LASERY - Kvantové generátory světla
Kdyby se vás někdo zeptal, jaké znáte nejjasnější, nejintenzivnější světlo, asi byste mu řekli, že světlo sluneční, ale mýlili byste se. Světlo z laserů je ještě jasnější, ve skutečnosti je to
nejostřejší světlo, jaké dosud známe. Laser produkuje uzounký paprsek barevného světla, který je
tak intenzivní, že propálí dírku i v oceli a zároveň tak úzký a rovný, že ho můžeme přesně
zacílit na maličké zrcadlo na Měsíci, vzdálené 384 401 km.
Samotné slovo LASER [lejzr] pochází z angličtiny a je složené z počátečních písmen dlouhého anglického názvu popisujícího jeho funkci: Light Amplification by Stimulated Emission
of Radiation, což by se dalo přeložit jako zesílení světla pomocí vynucené
(stimulované) emise záření. České pojmenování laseru je kvantový generátor světla,
což se nepoužívá, protože laser je kratší. Z názvu je zřejmé, že laser vydává světlo a jeho princip předpověděl již v roce 1916 Albert Einstein. K realizaci tohoto zařízení však došlo až téměř o padesát let později v roce 1960, kdy fyzika a technologie, zejména polovodičových struktur dosáhly potřebného stupně vývoje. Moderní fyzika mluví o tzv. duálním charakteru světla. Dokázala, že na světlo, v širším smyslu slova na záření, je nutné pohlížet současně jako na elektromagnetické vlnění (mluvíme o vlnovém charakteru světla) i jako na proud částic (korpuskulární charakter světla).
Čím se ale liší světlo laseru od světla například takové žárovky? Laserové světlo je monochromatické (jednobarevné) koherentní (uspořádané) a má malou divergenci (rozbíhavost). Rozdíl je názorně vidět na příkladu. Pokud "posvítíme" laserem na měsíc, bude mít osvětlená plocha průměr několik kilometrů. Zdá se vám to hodně? Tak zkuste svítit žárovkou na měsíc. Z definice vyplývá, že laser je zařízení, které přeměňuje dodávanou energii na laserové světlo. Energii můžeme dodávat různým způsobem, například opticky (světlem výbojky), chemicky, elektricky atd.
Vzhled samotných laserů je velmi různorodý. Záleží hlavně na druhu laseru, na jeho konstrukci a v neposlední řadě na jeho použití. V dnešní době je laserový paprsek využíván ve velmi mnoha oborech lidské činnosti. Je jemným chirurgickým nástrojem, zaznamenává informace a snímá jejich záznam z kompaktních disků, slouží k přenosu dat, obrábí tvrdé materiály, vrtá díry do diamantu, brousí nástroje, zaměřuje letící tělesa, slouží ve vojenství k zaměření cílů, rozpouští molekuly látek, dokáže proniknout do nitra atomů a zažehnout termonukleární reakci apod.
Např. při sváření a vrtání je určující charakteristikou výkon laseru, proto se zde uplatňují nejlépe impulsní lasery. Zvyšování výkonu se ale nedělo zvyšováním energie vyzářené laserem. Celková vyzářená energie nemůže být větší než energie přijatá. Výkon laseru ale také závisí na délce laserového pulsu, čím bude puls kratší, tím větší bude výkon. Zkracování délky pulsu vedlo až k několika nanosekundám. Takovým pulsům říkáme gigantické nebo obří a získáváme výkony slušné elektrárny.
Při přenosu informací se naopak používají lasery pracující v nepřetržitém režimu. Atmosféra ale laserový paprsek silně oslabuje, proto je vhodné použít lasery pracující v oblasti takzvaných atmosférických oken, pro která je atmosféra velmi průzračná. Většina laserů pracuje na jedné určité frekvenci, kterou není možné měnit. Pokud chceme používat více frekvencí, použijeme lasery přesaditelné a pokud používáme laser k přenosu energie je pro nás nejdůležitější účinnost přeměny energie v laserový paprsek. V tomto ohledu jsou na tom nejlépe lasery polovodičové. Pro lasery pracující ve vesmíru potřebujeme nezávislý zdroj energie. Neexistuje univerzální laser, který by vyhověl všem podmínkám.
