Úvod do spektroskopie

Tento článek si neklade za cíl se dopodrobna zabývat postupy spektroskopie. Současný stav poznání je natolik obsáhlý, že ani několik knih by nepojalo veškeré znalosti tohoto oboru. Článek by měl sloužit spíše jako úvod do této tématiky. Na jeho základě se můžete rozhodnout, zda budete mít odvahu a trpělivost se s danými tématy blíže seznámit.

Nejstarší spektroskopický nástroj

Na úvod je nutno říci, že i když to není na první pohled patrné, je spektroskopie nedílnou součástí našeho života již od narození. Nejstarším a zdaleka nejpoužívanějším spektroskopem je oko. Dle barev a na základě našich předchozích zkušeností rozpoznáme nebezpečí v našem okolí, či určíme zralost ovoce.

Lidské oko obsahuje tři typy receptorů na barvu, tzv. čípků, které pokrývají oblast, kterou nazýváme viditelné spektrum (viz. Obrázek 1). Za zmínku stojí, že dravci nebo hmyz mívají i více typů takových receptorů a jsou schopni vidět i v UV oblasti světelného spektra. Většina lidí si neuvědomuje naši závislost na tomto způsobu vnímání světa okolo nás. Lidé s disfunkcí očních čípků mají pro ty zdravé „nepředstavitelný“ hendikep (Obrázek 2)

Obr. 1 : Křivka citlivosti lidských očních čípků(http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/ hbase/vision/colcon.html)

Obr. 2: Ishiharův test barvosleposti (https://www.aoa.org/healthy-eyes/eye-and-vision-conditions/color-vision-deficiency?sso=y)

 

Počátky spektroskopie jako vědy

Za nejstarší využití spektroskopie (mimo lidské oko) by se nejspíše dalo považovat určení teploty na základě barvy. Tato metoda je používána již od dob, kdy lidé začali tepelně zpracovávat kovy. Mistři kováři takto dokázali určit správnou teplotu pro kalení oceli tak, aby získali co nejlepší ostří [1]. Je to dodnes nejlepší způsob, jak změřit teplotu velmi horkých těles, a to i na nezměrné vzdálenosti. Dnes se tento jev nazývá záření černého tělesa a matematicky byl „popsán“ (vztah mezi teplotou a vyzařovanou vlnovou délkou) teprve roku 1893 Wilhelmem Wienem [2].

Obr. 3: Výroba japonského meče (https://www.bbc.com/future/article/20181113-a-samurai-swordsmith-is-designing-a-space-probe)

Obr. 4: Spektrum záření černého tělesa [2]

 

Počátek spektroskopie jako vědy můžeme datovat do roku 1665. Isaac Newton tehdy provedl experiment s hranolem. Jako jiní před ním jej použil k rozložení bílého světla na „duhu“. Do této chvíle ale chybělo hlubší porozumění podstaty pozorovaného jevu. Newton provedl sérii (z dnešního pohledu banálních) pokusů, z nichž vyvodil přelomový závěr: že bílé světlo se skládá z barev, které hranol může nejen rozdělit, ale i sloučit.

Později (roku 1800) se William Herschel pokusil změřit teplotu barev. Osvětlil lomeným světlem z hranolu sérii teploměrů a objevil tak, že mimo duhu světlo obsahuje ještě další prvek, který zahřívá teploměr i mimo ni. Ten vzhledem k poloze nazval infračerveným světlem.

Na základě Herschelovy práce uskutečnil Johann Ritter další významný objev (v roce 1801). Sledoval, jak reaguje chlorid stříbrný na barvy spektra. Zjistil, že reakce u fialového světla je větší, než u červeného a objevil, že největší je reakce na záření řazené až za fialovou, pro lidské oko neviditelné. Tehdy ho pojmenoval chemické záření, ale časem se ujal výraz ultrafialové záření [3] [4].

Obr. 5: (https://www.alamy.com/stock-photo/newton-experiment.html)

Obr. 6: Měření teploty světla (https://www.youtube.com/watch?v=aHQVB6qgZAU)

 

Elektromagnetické spektrum

V současnosti víme, že viditelné spektrum je jen celkem zanedbatelnou částí elektromagnetického spektra. Každá oblast elektromagnetického spektra je spojena s určitými jevy a procesy, které ve své podstatě odpovídají vlnové délce daného elektromagnetického záření.

Například radiové vlny jsou produkovány pohybem elektronů ve vodiči. V dnešním přetechnizovaném světě je proto na každém elektrickém přístroji varovná cedulka o možných rizicích. Na druhou stranu, tyto vlny mohou indukovat proudy, které mohou činnost zařízení ovlivnit, nebo poškodit.

Dnešní mikroelektronika (tedy počítače, mobilní telefony a obecně všechna zařízení s mikroprocesory) je ve své podstatě zdrojem mikrovln (GHz). Mikrovlnné záření je spjaté s pohybem molekul. Infračervené záření již souvisí s pohybem atomů v molekulách. Viditelné, UV a Rentgenové zas spíše s pohybem elektronů v atomech. Gama a kosmické záření je pak spojeno s procesy v atomovém jádru.

 

Obr. 7: Elektromagnetické spektrum (https://en.wikipedia.org/wiki/File:EM_Spectrum_Properties_edit.svg#filelinks)

 

Spektroskopie je v současnosti pro vědu takový „švýcarský nožík“. Uplatní se od astronomie, přes fyziku a chemii.

