Laser

náhled|Helium-neonový laser náhled|Červený (660 & 635 nm), zelený (532 & 520 nm) a modrofialový (445 & 405 nm) 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).

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).

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 náhled|Konstrukce laseru:1. Aktivní prostředí2. Čerpání aktivního prostředí3. Odrazné zrcadlo4. Polopropustné zrcadlo5. Laserový paprsek náhled|Video s animací funkce laseru

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

Rezonátor je stabilní v případě že splňuje podmínku . 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:

Kde τc 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.

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).

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:

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

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 laseruAktivní prostředíVlnová délkaSpektrální oblastPříklady použitíPevnolátkové Rubínový laserRubín 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 100–120 nm, 140–165 nm UV CO2 laser Oxid uhličitý 10,6 μm IR sváření, řezání, stomatologie, gravírování CO laser Oxid uhelnatý 5–6,5 μm 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, sváření a čištění (díky vysoké koherenci a monochromatičnosti laserového paprsku lze laserovým paprskem soustředit na malé ploše velké množství energie)https://www.strojirenstvi.cz/cnc-laser-profesionalni-rezaci-stroj-pro-narocne medicína – zejména v dermatologii (akné, vyšetření pigmentových znamének), stomatologii, oftalmologii, chirurgii a gynekologii vojenství – vojenské lasery (zbraňové systémy) pro pozemní vojsko, námořnictvo a letectvo s výkonem až 100 kW, označování cílů, navádění raket a munice ap. spotřební elektronika – tiskárny, záznamová média ap. datové přenosy prostřednictvím optických vláken výzkum kosmetika

Použití laserového paprsku v dermatologii Laser je zařízení používané pro neinvazivní laserovou terapii (LLLT, Low Level Laser Therapy). Lasery fungují na principu biostimulace – stimulují mitochondrie v buňkách k výrobě ATP (adenosintrifosfátu). ATP energizuje buňku a tak probíhá rychlejší reprodukce, což vede k větší produkci kolagenu. Softlaser rovněž podporuje výměnu přes buněčnou stěnu. Oba tyto efekty vedou ke zdravější kůži a snížení léčebné doby. Neinvazivní terapie nezpůsobuje bolest, poranění či zarudnutí.

Použití argonového laseru v oftalmologii Průkopníkem v této oblasti byl Francis L’Esperance. V roce 1963 začal používat rubínového laseru při pokusech o léčení diabetické retinopatie.L’Esperance odhalil, že krví je absorbováno jen zhruba 6–7% výkonu rubínového laseru, a v důsledku toho je potřeba minimálně 10 působení k vypálení poškozených cév sítnice. Na základě těchto poznatků se začalo s pokusy s argonovým laserem, který byl vyvinut krátce před jejich uveřejněním. Po několika experimentech se prvně v roce 1968 podařilo za pomoci 10wattového argonového laseru vyléčit pacienta s diabetickou retinopatií. Do konce 60. let se metoda výrazně rozšířila a jen v roce 1970 vyléčil dr. Arnall Patz 285 pacientů za použití tohoto přístupu. Nejvíce efektivním způsobem v průběhu let se stala metoda zvaná pan-retinalní ablace. Metoda používá kvazikontinuálního argonového laseru k odejmutí, nebo odpaření částí sítnice namísto přímé koagulace krevních cév. V současnosti je aplikace laseru k odstranění potíží s diabetickou retinopatií vedoucí disciplínou oftalmologie.