Sloužíme jako informační portál pro všechny, kteří se zajímají o lasery a světlo jako takové.
Dětem, studentům a široké veřejnosti zodpovíme veškeré otázky.

Lasery v textilním průmyslu

By |

Lasery nacházejí široké uplatnění napříč všemi výrobními odvětvími. Není tedy divu, že skvělých výsledků dosahuje i jejich použití v textilním průmyslu. Tak, jako existuje spousta typů laserů, existuje i spousta jejich různých aplikací. Lasery nabízejí širokou škálu výhod a mohou doplnit klasické techniky zpracování textilu. Těmi hlavními výhodami jsou přesnost zpracování, opakovatelnost a velké rozlišení při tvorbě detailních a komplikovaných tvarů. Dalším přínosem použití laserů je bezkontaktní zpracování látky (bez použití nástroje), které usnadňuje automatizaci výroby a udržuje konstantní kvalitu řezu.

Princip funkce

V textilním průmyslu se lasery používají zejména k řezání, gravírování a vytváření prostorového designu na látce.  Obzvláště vhodné jsou vysokovýkonové liniové CO2 lasery. Lze ale použít i pevnolátkový (vláknový diodový) či excimerový laser, a to v závislosti na parametrech aplikace (např. dobrá absorpce dané vlnové délky laseru v materiálu specifické barvy).

Lasery jsou umístěné v plotterech, v zařízeních s rozmítací hlavou, či ve strojích, které obě tyto metody kombinují.

Konstruktér v počítačovém programu navrhne design, který se přenese do laserového výrobního stroje. Koncentrovaný laserový svazek je nasměrován na látku, na které vytvoří požadovaný vzhled odpařením či spálením textilních vláken. Laserová technologie nepoužívá žádný spotřební materiál kromě elektřiny a asistenčních plynů odfukujících vzniklé taveniny z místa řezu. Neposlední výhodou je i dlouhá životnost laserového zdroje, přičemž někteří výrobci garantují až 20.000 operačních hodin.

Metody práce s materiálem můžeme rozdělit následovně:

– Vybělení pigmentu
– Destrukce materiálu
– Fázová transformace
Vitrifikace
Karbonizování
– Roztavení
– Odpaření, odstranění horní vrstvy

Pro zpracování laserovým paprskem jsou vhodné technické a syntetické textilie (polyester, polyamid, fleece, filc, polyester, Aramid, Kevlar, plyš, síťovina, aj.) i přírodní materiály (bavlna, hedvábí, vlna, kůže). Jejich sledovanými parametry jsou zejména optické (odrazivost, absorpce, propustnost) a termo-fyzikální (koeficient tepelné vodivosti, měrné skupenské teplo, aj) vlastnosti. Uvedeme příklad polyesterových vláken. Při 80-90 °C vitrifikují, při 250 °C měknou, při 260 °C tají a při 350 °C se odpařují.

Dále se podíváme blíže na jednotlivé činnosti z textilního průmyslu a popíšeme, jak využívají laserová záření.

1. Řezání

Dělení materiálu je jednou ze základních činností v textilním průmyslu. Laser umožňuje řezat různé druhy, tvary a velikosti materiálů, včetně složitějších kontur, bez přípravy výsekových raznic. Snižuje spotřebu materiálu tím, že umožňuje nastavit minimální prořez (tzv. nesting technologie) a vytváří se tak méně odpadu. Řezání je bezkontaktní, není tedy třeba fixovat materiál a nedochází k jeho deformaci nebo poškození.

Obrázek 1: Rozdíl mezi řezáním laserovým svazkem a konvenčním nožem [1]

Řez je precizní, dokonalý, čistý a rychlý. Další výhodou je, že při řezání např. polyesteru laserový paprsek taví hrany a zabraňuje tak třepení, popř. současně utěsní okraje. Výrobní proces se tak zrychluje sloučením jednotlivých činností.

Laserové řezání je bezprašný proces, nicméně je nutné zajistit odsávání zplodin. Pro dosažení kvalitních neopálených okrajů a povrchu je vhodné používat asistenční plyn, distribuovaný do místa opracovávání.