Spektroskopie v astronomii

V astronomii spektroskopie umožnila převratné objevy. Dopomohla nám například zjistit z čeho se skládají hvězdy, jak probíhá jejich životní cyklus a jak vytváří všechnu svou energii, aniž bychom na nějakou museli letět. Dokonce díky ní můžeme pozorovat i složení atmosféry planet čistě jen sledováním emisních, respektive absorpčních, spektrálních čar.

Obr. 8: Emisní a absorpční spektrum „hvězd“ (https://geol105.sitehost.iu.edu/images/gaia_chapter_1/visible_light_spectral_emission_.htm)

Obr. 9: Emisní spektra hlavních prvků ve hvězdách (https://hubblesite.org/contents/articles/spectroscopy-reading-the-rainbow)

Obr. 10: Spektrum slunečního záření, zvýrazněny čáry vodíku, sodíku, železa, vápníku (https://astronomy.com/magazine/ask-astro/2020/02/what-elements-does-the-sun-contain)

 

V neposlední řadě bylo díky spektroskopii potvrzeno i rozpínání vesmíru pomocí Dopplerova jevu.

Obr. 11: (https://sketchplanations.com/the-doppler-effect)

 

Spektroskopie ve fyzice

Příkladem využití ve fyzice je například zjišťování složení materiálu, nebo ověřování pravdivosti výpočtů v kvantové teorii.

Obr. 12: Emisní spektra prvků periodické tabulky ve viditelné oblasti (https://fiftystatebanana.com/spectral_lift_and_dialate-1/)

 

Kvantová teorie je relativně mladá a na pochopení neintuitivní záležitost. Dnes má asi každý představu o tom, že existují atomy, které jsou základními kameny, ze kterých je složeno vše okolo nás. Většina z nás nejspíš tuší, jak asi takový atom vypadá. Ještě relativně nedávno tomu tak ale nebylo.

Současný nejrozšířenější názor na vzhled atomu je založen na Rutherfordově (1911) nebo Bohrově (1913) modelu. Jsou sice jednoduché na pochopení, ale fyzikálně „nesedí“. Pro zpřesnění bylo nutno zapojit kvantovou teorii a vytvořit „novou“ matematiku, a tak vznikl Schrödingerův model. Takto spočtené energie přechodů (≈ spektrální čáry) jsou v souladu s měřením, a to s neuvěřitelnou přesností nedosažitelnou v klasické fyzice.

Obr. 13: Bohrův model atomu (https://en.wikipedia.org/wiki/Bohr_model)

Obr. 14: Rutherfordův model atomu (https://chemistrygod.com/rutherford-atomic-model)

Obr. 15: Názorné schema přechodů v atomu vodíku a jejich energie (http://www.thestargarden.co.uk/Bohrs-atom.html)

16: Elektronové orbitaly dle Schrödingerova modelu atomu (https://physics.stackexchange.com/ questions/546323/electrons-in-the-quantum-mechanical-model-of-the-atom)

17: Schrödingerův model atomu (https://www.sutori.com/en/item/erwin-schrodinger-s-quantum-mechanical-model-of-the-atom-consisted-of-having-ele)

 

Spektroskopie v chemii a biologii

Infračervená spektroskopie je užitečná zejména v chemii a biologii. Je zaměřena především na takzvané rotačně-vibrační stavy molekul. To je v podstatě, jak název napovídá, sledování pohybu atomů v molekulách.

Molekuly můžeme chápat jako soustavu kmitajících atomů s několika možnými stupni volnosti. Už jen taková jednoduchá molekula oxidu uhličitého, CO2, má mnoho takových stavů (viz. Obrázek 18). Z naměřených spekter se dá spočítat mnoho informací o vlastnostech a síle vazeb mezi atomy dané molekuly.

Obr. 18: Rotačně-vibrační stavy CO2 (https://slidetodoc.com/infrared-ir-spectroscopy-or-vibrational-spectroscopy-applied-chemistry/)

Obr. 19: Spektrum rotačně-vibračních stavů CO2 za 0.1 atmosféry při 23°C (https://wiki.anton-paar.com/cz-cs/infracervene-spektrum-oxidu-uhliciteho/)

 

Lasery ve světě spektroskopie

S nástupem laserů se rozvinula metoda Ramanovské spektroskopie. Je založena na principu rozptylu světla, kdy vcelku zanedbatelné množství fotonů v důsledku interakce s atomy ve zkoumané látce změní svou vlnovou délku.

Lasery jsou zde nepostradatelné, jelikož je zapotřebí velmi úzká spektrální čára a při tom vysoká intenzita světla. Je užitečná zejména v chemii k určení složení látek, protože každá z nich má svůj jedinečný Ramanovský „otisk“.

Obr. 20: Vizualizace a spektrum pro Ramanův rozptyl (https://sisu.ut.ee/heritage-analysis/book/export/html/19022)

 

Závěrem je třeba dodat, že toto není kompletní výčet spektroskopických technik, ani veškerých možností, které nám otevírá. Mnoho zajímavých využití, která jsou již na hranici s jinými technikami, jako například magnetická rezonance, bylo opominuto. Proto čtenáři vřele doporučuji, pokud ho výše uvedené alespoň trochu zaujalo, aby se nebál toto téma sám aktivně prozkoumat.

Reference

[1] „https://www.youtube.com/watch?v=VE_4zHNcieM“.
[2] https://en.wikipedia.org/wiki/Wien%27s_displacement_law.
[3] „https://www.juliantrubin.com/bigten/lightexperiments.html“.
[4] „https://micro.magnet.fsu.edu/optics/timeline/people/ritter.html“.

