Světlo XI: Laser

V minulém díle seriálu o světle jsme si vysvětlili základní princip přístrojů pro výrobu koherentního světla tj. laser. I když lasery známe z běžného života, což je dáno jeho nesčetnými aplikacemi, je to velmi technologicky složitý přístroj. Až jeho komerční rozvoj v 80. letech minulého století dovolili snížení jeho ceny pro běžného uživatele. Rozvoj fyzikálního inženýrství na poli optiky, kondenzovaných látkách a nanotechnologii a její sériová výroba umožnila to, že se lasery vyžívají například jako ukazovátka či jako speciální efekty při hudebních vystoupeních.

Víme, že lasery se primárně dělí podle složení aktivního prostředí, ve kterém probíhá stimulovaná emise při inverzní populaci. První laser využíval jako aktivní prostředí krystal rubínu (minerál korund Al2O3 s příměsí chromu) a tedy dnes definovaný jako pevnolátkový nebo monokrystalický. Postupem času se dále vyvinuly plynové, polovodičové, kapalino-organické a lasery na volných elektronech.

Pevnolátkové lasery mají aktivní prostředí tvořené krystalickou látkou. Pevné látky mají tu vlastnost, že dovolené energetické hladiny v elektronových obalech atomů tvoří pásy, mezi kterými může elektron při stimulované emisi přeskakovat. Zakázaný pás (ang. gap) je pro monokrystaly používané v penvolátkových laserech od 0,4eV do 2,5eV. To odpovídá emisi (elektron seskočí s vybuzeného stavu na nižší energetickou hladinu a při tom vyzáří danou energii v podobě fotonu) o vlnových délkách 3 – 0,6μm. Pevnolátkové lasery tedy září ve viditelné červené oblasti a v silné infračervené oblasti. Jejich nevýhodou je šířka energetického pásu a tedy nižší koherence. Jsou proto ale velice stabilní, lehce se udržují a mají vysoký výkon.  Mezi nejznámější pevnolátkové lasery patří zmíněný červený rubínový (s vlnovou délkou 694,3nm) nebo nejrozšířenější Nd:YAG laser.

Jeho aktivním prostředím je izotropní krystal Yttrium Aluminium Granátu (Y3Al5O12) dopovaný ionty neodymu (Nd3+). Typická vlnová délka záření emitovaného Nd:YAG laseru je 1064,1nm (IR obor). Může však emitovat s menší účinností na 940, 1120, 1320 a 1440nm, protože energetická pásová struktura pevných látek je v reálu složitější a má několik výhodných přeskoků. Čerpán (buzen) je nejčastěji výbojkou nebo diodou. Podle kvality čerpání může Nd:YAG laser pracovat jak v impulzním tak v kontinuálním režimu. Pro kontinuální režim dosahuje výkonu několika stovek wattů. V impulzním režimu se délka impulzu v závislosti na druhu rezonátoru může pohybovat v řádu mezi milisekundami až pikosekundami. Tento vysoký výkon mu dává velké uplatnění v nejrůznějších technologiích, např.: sváření, řezání, vrtání, žíhání a značení. Dále se používá v medicíně (oftalmologii), biologii, vědě a ve vojenských aplikacích.

Dalšími důležitými pevnolátkovými lasery jsou Titan-safírový laser (690 – 1000 nm) užívaný ve spektroskopii pro femtosekunduvý impulzní režim, Ho:YAG (2,1μm) a Er:YAG laser (2,94μm) užívaný ve stomatologii a medicíně.

