Jak se lasery používají k měření vzdálenosti Měsíce?

Lunar Laser Ranging (LLR) je název pro měření vzdálenosti mezi povrchem Země a Měsíce pomocí laserového dálkoměru. Tu lze vypočítat z doby letu laserových impulzů mezi Měsícem a Zemí. Laserové impulzy jsou vysílané z pozemních stanic a na povrchu Měsíce se odrážejí zpět k Zemi pomocí jednoho z pěti retroreflektorů (koutových odražečů) instalovaných na Měsíci během misí Apollo 11, 14 a 15 a Lunochod 1 a 2. Na Obrázku 1 je zobrazen odražeč instalovaný během mise Apollo 15.

I když je možné odrážet laserové impulzy nebo rádiové vlny přímo od povrchu Měsíce, za využití retroreflektorů je výsledek mnohem přesnější. Laserová měření vzdálenosti lze mimo jiné provádět i pomocí odražečů družic obíhajících Měsíc, jako je LRO (Lunar Reconnaissance Orbiter) [1].

Měření doby letu

Při měření vzdáleností laserovým dálkoměrem se často používá metoda měření doby letu. Laser dálkoměru je umístěný na zemském povrchu, koutový odražeč na samotném vesmírném tělese. Laser vyšle impulz do odražeče a je měřena doba mezi jeho vysláním a zaznamenáním. Vzdálenost se pak vypočítá jako:

kde:

d = měřená vzdálenost
c = rychlost světla
= doba mezi vysláním laserového impulzu a jeho opětovným zaznamenáním

V důsledku vysoké hodnoty rychlosti světla musí být měření času provedeno velmi přesně (za pouhou 1 ns světlo ve vakuu urazí 30 cm). Ač se měření doby letu obvykle používá pro velké vzdálenosti, až stovky tisíc kilometrů, i zde je přesnost klíčová. Pomocí přesného vybavení (kvalitní dalekohledy, vysoce citlivé fotodetektory) je tak možné měřit vzdálenost mezi Zemí a Měsícem s přesností až několik centimetrů. Zařízení pro měření kratších vzdáleností se ale, co se týče přesnosti, pohybují již od jednotek milimetrů po jednotky centimetrů. Obrázek 2 zobrazuje schematické uspořádání experimentu pro měření vzdálenosti mezi Zemí a Měsícem.

Kvalita svazku laserového zdroje je pro měření doby letu klíčová. U výstupu laseru je obvykle umístěn teleskop, který napomáhá k dosažení velkého průměru paprsku a zvětšení Rayleighovy vzdálenosti[1], tj. nižší divergence svazku. Délka impulzu se obvykle pohybuje v rozmezí od 100 ps do řádu desítek nanosekund, což je možné díky Q-spínanému laseru[2].

Při měření velkých vzdáleností jsou zapotřebí vysoké energie jednotlivých impulzů. Ty jsou problematické z hlediska laserové bezpečnosti, zejména pokud vlnová délka laseru není ve spektrální oblasti bezpečné pro oči (eye-safe). Pro nanojoulové až mikrojoulové energie impulzů je možné použít např. pasivně Q-spínaný mikročipový Er:Yb:glass laser, který může generovat poměrně krátké eye-safe pulzy (řádově 1 ns) s energií kolem 10 μJ [2].

Historie

První úspěšné testy měření vzdálenosti mezi Měsícem a Zemí byly provedeny v roce 1962, kdy vědci z Massachusettského technologického institutu úspěšně pozorovali laserové impulzy odražené od povrchu Měsíce pomocí laseru s impulzem o energii 50 J a délce 0,5 ms. Podobná měření provedl později téhož roku sovětský tým na Krymské astrofyzikální observatoři pomocí rubínového Q-spínaného laseru.

Pro zvýšení přesnosti měření bylo klíčové umístění optických reflektorů na Měsíci. Instalace toho prvního byla provedena 21. července 1969 posádkou Apolla 11. Další dvě soustavy byly instalovány posádkami misí Apollo 14 a Apollo 15. První úspěšné měření vzdálenosti Měsíce pomocí retroreflektoru bylo provedeno 1. srpna 1969 na Lickově observatoři. Odražeč Apolla 15 se díky své velikosti (je třikrát větší, než ty zanechané předchozími misemi Apollo) stal cílem tří čtvrtin měření provedených během prvních 25 let experimentu.

Sovětské autonomní rovery Lunochod 1 a Lunochod 2 nesly menší retroreflektory (se sníženým výkonem na přímém slunečním záření), než ty použité při misích Apollo. Odražené signály byly přijímány Sovětským svazem až do roku 1974, ale ne západními observatořemi, které neměly přesné informace o jeho poloze. Až v roce 2010 sonda NASA Lunar Reconnaissance Orbiter lokalizovala na snímcích vozítko Lunochod 1 a v dubnu 2010 tým z Kalifornské univerzity provedl měření na jeho retroreflektoru.

Pro 21. století bylo plánováno umístění několika nových retroreflektorů na Měsíci. Reflektor MoonLIGHT, který měl být umístěn na soukromém přistávacího modulu MX-1E, měl až stonásobně zvýšit přesnost měření oproti stávajícím systémům. MX-1E ale v červenci 2020 neodstartoval, v únoru téhož roku byl jeho start zrušen [3].

Obrázek 3 ukazuje umístění retroreflektorů na přivrácené straně Měsíce.