Lasery v dermatologii

Vývoj moderní diagnostiky i terapie je v našem století výrazně ovlivněn rozvojem techniky. Stále nové objevy z fyziky, elektroniky a dalších oborů vedou k hledání jejich využití v medicíně. Výjimkou není ani laser.

Šedesát let od jeho objevení si jen stěží dokážeme představit, že ještě před několika lety byl laser pouze empirickou technikou, akademickou studií nebo futuristickým projektem. V průběhu let a s vývojem technologie se navzdory počátečním dojmům laser stal základním, nenahraditelným a všudypřítomným zařízením moderní vědy. Patří tak k nejvýznamnějším technickým objevům druhé poloviny 20. století.

Řada technických pozorování a cílených výzkumů prokázala příznivý efekt laserového záření na živou tkáň. Potvrdila se tak možnost jeho léčebného využití. Laseroterapie se v posledních letech těší stále větší oblibě. Lasery si našly své místo téměř ve všech oblastech medicíny (jak v léčbě, tak ve výzkumu) a jejich aplikace se neustále dynamicky rozvíjejí.

Unikátní vlastnosti laserů jsou využívány i v dermatologii. Revoluci pro neinvazivní laseroterapii znamenaly diodové lasery. Dnes výrobci nabízí širokou škálu diodových laserů o různých výkonech a v širokém spektru vlnových délek. A co je nejdůležitější – jejich cena je přijatelná pro většinu zdravotnických zařízení.

V současnosti je velké množství pozornosti věnováno volbě zdroje světla pro laseroterapii. Dříve se používal He-Ne laser (který emituje světlo o vlnové délce 632,8 nm), ale dnes se dává přednost laserům na bázi polovodičů. Vlnové délky využívané v laseroterapii jsou v oblasti červeného spektra a NIR oblasti (blízkého infračerveného světla), tj. vlnových délek 600 až 1070 nm. Tento rozsah umožňuje nejlepší penetraci do tkání, neboť hlavní tkáňové chromofory (hemoglobin a melanin) vykazují nejvyšší absorpci na vlnových délkách kratších než 600 nm. Světlo o vlnových délkách v rozsahu 600–700 nm je využíváno k ovlivňování povrchově uložených tkání, zatímco delší vlnové délky ve spektru 780–950 nm pronikají hlouběji a hodí se tak k terapii hlouběji lokalizovaných struktur.

Historie

V roce 1963 Leon Goldman, známý také jako „otec laseru v medicíně“, jako první použil laser v dermatologii. Tím předznamenal éru nepředstavitelného technologického rozvoje a inovativního terapeutického potenciálu. Ve svých prvních studiích popsal účinky Maimanova laseru při selektivní destrukci kožních pigmentových struktur, jako jsou černé chloupky. Vysvětlil také potenciální využití rubínového laseru a inovativnějšího Q-switched zařízení při odstraňování tetování a možné léčbě dalších pigmentových lézí, jako jsou névy a melanomy.

V roce 1967 Dougherty experimentoval s použitím laseru při aktivaci fotosenzitivních látek, které byly schopny selektivně vázat a ničit rakovinné buňky. Jeho práce představovala původ fotodynamické terapie. K velkému pokroku laserové terapie však došlo až v roce 1980, kdy Rox Anderson a John Parrish zavedli tzv. teorii selektivní fototermolýzy. Při ní použitím specifické vlnové délky dosahujeme zničení konkrétních molekul (nebo chromoforů), což umožňuje lepší lokalizaci tepelné energie a minimalizaci poškození okolní tkáně.

Jen o tři roky později Oshiro Atsumi popsal použití neinvazivních laserů a jejich mechanismy působení. Ve stejné době Passerella studoval účinky laseru na mitochondrie. Konečně pak v devadesátých letech došlo k nárůstu studií v oblasti využití laseru v dermatologii, ať už se jednalo o oblast laserové epilace nebo laserového omlazení.

Laser má v dermatologii tři hlavní cíle a využití:

• podporu hojení ran, reparaci tkání a prevenci vzniku nekrózy
• zmírnění zánětu a edému při poranění nebo chronických onemocněních
• při analgezii

Chceme-li dosáhnout laserovým zářením na biologické tkáni žádaného efektu, musíme se řídit pravidlem tzv. selektivní fototermolýzy. Na ošetřovaný cíl (tzv. chromofor) působíme elektromagnetickým zářením s takovými vlastnostmi a vlnovou délkou, které mají minimální vedlejší efekty na okolní tkáň.

Dělení laserů

Lasery lze rozdělovat podle různých kritérií. Nejčastěji rozlišujeme typy laserů podle aktivního prostředí, časového režimu provozu laseru, výkonu, nebo dle typu ošetřované léze.

• Podle časového režimu dělíme lasery na kontinuální, pulzní a kvazi kontinuální.
• Na základě aktivního prostředí rozlišujeme mnoho různých druhů laserů: pevnolátkové, polovodičové, plynové, kapalinové, plazmové a lasery s volnými elektrony.
• Dle výkonu lze lasery dělit na nízkovýkonné (neinvazivní) a vysokovýkonné (invazivní).

Využití nízkovýkonných (neinvazivních) biostimulačních laserů

Vývoj těchto laserů byl na rozdíl od rozmachu chirurgických laserů pomalejší. Mezi biostimulační lasery řadíme přístroje s výkonem do 500 mW. V současné době jsou na trhu běžně k dispozici přístroje s maximálním výkonem polovodičové diody do 300 mW u infračerveného světla. U červeného a u He-Ne trubice jsou výkony nižší. Pří vyšším výkonu laserového záření mizí stimulační odpověď buněk. Jak jsem zmiňovala dříve, vlnová délka výrazně ovlivňuje míru absorpce laserového záření a interakci s jednotlivými vrstvami tkáně, kterými paprsek prochází.

