Laser

Laser
Laser
Laser patrí medzi mladšie vynálezy 20. storocia. Ale aj tak mu je tento rok už 42 rokov,
stal sa neoddelitelnou súcastou nášho života.
Slovo samé je skratkou anglického výrazu "Light Amplification by Stimulated Emission
of Radiation", co sa prekladá ako "zosilenie svetla pomocou vynútenej (stimulovanej)
emisie žiarenia". Slovenský výraz pre laser je "kvantový generátor svetla". Z názvu je
zrejmé, že laser je zariadenie, ktoré vydáva svetlo. Od bežného svetla (napr. svetla
žiarovky) sa však líši tím, že je monochromatické (jednofarebné), koherentné
(usporiadané) a má malou divergenciu (rozbiehavost). Energiu môžeme dodávat
rôznym spôsobom, napríklad opticky (svetlom výbojky), chemicky, elektricky atd.
Vzhladom samotných laserov je velmi rôznorodý. Záleží hlavne na druhu laseru, na
jeho konštrukcie a v neposlednej rade na jeho použitiu. Koherentné svetlo má jedinú
frekvenciu a fázu a ide ju prirovnat k pochodujúcemu vojenskému útvaru, zatial
nekoherentné svetlo k davu ludí pohybujúcich sa chaoticky po ulici. Cinnost laseru je
založená na princípe indukovanej emisie, ktorú Albert Einstein predpovedal už v roku
1916. Talentovaný anglický fyzik Paul Adrien Maurice Dirac spravil koncom 20. rokov
ešte detailnejšiu matematickú analýzu kvantovej teórie žiarenia a dalej rozvinul
Einsteinove myšlienky. Avšak až v roku 1958 spravil Charles Hard Towens (neskorší
nositel Nobelovej ceny za fyziku) sa so svojimi spolupracovníkmi správne výpocty,
ktoré umožnili tuto myšlienku realizovat. Koncom roku 1959 sa zacala pozornost
vedcov obracat k rubínu, jednému z najušlachtilejších drahých kamenov. Vedci však
zaujímalo to, že rubín javí fotoluminiscenciu. V lete roku 1960 americký fyzik T.
Maiman vyleštil koncové steny kryštálu umelého rubínu a opatril ju vrstvickou striebra
(vo funkcii zrkadla). Po ožiarení kryštálu zeleným svetlom prenikol jedným zo zrkadiel
cervený lúc laserového svetla. Maiman sa tak stal tvorcom prvého laseru.
Stimulovaná emisia
Predstavme si atóm, ktorý má iba dve energetické hladiny (dvojhladinový systém) a
môže prechádzat z jednej hladiny na druhú za súcasného pohltenia alebo vyžiarenie
kvanta elektromagnetického žiarenia. V prvom prípade máme atóm na hornej
energetickej hladine. V niektorom okamžiku, ktorý nejde vopred urcit, opustí atóm
hornú hladinu a prejde na hladinu spodnú. Zároven vyžiari kvantum energie, hovoríme
o spontánnej emisie. V dalších dvoch prípadoch dopadá na atóm kvantum
elektromagnetického žiarenia.
Ak ho zastihne na spodnej energetickej hladine, môže byt atómom pohltený a atóm
preskocí na hornú hladinu, hovoríme o absorbovaní. Ak stretne sa žiarenie s atómom
na hornej hladine, môže ho donútit vyžiarit další kvantum energie a prejst na spodnú
hladinu, hovoríme o indukovanej emisie.
Dnes môžeme lasery rozdelit do rôznych kategórií. Podla materiálu, z ktorého môže byt
získaný laserový efekt delíme na:
o tuhé
o kvapalné
o plynné
o lasery využívajúce zväzky nabitých castíc.