Plynové lasery mají aktivní prostředí tvořené atomy, ionty nebo molekulami v plynné fázi. Samostatné atomy se vykazují oproti pevným látkám velmi diskrétními energetickými hladinami v elektronovém obalu. Proto při stimulované emisi vyzářené fotony jsou velmi koherentní. Nevýhodou je ale jejich nízký výkon. Jejich vlnový rozsah je však značný a pracují jak v kontinuálním tak v impulzním režimu. Buzení a čerpání pak nejčastěji probíhá pomocí elektrického výboje ve zředěném plynu. Nejrozšířenějším plynovým laserem je helium-neonový laser, který může svítit na 543nm (zelená barva) nebo na 633nm (červená barva). Mezi dalšími plynnými-atomovými lasery můžeme najít: měděné lasery využívající se při podmořských komunikacích, jodový laser důležitý při výzkumu termojaderné syntézy (např. Prague Asterix Laser System) a Xenonový laser výhodný pro možnost až 140 různých vlnových délek. Iontový argonový (488nm modrá a 514 nm zelená barva) se hojně využívají při světelných efektech. Jejich výhodou je bezpečnost a jednoduchá technologická výroba. Speciální molekulové excimerové lasery využívající dvou vzácných plynu (ArF, KrCl, XeCl,…) jsou zdrojem ultrafialového záření.

V medicíně a průmyslu se nejvíce používá molekulový CO2 laser zářící na 9,4 a 10,6μm a jeho účinnost dosahuje až 20%. První CO2 laser byl vyroben již roku 1964 Kumar Patelem ve slavných Bellových laboratořích. Pro zlepšení inverzní populace se velmi často do aktivního prostředí přidává jiný plyn (N2 H2 He). Ke stimulované emisi ale dochází pouze na molekulách CO2. Tento laser využívá navíc dvou metod buzení a čerpání. Použitím vysokonapěťového zdroje (až 1700V a 50mA) se částečně excituje CO2  plyn, který pak proudí přes úzkou trysku. Zde dochází k „zamrzání“ vyšších energetických hladin pomocí expanze způsobené nadzvukovým prouděním tryskou do vakua a po určitou dobu jsou tak zaplněný vyšší energetické hladiny. Využití těchto laseru je podobné jako u Nd:YAG laseru.

Polovodičové lasery jsou dnes nejrozšířenější lasery. Základem je laserová dioda, která má velmi malé rozměry. Fyzikální princip je velmi podobný jako u pevnolátkových, jen se liší šířka zakázaného pásu. Tento gap je v rozmezí od 1,3 eV až 3,5eV (400 – 900nm). Nejdůležitějším zástupcem polovodičových materiálu používajících se pro laserové diody je GaAs s přímím přechodem na vlnové délce 840nm. To je sice mimo viditelnou oblast spektra, ale slabou fluorescenční vrstvou na výstupu dostaneme viditelné světlo užívané dnes běžně místo žárovek.  Polovodičové diody mají výhodu, že mají dostatečnou odrazivost od samotného aktivního rozhraní se vzduchem a nepotřebují tedy rezonátor. Jejich nevýhodou je nízká koherence, která je však bohatě vynahrazena v porovnání s cenou a vysokou účinností až 50%. Hlavní uplatnění polovodičových laseru je v komunikacích a počítačích. Polovodičová dioda je také základem tzv. kaskádových laserů, jejichž fyzikální princip je nad rámec tohoto seriálu.

Kapalinové lasery jsou tvořeny roztoky různých organických barviv. Díky jejich jednoduché kombinaci tak můžeme získat tzv. nelineární optiku. Díky ní můžeme vytvořit záření od 300nm až po 1500nm, a proto se využívají hlavně ve spektroskopii a medicíně. Jejich nevýhodou je krátká životnost způsobené rozkladem aktivního prostředí teplem a interakcí se světlem.

Laser na volných elektronech je laser založený na jiném fyzikálním principu než doposud probírané lasery. Využívá základního principu elektrodynamiky. Pokud se nabitá částice pohybuje zrychleně, vyzařuje při tom elektromagnetické záření podle Maxwellových rovnic. Nabitý elektronový paprsek se pomocí statického magnetického pole pohybuje po sinusové draze a při tom vyzařuje elektromagnetické záření dané vlnové délky. Na velmi podobném principu pracují synchrotrony. Využití těchto laseru je zatím převážně vědecké.

Vidíme, že technologický pokrok na poli laseru je za posledních několik desítek let obrovský a dnes již dokážeme vyrobit laser odpovídající přesně na míru. Lze také očekávat jejich další technologický pokrok.

jméno (povinné)

e-mail (nebude zveřejněn) (povinné)

web