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.