Úvod
Slovo laser je zkratkou anglického označení „Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, tj. zesilování světla stimulovanou emisí záření“.
Záření může být vyvoláno dvěma způsoby:
Spontánní emise - u přirozených zdrojů světlo vzniká přechodem atomů z vyššího do nižšího energetického stavu. Fotony obyčejného světla spolu nemají mnoho společného, atomy vyzařují energii nezávisle na sobě.
Stimulovaná emise – velké množství atomů, předtím vybuzených (excitovaných) na vyšší energetickou hladinu, vyzáří svou energii v určitém okamžiku.
Laser je zdroj vysoce koherentního elektromagnetického záření nejčastěji ve viditelné, ultrafialové UV nebo infračervené IR oblasti spektra. Nutné podmínky pro vznik laserového záření jsou zdroj budící energie, aktivní prostředí a rezonátor.
Aktivní prostředí
Aktivní prostředí je tvořeno látkou, která obsahuje oddělené kvantové energetické hladiny elektronů. Může jím být pevná látka s příměsemi, kapalina nebo směs plynů.
Rezonátor
Je tvořen optickou dutinou se dvěma vzájemně rovnoběžnými zrcadly kolmými na osu laseru. Jedno z nich je nepropustné a druhé je polopropustné. Zrcadla jsou většinou rovinná, ale mohou být i zakřivena (obvykle konkávní)
Zdroj záření
Zdroj záření slouží k dodávání energie elektronům v aktivním prostředí (buzení, pumpování), aby se mohly přesouvat z nižší energetické hladiny na vyšší energetickou hladinu. Zdroj záření může být např. elektrický proud, výbojka, chemická reakce nebo jiné lasery.
Jak to probíhá:
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 obsazení (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, a zesilují ji i v těchto elektronech.
K zesilování záření laser využívá rezonátor. Díky umístění aktivní části laseru do rezonátoru dochází k odrazu paprsku fotonů od nepropustného zrcadla a jeho opětovnému průchodu aktivním prostředím (oscilace). To dále podporuje stimulovanou emisi, a tím dochází k mnohonásobnému zesilování toku fotonů - navyšuje se jeho intenzita. Po dosažení dostatečné intenzity rovnoběžný koherentní paprsek uniká přes polopropustné zrcadlo ven. Laserový paprsek vycházející z aktivního prostředí přes polopropustné zrcadlo je koherentní (stejná fáze, stejná amplituda), monochromatický (jednobarevný) s nízkou divergencí (rozbíhavostí) svazku.
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). Tento činitel jakosti rezonátoru je určen odrazivostí obou zrcadel, délkou rezonátoru, koeficientem zesílení (ten je ovlivněn aktivním prostředím) a celkovým koeficientem ztrát rezonátoru.
Rozdělení laserů
Lasery lze rozdělit podle mnoha hledisek – aktivní prostředí, pracovní režim, vlnové délky, oblasti použití aj.
Podle pracovního režimu laseru:
1. Kontinuální lasery (CW) – výstupní svazek záření je spojitý
2. Impulzní lasery (PW) – pulzy o různých délkách a opakovacích frekvencích
3. Kvazikontinuální lasery (Q-switch) - vysoce energetické pulzy s nízkou opakovací frekvencí (klíčování)
Podle aktivního prostředí:
1. Pevnolátkové lasery
Aktivním prostředím jsou krystalické nebo amorfní izolanty s příměsí vhodných iontů. Excitace je obvykle optická. Tyto lasery mohou pracovat v různých režimech a za různých provozních podmínek, jsou stabilní a mají malé nároky na údržbu. Jejich záření má vlnové délky v oboru infračerveného a viditelného světla. Aktivním prostředím je monokrystal (rubín, ND:YAG) nebo amorfní materiály (sklo, dielektrika)
Rubínový laser (Al2O3 : Cr3+)
pracuje v pulzním režimu , vlnová délka 694,3 nm – červená barva, buzení - obvykle xenonová výbojka.