Biostimulační lasery dělíme podle druhu zdroje na polovodičové a plynné (He-Ne). Polovodičový laser využívá jako zdroj záření diodu. Biostimulační lasery slouží k ovlivňování reparačního procesu u špatně se hojících ran různé etiologie. Studie prokázaly, že záření ovlivňuje syntézu kolagenu či novotvorbu cév a podporuje epitelizaci.

Nejčastěji jsou v dermatologii biostimulační lasery využívány k terapii špatně se hojících ran, bércových vředů, jizev, proleženin, bolestí po prodělaném pásovém oparu, modřin, i akné. Používají se jako podpůrná metoda při léčbě zánětu, v rehabilitaci, a v korektivní dermatologii (obecně). Další aplikace zahrnují léčbu oparů i celulitidy, odstranění nežádoucích pigmentací a jizev, nebo využití k podpoře vlasového růstu. Lasery vykazují analgetický efekt, urychlují hojení po chirurgických zákrocích, apod. Při správném používání biostimulačního laseru nebyly pozorovány žádné komplikace. Při biostimulaci však musíme chránit zrak speciálními brýlemi, aby nedošlo k ozáření sítnice.

Vzužití vysokovýkonných (invazivních) laserů

V dermatologii byly vysokovýkonné lasery prvně vyzkoušeny v šedesátých letech. Při invazivní laseroterapii se využívá unikátních vlastností laserového paprsku a principu selektivní fototermolýzy. Při dopadu elektromagnetického záření na tkáň dochází k ireverzibilní změně na jinou formu energie, nejčastěji energii tepelnou. Za chromofor je považována taková tkáňová struktura, kterou je laserové záření nejvíce absorbováno. Která tkáňová struktura bude laserové záření nejvíce absorbovat závisí na vlnové délce daného záření. Pro lepší orientaci se invazivní lasery dělí podle možností použití.

Lasery určené pro terapii cévních lézí

Cévní léze jsou ošetřovány lasery, jejichž absorpční maximum je v hemoglobinu. Nejčastěji těmito lasery odpařujeme degenerativní kožní změny, xanthelasmata, syringoma, adenoma sebaceum, rhinophyma, verrucae vulgares, molusca contagiosa, fibroma, milia.

Lasery používané k odstraňování nežádoucího ochlupení

Pomocí laserové depilace dosahujeme permanentní redukce nežádoucího ochlupení. I zde se využívá principu selektivní fototermolýzy. Cílovou tkání těchto laserů je melanin ve vlasovém folikulu, ve vlasovém stvolu, ale i v oblasti infundibula. Lasery používané k depilaci jsou diodově čerpané (800 nm), alexandrite (755 nm), ruby laser (694 nm), IPL aj.

Lasery a přístroje k léčbě akné

K léčbě akné se v poslední době využívá tzv. modré světlo – úzkopásmové polychromatické – světlo (407–420 nm).

Další možností je léčba akné za pomoci pulzního diodového laseru (1450 nm). Laserové záření je absorbováno buněčnou vodou v epidermis a dermis. Epidermis je chráněna dynamickým chlazením, takže nedochází k jejímu poškození. Dermis je tepelně prohřáta spolu s mazovými žlázami. Následuje termální nekróza mazových žláz a nekróza folikulárního epitelu, tím dochází k otevření folikulárních ústí, omezení tvorby mazu a redukci aknózních lézí. Tento laser je ideální k léčbě papulopustulózní formy akné.

Lasery využívané k fotorejuvenaci (omlazení pleti)

Omlazení pleti lze provádět různými typy laserů, např. pulzním diodovým laserem (1450 nm), či pulzním barvivovým laserem (585–595 nm). Lze použít i IPL.

Laseroterapie je jeden z nejrychleji se vyvíjejících oborů. Lasery zjednodušily mnohé léčebné postupy, zkrátily rychlost hojení a přinesly pacientům větší komfort. Díky laserům můžeme zásadně léčit mnohé vrozené malformace, které se jevily dříve jako neřešitelné.

Literatura:

• Adamcová H. Využití laserů v dermatologii, Trendy v medicíně 2002; 4(5).
• Chaloupecká J. Možnosti využití laseru v dermatologii, Dermatologie pro praxi 2008; 2 (2).
• Gianfaldoni S. et al. An Overview of Laser in Dermatology: The Past, the Present and … the Future (?), Open Access Maced J Med Sci 2017; 5 (4).
• Navrátil L. et al. Nové pohledy na neinvazivní laser. 2015. Praha: Grada Publishing. ISBN 978-80-247-5292-6.

Měření vzdálenosti laserem aneb metrem LiDARu po LISU

Měření délky a vzdálenosti je jednou z nejstarších a nejzákladnějších činností. Provádějí ji třeba i mnohobuněčné organizmy! Stejně jako měření vzdálenosti, pestrou minulost má i potřeba tuto naměřenou hodnotu předávat a reprodukovat. Než se ale budeme zabývat využitím laseru, nástrojem vytvořeným důvtipem géniů, který používáme teprve 62 let, tedy jen ve zlomku lidské existence, pojďme se podívat, jak vzorovou jednotku délky, tedy etalon, vlastně ve vzdělané civilizované společnosti definujeme. Ano, budeme se chvíli bavit o jednom metru SI soustavy.

„Metr je délka, kterou urazí světlo ve vakuu za 1/299792458 sekundy.“[1]

Pokud se chvilku zamyslíme nad touto formulací, dojde nám úsměvná absurdita definice využívající něco, co nedokážeme jednoznačně popsat. Proto byl zaveden duální model světla jako fotonu a elektromagnetického vlnění.

