Rozvoj laserových technologií přinesl celou řadu praktických aplikací. Některé potkáváme v běžném životě takřka denně a už si je ani neuvědomujeme. Jiné se staly důležitým nástrojem různých oborů, ať už vědních, technických, či praktických. Jednou z takovýchto metod využívajících fyzikální vlastnosti laserů je tzv. LIDAR neboli Light Detection and Ranging, případně jednoduše Light Radar.

Tato technologie se objevila v roce 1961, tedy již velmi krátce po zkonstruování prvních laserů. Tehdy tým pod vedením Malcolma Stitche z Hughes Aircraft Company sestavil zařízení zvané Colidar (Coherent Light Detecting and Ranging). To bylo testováno na možnosti vyhledávání vojenských cílů z letícího letadla. Samotné slovo LIDAR (ne vždy dodržovaný úzus říká, že LIDAR – na rozdíl od radaru – píšeme velkými písmeny) se pak objevilo už v roce 1963.

Paprsek LIDARu vysílaného z observatoře Mauna Loa při mapování aerosolu ve svrchních vrstvách stratosféry. Laser se dobře vybarvil díky mlze. (Zdroj: NOAA Photo Library, Forrest M. Mims III)

Vidíme tedy, co do využití, jistou podobnost s radary. Obě technologie v podstatě měří dobu mezi dopadem vyslaného záření a zachycením jeho odrazu. S tím zásadním rozdílem, že radary využívají elektromagnetické záření, zatímco LIDAR pracuje se soustavou laserových paprsků. LIDAR je tedy metodou měřící – umožňuje měřit vzdálenosti dle doby šíření laserového paprsku odrážejícího se od povrchu snímaného objektu. LIDARové snímání tak vytváří soustavu bodů, které lze následně promítnout do prostorového zobrazení. I pro ty, kteří se s LIDARem ještě nesetkali tak není těžké si představit široké využití v oborech jako je geografie, kartografie, archeologie či řízení autonomních strojů.

LIDAR využívá jak světlo ve viditelném spektru, tak například spektra infračervená či ultrafialová. Obrovskou výhodou je přesný, v podstatě bodový, fokus laserového paprsku. Z letadel je tak například možné rozpoznávat při lidarovém mapování detaily terénu už od velikosti 30 cm. Pro praktické účely se obvykle používají lasery o vlnových délkách 600-1000 nm, případně 1550 nm u specifických aplikací. Nevýhodou LIDARu je oproti radaru relativně krátký dosah, výhodou ale již řečená obrovská přesnost detailů. Můžeme se setkat jak s LIDARovými zařízeními na stacionárních objektech, tak s kombinací LIDARu a např. letadla či dronu.

Jak bylo řečeno, v počátcích LIDARu šlo hlavně o snahu mapovat pohyb nepřátelských objektů, později začaly být objevovány kartografické a další možnosti. LIDARové mapování terénu zažívá v poslední době jistý boom umocněný moderními technologiemi, lepším využitím letadel či použitím dronů. Terénní mapy vzniklé s pomocí LIDARu tak překvapují laika mírou detailu a odhalováním jinak neviděných topografických prvků.

Ukázka digitálního modelu povrchu DSM (A) a digitálního modelu terénu DTM (B) laténského hradiště Vladař u Záhorčic (okr. Karlovy Vary) na základě zpracování dat ze systému LiDAR. Podle GOJDA, M. – J. JOHN – L. STARKOVÁ: Archeologický průzkum krajiny pomocí leteckého laserového skenování. Dosavadní průběh a výsledky prvního českého projektu. In: Archeologické rozhledy 63(4), s. 683.

LIDAR tak přinesl dříve nepředstavitelné možnosti terénní prospekce, které široce využívá například archeologie. Nejenom, že je možné si promítnout známé lokality, navíc lze odhalovat nové. Obrovskou výhodou je možnost pomocí správného nastavení a algoritmů mapovat i skrze vegetaci. Díky tomu u nás LIDARové mapování například pomáhá odhalovat zaniklé středověké vesnice či hledat relikty dávno zaniklých cest v zalesněných územích. Ve světě před pár měsíci badatelům vyrazil dech objev mnoha nových mayských měst v Guatemale. LIDAR tak pomohl odhalit skutečnosti a souvislosti, které by jinak bez této technologie byly možná archeologům navždy zatajené. LIDAR lze navíc použít i k mapování objektů a staveb a vytváření jejich 3D modelů.

Objekty mayské civilizace nalezené ukryté v džungli (zdroj: PACUNAM/CANUTO)

Kromě mapování terénu lze ale stejnou metodu využít například v ekologii a ochraně přírody – velká míra detailu LIDARové projekce totiž umožňuje například sledovat stav lesního porostu, výšku stromů či podobu systému korun. To jsou věci, které bychom z běžného leteckého snímkování prostě nepoznali.

Příklad generovaného zobrazení na základě LIDAR mapování, které srovnává mladý a starý lesní porost a umožňuje studovat jeho plošný stav (zdroj: Sarah Frey, Oregon State University)

Proč se ale při aplikacích omezovat jen na vytváření projekcí terénu? Laserového mapování se tak úspěšně užívá například v meteorologii, kdy jako odrazné plochy slouží vrstvy atmosféry. V takovém případě se ale dostáváme na úplně jiné výkony laserů, neboť je potřeba doslova „pořádně střelit do vzduchu“, aby se získala relevantní data.

