Laser

Laser (akronym z anglického Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, tj. ‚zesilování světla stimulovanou emisí záření‘) je optický zdroj elektromagnetického záření tj. světla v širším smyslu. Světlo je z laseru vyzařováno ve formě úzkého svazku; na rozdíl od světla přirozených zdrojů je koherentní a monochromatické, z toho tedy vyplývá že laser je optický zdroj emitující fotony v koherentní paprsek. Princip laseru využívá zákonů kvantové mechaniky a termodynamiky.

Princip laseru

Laser je tvořen aktivním prostředím (1), rezonátorem (3,4) a zdrojem energie (2).

Inzerce

Zdrojem energie, který může představovat například výbojka, je do aktivního média dodávána („pumpována“) energie. Ta energeticky vybudí elektrony aktivního prostředí ze základní energetické hladiny do vyšší energetické hladiny, dojde k tzv. excitaci. Takto je do vyšších energetických stavů vybuzena většina elektronů aktivního prostředí a vzniká tak tzv. inverze populace.

Při opětném přestupu elektronu na nižší energetickou hladinu dojde k vyzáření (emisi) kvanta energie ve formě fotonů. Tyto fotony následně interagují s dalšími elektrony inverzní populace, čímž spouštějí tzv. stimulovanou emisi fotonů, se stejnou frekvencí a fází, i u nich.

Díky umístění aktivní části laseru do rezonátoru, tvořeného například zrcadly, dochází k odrazu paprsku fotonů a jeho opětovnému průchodu prostředím. To dále podporuje stimulovanou emisi, a tím dochází k exponenciálnímu zesilování toku fotonů. Výsledný světelný svazek pak opouští rezonátor průchodem skrze výstupní polopropustné zrcadlo.

Ke vzniku oscilací a generování laserového výstupu však musí být splněna tzv. prahová podmínka minimálního zisku, která říká, že během periody oběhu fotonu rezonátorem musí být hustota fotonů v rezonátoru rovna, nebo větší, než počáteční stav (Jinak by nebylo možné z rezonátoru odvádět energii).

{displaystyle R_{1}R_{2}exp {(alpha -beta )2l}geq 1}

Kde R₁ a R₂ jsou reflektivity zrcadel rezonátoru, α je koeficient zesílení β je souhrnný koeficient ztrát a l je délka rezonátoru.

Historie

Princip laseru fyzikálně popsal už v roce 1917 Albert Einstein, ale první laser vznikl až v roce 1960.

Předchůdcem laseru byl maser, zařízení které pracuje na stejném principu (stimulovaná emise), avšak generuje mikrovlnné záření. První maser sestavil Charles Townes, J. P. Gordon a H. J. Zeiger v roce 1953. Tento prototyp však nebyl schopný fungovat nepřetržitě.

V roce 1960 Theodore H. Maiman v USA poprvé předvedl funkční laser. Jako aktivní prostředí použil krystal rubínu s využitím tří energetických hladin; laser proto mohl pracovat pouze v pulsním režimu. V roce 1963 C. Kumar N. Patel vynalezl plynový CO₂ laser.

Sovětští fyzici Nikolaj Basov a Alexandr Prochorov pracovali nezávisle na problému kvantového oscilátoru a vyřešili problém nepřetržitého výstupu záření tím, že použili více než dvě energetické hladiny a umožnili tím ustanovení populační inverze. V roce 1964 obdrželi Charles Townes, Nikolaj Basov a Alexandr Prochorov společně Nobelovu cenu za fyziku „za zásadní výzkum v oboru kvantové elektroniky, který vedl ke konstrukci oscilátorů a zesilovačů založených na principu maserů a laserů“.

Součásti laseru

Konstrukce laseru:
1. Aktivní prostředí
2. Čerpání aktivního prostředí
3. Odrazné zrcadlo
4. Polopropustné zrcadlo
5. Laserový paprsek

Rezonátor

Ve většině laserů světlo opakovaně prochází tzv. rezonátorem – optickou dutinou vymezenou zrcadly. V nejobvyklejších případech je rezonátor tvořen dvěma zrcadly, z nichž je jedno zcela odrazivé a druhé částečně propustné (aby světlo vznikající v laseru mohlo unikat ven a laser tak svítil). Existují také kruhové rezonátory.

Jako nepropustné zrcadlo se obvykle používá dielektrické zrcadlo, zvláště ale pro delší vlnové délky (μm) není ale dielektrická struktura realizovatelná a proto se používá leštěný kov, např zlato nebo měď. V některých případech (laserová dioda) má dostatečnou odrazivost samotné rozhraní aktivního prostředí se vzduchem, neboť reflexivita rozhraní závisí na indexu lomu materiálu podle Fresnelových vzorců.