Jak civilizovaně a vzdělaně asi budeme připadat našim potomkům za pár set let, pokud budou mít výrazně zdokonalený popis světla? Jak zásadní je tento duální model? Právě to objasní tento článek. Ale pojďme dál. Definovali jsme délku, pro její určení však potřebujeme porozumět ještě rychlosti a času.

Rychlost světla ve vakuu c₀, v jednotkách soustavy SI, je 299 792 458 metrů za sekundu.

Sekunda je podle soustavy SI definována jako doba trvání 9 192 631 770 period záření, které odpovídá přechodu mezi dvěma hladinami velmi jemné struktury základního stavu atomu 133Cs. Tato definice předpokládá cesiový atom v klidu (jedná se tedy o jednotku pro vlastní čas[2]) při teplotě absolutní nuly a zcela bez vnějších vlivů[3]. Toho nelze ve skutečnosti dosáhnout, v praxi se proto měří při teplotě řádu mikrokelvinů s korekcemi [4][5]. Vrátíme-li se k jednotce jednoho metru, můžeme přeformulovat jeho definici na délku, kterou urazí foton za 9 192 631 770 period záření Cs atomových hodin.

Metoda doby letu

Dostáváme se tak k 1. principu měření délky pomocí laseru – metodě doby letu (ToF) založené na počítání period vnitřních hodin měřiče čítačem. Jedná se o časový úsek, který potřebuje laserový pulz, aby urazil vzdálenost od měřiče po místo odrazu (měřený bod) a zpátky do měřiče.

Tuto definici (či její podobnou formulaci) naleznete u všech laserových měřidel vzdálenosti, ale tento přesný princip u drtivé většiny z nich nehledejte. Naopak, tento způsob je základem řady senzorů, jako jsou laserové altimetry (výškoměry) a dálkoměry “LIght Detection And Ranging“ (LiDAR), které pracují s délkami od metrových vzdáleností až po ty astronomické. Proč tento způsob není vhodný například pro přístroj, kterým zaměříme velikost otvoru na výměnu okna, hned objasním.

Pro začátek se můžeme zaměřit na obyčejný vytahovací metr. Jak přesná jsou měření, která takovým měřidlem provádíme? Na to lze jednoduše odpovědět – tak přesná, jak potřebujeme. Jinak řečeno, způsob použití neboli aplikace, definuje požadavek na přesnost. Pokud budeme měřit délku trojskoku, tak se spokojíme s chybou měření v rozmezí 1 cm na vzdálenosti 8 m. Asi nikdo ale už nebude odporovat tvrzení, že chyba měření v rámci 10 cm by pro tuto aplikaci byla příliš vysoká.

Omezení metody ToF je v rychlosti, ve které dokážeme čítat a generovat pulzy hodin. Hodiny jsou pro metodu ToF srdcem systému, zatímco čítač funguje jako mozek. A stejně jako kuličky, jsme schopni čítat pouze celé periody. Světlo ve vakuu urazí vzdálenost 1 m za přibližně 3,34 ns, tam a zpátky je to tedy 6,67 ns. Za tu dobu nám atomové hodiny 133Cs zatlučou 61x a než světlo dorazí zpět do měřiče, uplyne třetina času k dalšímu tepu. Fyzikálně řečeno, protože čítáme pouze celé tepy, samotná míra nejistoty způsobené hodinami měření je přibližně 16 mm.

 

Obr. 1: Vzdálenost měřená pomocí ToF metody, modrá – skutečná, červená – měřená vzdálenost

 

Pokud se zaměříme na čítač, nabízí se otázka: jak rychle vlastně dokáže čítat?

• Běžná hradla (logické obvody), která pořídíme za pár korun, zvládají čítat až do frekvence 1 GHz.
• Velmi rychlá hradlová pole FPGA, jejichž ceny se ale pohybují již v rámci tisíců Kč, zvládají pracovat s délkou cyklu 100 pikosekund. Jsou tím pádem schopné čítat frekvence až do 10 GHz.
• Ty vůbec nejrychlejší FPGA pracují s délkou cyklu okolo 10 pikosekund, jsou tedy ještě 10x rychlejší. Za 1 nanosekundu foton ve vakuu uletí 299,8 mm. Za 100 pikosekund je to pak 30 mm. Za 10 pikosekund pak 3 mm. Chyba měření tedy bude polovinou této délky, jako vyjádření míry nejistoty toho, zda vzdálenost měla být započítána v rámci tohoto nebo následujícího cyklu.

Metoda fázového posuvu

Metoda ToF je zcela nevhodná pro ruční měřiče vzdálenosti, které mají být i ekonomicky dostupné. Pokud chceme chybu měření výrazně snížit, je vhodnější metoda fázového posuvu „Phase-shift“. Ta využívá toho, že laserový puls lze jednoduše modulovat. Představme si už výrazně delší pulz dlouhý od 10 mikrosekund až po jednotky milisekund, který je amplitudově modulován harmonickou (sinus) funkcí. Za 1 milisekundu světlo urazí téměř 300 km a (vlnová) délka 1 metru odpovídá frekvenci 333,6 MHz. 10 metrů tedy bude odpovídat 33,4 MHz. Pokud vyšleme elektrickou vlnu pomocí laseru k objektu a na detektoru budeme přijímat její odraz, tak modulovaná vlna k detektoru dorazí v jiné fázi, než z druhého ramene od modulátoru laserové diody vyrazí.

