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