Co je vlastně laser

laser01

Laserový paprsek, to nejsou jen Hvězdné války nebo ochrana před bankovními lupiči. Dnešní lasery nabízejí mnohem širší využití a jsou součástí našeho každodenního života. Víte, co vlastně znamená slovo „LASER“ a zajímá vás, jak laserové záření vzniká?

Řečeno zjednodušeně

Laser je optický zesilovač tedy přístroj, který dokáže zesílit světelné vlnění, a to díky stimulované
emisi záření

Řečeno složitě

Jde o kvantový generátor a
zesilovač koherentního optického záření.

LASER má několik unikátních vlastností, pro které je velmi hojně využíván:

\

Laserové záření je koherentní (vnitřně uspořádané, zfázované)

Světlo které vydává, není jako třeba ze žárovky, které se šíří všemi směry, a obsahuje velmi široké spektrum barev, ale LASERové světlo se šíří jen v úzkém paprsku
.

\

Extrémní monochromatičnost (fotony mají stejnou barvu)

Paprsek obsahuje jen jednu barvu podle použitého druhu aktivního prostředí, ve kterém LASERový paprsek vznikl.

\

Nízká rozbíhavost (všechny fotony jdou jedním směrem)

\

Vysoká hustota přenášené světelné energie

theodor

Theodore Maimanv předvedl poprvé funkční laser v roce 1960.

Princip laseru však fyzikálně popsal Albert Einstein už v roce 1917.

Různá světla kolem nás

svetlo

Jak laser funguje

Zdroj: Wikipedia

laser02
laser03
  • Aktivní prostředí vždy obsahuje  element, který se může nacházet v základním stavu s nižší energií nebo v excitovaném (vybuzeném) stavu s vyšší energií. Tímto elementem je nejčastěji atom, ale není tomu tak vždy (může to být např. vibrační stav molekuly, chemická vazba apod.). Pro tuto chvíli je důležité, že při přechodu z vyššího do nižšího energetického stavu tento element vyzáří foton ( kvantum elektromagnetického záření ). Tento zářivý přechod se děje spontánně sám od sebe a prostředí má vždy snahu být ve stavu s co nejnižší energií – ve stavu termodynamické rovnováhy. Právě díky buzení tento stav porušíme a převedeme aktivní prostředí do excitovaného stavu, kdy je většina našich elementů ve stavu s vyšší energií (tento stav se nazývá  inverze populace).
  • Teprve v tuto chvíli můžeme energii dodanou aktivnímu prostředí přeměnit na laserový svazek (proud fotonů) pomocí procesu stimulované emise, který je zobrazen na obrázku níže. Jedná se v podstatě o lavinovitý efekt, kdy nám foton dopadající na excitovaný atom způsobí (stimuluje) jeho přechod z horní na dolní energetickou hladinu a při tom dojde k emisi dalšího fotonu.

Hlavní součásti

Základem laseru je aktivní prostředí, které je buzeno (opticky, elektricky apod.). Buzením dodáváme do laseru energii, která je potom právě pomocí procesu stimulované emise vyzářena v podobě laserového svazku. K tomu je zapotřebí ještě vytvořit tzv. optický rezonátor, který je nejčastěji tvořen odraznými zrcadly.

laser05

Rezonátor

Zajišťuje zpětnou vazbu aktivního prostředí – pouze fotony šířící se podél osy rezonátoru budou zrcadli navráceny zpět do aktivního prostředí, kde působí další stimulovanou emisi – kolimovanost výstupního svazku podél osy rezonátoru

Chlazení

Odvádí přebytečné teplo z aktivního prostředí (pouze zlomek dodané energie je účinně využit na produkci záření).

Bez chlazení by došlo k nenávratnému poškození a zničení celého zařízení.

Aktivní prostředí

Obsahuje atomy se systémem energetických hladin vhodných pro stimulovanou emisi záření.

Může být pevnolátkové, kapalné, plynné či plazmatické.

Buzení

Dodává energii aktivnímu prostředí a zajišťuje tak inverzní populaci hladin.

Může být optické, elektrické, chemické, termomechanické.

Rozdělení laserů

Podle výstupu

Podle aktivního prostředí

Plynové lasery

Aktivní prostředí: plyn
Buzení: elektricky, radio-frekvenčními vlnami, opticky atd.
Příklad: HeHe (helium neonový) a CO2 laser,
Využití: řezací aplikace

Pevnolátkové lasery

Aktivní prostředí: pevná látka, nejčastěji monokrystal.
Buzení: výbojkami nebo laserovými diodami.
Příklad: Nd:YAG (prostředí je monokrystal ytrium aluminium granátu dopovaného atomy neodymu). Nd:YAG
Využití: laserové řezání, značení a svařování.

Vláknové lasery

Aktivní prostředí: optické vlákno dopované nejčastěji atomy erbia (Er) nebo yterbia (Yr), jedná se o speciální typ pevnolátkových laserů
Buzení: pomocí laserových diod, jejich záření je do aktivního vlákna přivedeno opět optickým vláknem. Laser neobsahuje žádné opto-mechanické prvky jako zrcadla.

Polovodičové (Diodové) lasery

Aktivní prostředí: elektricky čerpaná polovodičová dioda
Diodové lasery se pohybují od výkonu mW až do kW. Lasery mají vysokou účinnost, ale trpí nízkou kvalitou výstupního svazku. Mohou být miniaturních rozměrů (nízké výkony) a používají se v CD/DVD přehrávačích, laserových tiskárnách apod.
Využití: zejména na svařování (kovů i plastů) a kalení

Chemické lasery

Buzení: chemickou reakcí a jsou schopny dodat ohromné množství energie v krátkém čase.
Využití: především armáda pro vojenské účely.

Excimer lasery

Speciální třída plynových laserů
Aktivní prostředí: Aktivní elementem, který generuje záření je tzv. excimer (speciální molekula, kde je jedna z jejích složek v excitované stavu)
Buzení: elektrickým výbojem
Využití: fotolitografie v polovodičovém průmyslu a jiných aplikacích, kde je zapotřebí vlnové délky z UV oblasti a vysokých energií v pulsu.

Více:

Prezentační materiály

Lasers: Today & The Future, Interview with Charles H. Townes

https://youtu.be/xTA8pyfPZAM

Lasers: Solution Looking for a Problem

https://youtu.be/st-T3hLcemM