 

Obr. 2: Fázový rozdíl dvou vln. Černá vlna odražená od měřeného objektu, modrá vlna z druhého ramene od modulátoru. Červeně je vyznačen fázový rozdíl odpovídající optické vzdálenosti, které světlo urazilo tam a zpět od měřiče k měřenému objektu.

 

Existuje řada metod, kterými lze změřit fázový rozdíl. Pro tuto chvíli se ale omezíme na výběr integrovaných obvodů, které tento úkol splní a dají se pořídit za pár korun. Můžeme tak měřit fázový rozdíl dvou elektrických vln do frekvencí až desítek GHz s přesností 1% až 0,1%. Levné ruční laserové měřiče provedou sérii měření pro modulační frekvence od frekvence odpovídající dosahu dálkoměru po frekvenci odpovídající požadované chybě měření.

Vraťme se zpět k trojskoku. Zatímco technikou ToF bychom vzdálenost 8 m změřili s chybou v jednotkách až desítkách cm, pomocí metody fázového posuvu chybu měření snížíme na jednotky milimetrů až vyšší desítky mikrometrů.

Interferometry

Přesnost metody fázového posuvu je také omezena samotnou rychlostí použité elektroniky, resp. polovodičových součástek. Pomalu se tak dostáváme k vůbec nejpřesnějším zařízením využívajícím laser pro měření vzdálenosti – interferometrům. Jak takový interferometr funguje? Princip je velmi podobný ručnímu laserovému měřiči vzdálenosti, hlavním rozdílem je právě rychlost, resp. pracovní frekvence. Současné polovodiče jsou schopny pracovat do rychlostí v řádu 100 GHz.

 

Obr. 3: Amplitudově modulovaný signál. Dlouhá perioda je amplituda ovlivněná elektrickým polem a krátká perioda odpovídá nosné frekvenci, tj. vlnové délce modulovaného laserového záření.

 

Světlo je díky své dualitě i elektromagnetické vlnění. Unikátní vlastností laseru je to, že je monochromatický (neboli jedno-frekvenční). Ač se brzy dostaneme i ke zpochybnění tohoto tvrzení, držme se zatím toho, že každý laser má svou frekvenci. Běžná polovodičová laserová dioda, která je na všech přenosových trasách pro internet delších než 10 km, generuje laserové záření o frekvenci 192 THz a vlnové délce kolem 1550 nanometrů. Pro srovnání, 1 THz = 1000 GHz. Světlo nám tak z běžných laserových zdrojů poskytuje frekvence vyšší o tři až čtyři řády. Chyba měření, jak už bylo uvedeno, je přímo úměrná délce vlny, resp. nepřímo úměrná frekvenci záření. Vlnová délka λ je nepřímo úměrná samotné frekvenci světla f v závislosti na rychlosti c jeho šíření.

Pro vakuum a vzduch počítáme se stejnou rychlostí šíření světla c₀. Z chyby měření lehce pod sto mikrometrů se dostaneme do řádu nanometrů. Musíme ale pamatovat na jeden klíčový parametr laseru, a to je jeho skutečná monochromatičnost, resp. šířka generovaného pásma nepřímo úměrného délce, na které bude laserové světlo interferovat. Tu nazýváme koherentní délka laseru, a pohybuje se od metrů až po stovky kilometrů. Je ale potřeba zároveň poznamenat, že mezi možnostmi elektromagnetického spektra generovaného elektronikou a pevnolátkovými lasery, je obtížně překlenutelná oblast THz pásma. Pokud tedy potřebujeme měřit vzdálenost skoku našeho skokana s takovou přesností, pak bychom interferenční metodu zkombinovali s předchozími technikami.

Interference světla pro měření vzdálenosti je základním měřícím způsobem třeba pro jemné strojírenství, výrobu optiky, nebo měření rovinnosti vysoce vyleštěných ploch. V rukou fyziků je to ale také mocný nástroj pro studium např. změny prostoru v důsledku gravitačních vln.

 

Obr. 4: Princip experimentu LISA pro měření prostorových deformací[6]

 

Laserový paprsek můžeme díky jeho vlastnostem použít na měření délky s chybou v rámci nanometrů i na obrovské vzdálenosti. Dosud nejambicióznější vědecký projekt LISA (Laser Interferometer Space Antenna)[7] využívá laserové měření až na vzdálenost 2 500 000 km (0,016 au) nutnou pro detekci gravitačních vln generovaných splynutím dvou obřích objektů.

Doufáme, že tento článek pomohl objasnit tématiku využití laserů k měření vzdálenosti a její význam pro posouvání hranic našich znalostí fyziky. Nechám na každém čtenáři, aby sám posoudil a uvědomil si, jako mnoho, resp. Málo, toho o fyzice víme, a do jaké míry naše chápání fyziky ovlivňuje samotná chyba měření.

[1] Resolution 1 of the seventeenth CGPM (1983): Definition of the metre [online]. Sèvres (Francie): Bureau Internation des Poids et Mesures [cit. 2007-10-22].