Tabulka retroreflektorů na Měsíci

Původ	Mise	Jméno	Datum	Velikost	Stav
USA	Apollo 11	Laser Ranging Retroreflector	21.7.1969	46*46 cm	Funkční
SSSR	Luna 17	Lunochod 1	17.11.1970	44*19 cm	Funkční
USA	Apollo 14	Laser Ranging Retroreflector	31.1.1971	46*46 cm	Funkční
USA	Apollo 15	Laser Ranging Retroreflector	31.7.1971	105*65 cm	Funkční
SSSR	Luna 21	Lunochod 2	15.1.1973	46*46 cm	Funkční

Pro přesný výpočet vzdálenosti Měsíce je kromě doby letu, která činí přibližně 2,5 sekundy, nutné zohlednit mnoho dalších faktorů. Mezi ně patří:
– poloha Měsíce na obloze,
– relativní pohyb Země a Měsíce,
– rotace Země,
– počasí,
– různá rychlost světla v různých částech atmosféry.
Vzdálenost se z řady důvodů neustále mění, ale v průměru distance mezi středem Země a středem Měsíce činí 385 000,6 km [3].

Dosavadní pozorované výsledky

Z dlouhodobých měření vyplynula následující zjištění:
– Vzdálenost k Měsíci lze měřit až s milimetrovou přesností.
– Měsíc se od Země vzdaluje po spirále rychlostí 3,8 cm/rok.
– Měsíc má pravděpodobně tekuté jádro o poloměru asi 20 % Měsíce [1].

Zdroje

[1] Chapront, J.; Chapront-Touzé, M.; Francou, G. (1999). „Determination of the lunar orbital and rotational parameters and of the ecliptic reference system orientation from LLR measurements and IERS data“. Astronomy and Astrophysics 343: 624–633 [cit. 2023-02-21]. ISSN 1432-0746 Dostupné z: https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/1999A%26A…343..624C/abstract

[2] M.-C. Amann et al., “Laser ranging: a critical review of usual techniques for distance measurement”, Opt. Eng. 40 (1), 10 (2001) [cit. 2023-02-21]. ISSN 1560-2303 Dostupné z: https://www.spiedigitallibrary.org/journals/optical-engineering/volume-40/issue-1/0000/Laser-ranging–a-critical-review-of-unusual-techniques-for/10.1117/1.1330700.short?SSO=1

[3] Bender, P. L.; et al. (1973). „The Lunar Laser Ranging Experiment: Accurate ranges have given a large improvement in the lunar orbit and new selenophysical information“. Science. 182 (4109): 229–238. [cit. 2023-02-21]. ISSN 1095-9203  Dostupné z: https://www.science.org/doi/10.1126/science.182.4109.229

[4] Turgivan, A. (2004). Was Galileo wrong? NASA. [cit. 2023-02-21]. Dostupné z: https://science.nasa.gov/science-news/science-at-nasa/2004/06may_lunarranging/

Zobrazit článek ve Studovně

Typy laserů podle aktivního prostředí

Nedílnou součástí každého laseru je tzv. aktivní prostředí. Právě tam dochází k zesilování světla. Je tedy zřejmé, že aktivní prostředí určuje řadu vlastností laseru, ve kterém se používá. Některé vlastnosti, jako je spektrum laseru, přesně vyhraní možnosti použití, zatímco jiné například omezují dosažitelný výkon.

Hlavní vlastnosti každého aktivního prostředí můžeme dělit na optické a tepelné.

Optické vlastnosti

Asi nejdůležitějšími z optických vlastností aktivního prostředí jsou jeho absorpční a emisní spektrum. Kvantové přechody, při kterých dochází k emisi světla v daném prostředí, určují vlnové délky, které je možné tímto prostředím získat. Poloha tzv. Spektrální čáry tedy určuje, na kterých vlnových délkách bude možné s daným prostředím laserovat. Některá prostředí emitují fotony pouze v části viditelného spektra, jiná jsou omezena na blízkou infračervenou oblast (1).

Absorpční spektrum je důležité pro tzv. čerpání aktivního prostředí, kdy do aktivního prostředí vkládáme energii tím, že do něj svítíme světlem o specifické vlnové délce. Pokud na dané vlnové délce prostředí fotony neabsorbuje, není možné pomocí tohoto světla dostat prostředí do excitovaného stavu.

Spektrální čáry aktivních prostředí také mohou mít různou šířku. Ačkoliv se běžně uvádí, že laserové záření je monochromatické, neplatí to obecně. Například titan-safírový laser je schopný emitovat záření přes velikou část celého viditelného spektra.

Šířka emisní spektrální čáry je velice důležitá pro konstrukci impulsních laserů, kdy širší spektrum laserového záření umožňuje dosáhnout kratších impulsů. Například výše zmíněný titan-safírový laser je schopný dosáhnout laserových impulsů dlouhých pouze pár jednotek femtosekund (2).

Také je důležitá pravděpodobnost toho, že k zesílení světla kvantovými procesy uvnitř aktivního prostředí dojde. Tomuto parametru říkáme efektivní průřez stimulované emise. Když si tento koeficient vykreslíme do grafu jako například v obrázku 1, můžeme vidět, jak efektivně na dané vlnové délce aktivní prostředí absorbuje nebo emituje fotony.

Další poměrně důležitou veličinou je také tzv. doba života na horní laserové hladině. Když aktivní prostředí excitujeme, bude se na horní laserové hladině vyskytovat více kvantových soustav než na té spodní. Tím se zvyšuje pravděpodobnost stimulované emise, a vytváří se laserový paprsek. V přirozeném stavu se v aktivním prostředí všechny kvantové soustavy nachází v základním stavu. Pokud prostředí přestaneme čerpat, postupem času se buď spontánní emisí nebo jinými procesy všechny kvantové soustavy postupně snesou na spodní laserovou hladinu. Tím pádem máme po načerpání jenom omezenou dobu, kdy je prostředí připraveno laserovat. Toto je důležité zejména u laserů, u kterých čerpáme buď elektrickým výbojem, výbojkou nebo jiným pulsním mechanismem. Čím delší je tato doba, tím déle můžeme laserovat po načerpání a tím větší bude rozdíl počtu kvantových soustav na horní laserové hladině a počtu na dolní laserové hladině. Tento rozdíl znamená vyšší pravděpodobnost, že dojde ke stimulované emisi, a tím pádem bude aktivní prostředí lépe zesilovat světlo (3).