Laserů je velké množství a každý něčím vyniká a je vhodný k určitému použití. Jednotlivé typy se také postupem času zdokonalovaly a vylepšovaly se jejich parametry. Nejlepší bude si lasery nějak rozdělit a každý typ krátce charakterizovat.
Základní typy laserů
Lasery lze rozdělit podle různých kritérií. Podle povahy aktivního prostředí rozlišujeme lasery:
a) pevnolátkové
b) kapalinové
c) plynové
d) lasery využívající svazky nabitých částic
Podle způsobu čerpání energie lze lasery rozdělit na lasery čerpané:
a) opticky (výbojkou, jiným laserem, slunečním světlem a radioaktivním zářením)
b) elektricky (srážkami v elektrickém výboji, svazkem nabitých částic, injektáží elektronů, interakcí elektromagnetického pole se shluky nabitých částic)
c) chemicky (energií chemické vazby, fotochemickou disociací, výměnou energie mezi molekulami a atomy)
d) termodynamicky (zahřáním a ochlazením plynu)
e) jadernou energií (reaktorem, jaderným výbuchem)
Z hlediska režimu práce mohou lasery pracovat kontinuálně (spojitě, nepřetržitě) nebo impulsně.
Lasery můžeme dělit také podle vyzařované vlnové délky na:
a) infračervené
b) lasery v oblasti viditelného světla
c) ultrafialové
d) rentgenové
Konečně můžeme lasery dělit podle použití na lasery
a) výzkumné
b) měřící
c) lékařské
d) technologické
e) energetické
f) vojenské
Příklady některých LASERů
RUBÍNOVÝ LASER
Je to první skutečně fungující laser, sestrojený v roce 1960 americkým vědcem
Theodorem H. Maimanem. Jeho konstrukce dovoluje názorně vysvětlit celou řadu pojmů a principů, které jsou v různých modifikacích využívány ve všech, i nejmodernějších konstrukcích laserů včetně polovodičových. Aktivní prostředí rubínového laseru je tvořeno krystalem syntetického rubínu (Al2O3), v němž jsou rovnoměrně rozptýleny trojmocné ionty chrómu Cr3+ v koncentraci asi 0,05 %. Osvětlí-li se krystal dostatečně intenzivním impulsem světla vhodné vlnové délky, např. z xenonové výbojky (doba trvání impulsu řádu desetin milisekundy), dojde k excitaci iontů chrómu. Jsou-li splněny některé další podmínky, vznikne uvnitř krystalu laserové aktivní prostředí, schopné stimulovanou emisí zesílit vstupní světelný paprsek. Jestliže si uvědomíme, že v laserovém aktivním prostředí probíhá současně kromě stimulované též spontánní emise fotonů dojdeme k závěru, že funkci vstupních fotonů by mohly zastávat fotony spontánně emitované v tomto prostředí, pokud bychom je vhodně umístěnou zrcadlovou plochou odrazili z výstupu zpět do prostoru, v němž k emisi dochází. Odražené fotony při své cestě od výstupní strany krystalu zpět ke vstupní vyvolají stimulovanou emisi fotonů z dalších excitovaných kvantových soustav, ty opět z dalších atd. Pokud také druhá z čelních stěn krystalu bude opatřena zrcadlem, dojde k novému odrazu již zesíleného světla zpět do prostoru krystalu. Při cestě paprsku od vstupní stěny krystalu k výstupní jsou uvolňovány další fotony. Po dosažení výstupní stěny dojde k novému odrazu světla atd.