Právě z rubínové tyčinky se Maimanovi podařilo získat první laserový paprsek červeného světla.
Yttrium Alluminium Garnet (Nd-YAG)
pracuje v kontinuální i pulsním i Q-switch režimu, vlnová délka 1064 nm - IR, buzení – kryptonová výbojka nebo halogenové žárovky. Patří mezi nejrozšířenější typ – široké využití v mnoha oborech.
Nd:glass laser (silikátová a fosfátová skla)
Sklo, nekrystalický materiál, se dá vyrobit s velmi vysokou kvalitou a je možné jej dopovat různými prvky. Často se dopuje neodymem, vyzařuje v IR (infračervené) oblasti.
Může být vyroben prakticky v libovolných rozměrech a může produkovat velmi silné záření. V pulzním režimu je schopen během 10–12 s dosáhnout výkonu až 106 MW, proto se s ním počítá jako se zdrojem laserového vybuzení termonukleární reakce.
2. Polovodičové lasery
Aktivní prostředí polovodičových laserů je polovodičový materiál, ve kterém jsou aktivními částicemi nerovnovážné elektrony a díry, to znamená volné nosiče náboje, které lze injektovat. Vyznačují se kompaktností a velkou účinností, dosahující až 50%. Předností je také spektrální přeladění v širokém pásmu (ve vlnových délkách od 0,3 µm do 30 µm). Nevýhodou je poměrně velká divergence (rozbíhavost) generovaného paprsku, která souvisí s teplotou aktivního polovodičového materiálu. Rezonátor je tvořen vybroušenými stranami polovodičového materiálu.
Diodový laser
Aktivní prostředí: nejvíc používané jsou galium arsenidy GaAs, GaAlAs a GaInAs, vlnové délky – 650-905 nm. Výstupním paprskem diodových laserů jsou obdélníkové plochy.
3. Vláknové lasery
Středové optické vlákno (aktivní prostředí – prvek ytterbium) je obklopeno druhým vláknem jako by v jednom tlustém vlákně bylo ještě jedno menší. Budící polovodičové diody svítí do velkého optického vlákna a světelný tok působí na vnitřní vlákno. Budící optické diody mají jinou vlnovou délku - budící vlnová délka laseru - než je výsledný paprsek laseru, který vznikne v aktivním vlákně umístěném ve středu. Více diod dokáže pumpovat v optickém vlákně vysokou energii s perfektní kvalitou paprsku. Je zde ještě jeden velmi důležitý princip pro získání laserového paprsku a tím je vysoce výkonný optický zesilovač. Optický zesilovač konvertuje malý světelný signál z budících diod do výkonného paprsku, často tisíckrát silnější, ale identický jako originál. Zvětšení výkonu se dosáhne použitím také více laserových diod. Protože aktivní vlákno může jen podporovat a podpořit přenos laseru, kvalita paprsku není závislá na pracovním výkonu laseru. Aktivní optické vlákno je obdobou pevného krystalu a je stejně tak buzené diodami a stejně tak jako v krystalu vznikne laserový paprsek, tak i v aktivním optickém vlákně vzniká laserový paprsek.
4. Plynové lasery
Aktivní plynné prostředí může být tvořeno atomy, ionty nebo molekulami. Plynové lasery pracují ve velmi širokém rozsahu vlnových délek v kontinuálním nebo pulzním režimu. Jejich excitace je většinou pomocí elektrického výboje ve zředěném plynu, optická excitace se používá jen zřídka. Plynové lasery mají homogenní aktivní prostředí, které zajišťuje jejich výborné parametry.