Za zmínku stojí ještě kvantový defekt. To je veličina, která se projevuje pouze u opticky čerpaných aktivních prostředí. Jednoduše jde o rozdíl energie absorbovaného fotonu a energie emitovaného fotonu. Až na vzácné výjimky je emitovaný foton vždy méně energetický než absorbovaný foton. Tato veličina tedy určuje, jaká část energie je z každého absorbovaného fotonu ztracena. Často se uvádí jako procento energie absorbovaného fotonu. Prostředí s vysokým kvantovým defektem tedy mají vyšší ztráty a více se zahřívají. Vyšší teplota aktivního prostředí ve většině případů vede k zhoršení parametrů laseru a tím pádem jsou taková aktivní prostředí nevhodná k použití pro lasery s vysokým středním výkonem.

Tepelné vlastnosti

Při provozu laseru se aktivní prostředí zahřívá (viz. kvantový defekt výše) a rostoucí teplota má na laser většinou negativní dopad. Může se stát, že vlivem zvýšené teploty také přibude počet kvantových soustav na dolní laserové hladině. To potom snižuje možné zesílení světla. Každé optické prostředí (včetně plynu) má navíc index lomu, který může být závislý na teplotě. Toto znamená, že pokud se aktivní prostředí zahřeje, a chladíme jej ve směru kolmém na směr laserového svazku, vznikne uvnitř teplotní gradient, který díky tepelné závislosti indexu lomu udělá z aktivního prostředí čočku (většinou spojku). Tento jev velice silně narušuje optický rezonátor laseru a u řady aktivních prostředí vylučuje jejich použití pro střední výkony větší než pár Wattů.

Proto je nutné lasery dobře chladit, a k tomu je velice důležitý koeficient tepelné vodivosti aktivního prostředí. Čím vyšší, tím lépe lze aktivní prostředí chladit. Samotný způsob chlazení pak závisí i na skupenství aktivního prostředí. V plynovém laseru je možné plyn postupně měnit, nebo jej chladit (2) skrze stěny nádoby ve které se nachází aktivní prostředí, zatímco u pevnolátkového laseru je nutno jej chladit skrze jeho stěny.

Shrnutí

Každé aktivní prostředí má řadu vlastností, které určují, jak laseruje a k jakému účelu se tedy hodí. Při konstrukci jednotlivých laserů se také projeví řada jiných vlastností. Zacházení s vláknovými lasery je naprosto odlišné od zacházení s plynovými lasery, a podobně. Třeba polovodičové laserové diody se čerpají pomocí elektřiny a nabízejí tak vysokou účinnost, ale jejich spektrální čáry neumožňují generaci krátkých laserových impulsů.

Citovaná literatura

1. Csele, Mark. Funamentals of Light Sources and Lasers. New Jersey : John Wiley & Sons, Inc., 2004.
2. Morgner, U., a další. Sub-two-cycle pulses from a Kerr-lens mode-locked Ti:sapphire laser. Optics Letters. 1999.
3. Saleh, Bahaa E. A. a Teich, Malvin Carl. Základy fotoniky. Praha : Matfyzpress, 1991. Sv. 3.
4. Paschotta, Rüdiger. RP photonics, članek o průřezech kvantových přechodů. Rp Photonics Encyclopedia. [Online] 2022. https://www.rp-photonics.com/transition_cross_sections.html.

Zobrazit článek ve Studovně

5 využití laseru a optiky, se kterými se setkáte každý den

Laserové záření se svými specifickými vlastnostmi nachází uplatnění v mnoha oborech. Rozsah jeho použití je tak široký, že se s ním každý dennodenně setkáváme v běžném životě. Na princip pěti takových, dnes již zcela běžných, aplikací laseru se nyní podíváme.

CD a DVD

CD a DVD, neboli kompaktní optické disky, jsou záznamová zařízení, která informační hodnotu uchovávají v podobě ohromného množství prohlubní (tzv. pitů) vytvořených na lesklé ploše disku. Šířka této záznamové stopy je v řádu stovek nanometrů (viz Obr. 1).

Čtecí laserová dioda přehrávače vyzařuje svazek, který se odráží a fokusuje na záznamovou stopu (viz Obr. 2). Po dopadu na lesklou plochu disku se část záření odrazí do detektoru a vznikne elektrický impulz. Dopadne-li do prohlubně (pitu), rozptýlí se a v detektoru tak elektrický impulz nevznikne.

Z detektoru tak získáváme digitální záznam, který je následně vyhodnocovacími obvody zpracován na zvukový, obrazový, či informační signál. Snímání je bezkontaktní a nedochází tak k mechanickému opotřebení záznamových disků.

Tato technologie zažila velký rozmach od svého prvního uvedení na trh v roce 1983. Zvyšování kapacity tohoto typu paměti narazilo na strop s uvedením čtyřvrstvých, 128 GB velkých BD-XL. Pro další zvýšení kapacity byla snaha přejít od zápisu po vrstvách na zápis do objemu pomocí holografie. Jedním z nových standardů byl „Holographic Versatile Disc“ (HVD). Slibovaná finální kapacita měla být až 3,9 TB na disk. Bohužel, předpokládaná cena a náklady na vývoj tuto technologii odsoudily k zániku ještě před uvedením.