Některé lasery s dostatečně velkým ziskem v aktivním prostředí rezonátor nepotřebují a pracují v režimu zesílené spontánní emise – to znamená, že záření stačí jediný průchod k získání dostatečné intenzity. Patří mezi ně např. dusíkový nebo měděný laser. Rezonátor se samozřejmě také běžně nepoužívá u laserových zesilovačů, které slouží jen k průchodovému zesilování vstupujícího koherentního svazku.

Zrcadla v rezonátoru zdaleka nemusí být rovinná. Naopak, v řadě případů je výhodné použít nejen konkávní, ale i konvexní zrcadla. Stabilita záření v rezonátoru závisí na poloměrech křivosti zrcadel a délce rezonátoru.

Stabilita

Pro klasifikaci stability rezonátoru jsou pak zaváděny dva bezrozměrné parametry g₁ a g₂

{displaystyle g_{1}=1-{frac {L}{r_{1}}},qquad g_{2}=1-{frac {L}{r_{2}}}}

Rezonátor je stabilní v případě že splňuje podmínku ${displaystyle 0<g_{1}cdot g_{2}<1}$ . r₁ a r₂ jsou poloměry křivosti zrcadel rezonátoru a L je vzájemná vzdálenost zrcadel.

Doba života fotonu v rezonátoru

Časový pokles celkové energie záření uvnitř rezonátoru může být zpravidla popsán exponenciálním zákonem:

{displaystyle U(t)=U_{0}cdot exp {-{frac {t}{tau _{c}}}}}

Kde τ_c je doba života fotonu v rezonátoru. Ta obecně závisí na ztrátách v rezonátoru. V ideálním případě je ji možné exaktně vyjádřit na základě reflektivity zrcadel rezonátoru R₁, R₂.

{displaystyle tau _{c}={frac {2L}{ccdot ln left({frac {1}{R_{1}R_{2}}}right)}}}

Činitel jakosti rezonátoru

Vyjadřuje míru schopnosti rezonátoru uchovat energii. Čím menší jsou ztráty rezonátoru, tím větší je doba života fotonu v rezonátoru (foton se v rezonátoru déle „udrží“) a tím je také větší činitel jakosti rezonátoru Q (schopnost uchovat energii je větší).

{displaystyle Q={frac {U(0)}{U(0)-Uleft({frac {T_{0}}{2pi }}right)}}=2pi left[1-exp {frac {-T_{0}}{tau _{c}}}right]^{-1}}

Ztrátové mechanismy kromě toho, že omezují dobu života fotonu v rezonátoru, zmenšují intenzitu oscilací a omezují dobu oscilací, tak způsobují také rozšíření rezonanční frekvenční čáry. Šířka spektrální čáry laseru ∆ν (definovaná jako šířka, na které intenzita záření klesne na 1/2 maximální hodnoty) je dána:

{displaystyle Delta nu =left(2pi tau _{c}right)^{-1}}

Vztah mezi dobou života fotonu v rezonátoru a činitelem jakosti je potom následující

{displaystyle Q={frac {1}{Delta nu T_{0}}}}

Aktivní prostředí

Aktivní prostředí je látka obsahující oddělené kvantové energetické hladiny elektronů; může se jednat o:

plyn nebo směs plynů, hovoříme pak o plynových laserech
monokrystal kde hladiny vznikají dopováním; takové lasery se nazývají pevnolátkové
polovodič s p-n přechodem v případě diodových laserů
organická barviva
polovodičové multivrstvy – jsou základem kvantových kaskádních laserů (QCL)
volné elektrony v případě laserů na volných elektronech

Elektrony mohou přecházet z vyššího do nižšího stavu, při současném vyzáření fotonu, jedním z dvou mechanismů:

spontánní emise (foton se vyzáří samovolně)
stimulovaná emise (okopíruje se jiný foton procházející atomem).

Ke spontánní emisi dochází při nízkém stupni obsazení vyšší hladiny; pro spuštění stimulované emise ve větším měřítku (generace laserového záření) je třeba čerpáním dosáhnout tzv. populační inverze, kdy vyšší hladina je obsazena více elektrony, než nižší.

Příslušenství

Součásti pro optické čerpání aktivního prostředí (např. pomocí elektrického proudu, výbojky, chemické reakce aj.)
Chladič
Měření výkonu, kalibrace zařízení
Případně nelineární krystal měnící vlnovou délku

Typy laserů

Následující tabulka shrnuje základní vlastnosti některých běžných typů laserů.

