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

Úvod do spektroskopie

Zobrazit článek ve Studovně

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.

Zobrazit článek ve Studovně