Mezi lety 2000-2013 začaly být kompaktní disky masivně nahrazovány streamováním a jinými digitálními metodami uchovávání dát. Stále však mají nezastupitelné místo v archivaci velkého množství dat. Věděli jste třeba, proč na načtení starých a dlouho nesdílených médií na sociálních sítích čekáte déle, než na načtení nedávno sdíleného videa? V těch pár sekundách robotické rameno hledá ten správný archivační optický disk a vkládá ho do mechaniky tak, jak jste to kdysi dělali s CD nosiči vy.

Čtečky čárových kódů

Čárové kódy umožňují snadnou a rychlou identifikaci zboží sekvencí čar a mezer s definovanou šířkou (např. EAN), popř. vypadají jako mozaika (např. QR kódy). Nejčastěji se s nimi setkáte v logistice, supermarketech, či knihovnách.

 

Nejefektivnější čtečky jednorozměrných (lineárních) kódů (Obr. 3)  jsou postaveny na miniaturním laseru, jehož paprsek kmitá a skenuje čárový kód (viz Obr. 4). Rozmítání paprsku zajišťuje otočný hranol nebo naklápěcí zrcadlo. Od tmavých čar se vysílaný laserový paprsek neodráží, kdežto od světlých míst ano. Odražené paprsky zachytí detektor a ten vzniklé elektrické impulzy předává do vyhodnocovacího obvodu již ve formě digitální informace. Konstrukce čtečky dovoluje načítat čárový kód i z větší vzdálenosti (až 15m). Pro pohodlnou práci mohou být čtečky buď zabudované, nebo ve formě ručního zařízení.

K přečtení dvourozměrných kódů (jako jsou například QR kódy) slouží skenery na bázi CCD kamery. Přes komunikační zařízení pak načtená a dekódovaná informace putuje k dalšímu zpracování.

Tisk

Laserové tiskárny využívají laserový paprsek k vytvoření elektrostatického „obrazu“ na světlocitlivém válci. Tento válec je kovový, s vrstvou polovodiče na povrchu. Obraz je na válec přenesen modulátorem laserového paprsku, jenž sestává z otočného, např. šestibokého, zrcadla a soustavy čoček. Laserový svazek změní náboj osvětlených oblastí světlocitlivého válce na slabě pozitivní. Na válec se elektrostaticky nachytá toner (záporně nabitý) a výsledný obraz se z válce přenese na papír. Vyhřívanými válci se toner roztaví a trvanlivě pronikne do textury papíru.

Výhodou laserových tiskáren je vysoká kvalita i při velké rychlosti tisku, nízké provozní náklady a nízká hlučnost. Nevýhodou jsou pořizovací náklady a čas potřebný k zahřátí.

Další metodou laserového tisku je laserové značení. Slouží k permanentnímu označení výrobků laserovým svazkem, který svou dopadající energií změní povrchové vlastnosti do podoby značky. Z principu je bezkontaktní a nevyžaduje žádný další spotřební materiál, tonery, či chemikálie. Technologie umožňuje označovat členité povrchy, vytvářet různé struktury a vhodným nastavením laseru dokonce určit barvu značky (viz Obr. 6). Velkou výhodou laserového značení je trvanlivost – nehrozí setření informace či její vyblednutí (což je zejména vhodné ve farmacii). K značení se používají CO₂ lasery (pro značení skla, papíru či průhledného PET), vláknové lasery (pro značení kovových či plastových materiálů) a UV lasery (pro značení plastových materiálů a tenkých filmů).

Optický internet

Optický internet je moderní technologie přenosu dat, v podstatě na libovolnou vzdálenost, s minimální latencí (Obr. 8). Páteří optického internetu jsou optická vlákna, kterými je vedeno záření s minimálními ztrátami. Na rozdíl od starších metalických kabelů jsou data přenášena s vysokou efektivitou. Světelné impulzy generované laserem putují skrz skleněné optické vlákno a ztráta intenzity je jednoduše kompenzována přidáním zesilovače.

Hlavními součástmi optické sítě jsou lasery, optické zesilovače a vlnové multiplexy. Poslední zmíněné, vlnové multiplexy, jsou technologií, která umožňuje podstatně rozšířit kapacitu komunikace v jednom optickém vlákně, a to použitím více vlnových délek. Výsledkem je přenos více optických signálů v jednom vlákně, současně.

Datový přenos skrz skleněné optické vlákno je imunní vůči rušení. Dále je optický internet také velmi rychlý, stabilní a téměř bezúdržbový.

Optické bezpečnostní sensory

Optické sensory umožňují bezkontaktní detekci a měření. Často jsou využívány v automatizaci.

Konkrétně jsou z nich často konstruované světelné závěsy, které zajišťují osobní bezpečnost v průmyslových provozech. Sensory se skládají z vysílače a detektoru. Na hranice sledované oblasti (ochranného pole) se umístí zdroje optického signálu (vysílače), které vysílají matici rovnoběžných svazků. Detektor zachycuje dopadající svazky a při poklesu intenzity dopadajícího záření vyšle signál do bezpečnostního obvodu, který aktivuje ochranné prvky.

Jinou variantou použití jsou optické bariéry či světelné závory (Obr. 9), které se liší rozlišením (roztečí vysílaných svazků) a častěji slouží jako registrační zařízení.

Zatímco některá laserová zařízení naše domácnosti pomalu opouštějí, nové laserové technologie si do nich nacházejí cestu a není vyloučeno, že laserové projektory a 3D tiskárny budou nové generaci uživatelů známější než CD a Blue-Ray disky.

