méretben és teljesítményben megszámlálhatatlanul sok variációja rejtőzik. Vizsgáljuk meg hát őket egy kicsit részletesebben.


Amikor 1960-ban Theodore H. Maiman amerikai fizikus elkészítette az első, kezdetleges, de már működő (rubin) lézerét, minden bizonnyal felötlött benne, hogy ezért a tudományos teljesítményért akár Nobel-díjat is kaphat, hiszen a gyakorlatban is bebizonyította Albert Einstein egy negyven esztendővel korábbi zseniális sejtését. A kollégái szerint viszont igazából soha nem hitt abban, hogy a találmánya néhány év alatt hihetetlen mértékben elterjed világszerte. Mind a két dologban tévedett. A díjat soha nem kapta meg, azonban a különböző típusú lézerek a tudományos kísérletektől a haditechnikáig, a háztartásoktól az iparig villámgyorsan meghódították a világot.

Theodore H. Maiman amerikai fizikusnak a világon elsőként működő lézere rubinatomok stimulálása révén hozott létre egybefüggő fénysugarat.

Az elméletről röviden

Mivel maga az elmélet és a lézerek óriási családja a laikusok számára áttekinthetetlenül bonyolultnak tűnik, egy sok évtizedes tapasztalattal rendelkező szakembert kértünk fel, hogy segítsen nekünk eligazodni a „lézerfényes dzsungelben”.

Mi is az a lézer?
Az angol LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) betűszó magyar változata. Lefordítva annyit jelent, hogy „fényerősítés kényszerített fénykibocsátás útján”, ami egy kiterjedt eszközcsalád közös működési elvére, illetve az Albert Einstein által kerek száz esztendeje megjósolt „kényszerített (indukált) emisszióra” utal. A lézer egy különleges fényforrás, amelynek nyalábja monokromatikus, koherens, kicsi a széttartása, ezért lencsékkel extrém kis területre fó­kuszálható. A lézerek a méret, a sugárzás hullámhossza, a teljesítmény és ebből következően a felhasználhatóság tekintetében rendkívüli módon különbözhetnek egymástól.
A DVD-lejátszóban lévő félvezető lézerek fizikai nagysága csak milliméterekben mérhető, teljesítményük pedig 1 milliwatt körül szóródik. Egy szekrény nagyságú ipari szén-dioxid-lézer teljesítménye pár kilowatt, a termonukleáris fúzió begyújtására épített lézer száz méternél is hosszabb, impulzusának csúcsteljesítménye pedig több ezer terawatt.

Ábrahám György (DSc), a Budapesti Műszaki és Gazdaság­tudományi Egyetem Mechatronika, Optika és Gépészeti Informatika Tanszék volt vezetője, ma már professor emeritusa, szakmai életét némi túlzással végigkísérték a lézerek: évtizedekig oktatta és kutatta a speciális fényforrás sajátosságait, és még ma is benne van néhány kiemelt lézerprojektben. Bár műegyetemista korában – 1967 és 1971 között – a hivatalos gépészkari tananyagban még nem szerepelt a lézer, szakmai körökben már közismert volt, hogy itt valami igen nagy jelentőségű dolog érlelődik. A Műegyetem és a Központi Fizikai Kutatóintézet laborjaiban pedig már el is készültek az első működő prototípusok, amelyekkel az érdeklődő hallgatók is találkozhattak. Amikor pedig ifjú tanársegédként bent maradt az akkori Finommechanika és Optika Tanszéken, egyik legfontosabb kutatási programjuk éppen a lézerkutatásokhoz kapcsolódott.
„Figyelemmel kísértük a nemzetközi szakirodalmat, és sokféle lézerrel kísérleteztünk a hetvenes években, így már akkoriban is rengeteg tapasztalatot halmoztunk fel. Kevesen tudják, de az első magyar sebészeti lézer is ezen a tanszéken készült – valamikor 1980 körül. A Tungsram vákuumtechnikája volt az alapja a szén-dioxid-lézernek, a többit pedig mi tettük hozzá. Már 60 watt elég volt a nőgyógyászati operációhoz, egy 2 kilowattos változat viszont ujjnyi vastag acélt is képes volt átvágni. Ezt követően a Magyar Optikai Művekkel összefogva fejlesztettük ki az aktatáska nagyságú szoft lézereket, amelyekkel az orvosok akupunktúrát és sebgyógyítást végeztek. A későbbiek során sem szakadt meg a kapcsolatunk a hazai egészségüggyel és iparral, így tulajdonképpen végigkísér­tük az elmúlt évtizedek lézerkutatási és lézerfejlesztési eredményeit, illetve azok hasznosulását a gyakorlatban.”