Rubínový laser pracuje obvykle v impulsním režimu. Délka budícího impulsu je několik desetin
milisekundy, až jedna milisekunda. Doba trvání výstupního impulsu by měla být co možná nejkratší, aby se dosáhlo co největší časové koncentrace energie, tj. co největší hustoty zářivého toku. Bez zvláštní konstrukční úpravy laseru trvá výstupní impuls přibližně jednu milisekundu a sestává z několika kratších impulsů. Aby se dosáhlo co možná nejkratšího impulsu, musí se laser poměrně složitě konstrukčně upravit, ale poté lze dosáhnout impulsu o době trvání řádově 10-9 až 10-12 sekundy. Záření má tak obrovskou hustotu, že odpovídá okamžitému výkonu řádu 109 wattů. Střední hodnota výkonu rubínových laserů je však malá, řádu desítek miliwattů. Celková účinnost je pouze několik procent. Při kontinuálním provozu je nutné účinné chlazení celého zařízení.
NEODYMOVÉ LASERY
Z laserů užívajících jako aktivní prostředí pevnou látku alespoň jmenujme laser s krystalem
yttrito-hlinitého granátu s aktivními ionty neodymu Nd3+. Pro tento typ se užívá označení laser
Nd: YAG. Optickým buzením se excitují ionty neodymu. Laser pracuje v kontinuálním režimu. Výstupní záření má vlnovou délku odpovídající infračervené oblasti.
Tento laser má poměrně nízký prahový budící výkon, tj. výkon budícího záření, při němž laser začíná generovat. Výstupní výkon v kontinuálním režimu může přesáhnout 1 kW. K chlazení laseru se užívá voda. Laser Nd: YAG je podobný laseru s neodymovým sklem. Výroba skla pro tyto lasery je jednodušší než výroba krystalů. Nevýhodou skel je však jejich horší tepelná vodivost, takže se obtížně při provozu chladí, a proto se nehodí pro kontinuální provoz, přičemž generují infračervené záření.
HELIUM-NEONOVÝ LASER
Tento typ laseru byl objeven v roce 1960 a byl nejrozšířenějším před nástupem polovodičových laserů. Aktivní prostředí tvoří směs 5 až 10 dílů hélia na jeden díl neonu. Buzení se provádí přímo v trubici se směsí doutnavým elektrickým výbojem vysokého elektrického napětí. Výboj excituje (nestabilní stav s přebytkem energie) atomy helia, které při vzájemných srážkách předávají energii atomům neonu. Tím vzniká stav inverze populace v souboru atomů neonu. V důsledku toho se objeví výstupní záření laseru. Vzhledem k velkému množství energetických úrovní (energetické spektrum) v atomech neonu, kde může inverze vzniknout, je helium-neonový laser schopen generovat záření řady vlnových délek.
Nejčastější jsou konstrukce pro generování červeného světla o vlnové délce 633 nm. Dále může
generovat záření až v infračervené oblasti. Laser je napájen ze zdroje o desítkách mA. Celková účinnost je pouze několik procent.
LASERY S KYSLIČNÍKEM UHLIČITÝM
Prostředí tohoto molekulárního laseru je tvořeno směsí kysličníku uhličitého, dusíku a helia v
poměru 1 : 2 : 8. K stimulované emisi dochází v molekulách CO2, ostatní plyny zlepšují podmínky
vzniku inverzní populace. Laser generuje infračervené záření několika vlnových délek, které je
možno oddělit hranolem.
Existují dva druhy laserů s CO2:
- Laser využívající buzení elektrickým výbojem v trubici se směsí plynů. Při průměru trubice 20mm a délce 1m laser vyprodukuje záření kolem 50 W. Používá se vysokonapěťový zdroj (1000 - 1700V) o proudu 30 až 50 mA. Účinnost přesahuje 20%.
- Expanzní CO2 laser. Je tvořený expanzní komorou, do které se vhání plyny. K excitaci molekul CO2 dochází díky elektrickému obloukovému výboji o vysoké teplotě. Plyn s excitovaným CO2 proudí rychlostí několikrát převyšující rychlost zvuku ve vzduchu štěrbinovou tryskou do vakua. Díky rychlému snižování tlaku dochází k poklesu teploty plynu. Energetické hladiny s velkými energiemi v molekulách CO2 zůstávají po určitou dobu zaplněny elektrony. Říká se tomu "zamrzání" vyšších energetických hladin.