Literatura:

[1] Comparison of Compact Disc, Digital Versatile Disc, High-Definition/Density Digital Versatile Disc and Blu-ray Disc (wikimedia.org)

[2] Goldwasser: Sam’s CD FAQ Components, https://lasersam.org/sam/puj8d1bp.gif

[3] Barcodes [Združljivostni način] (uni-lj.si)

[4] Laser_Printing_Diagram.jpg (341×304) (imsinkspot.com)

[5] Laser Marking Machine | Etching Machines | NCB Marking Equipment (ncb-marking.co.uk)

[6] https://www.instructables.com/Exact-Scale-Images-for-Laser-Engraving/

[7] https://mellowpine.com/cnc/color-laser-engraving/

[8] Fiber-Optic Cable Vs. Coaxial Cable… Which is Better? – Chariton Valley (cvalley.net)

[9] https://www.atlasofplaces.com/academia/global-flows/

[10] Vojáček: Bezpečnostní monitory AS-i s mutingem pro zajištění přístupu, Automatizace 2015

Zobrazit článek ve Studovně

Generování harmonických frekvencí laserů

Mluví-li se o laserech, často je zmíněno také slovo „krystal“. O krystalech je známo, že jsou to pevné látky, ve kterých se nacházejí atomy, molekuly a ionty ve vysoce uspořádaných mikrostrukturách – v krystalových mřížkách. Tato vysoká uspořádanost, spolu s dopováním vhodnými ionty, umožňuje jejich využití jako aktivních prostředí v laserech. Takovými krystaly jsou např. Nd:YAG (yttrium aluminium granát dopovaný ionty neodymu) nebo Ti:safír (safír, tj. oxid hlinitý, dopovaný ionty titanu).

V roce 1961, krátce po zkonstruování prvního laseru, však bylo zjištěno, že některé krystaly se při ozáření intenzívním laserovým svazkem chovají pozoruhodně. Nešlo jen o to, že po průchodu krystalem bylo záření mírně oslabeno v důsledku absorpce. Kromě základní vlnové délky laseru se v záření objevily i jeho optické harmonické frekvence. To znamená, že pokud základní vlnová délka byla 1064 nm (Nd:YAG), ve výsledném záření se nacházela i vlnová délka poloviční, 532 nm, tj. druhá harmonická frekvence 2ω. Krystal se zachoval opticky nelineárně: jeho odezva nebyla pouze lineárně úměrná elektrickému poli E, ale byla proporcionální i E². Potom je jasné, že ve výsledném záření se musela vyskytnout i složka s optickou frekvencí 2ω.

Tato vlastnost, jak bylo později zjištěno, úzce souvisí s typem symetrie krystalu. Aby krystal vygeneroval ze základní vlnové délky také druhou harmonickou frekvenci, nesmějí buňky v mříži vykazovat střed symetrie. Krystal musí být také správně říznut, řezné plochy musí svírat s krystalografickými osami přesně určené úhly. Řezné plochy se následně vyleští, aby při dopadu laserového svazku nedošlo k jeho rozptylu. Na obrázku 1 je zobrazeno typické schéma pro generaci druhé harmonické frekvence daného laseru.

Druhá harmonická

Na jedné straně vstupuje do krystalu základní svazek, např. s vlnovou délkou 1030 nm. Takové lasery najdete například v laserovém centru HiLASE; jejich aktivním prostředím je Yb:YAG. Na druhé straně vystupuje vygenerovaná druhá harmonická frekvence, tj. záření s vlnovou délkou 515 nm. Spolu s ní ale z krystalu vystoupí také zbylý základní svazek, protože konverze do druhé harmonické nikdy není úplná. Kvalitní krystaly mohou zkonvertovat 60% i více základního svazku. To je ovšem za předpokladu, že i laserový svazek je velmi kvalitní: má hladký prostorový i časový profil, např. gaussovský. Aby se zlepšila účinnost konverze, tj. poměr výkonu druhé harmonické ku výkonu základního svazku, pokrývají se vstupní a výstupní plochy krystalu antireflexními vrstvami. Tyto tenké vrstvy (např. z MgF₂) díky svému indexu lomu sníží odraz svazku, a to jak u vstupujícího základního svazku, tak u výsledného svazku druhé harmonické.

Pro generaci druhé harmonické z Nd:YAG, nebo Yb:YAG laseru, se nejčastěji používá lithium triborát LBO (LiB₃O₅). Jak tyto nelineární krystaly před i po zpracování vypadají ukazuje obrázek 2.

Druhá harmonická frekvence je v laserovém centru HiLASE využívána v několika uživatelských experimentech. U systému PERLA C (pulzního vysokovýkonného tenkodiskového laseru s aktivním prostředím Yb:YAG) byla použita např. k mikroobrábění invarové fólie. Svazek druhé harmonické byl pomocí difrakčního prvku rozdělen na téměř 800 miniaturních svazků, které vyvrtaly do fólie mikrodíry o definovaných rozměrech.

Dále byla druhá harmonická použita na proměření propustnosti bioresopčních optických vláken z fosfátových skel. Tato vlákna mají tu výjimečnou vlastnost, že jsou v lidském těle rozpustná. Jejich využití při operacích proto nepřináší nebezpečí poranění tkáně, pokud by došlo k jejich rozlomení v těle.

Intenzívní druhá harmonická byla rovněž vygenerována na systému BIVOJ, což je nanosekundový diodami čerpaný laser, ve kterém jsou koncovým aktivním prostředím kryogenně chlazené desky z Yb:YAG keramiky. Na tomto systému bylo dosaženo několika světových prvenství v množství energie výstupního pulzu. Ve druhé harmonické byla vygenerována energie v pulzu 95 J při opakovací frekvenci 10 Hz. Tento unikátní svazek je mimo jiné využíván při laserovém zpevnění povrchu součástek, v technice LSP (Laser Shock Peening), která umožňuje výrazné prodloužení jejich životnosti.

