Laser Lasery Vznik stimulovanej emisie, ktorá sa stala základom všetkých zosilnovacov a oscilátorov, po prvý raz vysvetlil Albert Einstein vo svojej práci "Ku kvantovej mechanike žiarenia" v roku 1917. Prvé experimentálne dôkazy o stimulovanej emisii podali Ladenburg a Kopferman v roku 1928.V roku 1954 bol vo Fyzikálnom ústave Akadémie vied ZSSR pod vedením Basova a Prochorova a na Kolumbijskej univerzite pod vedením Townesa vytvorený prvý kvantový oscilátor v centimetrovom pásme (MASER - Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation).O niekolko rokov neskôr bolo zostrojené obdobné zariadenie zosilnovacie a generujúce v optickej spektrálnej oblasti(Light - svetlo = LASER - Light amplification by stimulated emision of radiation). Prvý rubínový laser v roku 1959 otvoril brány laserov. Žiarenie laserov svojou velkou koherentnostou (fáza kmitov je po dlhú dobu konštantná) a monochromaticnostou má velkú smerovnost, možno ho velmi dobre sfokusovat získat neobycajne velkú hustotu výkonu v lúci (~1013 W.cm-2). Pozrieme sa bližšie na princíp funkcie rubínového lasera. Základná úroven E1 a stav E2 sú enegetickými pásmi. Prechod z úrovne E2 na E1 je zakázaný - elektrón na úrovni E2 by mal byt úplne stabilný. V praxi to však neplatí; elektrón sa na tejto úrovni udrží po dobu 1/100 sekundy. V porovnaní s inými nestabilnými stavmi (10 na -8 s) je to doba velmi dlhá. Osvietime tycinku vybrúsenú z rubínového kryštálu Al2o3 so zabudovanými iónmi chrómu intenzivným zeleným svetlom, nastane tento proces: Najprv sa dostanú elektróny v dôsledku energie zo základnej hladiny E1 do enegetického pásu E2.Touto vonkajšou energiou je atóm vybudený a naviac nastane tzv. inverzia populácie. Nižšia energetická úroven, inak silno obsadená elektrónmi, sa skoro úplne vyprázdni. Vyššia úroven E2, pôvodne nepatrne obsadená elektrónmi, je mimoriadne husto obsadená. Dosiahli sme tak nahromadenie energie. Atóm prejde zo stavu E2 do E1 uvolni pritom žiariacu energiu (fotón) - samovolná emisia. Ten je dostatocný pre to aby na svojej ceste kryštálovou tycinkou zasiahol iný vybudený atóm. Ten uvolní fotón s rovnakou fázou a vráti sa spät na E1- vynútená emisia. Znamená to, že z tycinky je vyslaný viditelný impulz cerveného svetla. Na túto vlnovú dlžku sú však "naladené" všetky zostávajúce ióny chrómu vybudené do stavu E2.Teda ak zasiahne ión žiarenie, okamžite preskocí do základného stavu a sám pri tom zažiari. Tento dej nazývame indukovaná, alebo stimulovaná emisia svetla. Indukované žiarenie ma rovnaký kmitocet a fázu ako indukované kmity. Jediná spontánna emisia vyvolá trvalé a (pokial je k dispozícii dostatok vybudených atómov) kontinuálne svetelné kmitanie vo vnútri kryštálu. Ak nanesieme na jednu s kruhových stien tycinky polopriepustné zrkadlo, opustí cast žiarivej energie tycinku ako koherentné svetelné žiarenie. Základné typy laserov Lasery je možné rozdelit podla rôznych kritérií. Podla povahy aktívneho prostredia
rozlišujeme lasery:
· pevno látkové · kvapalinové · plynové · lasery využívajúce zväzky nabitých castíc. Podla spôsobu cerpania energie možno lasery rozdelit na lasery cerpané · opticky (výbojkou, iným laserom, slnecným svetlom a radioaktívnym žiarením) · elektricky (zrážkami v elektrickom výboji, zväzkom nabitých castíc, vstrekovaním elektrónov, interakciou elektromagnetického pola so zhlukmi nabitých castíc) · chemicky (energiou chemickej väzby, fotochemickou disociaciou, výmenou energie medzi molekulami a atómmi) · termodynamicky (zohriatím a ochladením plynu) · jadrovou energiou (reaktorom, jadrovým výbuchom) Z hladiska režimu práce môžu lasery pracovat spojito alebo impulzne. Lasery môžeme delit tiež podla vyžarovanej vlnovej dlžky na · infracervené · lasery v oblasti viditelného svetla · ultrafialové · röntgenové Konecne môžeme lasery delit podla použitia na lasery · výskumné · meracie · lekárske · technologické · energetické · vojenské Pridržíme sa delenia