Mivel a mechatronikai mérnök hallgatók számára – három kollégával közösen – írt Lézertechnika című jegyzetük több száz oldalas, még kivonatban sem lenne célszerű ennek az ismertetése. Ezért arra kértük a professzort, hogy az elméleti részből csak néhány elengedhetetlen dolgot emeljen ki.

Ábrahám György megítélése szerint a lézernek nevezett különleges fényforrás egyik legfontosabb és leghasznosabb tulajdonsága, hogy monokromatikus (egyszínű), nagyon párhuzamos, kicsi a széttartása, és ezért a teljes energiát egy nyalábba lehet irányítani. Ezért végezhetnek a segítségével orvosi műtéteket, illetve ezért lehet lézerrel a legkeményebb fémes anyagokat is vágni, fúrni, hegeszteni.
A lézernyaláb másik nagyon fontos jellemzője a koherencia, hogy extrém pontosan lehet vele mérni egyebek között a távolságot és a sebességet. Ezt a tulajdonságát használja ki – a járművezetőkre nézve zsebbevágó módon – a lézeres traffipax, de ennek segítségével mérték meg például a Föld–Hold-távolságot hatméteres pontossággal az Apolló–11 utasai már 1969-ben, tehát még a lézerek „hőskorában”. Ehhez „csak” egy viszonylag kis teljesítményű rubin impulzus lézerre, száz darab – a földre, illetve a „holdra” helyezett – sarokprizmára és egy háromméteres teleszkópra volt szükség. Ennek kapcsán a gyakorlatban is bebizonyosodott, hogy a lézerfény sem tökéletesen párhuzamos. A 384 ezer kilométeres utat követően a lézernyaláb egy négyméteres sugarú körben szóródott a Holdon, viszont az ugyanezen az útvonalon a Földre visszatért nyaláb már 15 kilométer átmérőjű volt.
Közkeletű tévedés, hogy a lézerek mindig színesek (pirosak, zöldek, kékek). Erről szó sincs, ami arra vezethető vissza, hogy a lézerek az elektromágneses hullámok nemcsak a látható, de a teljes spektrumában (mikrohullám, infravörös, ultraibolya, röntgen, gamma) képesek működni. Az iparban használt igen nagy teljesítményű szén-dioxid-lézerek például az infratartományban dolgoznak, az emberi szem számára láthatatlanok, tehát üzemelés közben akár rendkívül veszélyesek is lehetnek.

A nagyra nőtt lézercsalád különböző osztályokba, csoportokba sorolása nem könnyű feladat. Egyrészt a felépítésük, fénykeltő közegük, működési módjuk és alkalmazási területük alapján már nagyon sok fajta van belőlük, másrészt pedig már megjelentek a különböző „hibrid” típusok is. A némileg leegyszerűsített beosztás szerint léteznek szilárdtest-, gáz-, félvezető, festék- és egyéb (vegyi, fémgőz, röntgen stb.) lézerek. Érdekesség, hogy a világ első lézere egy szilárdtest (rubin) lézer volt, de a hatvanas évek közepére már megjelent a többi változat is – és ötven éve folyamatosan fejlesztik valamennyit.

A szilárdtest lézerek között a rubin egyre inkább kezd háttérbe szorulni, a helyét a ritka földfémek, mint például a neodímium, itterbium, holmium, titanium stb. veszik át, amelyek ionjai könnyen beépíthetők a kristályrácsba. Óriási felfutás előtt áll a fiber- vagy szállézer, amely egyszerű felépítésű és igen nagy teljesítményű. Hasonló karriert jósolnak a legújabb dióda- és diszklézereknek is.

A szilárdtest lézerek között a legújabbak nagy teljesítményű dióda- és diszklézerek.

A gázlézerek közül a hagyományos szén-dioxid-lézert kell kiemelni, az iparban még mindig ez a legelterjedtebb változat, főleg óriási, több kilowattos teljesítménye miatt. Mellette a neodímiumra épülő Nd:YAG, illetve a hélium-neon és argonionlézerek töl­tenek be fontosabb szerepet. A kripton-, xenon- vagy nitrogén­lézerek inkább a tudományos kutatásban használatosak.