Třetí harmonická

Druhá. harmonická vzniká jako součet dvou fotonů základního svazku: 2ω=1ω+1ω. Mělo by tedy také být možné sečíst foton 1ω a foton 2ω, tj. 1ω+2ω=3ω, a vygenerovat tak ultrafialové záření o vlnové délce 343 nm (pokud má základní svazek vlnovou délku 1030 nm), tj. třetí harmonickou frekvenci. Možné to je, a právě takto je třetí harmonická generována. Využívány jsou například nelineární krystaly LBO (ale seříznuty jinak, než tomu bylo při generaci druhé harmonické) nebo BBO (β-bárium borát). Oba tyto krystaly mají vysoký práh poškození, takže snesou vysokou intenzitu laserového záření.

Každý z nich má pro generaci třetí harmonické jiné výhody. LBO má vyšší úhlovou toleranci, což znamená, že základní svazek nemusí být přesně kolimovaný, a přesto může být konverze do třetí harmonické vysoká. Na druhou stranu, krystal BBO má 3x větší nelineární koeficient, a proto je jeho konverzní účinnost do 3. harmonické vyšší než u LBO. Krystaly BBO jsou ale mírně hydroskopické, takže je potřeba je zahřívat alespoň na teplotu cca 50 °C, aby se před vodními parami uchránily. Další možností je krystal používat uzavřený ve vakuové komůrce.

Na obr. 3 je vyobrazeno schéma uspořádání krystalů pro generaci třetí harmonické, používaného například v systému PERLA C. První krystal LBO(2H) generuje druhou harmonickou (515 nm) ze základního svazku (1030 nm). Tato druhá harmonická spolu se zbylým nezkonvertovaným základním svazkem vstupuje do druhého LBO(3H) krystalu, jehož řez odpovídá generaci třetí harmonické (343 nm). Mezi oba krystaly jsou však přidány dva prvky:

• kompenzátor časového zpoždění (TDC), který zbrzdí pulzy základního svazku, takže dopadnou na druhý LBO krystal ve stejném okamžiku jako pulzy svazku druhé harmonické
• duální půlvlnná destička (DHWP), která obrací polarizační rovinu základního svazku, takže po průchodu touto destičkou mají oba svazky stejnou polarizaci.

Tyto dva prvky zajišťují vysokou konverzi do třetí harmonické v použitém LBO krystalu, v tomto případě 25%. Znamená to, že poměr výkonu ve třetí harmonické ku výkonu v základním svazku je 0,25:1. Pro laserové systémy této kategorie se jedná o velmi dobrý výsledek.

Ultrafialové záření 343 nm se za přesně definovaných experimentálních podmínek využívá pro studium modifikace povrchů chemických sloučenin, i pro jejich řezání a opracování.

Čtvrtá harmonická

Další v pořadí je čtvrtá harmonická frekvence, vlnová délka 258 nm. Ta už spadá do oblasti tvrdého, lidské tkáni velmi nebezpečného, ultrafialového záření. Jak ji vyrobit? Podle výše uvedeného návodu by mělo být možné ji vygenerovat jako součtovou frekvenci 1ω+3ω, tedy za pomoci třetí harmonické smíšené se zbylým základním svazkem.

To je samozřejmě možné, ale efektivnější metodou (s větší konverzní účinností) je vygenerovat čtvrtou harmonickou jako druhou harmonickou z druhé harmonické, tj. 2ω+2ω=4ω. Nejčastěji užívanými krystaly pro tento účel jsou výše zmíněný BBO, nebo CLBO (cesium lithium boritan, CsLiB₆O₁₀). Každý z nich má své výhody. BBO vykazuje účinnější konverzi z druhé harmonické do čtvrté, ale potřebuje kvalitnější laserový svazek. CLBO dokáže zkonvertovat i méně kvalitní svazek, ale musí se udržovat na poměrně vysoké teplotě (kolem 150 °C), protože je silně hydroskopický. Pokud bychom ho nechali na vzduchu bez ochrany, již druhý den by byl vyleštěný povrch narušený.

V naší laboratoři většinou pro generaci čtvrté harmonické používáme právě CLBO. Tvrdé ultrafialové záření čtvrté harmonické frekvence využíváme například ke krystalizaci vrstev tvořených nanotrubičkami TiO₂. Ty mají velký aplikační potenciál: využívají se v solárních panelech, různých čidlech a fotokatalyzátorech. Vrstvy mají při vzniku amorfní strukturu s mnoha defekty, a právě ozáření vlnovou délkou 258 nm mění jejich strukturu na krystalickou, s lepšími užitnými vlastnostmi.

Pátá harmonická

O něco kratší vlnovou délku má pátá harmonická frekvence, 206 nm. Víme už, že ji lze vytvořit součtem optických kvant 2ω+3ω. V našem systému generace harmonických frekvencí ji však vytváříme v procesu 5ω=4ω+1ω. Tento způsob tvorby fotonu s energií 5ω je energeticky účinnější než předchozí proces. Realizuje se rovněž v krystalu CLBO (seříznutém pod trochu jinými úhly než v případě generace čtvrté harmonické). Krystal se opět musí udržovat na teplotě 150 °C, což je sice mírně nepraktické, ale tato vysoká teplota nejen chrání krystal před vlhkým vzduchem, ale také snižuje zpětnou absorpci 5ω fotonů na jejich cestě ven z krystalu.

Toto velmi tvrdé ultrafialové záření nachází uplatnění v uživatelském experimentu zkoumajícím rozklad určitých chemických sloučenin, které jsou modelovými složkami při studiu vzniku vesmíru.