Podla cerpania energie môžeme lasery rozdelit na:
o opticky (výbojkou, iným laserom, slnecným svetlom a rádioaktívnym zariadeným)
o elektricky (zrážkami v elektrickom výboji, zväzkom nabitých castíc, injektážou
elektrónov, interakcií elektromagnetického pole sa zhluky nabitých castíc)
o chemicky (energií chemickej väzby, fotochemickou disociaciou, výmenou energie
medzi molekulami a atómmi)
o termodynamicky (zahriatím a schladením plynu)
o jadernou energií (reaktorom, jadrovým výbuchom)
Lasery môžeme delit tiež podla vyžarovanej vlnovej dlžke na:
o infracervené
o lasery v oblasti viditelného svetla
o ultrafialové
o röntgenové
Konecne môžeme lasery delit podla použitia na:
o výskumné
o merací
o lekárske
o technologické
o energetické
o vojenské
Lasery využívajúce pevné látky
Do tejto skupiny patria lasery využívajúce rozptýlené ionty v kryštalických nebo
amorfných látkach, polovodicové lasery a lasery s kryštálmi s farebnými centrami.
Najstarším laserom je laser rubínový. Ako aktívne prostredie je použitý kryštál korundu
(Al2O3) s prímesami chrómu (rádové desatiny percenta), ktorý predstavuje aktívnu
látku. Laser vyžaruje cervené svetlo s vlnovou dlžkou 0,6943 mikrometru a pohlcuje
energiu svetla výbojky (kratšej vlnovej dlžky, zelenú cast spektra). Skôr sa používali
výbojky tvaru závitnice, ktorá ovíjala kryštál. Výroba takejto výbojky ale cinia
problémy, preto sa prešlo na lasery s eliptickými zrkadlami. Svetlo vydávané výbojkou
umiestnenou v jednom ohnisku sa sústreduje v druhom ohnisku, kde je umiestený
kryštál. Je to laser trojhladinový pracujúci v impulznom režime. Impulzní režim je
nutný, pretože sa kryštál pri cerpaní energie silne zahrieva.
Najrozšírenejšie sú lasery s neodymovým sklom, kde sú ionty neodymu rozptýlené v
sklenenej matrici a lasery YAG s kryštálom yttrio - hlinitého granátu dotovaného
neodymem. Neodymové sklo môže byt vyrábané v prakticky neobmedzených
rozmeroch a dosahovat tak velkou laserovou energiu. Atómy neodymu pracujú ako
štvorhladinový systém. Laser vyžaruje infracervený lúc o velkej energii.
Pokial ide o YAG laser, vyznacuje sa vysokou úcinnostou, stací ho osvetlit obycajnou
žiarovkou a môže vydávat spojité svetlo o výkonu stovky wattov. V poslednej dobe sa
osvedcuje aj takzvané YAP lasery s kryštálom yttrio - hlinitého perovskitu.
Lasery kvapalinové
Kvapalinové lasery pracujúce s cheláty 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 najme farebné lasery, ktoré využívajú roztokov rôznych
organických látok, napríklad rhodaminu. K týmto kvapalinovým laserom patria i lasery
na farebných centrách, kryštáloch s rôznymi defekty vyvolávajúce absorpciu na
rôznofarebných spektrálnych ciarach (kryštál KCl s prímesí lithia). Farebné lasery a
lasery na farebných centrách majú spolocnú vlastnost, ktorá ich predurcuje k použitiu v
spektroskopii a v informacnej technike. Sú preladitelné a vlnovú dlžku laserového
žiarenia ide u nich plynule menit.
Lasery plynné
Z plynových laserov sa stal najznámejší laser hélium - neónový generujúci jak cervené
(na vlne 0,6328 mikrometru), tak infracervené žiarenie. Hélium- neónový laser tvorí
dlhá sklenená trubica naplnená zmesou neónu a hélia, v nej sa budí elektrický výboj na
vysokom kmitocte najcastejšie vonkajšími elektródami. Konce trubíc bývajú skosené
pod Brewsterovým uhlom a celá trubice je umiestená medzi zrkadlami vonkajšieho
rezonátora. Ako aktívny plyn pôsobí neón. Lúc má vysokú stabilitu kmitoctu (vyššiu než
u maseru) a malou rozbiehavost. To predurcuje hélium- neónový laser k funkcii
presných hodín, presného dialkomeru a k úcelom telekomunikacným a geodetickým.
