Opustit studovnu

Laser

Název LASER je akronymem z anglického Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, což v překladu znamená zesílení světla pomocí stimulované emise záření. Díky tomuto jevu dochází ke vzniku světla, která vykazuje unikátní vlastnosti jako je nízká rozbíhavost, koherence a monochromatičnost. Díky ním našly lasery uplatnění v mnoha oborech lidské činnosti od průmyslu, přes medicínu až po věci každodenní využití.

Každý laserový systém se skládá z několika základních prvků (obr. 1). Pomyslným srdcem laseru je aktivní prostředí, kde dochází ke stimulované emisi a vzniku laserového záření. Toto aktivní prostředí je obklopeno tzv. otevřeným rezonátorem, který bývá tvořen dvěma zrcadly. Jedno z nich je plně odrazné, druhé pak částečně propustné tak, aby mohl laserový svazek vystoupit ven. Dalším důležitým prvkem je čerpání systému, které dodává energii do aktivního prostředí, která je potřebná pro stimulovanou emisi. To bývá provedeno různými způsoby, ovšem patrně nejrozšířenějším je v dnešní době optické čerpání pomocí laserových diod. Posledním prvkem většiny laserů je chlazení, které odvádí přebytečné teplo z aktivního prostředí pryč. Pro chlazení bývá zpravidla použita voda, Peltierův článek či kapalný dusík nebo helium.

Základní schéma laseru.

Historie

Historie laserů sahá až do roku 1917, kdy A. Einstein popsal princip stimulované emise záření. Dalším mezníkem byly roky 1952, ve kterém A. Prokorov a N. Basov popsali teorii maseru, tedy mikrovlnného zesilovače pracujícího na stejném principu jako laser, a rok 1953, kdy C. H. Thownsen tento maser sestrojil. Všichni tři společně dostali za tyto objevy v roce 1964 Nobelovu cenu za fyziku. První laser byl uveden do provozu 15. května 1960 T. H. Maimanem v Hughes Research Laboratories. Jednalo se o rubínový laser, který byl čerpán výbojkou a chlazen vodou.

Figure 2: Vynálezce prvního laseru Theodor Maiman a jeho rubínový laser.

Princip

Jak již bylo řečeno, základem každého laseru je tzv. aktivní prostředí, což může být krystal, keramika, kapalina, plyn nebo jiné látky. Toto aktivní prostředí je tvořeno atomy, které se za normálních okolností, tzn. za stavu termodynamické rovnováhy, nachází na základní energetické hladině E0. Zde pak může dojít k absorpci záření (obr. 3), které je v našem případě reprezentováno tokem fotonů o energii

\huge \boldsymbol{E = hf = \frac{hc}{\lambda}}

Kdy h je Planckova konstanta ( h = 6,626 . 10-34 J.s), f je frekvence a λ vlnová délka. Během absorpce dochází k předání energie fotonu ve prospěch elektronu, který se díky tomu dostává na vyšší energetickou hladinu E1, tedy do tzv. excitovaného stavu. Z hlediska zákonu zachování energie pak platí:

\huge \boldsymbol{E_{1} = E_{0} +\Delta E = E_{0} + hf}

Opačným jevem k absorpci je emise záření, při kterém se elektron dostává zpět na základní hladinu E0 a dochází k vyzáření nového fotonu o takové energii, aby došlo k zachování energie. Tuto emisi lze rozdělit na dva případy. Prvním z nich je tzv. spontánní emise , při níž dochází k sestupu elektronu samovolně. Vzniklý foton má pak náhodný směr a fázi. Druhým případem je tzv. stimulované emise (fig. 3), při které sestup elektronu způsobí další foton nacházející se v jeho okolí. Při sestupu opět vzniká nový foton, ovšem v tomto případě má směr a fázi shodnou s fotonem, který tento sestup způsobil.