Kvalita svazků a srovnání harmonických frekvencí

V závěru se podívejme na obr. 4, kde jsou seřazeny profily svazků jednotlivých harmonických frekvencí, počínaje základním svazkem o vlnové délce 1030 nm, poté svazkem 2. harmonické o vlnové délce 515 nm, dále 3. harmonické (343 nm), 4. harmonické (258 nm) a 5. harmonické (206 nm).

Je vidět, že se kvalita profilu svazků s vyšší harmonickou frekvencí zhoršuje. Je to dáno tím, že přeměna fotonů základního svazku nebo druhé harmonické do vyšších harmonických je doprovázena nelineárními optickými jevy, jako je dvoufotonová absorpce, samofokusace, a další. Ty narušují původní homogenní prostředí v krystalu a v různých částech jsou nyní rozdílné fyzikální podmínky pro konverzi do vyšších harmonických, což se navenek projeví jako silně strukturovaný profil svazku (původně Gaussovský). Co nejkvalitnější a přitom vysoce výkonný laserový svazek u vyšších harmonických frekvencí je tradičním prvkem soutěživosti mezi laserovými laboratořemi.

Je třeba zdůraznit, že generace harmonických frekvencí ze základní vlnové délky laseru významně přispívá k rozšíření jeho aplikačních možností. Není třeba vymýšlet nový laserový systém pro netypickou vlnovou délku, kterou potřebujeme pro náš experiment. Stačí vzít osvědčený a spolehlivě fungující laser o vlnové délce kolem 1 mikrometru a přidat k němu vhodný krystal.

Zobrazit článek ve Studovně

Využití laserů k holografii

V klasickej fotografii je pomocou optickej sústavy zobrazený trojrozmerný objekt do roviny obrazového senzoru, ktorý túto projekciu intenzitne zaznamená. Intenzitne znamená, že sledujeme iba množstvo energie, ktorá dopadne do daného miesta záznamu, bez ohľadu na to, z ktorého smeru. Tým sa stráca podstatná časť informácie o svetelnej vlne odrazenej od objektu, ktorou je jej fáza.

Vzhľadom na to, že frekvencie viditeľného svetla sú rádovo v stovkách THz, čo je vysoko nad možnosťami najrýchlejších senzorov, nie je možné fázu a fázové rozdiely merať priamo. Pokiaľ teda chceme „odfotiť“ objekt trojrozmerne, musíme nájsť spôsob ako uchovať ako amplitúdovú, tak aj fázovú zložku svetelnej vlny v intenzitnom zázname.

Holografia predstavuje takúto záznamovú a zobrazovaciu techniku, umožňujúcu dokonale uchovať a reprodukovať svetelné pole v rovine záznamu. Z toho vychádza aj samotný názov techniky: holos – úplný, grafein – zaznamenať, i.e. úplný amplitúdovo-fázový záznam.

Záznam a rekonštrukcia hologramu

Holografický záznam trojrozmerného objektu prebieha s použitím svetla rozptýleného na objekte (objektová vlny) a druhej prídavnej (referenčnej) vlny, ktorá dopadá priamo na záznamový materiál/senzor. Tieto dve vlny vytvárajú v rovine záznamu interferenčné pole, ktoré je intenzitne zaznamenané. Podstatné ale je, že tvar tohto poľa závisí nielen od amplitúdy, ale aj od fázy interferujúcich vĺn. Takýto záznam, nazývaný hologram, preto nesie kompletnú informáciu o zaznamenávanom svetelnom poli a teda aj o objekte, z ktorého pochádzalo.

Pre spätnú rekonštrukciu zaznamenaného objektu je potrebné osvetliť spracovaný hologram pôvodnou referenčnou (teraz nazývanou rekonštrukčnou) vlnou. Tá bude difraktovať na zaznamenanej pseudo-periodickej mikroštruktúre hologramu (Obr. 1) čím, medzi iným, spätne vytvorí pôvodnú objektovú vlnu. V prípade obrazového hologramu takto môže pozorovateľ cez hologram vidieť rekonštruovaný objekt dokonale identický originálu.

Pri samotnom zázname hologramu existuje niekoľko možností vzájomného umiestnenia objektu, referenčnej vlny a záznamovej dosky / senzoru. V každom prípade je ale nutné použiť svetelnú vlnu, ktorá je koherentná, t.j. je schopná interferovať s „podobným žiarením“, ako napríklad dve rôzne časti jednej vlny. Túto požiadavku obecne spĺňa vlna, ktorá je striktne monochromatická (jednofarebná) a šíri sa jedným smerom, čo sú vlastnosti svetla laserových lúčov.

Na obrázku Obr. 2a je znázornená bežne používaná optická konfigurácia pre záznam transmisného hologramu. Zväzok koherentného svetla je rozdelený na dve časti: na a) osvetľovací zväzok, ktorý dopadá na holografický záznam po rozptýlení sa na zaznamenávanom objekte, a na b) referenčnú vlnu dopadajúcu na záznam priamo.

Po expozícií a spracovaní záznamu je fyzický objekt odstránený a hologram v pôvodnej pozícii osvetlený rekonštrukčnou vlnou (Obr. 2b). Tá difrakciou na transmisnom holograme bude reprodukovať divergujúcu vlnu od pôvodného objektu. Pokiaľ osvetlíme hologram konjugovanou vlnou (t.j. vlnou s totožnými vlnoplochami, ale opačným smerom šírenia) k referenčnej, vznikne difrakciou na holograme konvergentná vlna do miesta pôvodného objektu (Obr. 2c). Takýto reálny obraz, t.j. obraz ktorý sa dá zachytiť na plátno, sa dá použiť ako objekt pre ďalší hologram, kde objekt bude umiestnený v rovine hologramu.