[2] http://www.bipm.org/utils/common/pdf/si_brochure_8.pdf – The International System of Units, SI units in the framework of general relativity

[3]Definice sekundy v brožuře SI, oddíl 2.1.1.3, bipm.org Archivováno 25. 3. 2019 na Wayback Machine

[4] SI Brochure – 9th edition (2019) – Appendix 2 – 20 May 2019: Mise en pratique for the definition of the second in the SI

[5] NRC’s Cesium Fountain Clock – FCs1 Archivováno 11. 6. 2011 na Wayback Machine, National Research Council Canada, Institute for National Measurement Standards

[6] By ND – Own work, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=46983367

[7] http://en.wikipedia.org/wiki/Laser_Interferometer_Space_Antenna Laser Interferometer Space Antenna

Nobelovy ceny a lasery

Nobelova cena je ocenění udělované každoročně již od roku 1901 za převratné objevy ve fyzice, chemii, medicíně a za mimořádný přínos v literatuře, ekonomii a světovému míru. Tato cena patří mezi nejvyšší ocenění, které vědec, potažmo osoba společensky činná může získat. Nositel Nobelovy ceny se nazývá laureát. Slovo laureát původně označovalo vavřínový věnec, který byl rozdáván ve starověkém Řecku a jehož nositelé si zasluhovali vysoké uznání a čest. Není tomu jinak ani u nositelů Nobelovy ceny, a proto ten, kdo Nobelovu cenu získá, se kromě finančního obnosu stane také slavným a uznávaným. Mezi nositeli Nobelovy ceny ze všech oborů se nachází například taková jména, jako jsou Marie Curie, Sir Alexander Fleming, Martin Luther King Jr. a mnoho dalších. Nobelovu cenu uděluje Královská švédská akademie věd a je pojmenována po jejím zakladateli – A. Nobelovi. Do roku 2021 bylo uděleno již 603 cen 962 laureátům, z toho 57 ženám. Důvodů a lidí, které si ocenění zaslouží, je mnoho, a proto je pro komisi někdy těžké mezi všemi objevy vybrat ty aktuálně nejzajímavější a nejpřínosnější. I díky tomu bylo Nobelových cen za fyziku týkajících se přímo laserů rozdáno poskromnu.

Celkem se jedná o dva ročníky, ve kterých byla Nobelova cena za fyziku udělena za výzkum a vývoj přímo spjatý s lasery. První z nich byla předána v roce 1964 fyzikům Ch. H. Townesovi, N. G. Basovovi a A. M. Prokhorovoi za objevy v oblasti kvantové elektroniky, které dále vedly až ke konstrukci oscilátorů a zesilovačů na bázi maser-laser. Další Nobelova cena za fyziku, která se vztahovala výhradně k laserům, byla udělena až o 54 let později, v roce 2018. Týkalo se průkopnických objevů v oblasti fyziky a laserovů. Konkrétně se jednalo o objevení optické pinzety a její aplikace v biologických systémech, kterou představil Arthur Ashkin. Vědci Gérard Mourou a Donna Stricklandová byli oceněni za vývoj metody generování vysoce intenzivních ultrakrátkých optických pulsů – metoda CPA (chirped pulse amplification). Zajímavostí je, že oceněná Donna Stricklandová byla po 55 letech teprve třetí ženou, které se povedlo získat Nobelovu cenu za fyziku. Metoda CPA sloužící k zesilování krátkých laserových pulsů. Princip této techniky spočívá v roztažení laserového pulsu v čase, přenesení energie optickou soustavou, a nakonec kompresi vedoucí k jeho velké intenzitě a velmi krátké době trvání v řádu piko, femto, nebo dokonce attosekund. Tento objev byl zcela klíčový pro pokroky v oblastech operací očí, laserového mikroobrábění nebo studií chování atomů a vzniku vesmíru. Prof. Mourou je také spjat s Českou republikou. Patří totiž mezi zakladatele projektu ELI (Extreme Light Infrastructure), přičemž jedno ze tří laserových center tohoto projektu stojí v Dolních Břežanech nedaleko Prahy.

Obrázek 1: Laureáti Nobelovy ceny za fyziku z roku 2018

Podstatné je ale zmínit, že od dob udělování byly Nobelovou cenou oceněni další desítky vědců, jejichž práce přímo i nepřímo s lasery souvisí a bez jejichž objevů by byla laserová technika těžko na úrovni, na které se nachází nyní. Přelomovým objevem, bez něhož by další práce na objevování laserů mohly začít jen obtížně, bylo objevení a popsání jevů stimulované emise A. Einsteinem, který získal Nobelovu cenu v roce 1921. Stejně tak lze mluvit i o práci kolegy a kamaráda A. Einsteina, kterým byl Max Karl Ernst Ludwig Planck. Ten za své objevení kvantové teorie získal Nobelovu cenu v roce 1918.

Obrázek 2: M. Planck (vlevo) v rozhovoru s A. Einsteinem (vpravo)

Po roce 1964 je možné Nobelovou cenou oceněné objevy související s lasery najít ještě v několika dalších letech. V roce 1971 cenu dostal Dennis Gabor za vynalezení a rozvoj holografických metod. Dále pak v roce 1981 vědci N. Bloembergen a A. L. Schawlow za jejich přínos ve vývoji laserové spektroskopie. Zajímavé je také ocenění z roku 1997, kdy byli vědci S. Chu, C. Cohen-Tannoudji a W. D. Phillips oceněni za rozvoj metody zpomalování a chycení atomů pomocí laserového světla. Touto metodou je možné dosáhnout téměř absolutní nuly (- 273 °C), kdy se rychlost pohybu atomů zpomalí ze 4000 km/h na 1 km/h. Za těchto podmínek je možné atomy blíže studovat a pozorovat.

To, že jsou vynálezy související s lasery oceňovány Nobelovou cenou téměř od jejího založení, jen dokládá, že se jedná o obor s velkým přesahem do průmyslu, zdravotnictví i vědy, a že je zde dále prostor pro další vývoj a třeba i další nové laureáty Nobelovy ceny.