podla povahy aktívneho prostredia. Lasery využívajúce pevné látky. Do tejto skupiny patria lasery využívajúce rozptýlené ióny v kryštálových, alebo amorfných látkach, polovodicové lasery a lasery s kryštálmi s farebnými centrami. Rubínový laser. Najstarší laser, prvý raz bol realizovaný T.H.Maimanem v roku 1960. Jeho prostredie tvorí kryštál korundu (oxidu hlinitého, Al2O3),s prímesou chrómu, ktorý predstavuje aktívnu látku. Monokryštál sa získa z taveniny s prímesou zlúcenín trojmocného chrómu pozvolným ochladzovaním. Konce sa zabrúsia, bud kolmo, alebo pod Brewsterovým uhlom. Po nanesení odrazových plôch a vložení do budiaceho žiarenia výbojky ja laser je schopný fungovat. V dnešnej dobe sa viac využíva laser s eliptickými zrkadlami. Svetlo vydávané výbojkou umiestenou v jednom ohnisku sa sústreduje v druhom ohnisku, kde je umiestnený kryštál. Je to laser trojhladinový pracujúci v pulznom režime. Pulzný režim je potrebný, pretože sa kryštál pri cerpaní energie silne zohrieva. Laser vyžaruje cervené svetlo o vlnovej dlžke 0,6943 mikrometru a pohlcuje energiu svetla výbojky. Neodýmový laser. Najrozšírenejší, aktívnou látkou je materiál, s aktivovanými iónmi vzácnych plynov. Pracujú podla 4urovnového modelu. Lasery YAG S kryštálom yttrito - hlinitého granátu dotovaného neodymom. Neodýmové sklo môže byt vyrábané v prakticky neobmedzených rozmeroch a dosahuje tak velkých laserových energií. Laser vyžaruje infracervený lúc z velkou energiou. YAG laser, vyznacuje vysokou úcinnostou, stací ho osvietit žiarovkou a môže vydávat spojité svetlo s výkonom stovky wattov. YAP lasery kryštálom yttrio - hlinitého perovskitu. Polovodicový laser. Atómy emitujú pri prechode z vyššej energetickej hladiny na nižšiu svetlo. Stimulovaná emisia nastáva vtedy, ak zosílenie zátaže v optickom rezonátore, ktorý je v oblasti PN, ktorý vyrovná nevyhnutné straty. Budený je napätím v priamom smere. Toto napätie vyvolá vznik prúdu prechodom, vyvolá žiaducu inverziu obsadených energetických pasov v oblasti prechodu PN. Polovodic je tak vybudený a zachováva v sebe energiu. V tomto stavu nie je polovodic ešte laserom. Je to LED-dióda (light emitting diode) Dalej zvyšujeme prúd prechádzajúci polovodicom, dosiahneme zosílenie, pricom je splnená podmienka samobudenia. Nad týmto prahom zacne dióda pracovat ako laser. Laser pracuje na vlne 0,840 mikrometru. V dalšom vývoji polovodicových laserov zohrala zásadnú úlohu práca sovietských vedcov, ktorí našli spôsob vytvárania štruktúr heteroprechodov. Vedla injekcných polovodicových laserov sa podarilo realizovat i elektroionizáciu polovodicových laserov. Lasery využívajúce kvapalné látky Pracujú s chelátmi rôznych prvkov vzácnych zemín sa objavili už v roku 1963. Výhodou je, že môžu zaberat neobmedzene velký objem a sú dokonale homogénne. Nevýhodou ale je, že sa chemicky rozkladajú. Dôležitou skupinou sú však farebné lasery, ktoré využívajú roztok rôznych organických látok, napríklad rhodaminu. Lasery na farebných centrách kryštáloch s rôznymi defekty vyvolávajúce vybudenie na rôznofarebných spektrálnych ciarach (kryštál KCl s prímesou lítia). Lasery využívajúce plynné látky Laser helium - neonový generujúci cervené (na vlne 0.6328 mikrometru), infracervené žiarenie. Helium-neonový laser Tvorí dlhá sklenená trubica naplnená zmesou neonu a hélia, v nich sa budí elektrický výboj na vysokom kmitoctu najcastejšie vonkajšími elektródami. Konce trubice bývajú skosené pod Brewsterovým uhlom a celá trubica je umiestnená medzi zrkadlami vonkajšieho rezonátoru. Ako aktívny plyn pôsobí neón. Lúc má vysokú stabilitu kmitoctu (vyššiu ako u maseru) a malú rozbiehavost. To predurcuje hélium-neonový laser k funkcii presných hodín a k úcelom telekomunikacným a geodetickým. Argónový laser Vydáva modrozelené svetlo (zelené na vlne 0,514 mikrometra a modré na vlne 0,488 mikrometra). Je pre neho typická vysoká hustota elektrického prúdu pretekajúceho výbojom a