 

Druhým typom hologramu je hologram reflexný. V tomto prípade dopadajú referenčná a objektová vlna na záznam z opačných strán. Pri rekonštrukcii sú tak rekonštrukčná aj objektová vlna na rovnakej strane hologramu. Jeho podstatnou výhodou oproti transmisnému hologramu je, že objemová reflexná štruktúra je vysoko spektrálne selektívna. Ak takýto hologram osvetlíme bielym svetlom bežnej lampy, hologram z celého bieleho spektra odrazí iba jednu vlnovú dĺžku odpovedajúcu farbe laseru použitého pri zázname, a teda na rekonštrukciu nepotrebujeme laserové svetlo. Naproti tomu v transmisnom holograme rekonštruovanom bielym svetlom budú efektívne difraktovať všetky časti spektra. Každá časť vytvorí obraz, ale na inom mieste a v inej veľkosti. Pokiaľ teda nechceme pozorovať farebný fľak, ale pôvodný objekt, musíme transmisný hologram rekonštruovať laserovým svetlom.

Vyššie uvedené hologramy budú z princípu jednofarebné. Plnofarebný reflexný hologram je možné vytvoriť napríklad zložením troch laserov (červeného, zeleného a modrého) počas záznamu. Transmisný hologram, v špeciálnom prípade, že obetujeme vertikálnu paralaxu rekonštruovaného obrazu, môže byť tiež plnohodnotne rekonštruovaný bielym svetlom. Podobne reflexnému hologramu, spojením troch takýchto dúhových hologramov, vznikne plnofarebný záznam.

Záznamové materiály

Záznamový materiál v klasickej obrazovej holografii je umiestnený vo forme tenkej vrstvy na povrchu sklenenej dosky. Tento materiál (halogénstrieborná emulzia, fotorezist, fotopolymér, a iné) musí mať veľmi vysokú priestorovú rozlišovaciu schopnosť, aby dokázal zaznamenať interferenčné pole. Perióda tohto poľa Λ = λ / [2n sin(θ/2)], kde λ je použitá vlnová dĺžka laserového svetla, n index lomu záznamového materiálu a θ uhol medzi obrazovou a referenčnou vlnou, sa pohybuje rádovo v tisícoch čiar na milimeter.

Digitálna holografia

Pri zvolení malého uhlu θ, budú interferenčné prúžky dostatočne veľké na to, aby sa dali zachytiť aj digitálne priamo na obrazový senzor (CCD, CMOS, Obr. 1). V digitálnej holografii je takto zaznamenaný hologram následne rekonštruovaný numericky.

Opačný proces, teda numerický návrh difrakčnej štruktúry, jej fyzická realizácia do optického prvku, alebo zobrazenie na dynamickom priestorovom svetelného modulátore a následná optická rekonštrukcia, je tiež bežne rozšírený. Vzhľadom na vysokú výpočtovú a ešte vyššiu výrobnú náročnosť, sa však táto metóda nepoužíva pre obrazové hologramy.

Použitie

Hologramy majú širokú škálu uplatnení. Denne sa s nimi stretávame napríklad na ochranných prvkoch bankoviek a cenných predmetov, kde ich priestorová premenlivosť znemožňuje jednoduché okopírovanie. Naviac, použitím netriviálnej referenčnej vlny, je možné obrazovú informáciu skryť/zašifrovať a výrazne sťažiť napodobenie takéhoto bezpečnostného prvku.

Ďalej sa holografia uplatní v podobe difrakčných holografických optických elementov (HOE) schopných korekcie vád klasickej optiky, smerovanie svetla LED osvetlenia definovaným smerom pre efektívne využitie výkonu, tvarovania a skenovania laserových zväzkov, dynamickej manipulácie s mikročasticami, v presnej metrológií, vo vysokokapacitnom ukladaní informácií a ďalších aplikáciách.

Fejkové hologramy

Pojem holografia je laicky často nesprávne používaný pre akúkoľvek technológiu spojenú s 3D zobrazovaním, prevažne pre „holografiu“ zo sci-fi filmov a hier. Je nutné poznamenať, že objekt rekonštruovaný hologramom, či už pred alebo za rovinou záznamu, pozorovateľ uvidí len v oblasti ohraničenej okrajom holografického záznamu. Musí sa teda pozerať na fyzický hologram s difrakčnou štruktúrou, nie voľne do vzduchu. Naviac, výpočtový výkon a zobrazovacia technológia pre veľkoformátové hologramy v reálnom čase v súčasnosti neexistuje. To znamená, že 3D objekty voľne sa vznášajúce vo vzduchu neodpovedajú realite holografie.

Našťastie pre fanúšikov sci-fi žánru, v posledných rokoch prebieha vývoj volumetrických a autostereoskopických displejov, ktoré sú podobného 3D zobrazovania pre zábavný priemysel, či medicínske aplikácie schopné. Princíp ich fungovania je ale celkom iný.

Zdroje:

[1] Fiala P., Richter I.: Fyzikální optika. Praha: Vydavatelství ČVUT, (2005), ISBN 80-01-03183-7.

[2] Saxby, G.: Practical holography. 2nd ed. New York: Prentice Hall, (1994), ISBN 01-309-7106-5.

[3] Hariharan P.: Optical holography: principles, techniques, and applications. 2nd ed. New York: [] Cambridge University Press, (1996), ISBN 05-214-3965-5.

[4] Wolverton, M. „Where are all the holograms?“, Photonice Focus, SPIE (2021), online (https://spie.org/news/photonics-focus/novdec-2021/what-happened-to-the-hologram)

[5] https://en.wikipedia.org/wiki/Holography

[6] https://holocenter.org/what-is-holography/different-types-of-holograms

Zobrazit článek ve Studovně