Typ laseru	Aktivní prostředí	Vlnová délka	Spektrální oblast	Příklady použití
Pevnolátkové
Rubínový laser	Rubín	694,3 nm	červená	holografie, odstraňování tetování
Nd:YAG laser	Neodym, YAG	1064 nm	IR	litografie, chirurgie, strojírenství, spektroskopie
Ho:YAG laser	Ho:YAG	2,1 μm	IR	chirurgie, stomatologie
Er:YAG laser	Erbium, YAG	2,94 μm	IR	chirurgie, stomatologie
Titan-safírový laser	titan, safír	690 – 1000 nm	červená, IR	spektroskopie, fs pulsy
Alexandritový laser	Alexandrit	700 – 800 nm	červená, IR	žíhání, řezání
Barvivové
Rhodamin 6G laser	Rhodamin 6G	570-650 nm	žlutá, oranžová, červená	dermatologie
Kumarin C30 laser	Kumarin C30	504 nm	zelená	oftalmologie, chirurgie
Plynové – Atomární
He-Ne laser	helium, neon	543 nm, 633 nm	zelená, červená	zaměřování polohy, spektroskopie
Měděný laser	měď	510 nm, 578 nm	zelená	podmořská komunikace a lokace
Jodový laser	jód	342 nm, 612 nm, 1315 nm	viditelné, IR	věda, termojaderná fúze
Xenonový laser	xenon, neon, helium	140 vlnových délek	viditelné, IR
Plynové – Iontové
Argonový laser	argon	488 nm, 514 nm	modrá, zelená	oftalmologie, spektroskopie
Hélium-kadmiový laser	helium, kadmium	325 nm, 442 nm	UV, modrá	spektroskopie
Plynové – Molekulární
Vodíkový laser	vodík	100 – 120nm, 140 – 165nm	UV
CO₂ laser	Oxid uhličitý	10,6 μm	IR	sváření, řezání, gravírování
CO laser	Oxid uhelnatý	5 – 6,5μm	IR
Excimerové lasery	ArF, KrCl, KrF, XeCl, XeF	193 – 351 nm	UV	oftalmologie, laserová ablace, fotolitografie
Dusíkový laser	dusík	337 nm	UV
Polovodičové
GaAs laser	GaAs	650 nm, 840 nm	červená, IR	laserová ukazovátka, laserová tiskárna
GaAlAs laser	GaAlAs	670-830 nm	červená	telekomunikace, přehrávače CD, displeje
AlGaInP laser	AlGaInP	650 nm	červená	přehrávače DVD
GaN laser	GaN	405 nm	modrá	Blu-ray disky
InGaAlP laser	InGaAlP	630-685 nm	červená	lékařství
poznámka: UV ~ ultraviolet (ultrafialová), IR ~ infrared (infračervená)

Použití laserů

Využití laserů je široké, zejména se jedná o následující obory:

průmysl – řezání, vrtání (vysoké koherenci a monochromatičnosti laserového paprsku lze laserovým paprskem soustředit na malé ploše velké množství energie)
medicína – zejména v dermatologii(akné, vyšetření pigmentových znamínek), stomatologii. oftalmologii, chirurgii, gynekologie
vojenství – vojenské lasery (zbraňové systémy) pro pozemní vojsko, námořnictvo a letectvo s výkonem až 100 kW, označování cílu, navádění raket a munice ap.
spotřební elektronika – tiskárny, záznamová média ap.
datové přenosy prostřednictvím optických vláken
výzkum
kosmetika

Bezpečnostní rizika

Bezpečnostní symbol laseru třídy 2 a vyšší

Pokud laser pracuje na určitých vlnových délkách, na které je schopno se oko soustředit a které mohou být dobře soustředěny sítnicí a rohovkou oka, pak může vysoká koherence a malý rozptyl laserového paprsku u některých typů laserů způsobit, že je přijímaný paprsek soustředěn pouze do extrémně malého bodu na sítnici. To vede k bodovému přehřátí sítnice a k trvalému poškození zraku. Lasery jsou rozděleny do bezpečnostních tříd:

třída I: možný trvalý pohled do svazku laserového paprsku
třída II: kontinuální a viditelné záření, přímý pohled do zdroje možný, oko ochrání mrkací reflex
třída III:
- a) totéž jako třída II, ale oko již může být poškozeno při pohledu do zdroje pomocí optické soustavy (např. dalekohled)
- b) nebezpečí poškození oka, nutno používat ochranné pomůcky (i při pozorování odrazu), max. emise 0,5 W
třída IV: totéž jako třída III b), emise překračuje výkon 0,5 W

Běžně dostupné lasery bývají maximálně ve třídě III (optické soustavy CD přehrávačů). Výkonné lasery (třídy IV) jsou schopné způsobit popáleniny, řezné nebo tržné rány, případně způsobit požár. Řada takových laserů je buzena nebezpečnými látkami nebo vysokým napětím v řádu desítek kilovoltů.

Související články