Laser

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
laser vynalezen, nezdálo se, že by to rešilo nejaký naléhavý sociální nebo vedecký
problém.
"Mnoho mých prátel si ze me kvuli nemu utahovalo: 'Pekné rešení, k cemu je ale
dobré?' Nic zvláštního na tom nevideli," ríká Charles Townes, vedecký poradce
spolecnosti Novalux. Je uznáván jako spoluvynálezce maseru -- jenž je podobný laseru,
místo svetla však používá mikrovlny -- i laseru. Townes obdržel první patent za lasery
jakožto telekomunikacní zarízení v roce 1960. V roce 1964 obdržel Nobelovu cenu za
fyziku.
Townes, posléze pusobící na fakulte Columbia University v New Yorku, se pustil do
vynalézání lepší metody merení svetelných vln.
"O odchlípené sítnici jsem nikdy neslyšel, ale práve to byla jedna z prvních lékarských
aplikací laseru," ríká.
Lasery se nejcasteji používají pro zajištování prenosu po optických vláknech,
generování a zesilování signálu a jejich distribuci prostrednictvím vláknové optiky.
Kvalitnejší paprsek
Na druhé strane polovodicové lasery, které jsou mnohem rozšírenejší, jsou velmi malé
a spotrebovávají jen velmi málo energie. Jsou dvou typu: edge-emitting (emitující
okrajem) a vertical-cavity (s vertikální dutinou).
V prípade okrajem emitujících laseru, které jsou levnejší než lasery s vertikální dutinou,
jsou postranní plošky polovodice odštípnuty tak, aby vytvorily zrcadlo, a paprsek
vystreluje z okraje materiálu. Zatímco se takových laseru každorocne vyrobí a použije
v zarízeních jako CD prehrávace více než 50 milionu, zrcadla a tedy i paprsky trpí
nepresností a nehodí se pro stavbu vysokorychlostních sítí.
Vláknová optika spoléhá na presnejší lasery s vertikální dutinou. Ty jsou po tisících
kusech vytváreny na velmi malých oplatcích. Samotné lasery mohou být menší než 1
krychlový milimetr. Výrobci vytvárejí velmi presné paprsky tak, že do každého zrcadla
laseru -- známého jako horní a dolní Braggovo zrcadlo -- zabudovávají více než 100
vrstev.
Presnost též plodí úcinnost: Zatímco okrajem emitující laser v CD prehrávaci potrebuje
pro svou cinnost kolem 30 miliwattu, jeho ekvivalent s vertikální dutinou by vyžadoval
pouze 2 miliwatty. Cím kulatejší je paprsek, tím presneji se laser "spojí" s kabelem
tvoreným optickými vlákny, vysílaje do kabelu signály na mnohem vetší vzdálenost, po
jejímž prekonání je nutné tyto signály zesílit, což šetrí peníze.
Výkonnejší lasery rovnež zvyšují úcinnost prenosu.
Firma Novalux vynalezla ješte výkonnejší 300 miliwattový laser s vertikální dutinou,
menší, než podobné lasery, a s levnejší výrobou. "Veci, které omezují spojitou
rozširitelnost optických sítí, jsou náklady a výkony budoucích laseru. Nižší náklady by
mohly do velkomestských oblastí privést mnohem více optického vlákna," ríká
Thompson. Optický kabel je levný, lasery nikoliv. Thompson predpovídá, že jeho
spolecnost bude nakonec schopna vyrobit velmi malý jednowattový NECSEL.
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