2. Svařování

Laserové svařování textilií je technologie vytvářející nerozebíratelné spojení dvou shodných materiálů. Syntetické textilie, které se při určité teplotě taví, je možné svařovat laserem. Laserové svary nahrazují sešití nití. Svařování lze spojit s řezáním materiálu v jednom výrobním kroku. Výsledkem jsou dokonale zatavené hrany, které splňují i nejpřísnější normy na filtrační techniku.

Obrázek 2: Princip laserového svařování [2]

Pro svařování se používají lasery vyzařující v IR spektru. Je-li potřeba svařit látku, která nepohlcuje IR záření, natiskne či nanese se na ni nejdříve stopa IR absorbéru, který následně reaguje s dopadajícím laserovým záření.

3. Značení a dekorace

Obecným cílem značení je identifikace, poskytnutí informace, vytvoření dekorace, či varování. Výhodou laserového značení je jeho snadné použití už při sledování životní cesty materiálu, který do výroby vstupuje. Značení laserem umožňuje dosahovat vysokých rychlostí zpracování. Technologie využívá laser jako tepelný zdroj, který sublimací odpaří barvu či část materiálu. Bez použití vody či dalších chemických látek lze dosáhnout vybělení materiálu či naopak škály odstupňovaného barevného odstínu (viz Obrázek 3) vhodné pro popis textilií. Značit se dají syntetické, přírodní i kompozitní materiály.

Obrázek 3: Barevný gradient dosažitelný laserovým svazkem [3]

Škála dekoračních technik je široká, od vyřezávaných, vypalovaných ornamentů, po povrchové úpravy typu seprání, 3D gravírování (pro materiály s vyšší tloušťkou) či vytváření barevných gradientů. Zároveň lze dekoraci s využitím laseru kombinovat s jinými metodami za účelem vytvoření jedinečného vzhledu. Na rozdíl od tisku je laserem možné vytvářet hmatové efekty.

Laserový paprsek tepelně ovlivňuje pouze malou část materiálu. Lze ho tak použít i na recyklované a přešívané oděvy s vysokou mírou úprav dle potřeb zákazníka.

4. Kontrola

Laserový paprsek umožňuje přesnou kontrolu a měření různých vlastností materiálů a objektů. Používá se například k detekci přetržení nití při výrobě osnovy. V kombinaci se softwarem lze snímat a vyhodnocovat kvalitu materiálu a optimalizovat dle ní umístění objektů. Ke skenování se používá laserový osvětlovač, který postupně snímá části látky a detektorem se zachycuje odražené záření, které se následně datově zpracuje.

Dalším použitím laserů je jejich jednoduchá aplikace v zaměřovacích křížích používaných k zarovnání výrobků před potiskem, ke srovnání látky se střihem, či jako vodítek pro rovný šev.

Typické aplikace

– Oděvní průmysl – široké spektrum materiálů, zpracování látek na roli, sportovní oblečení, kožené boty, tašky
– Džínovina – efekt seprání, 3D gravírování, gradienty

Obrázek 4: Postup zpracování džínoviny laserem [4]


– Sportovní vybavení – padáky, stany, plachty, spací pytle
– Hračky a dekorační předměty

Obrázek 5: Ukázka laserového řezání plyše [5]

 

– Bytové textilie – nábytkové potahy, závěsy, stínidla, slunečníky, koberce, rohože z uhlíkových vláken
– Filtrační materiály – FFP filtry, medicínské respirátory, bio filtry, potravinářské filtry, vzduchotechnické filtry, filtrační látky
– Automobilový a letecký průmysl – potahy, bezpečnostní pásy, airbagy
– Technické textilie – potahy, plachty, bannery, izolační materiál
– Polyesterové suché zipy – rychloupínací brusný papír

Obrázek 6: Netřepivá hrana vytvořená laserovým řezáním [6]

 – Ochranné oděvy – neprůstřelné vesty, nehořlavé oblečení, protipořezové ochranné oděvy

Nevýhody použití laserových systémů v textilním průmyslu

Hlavní nevýhodou použití laserů v textilním průmyslu jsou vysoké vstupní investice a náklady na zavedení výroby.

