Světlo X: Koherentní zdroje záření

V desátém díle seriálu o světle se budeme věnovat velmi rozsáhlé kapitole o maserech a laserech. Jedná se o přístroje na výrobu velmi koherentního a monochromatického elektromagnetického záření, které za posledních 60let umožnily obrovský technologický pokrok optiky. Nejprve si vysvětleme, proč je důležité vyrábět koherentní zdroje záření, poté vysvětlíme fyzikální princip laseru.

O monochromatickém světle jsme se již zmínili v díle o disperzi světla. Jedná se o světlo se stejnou vlnovou délkou, resp. frekvencí záření. Koherentní vlnění je vlnění s konstantním fázovým rozdílem. Zároveň tedy vlnění o stejné frekvenci (monochromatické) a stejném směru kmitání. Koherentní vlnění můžeme vyrobit například konstruktivní či destruktivní interferencí. Koherentní elektromagnetické záření má velmi malou rozbíhavost paprsku a díky vysoké monochromatičnosti má možnost fokusace (zaostření) do velmi malé plošky a tím soustřeďuje velké množství energie.

LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) a jeho předchůdce MASER (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation) jsou nejdokonalejšími a nejrozšířenějšími zdroji takovéhoto elektromagnetického záření. Jejich fyzikální princip je stejný, liší se pouze frekvenční oblast vystupujícího záření a proto tedy existují i odlišnosti v technologických detailech. Právě ty byly hlavním problémem výroby prvního plně funkčního laseru. K fyzikálnímu popisu musela být použita kvantová elektronika, za kterou sovětští fyzici Nikolaj Basov a Alexandr Prochorov spolu s konstruktérem prvního maseru (1953), Charles Townesem, dostali v roce 1964 Nobelovu cenu za fyziku.

Tento prototyp prvního maseru však nedokázal pracovat nepřetržitě, proto je za vynálezce laseru obecně považován Theodore H. Maiman (1927-2007), který roku 1960 v USA předvedl již funkční laser.

Přes nepřeberné množství druhů laserů má většina z nich společný princip. Laser je tvořen aktivním prostředím [na obrázku označeno 1], zdrojem [2] a rezonátorem [3,4].

Aktivní prostředí je látka, ve které vzniká zdroj fotonu. Dochází zde k excitaci elektronů do vyšších energetických hladin. Po opětovném přeskoku elektronu na základní energetické hladiny dochází k emisi fotonů. Podle použitého aktivního prostředí můžeme lasery rozdělit do několika základních skupin: plynové, pevnolátkové, polovodičové nebo diodové, kaskádní a lasery na volných elektronech. Jednotlivé skupiny podrobněji probereme v dalším dílu seriálu.

Máme dva základní mechanismy emise daných fotonů, spontánní a stimulovaná emise.
Při spontánní emisi dochází ke kvantovému vyzáření z excitovaného elektronu při přeskoku na základní energetickou hladinu. Vyzářený foton má energii danou přesně energetickým rozdílem těchto hladin. Má ovšem náhodný směr, polarizaci a fázi. Této emisi říkáme luminiscence nebo fluorescence. Nedojde-li k tomuto zářivému přechodu z důvodu absorpce uvolněné energie například ve formě tepla, mluvíme tak o rekombinaci.

Stimulovaná emise je velmi důležitá pro funkčnost laseru. Teoreticky ji předpověděl již v roce 1917 A. Einstein a v roce 1928 ji napozoroval R. W. Landenburg společně s H. Kopfermannem. Jedná se opět o kvantový jev, při kterém dopadající částice (nejčastěji foton) stimuluje přechod excitovaného elektronu do základního stavu za současného vyzáření dalšího fotonu se stejnými vlastnostmi jako má stimulující částice. Ke stimulované emisi musí dojít dříve, než elektron emituje spontánně (10-3 až 10-7 s). Vyzářený foton má pak stejnou vlnovou délku, polarizaci a směr jako stimulující foton. Navíc díky této emisi roste lineárně počet vyzařovaných fotonu (viz dále).

Nutnou podmínkou, aby k stimulované emisi docházelo, je dostatek excitovaných elektronů. Tomuto stavu říkáme inverzní populace. Za normálních okolností se intenzita světla při průchodu látkou snižuje, neboť počet atomu v základním stavu (označme tento počet N1) je o mnoho vyšší než počet atomu v excitovaném stavu (označme tento počet N2). Inverzní populací nazveme stav když N2>N1. Většina laseru využívá právě této stimulované emise při inversní populaci. Pravděpodobnost toho, že nastane stimulovaná emise, popisuje Einsteinův vztah

kde B je Einsteinův koeficient stimulované emise a φ(n) je hustota dopadajícího záření. Vidíme, že to odpovídá lineární úvaze v předchozím odstavci.

Zdroj energie pro excitaci elektronu je nejčastěji elektrický proud, který například přes výbojku dodává zdroj fotonů pro prvotní excitaci elektronu. Po dosažení stavu inverzní populace začíná v aktivním prostředí stimulovaná emise. Je ovšem potřeba neustále dodávat elektrickou energii k udržení tohoto stavu tzv. prahový proud Ip. Tomuto procesu říkáme čerpání. Různé typy laseru mají rozdílné způsoby čerpání. Na následujícím grafu je vidět závislost optického výkonu laseru (resp. pravděpodobnost stimulované emise) na dodávaném čerpaní elektrickým proudem.

Rezonátor je spolu s čistotou aktivního prostředí nejsložitější technologická součást laseru. Umístění aktivního prostředí mezi rezonátor způsobuje více násobnou stimulovanou emisi. Rezonátor jsou nejčastěji dvě rovnoběžná zrcadla, od kterých se paprsek odráží tam a zpět. Opětovným průchodem aktivním prostředím podporuje stimulovanou emisi a narůstá počet fotonů. Takovému to rezonátoru se říká tzv. Fabry-Perovův. Je to totiž analogie s Fabry-Perotovým interferometrem a i zde dochází k této následné interferenci, která je pro laser důležitá.

Vlivem konstruktivní a destruktivní interference při odrazech paprsku od zrcadel rezonátoru dochází k ustálení (stacionární konfigurace) elektromagnetického pole tzv. modů či vidů. Mody mohou být tvořeny pouze zářením o vlnových délkách takových, že rozměry rezonátoru lze vyjádřit jako celistvý násobek jejich poloviny. Jedná se tedy o charakter stojatých vln. Proto u některých laserů hovoříme o vyšších harmonických frekvencích.

Tento interferenční princip velmi pomáhá k zlepšení koherentnosti výsledného záření. Výstupní paprsek se pak propouští malým polopropustným zrcátkem uprostřed jednoho z rezonančních zrcadel. Každý druh laseru používá trochu jiný resonátor. Některé lasery mají tak silnou emisi, že resonátor dokonce ani nepotřebují. Těm pak říkáme, že pracují superradiačně.

Lasery a masery nalezli uplatnění v mnoha odvětvích. Používají se k řezání a sváření, přesnému měření, při lékařských ošetření, v řadě vědeckých pokusů a moderních komunikacích pomocí optických kabelů a jiné. Dnes již není problém si kvalitní laserové ukazovátko koupit za pár korun, ale uvidíme, že technologická náročnost některých laserů je obrovská. V astronomii se lasery také velmi využívají a to jako adaptivní optika, která umožňuje korekci zobrazovacích chyb způsobených turbulencemi v atmosféře Země nebo pro velmi přesná měření pohybu blízkých objektů (například Měsíce či jiných planet).

jméno (povinné)

e-mail (nebude zveřejněn) (povinné)

web