Schéma absorpce, spontánní emise a stimulované emise

Pro zvýšení účinnosti stimulované emise se aktivní prostředí obklopuje již zmíněným otevřeným rezonátorem. Vzniklé záření tedy putuje mezi zrcadly a dochází k lavinovému efektu, kdy vzniklé fotony způsobují stimulovanou emisi u dalších excitovaných atomů. Právě tento proces vzniku nových, stále stejných fotonů, má za následek unikátní vlastnosti laserového záření. Princip vzniku laserového záření je shrnut také ve videu.

Na obrázku výšeje popsán tzv. dvouhladinový systém, tedy absorpce a emise probíhá pouze mezi hladinami E0 a E1. Toto ovšem v reálném aktivním prostředí není možné, jelikož by se foton vzniklý emisí dále mohl absorbovat a nedošlo by ke vzniku laserového záření. Reálná prostředí se chovají podle čtyřhladinového a tříhladinových schémat, jak je znázorněno na obrázku pod textem. V případě čtyřhladinového schématu se díky absorpcí excituje elektron z hladiny E0 na E1. Z ní následně nezářivým přechodem, tedy samovolně bez vzniku fotonu, sestoupí na úroveň E2. Na této hladině pak dochází ke stimulované emisi, tedy vznikne foton a elektron sestoupí na hladinu E3. Z té se elektron opět pomocí nezářivého přechodu dostane zpět na hladinu E0. Jelikož při nezářivých přechodech nevzniká foton, ale energie těchto úrovní není stejná, projevuje se tento rozdíl vznikem tepla, které musí být z aktivního prostředí odváděno pryč pomocí chlazení. Z hlediska schématu pak lze jednoduše ukázat, že pro excitaci elektronů je potřeba použít fotony o kratší vlnové délce než je vlnová dálka výsledného laserového záření. Platí totiž následující vztahy:

\huge \boldsymbol{E_{01} > E_{23} \rightarrow \frac{hc}{\Delta_{01}} > \frac{hc}{\Delta_{23}} \rightarrow \Delta_{01} < \Delta_{23}}

kde E01 a E23 jsou rozdíly energií příslušných hladin, λ01 vlnová délka čerpacího fotonu a λ01 vlnová délka fotonů laserového záření. Typickým příkladem tohoto schématu je krystal Nd:YAG, pro jehož čerpání se používá vlnová délka 808 nm, kdežto výstupní laserové záření má vlnovou délku 1064 nm.

V případě tříhladinových schémat vše probíhá obdobně, ovšem stimulovanou emisí se elektrony dostávají přímo na základní hladinu E0. Do jisté míry sem patří velmi rozšířené aktivní prostředí Yb:YAG, které se čerpá vlnovými délkami 940 nm nebo 969 nm a generuje záření o vlnové délce 1030 nm.

Čtyřhladinové a tříhladinové schéma.

Vlastnosti laserového záření

Jak již bylo řečeno, laserové záření se od obyčejného světla značně liší. Tyto rozdíly jsou způsobeny právě stimulovanou emisí záření, která vytváří pořád stejné fotony. Tedy laserové světlo je:

  • Monochromatické – V češtině toto slovo znamená jednobarevné, tedy fotony mají jednu vlnovou délku.
  • Koherentní – To znamená, že generované fotony jsou ve fázi.
  • Nízko rozbíhavé – Laserový svazek je úzký i na velké vzdálenosti.

Více o světle se dozvíte v samostatném článku.

Druhy laserů

Lasery lze dělit do několika skupin, ovšem nejčastěji se dělí podle aktivního prostředí, druhu výstupního záření a podle způsobu čerpání.

Dělení podle aktivního prostředí tak rozlišuje lasery pevnolátkové, kapalinové, plynové a plazmatické.

Podle výstupního záření pak máme lasery s kontinuálním zářením a lasery pracující v pulzním režimu.

Čerpání lze pak u laserů realizovat různými způsoby, například optickým svazkem, elektrickým pulzem, injekcí nosičů náboje nebo chemickou reakcí.