Výrobní proces je omezen na zpracování pouze určitých typů látek a barev. Zpracování různých materiálů také vyžaduje pečlivou přípravu v nastavení parametrů. Například při zpracování organických textilií laserem může řezná hrana vykazovat nežádoucí zabarvení. U specifických materiálů, jako je džínovina, lze využít LSF test (Light Sensitive Fabric test), při němž se vzorek materiálu otestuje laserovými technologiemi, čímž získáme přesná data, která se použijí k výběru a nastavení optimálních pracovních podmínek.

V neposlední řadě je třeba dbát i na státní regulační a bezpečnostní pravidla.

Reference

Print Friendly, PDF & Email

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

By |

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).

Obr. 1 Porovnání technologie CD, DVD, HD DVD a Blu-ray [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.

Obr. 2 Schéma optické trasy v mechanice pro čtení a zápis CD a DVD médií [2]

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.

Obr. 3 Čtečka čárových kódů

Obr. 3 Čtečka čárových kódů

 

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.

Obr. 4 Princip čtečky čárových kódů [3]

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.

Obr. 5 Schéma laserové tiskárny [4]

Obr. 5 Schéma laserové tiskárny [4]

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).

Obr. 6 Laserové značení [5, 6, 7]

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.

Obr. 7 Optický komunikační kabel se skládá z mnoha optických vláken [8]

Obr. 8 Síť podmořských optických kabelů [9]

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.

Obr. 9 Světelné závory [10]

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

Print Friendly, PDF & Email

Nobelovy ceny a lasery

By |

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

Print Friendly, PDF & Email

Laser

By |

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

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

Základní schéma laseru

Historie

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

Vynálezce prvního laseru Theodor Maiman a jeho rubínový laser.

Princip laseru

Každý laserový systém se skládá z několika základních prvků vyobrazených na obr. 1. Pomyslným srdcem každého laseru je tzv. aktivní prostředí, což může být pevná látka, kapalina či plyn. V něm při dodávání čerpací energie vzniká laserové záření. Pro zvýšení účinnosti přeměny čerpání na laserové záření se aktivní prostředí obklopuje dvěma či více zrcadly. Toto uskupení se nazývám otevřený rezonátor. Jelikož přemena čerpacího záření na laserové není dokonalá a dochází k zahřívání aktivního prostředí, je nutné ho chladit například pomocí vody.

Základní princip laseru

Pro pokročilejší

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

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

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

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

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

Schéma absorpce, spontánní emise a stimulované emise

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

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

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

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

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

Čtyřhladinové a tříhladinové schéma

Vlastnosti laserového záření

Pro pochopení vlastností laserového záření je nutné zmínit, že se na každé světlo lze dívat jako na vlnění. Toto vlnění se ovšem liší pro různě barevná světla. Ta můžeme od sebe odlišit pomocí fyzikální veličina nazvané vlnová délka, kterou si můžeme například představit jako vzdálenost mezi dvěma maximy. Jak je vidět na obrázku, červené světlo má od sebe maxima dále než světlo zelené a modré, tedy i jejich vlnové délky jsou rozdílné (červená – 633 nm, zelená – 532 nm, modrá – 470 nm). Více os světle se dozvíte v článku Světlo jako katalyzátor poznání.

Světlo jako vlnění

Když se podíváme na obyčejnou žárovku, zdá se nám, že světlo které vyzařuje je bílé až žluté. Ve skutečnosti lze ovšem dokázat, že je toto světlo složeno z mnoha různých barev od fialové, přes zelenou až po červenou. Oproti tomu, laserové světlo je vždy tvořeno pouze jednou barvu a nejsme schopni ho na jiné barvy rozložit, nazýváme ho tedy monochromatické.

Další vlastností laserového záření je koherence neboli soufázovost. Tento jev částečně souvisí s předchozí vlastností, že světlo je tvořeno pouze jednou barvu. Všechny vlny obsažené v tomto záření mají tedy stejnou vlnovou délku, což znamená stejně vzdálená maxima a minima. Ovšem laserové záření je tak specifické, že všechny tyto vlny mají maxima i minima na stejném místě jako na obr. 4. Koherence nám také umožňuje soustředit laserový svazek do malého místa a tím například řezat či svářet kovy. Více ve článku laserové aplikace.