Lasery tohoto typu jsou schopné generovat infračervené záření velkých výkonů (stovky kW). Nevýhody jsou rychlé zaplňování vakuového prostoru za tryskou a velká spotřeba plynů. Principiálně podobné jsou chemické lasery které využívají k vytvoření aktivního prostředí chemických reakcí.
Vývoj laserů chemických i expanzních je z vojenských důvodů pečlivě utajován. Lasery pracují na
podobných principech a v lepších podmínkách (např. v kosmu).
POLOVODIČOVÝ LASER S DVOJITOU HETEROSTRUKTUROU
Při malých proudových hustotách je počet iontů vznikajících rekombinací, které jsou připravené emitovat foton malý. Nevzniká stav s inverzí populací a převládá spontální emise.
Zvětšíme-li však proudovou hustotu nad určitou prahovou hodnotu, vznikne a převládne stimulovaná emise. Čelní stěny krystalu se vzhledem k velkému indexu lomu na rozhraní arsenidu galia a vzduchu chovají jako zrcadla odrážející asi polovinu světla zpět do krystalu. Zesílení záření v krystalu GaAs je veliké. Proto tato poměrně slabá optická zpětná vazba postačuje k vytvoření podmínek pro
generování světla. Takto sestrojený laser je málo účinný a je schopný kontinuálního provozu jen při nízkých teplotách.
Porovnání šířky pásma emitovaného záření při spontální a stimulované emisi u mono-krystalu GaAs:
Vytvořením tzv. dvojité heterostruktury se dosáhne výrazného zlepšení činnosti, tento typ laseru se nazývá DH laser. V tomto případě dochází k rekombinaci jen ve velmi tenké vrstvě GaAs, obvykle ve vodivosti typu P. Vrstvička má tloušťku 100 - 200 nm a je obklopena vrstvami jiného chemického složení (GaAs s příměsí hliníku).
Polovodičový laser s dvojitou heterostrukturou.
Působením napájecího zdroje jsou do aktivní vrstvy vstřikovány z části N elektrony a z P díry.
V důsledku potenciálových valů, vznikajících na styku aktivní vrstvy s okolními chemicky
rozdílnými vrstvami nedochází k roztékání nábojů do okolí. Nahromadění nosičů náboje v aktivní
vrstvě je vzhledem k jejímu malému průřezu tak velké, že proudové hustoty potřebné ke vzniku
inverze populace a převládnutí stimulované emise dosahuje již při prahových proudech několika
desítek mA.
Účinnost je kolem 75%. Laser je schopný pracovat kontinuálně při pokojové teplotě. V základním
provedení emituje záření v blízké infračervené oblasti. Vhodnými příměsemi v aktivní vrstvě lze
vytvořit laser vyzařující červenou barvu.
K vedení světla dochází v aktivní vrstvě, protože má index lomu světla větší než sousední vrstvy. To přispívá ke směrování světla vystupujícího z aktivní vrstvy do prostoru do tvaru plochého úzkého svazku. Protože je zesílení záření v GaAs velké, můžeme dosáhnout toho, že celkové zesílení podél dráhy paprsku v krystalu převládne nad ztrátami.
Praktické užití laserů
Čárový kód - Mezi nejběžnější čárové kódy patří takzvané Evropské číslo výrobku skládají se z 13 číslic a Univerzální kód výrobku s 12 číslicemi. Každé číslo představuje skupina rovných rovnoběžných čar a bílých mezer. Laserové čidlo převádí informace do signálů ve dvojkové soustavě a ty odesílá do počítače. Laser přejíždí číselný kód světelným paprskem od jednoho konce na druhý. Je dost citlivý na to, aby dokázal číst zleva doprava nebo zprava doleva. I když se čárové kódy obvykle tisknou černě na bílý podklad, laser dokáže přečíst číselný kód v jakékoli tmavé barvě kromě červené. Některé lasery používají čidlo s červeným světlem, takže nemohou zachytit odraz červené barvy.