Zdroje:

https://www.europhysicsnews.org/articles/epn/pdf/2019/02/epn2019502p26.pdf

https://www.pbs.org/newshour/science/nobel-prize-in-physics-2018

https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2018/press-release/

https://www.nature.com/articles/d41586-018-06752-z

https://ysfine.com/einstein/einplanck.html

https://twitter.com/NobelPrize/status/1047061973966512130/photo/1

https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1964/summary/

https://doi.org/10.1117/1.AP.2.5.050501

Lasery v meteorologii

Lidary jsou laserové radary používané k měření částic v otevřené atmosféře. Laserový paprsek je pro měření vhodný kvůli své nízké divergenci. Zdrojem lidarového dálkoměru musí však být laser s krátkou a dobře definovanou náběhovou hranou laserového impulsu (<1ns). Pro vzdálenost měření do 1 kilometru se využívá GaAs laser (Δl≈10 cm), do 10 kilometrů pak Nd:YAG laser (Δl≈1 m). K zjišťování vzdáleností družic, pohybu kontinentů a nebo gravitačních anomálii (1 000 kilometrů) se využívá rubínový laser 1 ns/109 W Δl≈(1-10)m.

Princip fungování Lidaru je založen na tom, že sledujeme jak se chová a mění laserový paprsek vyslaný do atmosféry. Laserový paprsek se zde částečně odráží a částečně rozptyluje molekulami a aerosoly nebo se odráží na odražeči. V atmosféře může dojít k několika různým druhům odrazů.

Odraz záření od instalovaného odražeče

Paprsek nasměrujeme do atmosféry a záření se vrací zpět po odrazu od odražeče, který je instalován ve vzdálenosti 100 metrů až 10 kilometrů od zdroje. Abychom zabránili absorpci na základních atmosférických komponentech, potřebujeme volit vlnovou délku laseru 9-13 µm. Tato metoda je velmi jednoduchá a experimentálně nenáročná. Příchozí signál při využití této metody nám dává informace o dění na celé optické dráze, kdy však nelze zjistit koncentraci látek. Vhodným laserem pro tuto metodu může být i málo intenzivní polovodičová dioda.

Zpětný rozptyl na topografických překážkách

Tento rozptyl je všesměrový a pro detekci se využívá jen část záření, které se vrací ve směru teleskopu. Přijímací optika a elektronika musí splňovat vysoké nároky. Pro tento typ detekce je využíván výkonný pulzní laser. Z měření získáme informace o celé optické dráze, a také o střední koncentraci sledované látky, avšak nemůžeme určit prostorové rozložení koncentrací.

Rozptyl na molekulách a aerosolech

První rozptyl, na který se zaměříme, je rozptyl Mieův. Mieův rozptyl probíhá na částečkách aerosolu. Mieova teorie je obecná a dá se využít pro výpočet rozptylu na sférických částicích libovolné velikosti a pro částice elektricky nabité. Je však velmi složitá na rozdíl od Rayleighovy teorie. Rayleighova teorie však musí splňovat dvě podmínky:

– rozptylující částice musí být elektricky nevodivé

– musí být splněna relace: , kde r je poloměr rozptýlené částice a λ je vlnová délka.

Rayleighův rozptyl je založen na rozptylu světla na molekulách plynu a nebo jiných častic, které jsou menší než vlnová délka záření. Rayleighův rozptyl také dokazuje, že světlo s kratší vlnovou délkou se rozptyluje více, než světlo s vlnovou délkou delší. Tím si můžeme vysvětlit, proč je obloha modrá.

Obr.1: Odrážení různých vlnových délek v atmosféře.

Posledním druhem rozptylu, ke kterému dochází v atmosféře je rozptyl Ramanův. K rozptylu dochází při střetu záření s molekulou. Po nárazu má rozptýlené světlo jinou vlnovou délku a energii. Při této metodě můžeme molekuly ve vzduchu identifikovat pomocí rotačních a vibračních hladin. Při měření získáme informace o všech molekulách, se kterými se paprsek při letu srazil. Můžeme tedy díky tomu určit, jaké sloučeniny jsou v atmosféře přítomné a z měřené intenzity je možné zjistit i jejich koncentraci. Zpoždění signálu poté určuje vzdálenost sloučenin od zdroje.

Obr.2: Ramanův LIDAR: L – laser, E – expandér paprsku (kolimátor), T – teleskop, S – spektrometr, MA – multikanálový analyzátor

Vrácený laserový paprsek je na zemi zachycen teleskopem spolu s filtry, fotodetektorem a fotonásobičem. Díky tomu je možné pohltit odražené paprsky, a též paprsky rozptýlené směrem k teleskopu. Abychom byli schopni vypočítat vzdálenosti, potřebujeme vědět odraz a dobu letu laserového paprsku.

Rozptýlený laserový paprsek nám dává informace o složení atmosféry. Díky tomu je možné určit, o jaké molekuly se jedná dle různé frekvence, různé amplitudy a změny v čase. Pokud k naší aparatuře přidáme i spektrometr, jsme schopni určit spektrum přijatého paprsku.

Pomocí použitých zařízení jsme schopni změřit výšku spodní hranice oblačnosti, turbulence, profil mraků, proudění vzduchu v atmosféře, nebo výskyt různých látek v ovzduší.

Obr.3: LIDAR: L – laser, VT – vysílací teleskop, Z1 a Z2 zrcadla Newtonova teleskopu, M – monitorovaná oblast, F – filtr, FN – fotonásobič

Obr.4: Teleskopy: a – Newtonův teleskop, obraz převrácený; b – Cassegrainův teleskop, obraz převrácený; c – Gregoryho teleskop, obraz přímý

Autor textu: Kateřina Pilná