Koherence světla

Poslední vlastností laserového světla je nízká rozbíhavost. Tato vlastnost opět souvisí s předchozími dvěma vlastnostmi. V praxi to znamená, že laserový svazek je i na velkou vzdálenost reprezentován úzkým paprskem.

Druhy laserů

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

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

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

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

Print Friendly, PDF & Email

Lasery a česká věda

By | | No Comments

Kde se vzaly lasery?

Teoretické kořeny najdeme u Alberta Einsteina, který v roce 1917 přišel s myšlenkou tzv. stimulované emise záření: totiž že foton (částice světla) může za určitých okolností přimět atom nějaké látky, aby vyzářil nový foton o stejných vlastnostech, čímž dochází k zesílení světla. Ovšem první laser byl sestrojen až Theodorem H. Maimanem v roce 1960.

V tomto článku se dozvíte více o tom, jak se následně lasery vyvíjely v národním měřítku, v Československu a posléze České Republice.

S trochou nadsázky bychom mohli kořeny laserového výzkumu, respektive základů optiky, u nás najít už v 17.století. Už v roce 1648 totiž Čech Jan Marek Marků (jinak zvaný Marcus Marci) poprvé popsal podstatu duhy a rozptyl světa, Newton přitom něco velmi podobného provedl až v roce 1672. Skutečný laserový výzkum u nás pak začal zhruba o 300 let později.

1. výstřel z ELI laseru

2018

1. výstřel z ELI laseru

2. července 2018 byl v laserovém centru ELI Beamlines slavnostně spuštěn unikátní laserový systém L3-HAPLS vyvinutý ve spolupráci s americkou národní laboratoří LLNL. Tento jedinečný laser bude sloužit k experimentům v mnoha oblastech základního i aplikovaného výzkumu, např. pro laserem buzené urychlování částic pro nové lékařské metody.
Světlo ve službách společnosti

2016

Světlo ve službách společnosti

Jelikož jsou dnes lasery spolu se svými aplikacemi natolik významným společným tématem pro řadu ústavů Akademie věd ČR, průmysl i veřejnost, byl roku 2016 založen nový program v rámci Strategie AV21. Program Světlo ve službách společnosti rozvíjí progresivní technologie napříč obory. Příkladem může být „aditivní manufacturing“, kde jsou laserové technologie základem pro raketově se rozvíjející technologie 3D tisku, nebo nejrůznější technologie chránící lidské zdraví.
Světové laserové prvenství v HiLASE

2016

Světové laserové prvenství v HiLASE

Poprvé v historii dosáhl diodově čerpaný nanosekundový pevnolátkový laser (DPSSL) magické hranice 1kW, o což se neúspěšně snažila celosvětová vědecká komunita již od roku 1995.
HiLASE

2011

HiLASE

Roku 2011 odstartoval unikátní projekt HiLASE, jež má za cíl vyvinout laserové technologie s průlomovými technickými parametry, které najdou své využití v průmyslu. Za tímto účelem byly v HiLASE ve spolupráci s STFC (Science and Technology Facilities Council) sestaveny dva laserové systémy, PERLA a BIVOJ. Zatímco PERLA má schopnost vrtat nepředstavitelně přesné otvory s kadencí 100 tisíc pulsů za sekundu, což se výborně využívá např. při mikroobrábění, druhý laser, BIVOJ, je momentálně nejsilnějším laserem na světě ve své kategorii a najde uplatnění např. při vývoji nových materiálů pro letecký či automobilový průmysl.
ELI Beamlines

2009

ELI Beamlines

Rok 2009 znamenal začátek ambiciózního projektu ELI Beamlines, jehož cílem je provozovat mezinárodní výzkumné laserové zařízení pro revoluční vědecké experimenty a použití v nejrůznějších oblastech.
ASTERIX IV

1997

ASTERIX IV

V roce 1997 získala Akademie věd ČR od Ústavu fyziky plazmatu Maxe Plancka v Garchingu u Mnichova vysoce kvalitní laserový systém ASTERIX IV, a následně roku 1998 založily Fyzikální ústav a Ústav fyziky plazmatu společnou laserovou laboratoř - Badatelské centrum PALS (Prague Asterix Laser System).
PERUN