Nejrozšířenější typy:
CO2 laser
vlnová délka 10600 nm IR. Tyto lasery mají vysokou účinnost a mohou vyzařovat velkou energii. Mohou pracovat ve všech 3 režimech – PW, CW, Q-switch. CO2 lasery dosahují i v kontinuálním provozu velkých výkonů (řádově kW). V impulsním režimu i několik desítek TW (terawattů). Velké využití v průmyslu a v medicině.
Helium-neonový laser
vlnová dálka 633 nm – červená barva. Využití: ve stavebnictví – zaměřování polohy
Dusíkový laser
vlnová délka 337 nm UV
Argonový laser
vlnová délka 488 nm a 514 nm – modrá a zelená barva
Kryptonový laser
– několik vlnových délek od 406.7 nm až po 676.4 nm.
Helium-kadmiový laser
325nm, 442 nm – modrá barva
Excimerové lasery
ArF, KrCl, KrF, XeCl, XeF vlnové délky 193–351 nm - UV
Excimerové lasery jsou nejdůležitějšími plynovými lasery pro ultrafialovou oblast. Existují pouze v excitovaných elektronových stavech (v základním stavu se jejich složky vzájemně odpuzují). Jejich záření má minimální absorpční hloubku ve tkáni, proto umožňují odstraňování mikroskopických vrstev tkáně.
5. Kapalinové (barvivové) lasery
Aktivní prostředí jsou roztoky organických barviv např. Rhodamin 6G, Rhodamin B, Fluorescein, Alizarin, různé Coumariny a další. K jejich buzení se dá využít světlo jiného laseru (často se používá laser dusíkový, který generuje v oblasti UV. Dá se využít i světlo z nějaké výbojky).
Jejich výhodou je, že se dají přelaďovat na jiné vlnové délky, tudíž mají velmi značné využití ve spektrometrii.
Přelaďování: do rezonátoru se umístí difrakční mřížka. Jejím natáčením se mění barva, tj. vlnová délka výsledného světla. Nebo se difrakční mřížka může vynechat, a výstupní paprsek laseru jednoduše rozložit např. hranolem a pak použít jen potřebnou část spektra, kdy se vybere pouze vhodná vlnová délka. Použití s hranolem je velmi časté a jednoduché. Z důvodu degradace aktivního prostředí kvůli vnesenému teplu a světlu při buzení není tento typ laseru v průmyslové oblasti příliš rozšířen.
6. Plazmové rentgenové lasery
Dosažení laserové činnosti v rentgenové části elektromagnetického spektra je velmi obtížné, proto začaly lasery toho typu vznikat až poměrně nedávno. Aktivním prostředím může být například uhlíkový terč ozařován CO2 laserem v pulzním režimu. Tyto lasery mají obrovskou energii, která se může využít ke vzniku plazmy či k odpařování těžko tavitelných kovů (wolfram, tantal). Uplatnění najdou také v holografii buněčných struktur, přípravě polovodičových čipů a rentgenové mikrolitografii.
7. Lasery s volnými elektrony
Lasery s volnými elektrony, neboli FEL (free electron laser) využívají magnetického pole, které je tvořeno periodickou soustavou magnetů střídavé polarity. Aktivním prostředím je svazek relativistických elektronů, které se pohybují v magnetickém poli. Elektrony nejsou vázané na atomy, ale nejsou ani úplně volné, protože jejich pohyb je ovlivňovaný magnetickým polem.
Vlnovou délku emise lze v širokém oboru ladit změnou energie elektronů ve svazku a změnou periody magnetického pole. V závislosti na konkrétním provedení mohou FEL emitovat záření o vlnových délkách od ultrafialové až po dalekou infračervenou oblast elektromagnetického spektra.
Edvana
🍀 Lidové shromáždění živých lidí Bohemia: https://www.novabohemia.cz/
🍀 Email: bohemia@novabohemia.cz
🍀 YouTube: https://www.youtube.com/@bohemia1418
🍀 Stáhněte si aplikaci UNC: https://www.mobileapp.app/to/yXWV8Nr?ref=cl
Comments