vysoká teplota. Výbojová trubica sa obycajne zhotovuje z keramického materiálu a prúd sa izoluje od stien magnetickým polom. Laser je schopný generovat desiatky wattov vo spojitom režime a je vhodný i pre technologické úcely. Hélium-kadmiový laser Je zaujímavý tým, že je 3farebný - vyžaruje svetlo modré, zelené a cervené. Najvýkonnejšími z plynových laseru sa stali laser s oxidom uhlicitým (CO2 laser) a lasery chemické. Laser s oxidom uhlicitým generuje infracervené žiarenie na vlne 10,6 mikrometru. Vzhladom k velkosti trubice môže podávat vysoké výkony. U tohoto laseru sa postupne uplatnovali nové spôsoby cerpanie energie. V roku 1966 využili tepelnú energiu, ktorá vzniká pri prudké expanzii zohriateho plynu. Tak boli realizované. Gazodynamické lasery S rýchlym, nadzvukovým prúdom oxidu uhlicitého. V rokoch 1970-1971 to potom bolo cerpanie pomocou zväzku elektrónu (elektroionizacný laser EIL). To umožnilo použit plyn pod vysokým tlakom a dalej zvýšit laserový výkon. V roku 1969 vznikli v USA lasery s oxidom uhlicitým pod atmosférickým tlakom a s priecnym budením (tak zvané TEA lasery, transverse excitation atmospheric - priecne budenie, atmosferické). Takéto lasery umožnujú vytvorit výkonné tepelné stroje s uzavretou cirkuláciou plynu, v nich sa tepelná energia mení na obrovskú energiu infracerveného žiarenia. CO2 laser nachádza uplatnenie v technológii, vo vojenskej a kozmickej technike a vo vedeckom výskume. Chemické lasery Využívajú k cerpaniu energiu do aktívneho prostredia energie exotermických retazových chemických reakcií. Prví takýto laser s použitím reakcie medzi vodíkom a chlórom bol zkonštruovaný v roku 1965 a prvé výkonné lasery tohoto druhu založené na reakcii vodíku a fluóru vznikli v roku 1969. Zvláštnym druhom chemického laseru založeného na disociácii molekúl ultrafialovým žiarením (tzv. fotodisociacní laser) je laser jódový. Po dlhou dobu neboli k dispozícii lasery generujúce ultrafialové žiarenie. Podarilo sa ho nakoniec získat pomocou špeciálnych laserov plynových (dusíkový laser), avšak rozhodujúcí obrat znamenali až lasery excimerové. Tato skupina laseru využíva ako aktívneho prostredia zvláštneho druhu molekúl, excimeru, vytváraných za úcasti atómu vzácnych plynov. Tieto molekuly, inak nestabilné, môžu existovat len za zvláštnych podmienok, napríklad v plynovom výboji, s atómami vo vysoko vybudených, excitovaných stavoch. Pri rozpadu týchto exotických molekúl vzniká práve ultrafialové žiarenie. Prví excimerový laser bol realizovaný v roku 1970. Išlo o laser s kvapalným xenonom budený elektrónovým zväzkom. V roku 1976 sa objavili plynové excimerové lasery s excimery XeF, KrF, ArF, teda molekulami tvorenými atómami vzácnych plynov a fluóru. Lasery využívajúce zväzky nabitých castíc. Tieto lasery nepracujú na kvantových prechodoch, ale využívajú synchronizované oscilácie castíc. Boli yytvorené lasery zo zväzkom rýchlych elektrónov, tzv. FEL lasery (skratka za free electron lasers), lasery na volných elektronóch, prípadne iných nabitých casticiach. Takéto lasery majú tesnú náveznost na urýchlovace. Použitie laserov Laser je technológie, ktorá stojí u rady lekárskych zázrakov, je nepostrádatelnou súcastov ideje hviezdnych vojen, všade doprevádza moderní život a stáva sa také klúcom k vysokorýchlostným komunikáciam. Tvorí základní súcast vašeho CD prehrávaca, skeneru v pokladni supermarketu a tiež tlacové hlavy vašich laserové tlaciarni.. Ked vecšina ludí premýšla o laserech, týkajú sa ich myšlenky zrejme hlavné hranicní medicíny a zbraní, ktoré používajú zlí mimozemstí géniovia. Jedným z odkazov význacného miesta laserov v sci-fi literatúre a filmoch je ich sila symbolizújúca futuristickou technológii. Ale ony sa práve staly chrbticou dnešného telekomunikacného priemyslu. Rychlá data Zacínající firma Novalux ze Sunnyvale v Kalifornii práve vynalezla nový laser s názvem NECSEL (Novalux Extended Cavity Surface Emitting LASER -- rekneme: povrchove emitující laser s rozšírenou dutinou). NECSEL znacne zvyšuje množství informací, které je možné levne zasílat pomocí optického vlákna. To je rajská hudba znející do uší prumyslovému oboru, jenž roste 40% rocním tempem. Brzy by vám lasery dokonce mohly dovolit bežne bezdrátove komunikovat nebo by mohly nahradit obrazovku ve vaší televizi. "Snad až príliš zjednodušující predstava laseru je pravdepodobne odvozena z té staré bondovky o laserovém paprsku sjíždejícím po Seanu Connerym. Je to velké staré zarízení, z nehož vyzaruje paprsek s kruhovým prurezem. Tato predstava je v podstate správná, avšak všechny dnešní lasery vyzarující mohutné paprsky pocházejí z plynových laseru nebo laseru využívajících pevnou fázi," ríká Malcolm Thompson, prezident a výkonný reditel Novaluxu a bývalý technický reditel výzkumného centra Xeroxu v Palo Alto. Dnes jsou obvyklejší miniaturní polovodicové lasery, takové, jaké naleznete v tiskových hlavách laserových tiskáren. K cemu je laser Když Akademie ved USA sestavovala seznam dvaceti nejvýznamnejších úspechu vedy
- 20. století, vedle elektrifikace se v nem objevily lasery i vláknová optika. Když však byl
Optické vlákno až k plotu a domu:
Prekážkou všudyprítomného vysokorychlostního prístupu k síti z domova i podniku je takzvaná poslední míle. V dusledku vysokých nákladu na pokládku optických kabelu a na lasery potrebné pro vysílání signálu vetšina telekomunikacních spolecností používá na prekonání poslední míle med. Avšak medené dráty nemohou prenést více než 10 megabajtu za sekundu. Aby se dosáhlo lepšího výkonu, mohou být využívána soubežná vedení. Náklady však potom rostou. Jakmile cena laseru klesne a bude je možné nákladove efektivne instalovat v každé domácnosti, vláknová optika a širší pásmo se stanou schudnými i pro domácnosti.
Automobily:
"Mužete ocekávat, že optické vlákno zanedlouho najdete v každém aute," ríká Gary Oppedahl, viceprezident pro obchodní operace firmy Novalux. "Proc v aute potrebujete neco tak rychlého? Duvodem je hmotnost." Výrobci automobilu do svých vozidel pridávají další a další systémy, soucasne se však snaží vozidla odlehcit. Mercedes-Benz již pro snížení hmotnosti optické vlákno používá. Stejne jako medené vodice byly v aute nahrazeny kremíkem, také vlákno, ovšem z plastu, dále sníží zatížení dnešních vozidel.
Digitální divadlo:
"Pokud jste obdrželi krásný, kruhový, dobre se chovající paprsek, mužete jej promítat na nekonecnou vzdálenost a zacít hovorit o elektronickém kine," ríká Thompson. Protože lasery umožnují rídit obraz témer na molekulární úrovni, jsou možné velmi presne rízené displeje s prední i zadní projekcí, pohybující se od stolní velikosti až po velikost kina nebo vetší, s výjimecne vysokou kvalitou obrazu. V nejbližší budoucnosti by se televizní vakuové obrazovky i ploché panely mohly stát starou veteší. Lidar Ligt detection and ranging -- lidar (detekce svetla a pohyb v urcitém rozmezí) je podobný radaru. Avšak zatímco radar se používá k merení rychlosti, vzdálenosti a smeru rádiové vlny, lidar spoléhá na laserovou diodu. Používá rovnež mnohem užší paprsek, což vede k vetší presnosti merení. Na rozdíl od konvencního radaru se laserové svetlo mnohem obtížneji detekuje, což jej ciní vhodnejším pro vojenské použití. Dríve, než se lidarové prístroje stanou všudyprítomnými v letadlech, musí ješte dojít ke zmenšení jejich celkových rozmeru.
Analýza skal na Marsu:
NASA muže ke zkoumání Marsu brzy použít laserove buzenou spektroskopii. Ponevadž materiály nacházející se v pouštním prostredí planety jsou casto velmi zvetralé, mohou být pokryty až 2mm vrstvou hlíny a jiných smesí. Lasery, jsou-li aplikovány na vzorky pudy, vzduchu nebo vody, se propálí zvetranou vrstvou a odparí vzorek. Protože každý atom emituje jedinecnou spektrální strukturu, vedci budou schopni rozlišit složení vzorku, dokonce i pri prítomnosti menšího množství prvku než 2 cástice v milionu. Mathew Schwartz