1985

PERUN

Roku 1985 byl ve Fyzikálním ústavu ČSAV uveden do provozu výkonový laserový systém PERUN, na nějž v roce 1992 navázal výkonnější PERUN II.
Útlum

60. - 70. léta

Útlum

Přes slibné začátky přinesla druhá polovina 60.let útlum výzkumu v oblasti laserů, který přetrval až do roku 1970, kdy byl výzkumný program zcela ukončen. Důvody byly politické – Sovětský svaz se obával zneužití výzkumu pro vojensky strategické účely, např. k určování polohy pohybujících se objektů.
První lasery u nás

1963

První lasery u nás

Jen tři roky po Maimanově sestavení prvního laseru, se Československo stalo po USA a Sovětském svazu další zemí, která postavila vlastní laser, a to zásluhou týmu Jana Blably (Ústav radioelektronický ČSAV).
Print Friendly, PDF & Email

Historie laserů ve světě

By | | No Comments
Nobelova cena za objevy v oblasti laserové fyziky

2018

Nobelova cena za objevy v oblasti laserové fyziky

Nobelovu cenu za fyziku získala trojice vědců Arthur Ashkin, Gérard Mourou a Donna Stricklandová za „revoluční objevy v oblasti laserové fyziky“, a to zejména za vývoj tzv. optické pinzety a za metodu generování velmi intenzivních ultrakrátkých optických pulzů, jež se využívá např. při laserových operacích očí.
Nobelova cena za objev laseru

1964

Nobelova cena za objev laseru

Nobelovu cenu za fyziku za objev laseru získali roku 1964 americký fyzik Ch.H. Towes a ruští vědci Nikolaj Basov a Alexandr Prochorov, kterým se podařilo nezávisle na sobě docílit nepřetržitého výstupu záření. Výzkum laseru prošel od 60.let bouřlivým vývojem a našel své využití v mnoha oblastech od medicíny po průmysl. Důkazem o přínosu laseru pro společnost je udělení Nobelovy ceny za převratné objevy v oblasti laserové fyziky.
1. aplikace

1961

1. aplikace

– Už v prosinci 1961, tedy jen rok a půl po vůbec prvním zapnutí laseru na světě, byla v Columbia Presbyterian Hospital na Manhattanu provedena operace oka, při které byl laserem odstraněn nádor ze sítnice.
Sestrojení prvního laseru

16.5.1960

Sestrojení prvního laseru

Vůbec první laser, který se podařilo uvést do provozu, sestrojil americký fyzik Theodor Maiman. První laser využíval výbojku a aktivním prostředím byl krystal rubínu. Tento první laser nebyl zdaleka tak dokonalý jako lasery dnešní, nicméně jeho sestrojení bylo natolik významné, že 16. květen byl roku 2018 organizací UNESCO vyhlášen Mezinárodním dnem světla.
Slovo laser

1959

Slovo laser

Název LASER, tedy akronym pro Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (tj. zesilování světla stimulovanou emisí záření) zavedl roku 1959 G.Gould.
Popis laseru

1958

Popis laseru

První skutečný popis laseru, který vedl k jeho sestavení a patentování, přinesli vědci Arthur Leonard Schawlow a Charles Hard Townes. Právě Townes, spolu s ruskými fyziky Bassovem a Prochorovem získali roku 1964 Nobelovu cenu za fyziku za objev laseru.
Maser

1954

Maser

Cesta k laseru vedla přes tzv. MASER – jednalo se o kvantový zesilovač, tj. stejný princip jako u laseru, s tím rozdílem, že MASER vyzařoval mikrovlny. Byl postaven Charlesem Townesem a Jamesem Power Gordonem v roce 1954. Poptávka po MASERu vznikala vlastně už za druhé světové války, kdy se začaly více používat radiolokátory, které umožňovaly pomocí tzv. mikrovln zjišťovat polohu nepřátelských letadel. Po válce vývoj pokračoval a konstruktéři hledali způsob, jak zlepšit parametry mikrovlnných vysílačů a přijímačů. Odtud už byl jen krůček k sestrojení prvního maseru.
Print Friendly, PDF & Email

Světlo

By |

Egyptský bůh slunce Re

Zájem o světlo a civilizace šly vždy ruku v ruce. Mezi nejznámější příklady fascinace světlem z dávné historie patří uctívání boha slunce Re ve Starém Egyptě. A jakkoli se dnes mohou zdát názory tehdejších lidí mýtické, už tehdy bylo světlo vnímáno jakožto dárce života, a tudíž zdroj energie.