CO2 laseri a rezanie s nimi
Co sa týka kvality zväzku nie je o com pochybovat. Rozloženie energie je možné
názorne pozorovat na nasledujúcich obrázkoch. Kužel, ktorý vypaluje tento laser do
plastu je pomerne symetrický. Interakcia nefokusovaného zväzku prebiehala po dobu
asi desiatich sekúnd zo vzdialenosti 20cm od výstupného zrkadla.
Pri práci s lasermi si vždy dávajte pozor na svoj zrak. Chránte si ho vhodnými
ochrannými prostriedkami. V prípade CO2 (10,6μm) to nieje vôbec tažké. Stací ak
použijete lubovolné okuliare s kremenným alebo plastovým sklom. Žiarenie CO2 laseru
je silno absorbované týmito materiálmy. Nikdy sa však nepozerajte priamo do
výstupného zrkadla laseru. Ak by ste priamo ožiarili sklenené okuliare, mohlo by dôjst
k ich popraskaniu a úrazu by ste sa asi nevyhli.
Plast má výhodu, že sa Vám pred ocami zacne rozrušovat, co Vás okamžite vedie k
reflexu odtiahnut hlavu z nebezpecného miesta.
Lasery využívajúce zväzky nabitých castíc
Tieto lasery nepracujú na kvantových prechodoch, ale využívajú synchronizované
oscilovanie castíc. Boli vytvorené lasery so zväzkami rýchlych elektrónov, takzvané FEL
lasery - skratka z free electron lasers, lasery na volných elektrónoch, prípadne iných
nabitých castíc. Takéto lasery majú tesnú náväznost na urychlovace.
Každý z týchto laserov našiel uplatnenie v inej oblasti ludskej cinnosti. Nie každý laser
sa hodí pre každý úcel.
Väcšina laserov s ktorými sa bežne stretávame, sú laseri malého výkonu pracujúce
kontinuálne (spojite, nepretržite). Od bežných laserových ukazovatiek, cez laserové
tlaciarne, kopírky alebo CD-ROM mechaniky až k laserovým efektom známym z
rockových koncertov. Taktiež pri prenose informácii sa používajú lasery pracujúce v
nepretržitom režime. Dalej sa lasery používajú pri meraní vzdialeností, pri operácii ocí
(odstránenie ci zmenšení krátkozrakosti) apod.
Pri zvarení, rezaní, vrtaní ci chirurgii je urcujúci charakteristikou výkon laseru, preto sa
tu uplatnujú impulzné lasery. Výkon laseru totiž taktiež závisí na dlžke laserového
impulzu, a tak cím bude impulz kratší, tím väcší bude výkon. Skracovanie dlžky
impulzu viedlo až k niekolkým nanosekundám, cím sa docieli výkonu zrovnatelného s
malými elektrárnami.
Bohužial si laser našiel velmi rýchlo cestu i v vojenskej oblasti (navadenie strel a
bômb) a špionáži (laserový mikrofón).
Aj preto, že clovek pri konštrukcii laseru zvládol mnoho, co sa týka energetickej
úcinnosti, prírodu - podobne ako v iných oblastiach - sa mu prekonat nepodarilo, lebo
zatial co v žiarovke sa menia len necelé 3% elektrické energie na svetlo, u žiariviek
nieco okolo 10 - 15% a u laseru okolo 20%, "obycajná" svätojánska muška dokáže
premenit svoju biochemickou energiu na svetlo takmer na 100%. V tomto ohlade
prekonáva príroda všetko, co sa zatial podarilo cloveku dosiahnut.