A legelterjedtebb szén-dioxid-lézer mellett ma már használatos többféle gázlézer, például a hélium-neon lézer.

A félvezető lézerek egyre jobban előretörnek. Ma már nemcsak a háztartásokban (CD-, DVD-, Blu-ray lejátszók) fordulnak elő nagy gyakorisággal, hanem például az iparban is. Ez egyrészt annak köszönhető, hogy jól szabályozhatóak, másrészt ma már elég nagy a teljesítményük is.

A félvezető lézerek jól szabályozhatóak, elég nagy a teljesítményük.

A hétköznapokban leginkább a három kategória változataival találkozhatunk, a festék-, vegyi, fémgőz vagy röntgenlézerek terepe inkább a nagyon mély tudományos kutatás vagy éppen a szupertitkos haditechnika.

Gyakorlati felhasználás

Ennyi elmélet után fordítsunk egy markánsat lézeroptikánkon, és Ábrahám György segítségével nézzük meg, melyek azok a területek, ahol a leginkább elterjedtek a lézerek. Az egyik legfontosabb szegmens, a tudományos célú hasznosítás egy másik (vagy inkább több) cikk témája lehetne – a szegedi „szuperlézerről”, az ELI-ről például igen sokat olvashattak-olvashatnak magazinunkban is. A szintén kiemelkedően jelentős, ám szupertitkos katonai vonatkozásokat pedig az alábbi keretes anyagban kíséreljük meg röviden összefoglalni.

A titokzatos hadiipar
Már a hatvanas évektől a szupertitkos katonai lézerlaborok mélyén folytak a legkoncentráltabb kutatások és fejlesztések, amelyek eredményei például a lézerirányítású bombák, a pilóta nélküli drónok vagy éppen a széles spektrumú lézernyalábok, amelyek távol tartják a hőkövető rakétákat. Egy megfelelő teljesítményű koncentrált fénysugár pedig elméletileg villám­gyorsan és láthatatlanul semmisítheti meg az ellenséges harci eszközöket, beleértve a rakétákat és a műholdakat is. A Ronald Reagan és Teller Ede révén a nyolcvanas évek elején elhíresült amerikai „csillagháborús” stratégiai védelmi kezdeményezés (Strategic Defense Initiative) a földi telepítésű rakétarendszerek mellett egyértelműen az űrbe telepített szuperlézerek teljesítményére épített. Volna – ugyanis néhány év és néhány elköltött dollármilliárd után kiderült, hogy az elvet nem sikerült átültetni a gyakorlatba: a mini atombomba-robbanás erejét felhasználó röntgenlézer totálisan használhatatlannak bizonyult. A szovjetek viszont a kölcsönös elrettentés jegyében továbbra is hatalmas összegeket fektettek be az űrlézerkutatásokba – jelentősen hozzájárulva a Szovjetunió pénzügyi meggyengüléséhez és felbomlásához.

Nehézipar, gépipar

Talán ezen a területen terjedtek el a leggyorsabban és legátfogóbban a lézerek, különös tekintettel a járműiparra. A jól fókuszálható sugarak ugyanis óriási energiasűrűséget hoznak létre, ennek segítségével pedig szinte az összes fémes anyag könnyedén vágható, fúrható, hegeszthető, edzhető vagy éppen gravírozható – 3D-ben is. A fentebb részletezett lézerek közül korábban csak a szén-dioxid-, később a neodímium-, a rubin- és az argonionlézereknek volt elég nagy teljesítményük az ipari felhasználáshoz, mára viszont a szállézerek, a diszklézerek és a miniatűr lézerfejekről ismert diódalézerek is felzárkóztak melléjük.

Leggyakrabban szerkezeti acélokat, alumínium és rozsdamentes lemeztáblákat, illetve csöveket darabolnak a segítségükkel, a járműiparban pedig a bonyolult formájú alkatrészek vágását és hegesztését bízzák a lézerekre – többnyire optikai kábelek és robotok segítségével. Az automatizált, robotizált iparban egyre inkább megkerülhetetlenné válik a lézeres jelöléstechnika, amelynek célja eltávolíthatatlan feliratozás létrehozása. A speciális berendezés, a lézerforrás típusától függően (szén-dioxid, YAG, fiber vagy szilárd­test) képes különböző termékekre – akár mozgó alkatrészekre is – eltávolíthatatlan jeleket, számokat, adatokat vagy adatmátrixokat felvinni.