Význam světla v procesu vidění však lidem překvapivě dlouho unikal. Lidé trvali na tom, že zrak musí být analogický hmatu a význam oka je přitom aktivní. Jako by člověk zrakem věci kolem sebe „ohmatával“. Dnes se tato hypotéza označuje jako emisní teorie vidění.

Teprve středověk byl však obdobím (navzdory stereotypu označovat jej jako „dobu temna“), ve kterém proběhly klíčové pokroky v lidské perspektivě. Fundamentální bylo prohlédnutí muslimského učence Hasana Ibn al-Haythama, který jako první správně interpretoval jev tzv. „camery obscury“.

Pokud v temné místnosti vyvrtáme drobný otvor, kterým dovnitř proniká zvenčí světlo, na protější straně můžeme spatřit obraz okolního světa. To bylo známo již dlouho. Revoluční však byla spravná interpretace, proč je obraz převrácený. Tento jev lze tedy vysvětlit jednoduchým předpokladem, že světlo se ve volném prostoru šíří přímočaře. Pokrokovost tohoto poznatku se nejlépe projevila v renesančním malířství, které vneslo do obrazu prostor.

Určitě stojí za povšimnutí, že pokračující zdokonalování malířství raného novověku, zejména v Nizozemí, následovalo linku, zaměřenou na světlo. Tentokrát v pochopení, jak světlo interaguje s objekty kolem sebe. A není náhodou, že ve stejné době, kdy malíř Rembrandt dumal nad tím, jak zachytit autentický odlesk kovu či lidských vlasů na plátně, přírodovědec van Leeuwenhoek pozoroval v mikroskopu první detaily mikroskopického světa. Za zmínku stojí, že pozoroval objekty, které i dnes rozpoznáváme na hranici rozlišení optického mikroskopu. Jinými slovy, už první mikroskopy dosáhly limitu, jaký světlo jako okno do mikrosvěta přináší.

Promítnutí pohledu na světlo do umělecké tvorby

Dalším fascinujícím objevem této éry vědeckých průlomů bylo první opravdové změření rychlosti světla. Ole Rømer geniálně využil faktu, že periody astronomických jevů lze měřit velmi přesně i bez nutnosti přesných hodin, a to jednoduše dostatečnou délkou pozorování. Sledováním změn v periodě zatmění Jupiteru, i přes nesmírnou rychlost, jakou se světlo pohybuje, byla tato hodnota správně odhadnuta na přibližně 300 000 kilometrů za sekundu. Lidstvo následně muselo čekat téměř 200 let na laboratorní ověření, které ukázalo, že tato hodnota se liší od té exaktní o méně než jedno procento.

Ole Romer a princip jeho pozorování periody oběhů jupiterových měsíců

Nenápadným, ale velmi důležitým objevem této doby bylo zjištění, že sluneční světlo obsahuje složky za hranicí barev, které okem vidíme. Od té doby je označujeme jako infračervené a ultrafialové paprsky. William Herschel si současně povšiml, že infračervené paprsky mají silně tepelné vlastnosti, naopak ultrafialové paprsky mění chemickou strukturu látek.

Znázornění principu rozkladu světla na hranolu a s ním spojený objev infračervené oblasti elektromagnetického spektra Williama Herschela

Následující století bylo stoletím sporu o to, zda je světlo povahy vlnové, anebo částicové. Každá z těchto teorií měla na svojí straně jednoho velikána. Vlnovou teorii prosazoval Christiaan Huygens, a korpuskulární (částicovou) pak nikdo menší než Isaac Newton. Difrakční experimenty jasně ukazují interferenční povahu světla, takže až do začátku dvacátého století se zdálo, že Newton se mýlil a světlo je vlněním. Tento názor byl posilněn jedním z největších průlomů v teoretické fyzice, když se J. C. Maxwellovi podařilo zformulovat úplné zákony elektrodynamiky ve formě slavných Maxwellových rovnic.