Kompaktní disk - Průměr kompaktního disku je jen 12 cm, ale vejde se na něj 5 kilometrů stopy a vydrží hrát přibližně 1 hodinu. CD disky jsou nahrané jen z jedné strany a během hraní je nelze poškrábat ani se časem neopotřebují, protože se povrchu disku nedotýká žádná jehla. Místo toho disk zespoda čte laserový paprsek s nízkým napětím a snímá mikroskopické jamky a mezery na stopě, které se odvíjejí od středu disku. Dírky a mezery jsou digitální kód, který se později převádí na zvuk.
Záznam - Čistý skleněný disk s povlakem pryskyřice citlivé na světlo se otáčí pod laserovým paprskem a kódované signály se předávají do laseru jako elektrické impulzy. Laserový paprsek je vysílá v podobě světelných záblesků, které na povlaku disku vytvářejí odpovídající seskupení jamek a mezer. Povlak se pak chemickou cestou ustálí. Originální disk se stane vzorem pro další disky. Každý disk dostane tenký hliníkový povlak, který zvětší jeho odrazivost, a pak se ošetří ochrannou vrstvou laku.
Laser v lékařství - Před zavedení laserové chirurgie musel každý, kdo měl nějaký patologický výrůstek, rakovinu nebo sekundární šedý zákal, podstoupit k jejich odstranění větší operaci. Dnes je možné pomocí laserových paprsků "nekrvavou" operací odstranit patologické útvary a opravovat tkáně bez řezání, s menší bolestí a bezpečněji. Laserová chirurgie je založena na principu vedení světla optickým vláknem. Laserový paprsek je sám formou světla s velkým množstvím energie. Tuto
energii absorbuje tkáň, kterou je třeba odstranit, tedy zahřívá se.
Dávkováním tepelné energie může lékař nežádoucí buňky spálit- doslova vypařit. Dále se laserových paprsků používá k zahřívání tkání do té míry, aby se svařily, např. k zastavení krvácení. Lasery, ve kterých se používá oxid uhličitý, produkují světelné paprsky, jenž jsou absorbovány tkáněmi v hloubce pouze 1 mm. Proto se dají použít jako laserový skalpel k jemným řezům do tkáně. Lasery používající chemikálii, jejímž základem je kov neodym, produkují světlo, které absorbují tkáně ve větší hloubce,
takže je vhodné k destrukci rakovinných nádorů. Lasery používající plyn argon produkují charakteristické modrozelené světlo, které je vstřebáváno hemoglobinem. Paprsky z argonového laseru se mohou použít např. tam, kde je velké množství hemoglobinu, např. v mateřských znaménkách.
Hologramy
Hologram je fotografie vytvořená s pomocí laserového světla. Vidíme na ní trojrozměrný obraz předmětu tak, jak je tomu v reálné skutečnosti. Hologramy vznikají rozdělením laserového svazku na dva. Jeden svazek tzv. referenční směřuje přímo na fotografický film, druhý dopadá nejprve na hologramový předmět a tím si poruší uspořádanou strukturu světelných vln. Film zachytí způsob, kterým je nanesený předmětový svazek rozhází neporušený referenční svazek a vytvoří tak trojrozměrný obraz předmětu.
Závěr: Jak je vidět, laser se stal běžnou součástí našeho každodenního života a značně ulehčuje práci v mnoha oborech lidské činnosti. Přesto však máme v jeho potenciálním využití ještě značné rezervy.
Zdroje: Engst Pavel: Aplikace laserů ( SNTL 1989)
Štoll Ivan: Laser a optoelektronika ( Panorama 1989)
http://www.hyperlink.cz/tks/laser.htm
Maturita.cz - referát (verze pro snadný tisk)
http://www.maturita.cz/referaty/referat.asp?id=5179