A nehéziparban leggyakrabban szerkezeti acélokat, alumínium és rozsdamentes lemeztáblákat, illetve csöveket darabolnak lézer segítségével.

Érdekesség, hogy a lézereket a nagyon kemény anyagok mellett éppen a könnyű vagy nem fémes anyagok (hab, textil, öntapadó fólia, fa, plexi, kompozit) sorjamentes vágására és hegesztésére is használják a könnyű- és a nyomdaiparban, a reklámgrafikai, dekorációs cégeknél.

Összefoglalóan elmondható, hogy ezeken a területeken a lézeres berendezések technikailag már minden munkafolyamatot el tudnának végezni – bevetésük legtöbbször csak gazdasági kérdés. Ha például a hagyományos lángvágás vagy a modern plazmavágás minősége is megfelel, viszont jóval olcsóbb a lézeres megoldásnál, a gyártó minden bizonnyal mellettük fog dönteni, és ez igaz lehet a hegesztésre vagy a gravírozásra is.

Egészségügy, kozmetológia

Ha valakit jó sorsa tökéletes egészséggel áldott meg, talán el sem tudja képzelni, hányfajta lézerrel végzett és lézeres diagnosztikai, műtéti, kezelési eljárás terjedt el mára a magyar egészségügyben is.
Az úgynevezett „szoft” lézerek sebgyógyító, fájdalomcsillapító, gyulladáscsökkentő hatására már a hatvanas években felfigyelt egy magyar professzor, Mester Endre. A nagyon kis teljesítményű, biostimulációs hélium-neon vagy félvezető lézereket ma már elterjedten használja az általános és szájsebészet, valamint a bőrgyógyászat és a kozmetológia. Ez utóbbi területen gyakran elmosódik a különbség a tudomány és az üzlet között. A különböző „fantasztikus” bőrmegújító, hajkezelő, szőrtelenítő, masszírozó, zsírleszívó módszereket egyaránt lézerekkel, sőt lézerceruzával, lézerfésűvel és lézerzuhannyal (!) reklámozzák. Az árak elérhetik a több tíz-, sőt több százezezer forintot is, a hatásuk viszont igencsak kérdéses.

A klinikai bőrgyógyászat különös figyelmet fordít a lézeres kezelésekre és sebészeti beavatkozásokra. Az orvosok terjedelmes táblázatok segítségével igazodnak el a tucatnyi lézertípus hatásáról, teljesítményéről és előnyeiről a különböző felszíni bőrelváltozások, éren belüli diszfunkciók vagy érdaganatok megszüntetése érdekében.

Az úgynevezett lézersebészet egyébként ma már olyannyira elterjedt a kiemelt hazai kórházak és magánklinikák különböző osztályain, hogy a beteg gyakran meg sem tudja, hogy nem a hagyományos módon operálták. A kardiológiától az onkológiáig, az urológiától a nőgyógyászatig mindenütt találkozhatunk lézeres (szén-dioxidos, rubin, argonion) sebészeti berendezésekkel. Elfogadott gyakorlat, hogy ahol a hagyományos szike alkalmazható, ott a „lézerszike” is, fordítva viszont ez már nem mindig igaz – például némely szemészeti műtéteknél. Ez utóbbi jelenti talán a lézersebészet legsikeresebb ágazatát, kék vagy zöld színű félvezető lézerekkel olyan műtéteket (retinaleválás, zöldhályog, rövidlátás stb.) tudnak elvégezni, amelyekre egy-két évtizeddel ezelőtt esély sem mutatkozott.

A szemészeti műtétek a lézersebészet legsikeresebb ágazatát jelentik, a félvezető lézerekkel olyan műtéteket (retinaleválás, zöldhályog, rövidlátás stb.) tudnak elvégezni, amelyeket egy-két évtizede még nem lehetett.

Geodézia, építőipar

Már a földtudományokat és az építőipart is meghódították a lézeres berendezések. Az úgynevezett lézerradar vagy LIDAR (Light Detection and Ranging) egy optikai távérzékelő technológia, amellyel például a tárgyak igen pontos távolságát lehet meghatározni, lézerfényimpulzusok kibocsátásával. Alkalmazási területe meglehetősen szerteágazó: nemcsak a térképészet, a geológia és a geomorfológia, de a földrajztudomány és a régészet is előszeretettel használja.