Maxwell dokázal, že rovnice se dají převést do formy analogické vlnové rovnici. To dalo do souvislosti elektrické konstanty a rychlost světla. A ukázalo se, že světlo není nic jiného než vlnová manifestace elektromagnetických vln. Světlo lze chápat jako proces, při kterém magnetické a elektrické pole periodicky stimulují jedno druhé.

Čtyři základní Maxwellovy rovnice známé jako Coulombův, Ampérův a Faradayův zákon doplněné o zákon vyjadřující neexistenci magnetických monopolů

Čtyři základní Maxwellovy rovnice s jejich vyobrazeným fyzikálním významem

A nebylo to nic jiného než další studium podstaty světelného záření, které vedlo k objevení mezer v tzv. „klasickém fyzikálním“ pojetí světa. Fyzika nedokázala vysvětlit, proč horké předměty nezáří primárně v oblasti krátkých vlnových délek. Existující teorie dobře pasovaly na experimenty v oblasti dlouhých vlnových délek světla, ale absolutně selhávaly v ultrafialové oblasti. Až právě Max Planck přišel na to, že správná rovnice popisující toto záření dává smysl pouze za předpokladu, že energie se mezi hmotou a světlem předává v kvantech energie a nikoli spojitě.

Popis záření absolutně černého tělesa pomocí Planckova vyzařovacího zákona

Na jiné frontě absolutní selhaní pokusů zachytit změnu v rychlosti světla v závislosti na rychlosti experimentální aparatury vedlo Alberta Einsteina k formulaci speciální teorie relativity. A ten samý génius přišel s objevem, že fotoelektrický jev, kdy ionizace materiálu není závislá na intenzitě, ale spíše na vlnové délce světla, lze vysvětlit tak, že světlo samotné se skládá z balíčků energie, kterým dnes říkáme fotony. Toto zjištění naopak posloužilo ke správné interpretaci vyzařovaných spekter atomů a formulaci první kvantové teorie atomu.

Popsáním stimulované emise pak bylo lidstvo jen krůček od sestavení funkčního prototypu laseru. LASER (zkratka anglické formulace výrazu „světelný zesilovač na bázi stimulované emise světla“) je tedy jakýsi transistor, který místo zesilování elektrického proudu elektronů zesiluje elektrodynamický proud fotonů. Hlavní silou LASERU je fakt, že produkuje veliké množství fotonů, které jsou téměř všechny v identickém kvantovém stavu. Tato fráze může znamenat hodně a taky tomu tak je, laserů existuje nespočet druhů. Častá chyba zjednodušených textů je, že laser vyzařuje dokonale monochromatické světlo. To platilo pro první lasery. Nicméně dnes existují i lasery, které produkují dokonale bílé světlo. Pořád se tyto zdroje fundamentálně i prakticky liší od lampy tím, že všechny „bílé fotony“ jsou svými dvojčaty.

Albert Einstein a popis principu stimulované emise jako základu pro konstrukci laseru

LASER (zkratka anglické formulace výrazu „světelný zesilovač na bázi stimulované emise světla“) je tedy jakýsi transistor, který místo zesilování elektrického proudu elektronů zesiluje elektrodynamický proud fotonů. Hlavní silou LASERU je fakt, že produkuje veliké množství fotonů, které jsou téměř všechny v identickém kvantovém stavu. Tato fráze může znamenat hodně a taky tomu tak je, laserů existuje nespočet druhů. Častá chyba zjednodušených textů je, že laser vyzařuje dokonale monochromatické světlo. To platilo pro první lasery. Nicméně dnes existují i lasery, které produkují dokonale bílé světlo. Pořád se tyto zdroje fundamentálně i prakticky liší od lampy tím, že všechny „bílé fotony“ jsou svými dvojčaty. Více o funkci laseru lze nalézt v samostatné kapitole ve studovně.

Print Friendly, PDF & Email