A lézerszkenner néhány perc alatt több millió pont 3D koordinátáját képes megmérni nagy pontossággal. A felmérés eredménye egy térbeli „pontfelhő”, amelyből utólagos kiértékeléssel kapjuk meg az objektumok pontos geometriai adatait.

A magas- és a mélyépítés ma már elképzelhetetlen a profi minőségű, úgynevezett építőipari lézerek nélkül: bármiféle szerkezetépítési, zsaluzási, szigetelési stb. munkához a szintezést már a félvezető lézerekkel végzik. Mivel pár ezer forintért már a barkácsáruházakban is kaphatunk használható minőségű lézeres távmérőt vagy szintezőlézert, a lakásfelújításoknál (vízszintes aljzatbeton és járólap, „vinklis” csempe) is megjelentek a piros színű, kis vonal- és pontlézerek.

A 3D-s lézerszkennerek egyre elterjedtebbek az építőiparban.

Közlekedés

Az úgynevezett autonóm (vezető nélküli) járművek egyelőre még inkább csak a jövőt jelentik, de az egyértelmű, hogy lézeres távmérővel rendelkeznek majd, és lézerszkenner segítségével képezik le három dimenzióban a terepet. A prémium szintű autómárkáknál már megjelentek a kísérleti lézerfényszórók. A lézerdiódával előállított fénykéve állítólag még a legújabb LED-es megoldásokat is elhomályosítja, de a sorozatgyártásra még várni kell.

Egyre több nagy teljesítményű, lézeres traffipax jelenik meg viszont a hazai utak mellett, amelyek már egy-két kilométeres távolságból is képesek mérni a sebességünket. Az ellenük kifejlesztett 2-5 fejes, igen hatékony lézerblokkolók 2012 óta illegálisok ugyan, de a neten azért egymást érik a 100-300 ezer forintos beszerelési ajánlatok. A rendőrség és a blokkoló lézernyalábja ugyanis összekeveredik, így nem mérhető meg a sebesség. A legújabb fejlesztések egyébként már egyszerű parkolóradarnak álcázzák a blokkolót – közúti ellenőrzés esetén csak ilyen módban működik.

Kommunikáció

Kevesebb szó esik róla, de egyre fontosabb terület a lézeroptika információátviteli rendszerének a világa. Vagyis az a módszer, hogy modulált félvezető lézerek segítségével továbbítsuk a jeleket, a világon már sok millió kilométer hosszban lefektetett optikai kábeleken keresztül.

A lézeroptikai információátviteli rendszer modulált félvezető lézerek segítségével továbbítja a jeleket, a már sok millió kilométer hosszban lefektetett optikai kábeleken keresztül.

A digitális információ fény formájában halad tovább, majd egy fotótranzisztor ismét árammá alakítja át az információt – mi pedig nézhetjük a digitális tévéadásokat vagy internetezhetünk extra gyorsasággal. Kivéve persze, ha elavult és lassú mikrohullámú wifivel akarunk kapcsolódni a gigabites sávszélességű optikai gerinchálózathoz – ezen ugyanis semmiféle lézer nem tud segíteni.

Háztartások

Jóllehet nem mindenki tudott róla, az elmúlt két-három évtizedben szinte minden család rendelkezett lézeres fényforrással: CD- vagy DVD-lejátszóval, esetleg lézernyomtatóval. Ezek az optikai adattároló lemezek mostanában kezdenek kikopni az otthonokból, a lézer nélküli pendrive-ok kiszorították őket. Karácsony és szilveszter táján viszont a jobb környékeken egyre több a „pöttyös” ház: ezeket a stabil vagy táncoló piros és zöld fényfoltokat egy tenyérnyi, pár wattos félvezetőlézer-ágyú vetíti a házfalakra. A 10-15 ezer forintos fénycsoda mögött természetesen a 220 voltos hálózat rejtőzik.

Szórakozás, sport

Az úgynevezett „lézerdiszkók” már a hetvenes években megjelentek, és a különböző komoly- és rockzenei rendezvényeken is gyakorivá vált a látványos lézershow. A technika azóta sokat fejlődött, ám a felhasználási terület közel azonos maradt: koncertek, filmforgatások, bulik, céges rendezvények.

A szórakoztatóipar elengedhetetlen kelléke a lézershow

Érdekesség, hogy az öttusában néhány éve már az olimpián és a világbajnokságon is lézerfegyverrel lőnek célba, sőt kialakult egy új sportág is, az úgynevezett Laser-Run.•

 
Innotéka