Komerčně je pak poslední dobou mimořádně důležité použití LIDAR technologie v autonomních vozech. Mapování totiž probíhá nejen s velkými detaily, ale také velmi rychle. Hledá se tak cesta, jak využívat a zdokonalovat LIDARy pro tuto aplikaci. Existuje ale i kritika, která říká, že pro samořízená vozidla není z různých důvodů LIDAR vhodný.

Samořídící auta společnosti Google s LIDAR zařízeními na střeše (zdroj: Getty Images, Kim Kulish)

Buď jak buď, LIDARové technologie se neustále rozvíjejí. S jistým zjednodušením lze konstatovat, že co do míry praktické aplikovatelnosti jde o jedno z nejpestřeji využívaných laserových zařízení.

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.

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:

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

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

Ze školy si možná všichni pamatujeme, že jednou ze zásadních jaderných reakcí je tzv. nukleární fúze. Při ní dochází ke slučování jader atomů a zároveň se při přeměně lehčích prvků v těžší uvolňuje značné množství energie. Takováto reakce probíhá například v hvězdách a má mnohem větší efektivitu, než jaderné štěpení, které dnes používáme v průmyslových reaktorech. Také už asi ze školy víme, že dokonalé ovládnutí fúze je svatým grálem energetiky a že jsme od ní asi 30 let daleko – a je úplně jedno, kdy v posledních desetiletích jste do školy chodili. O fúzi se pořád mluví jako o něčem, co chápeme, ale ještě ne dostatečně ovládáme a oněch ikonických „30 let“ opakujeme už minimálně půl století. 

O úskalích termonukleární fúze, a proč se pořád nedaří posílat do drátů elektřinu vyrobenou pomocí malých, průmyslových sluncí, by se dalo mluvit dlouho. Nás ale zajímá, jakou roli ve snaze dosáhnout úspěchu při spuštění efektivní fúze hrají lasery. Jednoduchá odpověď zní: pravděpodobně zásadní.

Možností jak v řízeném prostředí dosáhnout fúze je totiž několik. V pozemských podmínkách se nejlepším palivem fúzních reaktorů ukazuje být reakce deuteria a tritia, tedy tzv. těžký a supertěžký izotop vodíků. Aby ale došlo k „zapálení“, je potřeba je přivést k teplotám 100–200 milionů kelvinů. V takovém stavu je hmota ve skupenství plazmy, konkrétně vysoce energetického plazmatu s nesmírnou hustotou. V podstatě tak stojíte před úkolem tuto plazmu nějak udržet dostatečně dlouho na to, aby se spustila řízená fúze a vy mohli bezpečně energii využívat. Samozřejmě s tím, aby byla celá soustava stabilní – neřízenou fúzi už totiž zvládáme docela dobře, jen jí říkáme termonukleární zbraň a to opravdu není dobrá hračka.

Laserové technologie nacházejí uplatnění v metodě tzv. inerciální udržení. Jeho princip spočívá v tom, že se palivo prudce zahřeje a zápalné teploty fúze dosáhne v těch několika zlomcích vteřiny předtím, než by nestabilní, magneticky nedržená plazma expandovala do okolí. Název inerciální udržení odkazuje na to, že setrvačnost (inerce) na potřebné nanosekundy udrží palivo pohromadě.

Pro dosažení inerciální fúze je proto potřeba palivo v pevném skupenství nesmírně stlačit tak, aby se prudce navýšila jeho hustota. Ve škole jsme se možná učili, že kapaliny a pevné látky jsou nestlačitelné, nicméně při extrémních tlacích to možné je. Aby se ovšem dosáhlo takového mimořádného tlaku, je potřeba mimořádných postupů. Vysokoenergetickým laserovým paprskem působícím na povrch paliva dojde k prudkému zvýšení teploty a změně skupenství. Excitované atomy uvolněných plynů se odrážejí od stále ještě pevného povrchu a působí značným tlakem směrem dovnitř. 

Obr. 1: Schéma spuštění jaderné fúze při inerciálním udržení. 1) Laserové paprsky dopadají na povrch paliva, při prudkém zahřátí vzniká plasmový obal. 2) Materiál je vystřelen směrem od okraje, namísto jeho raketového odpálení pryč na něj ale působí protisměrné lasery. 3) Soustava se na zlomky nanosekund dostává do rovnováhy, kdy se všechen tlak soustředí ve středu palivové kuličky. 4) Jádro dosahuje teploty 100 milionů °C a obrovské hustoty. Spouští se jaderná fúze.

Aby se zabránilo vystřelení hmoty, je potřeba palivo bombardovat laserovými paprsky z více stran tak, aby byly tlaky v rovnováze směrem dovnitř. Je potřeba říci, že se bavíme o skutečně extrémních podmínkách. Teploty musí přesáhnout 100–200 milionů °C, ve stavu plazmatu se palivo udržuje několik desetin miliardtin sekundy (hrozné to jen napsat, natož si to představit). Vnitřní tlaky v palivu jsou stomilionkrát vyšší, než tlak atmosférický. 

Nebýt laserových technologií, nebylo by možné tak extrémních podmínek dosáhnout. Jiné fúzní reaktory, jako například známé tokamaky (které se také stále nepodařilo dotáhnout k průmyslovému využití), využívají princip tzv. magnetického držení. Při něm se plazma stabilizuje ve vakuu, postupně se zahřívá a koncentruje. Inerciální držení působí o poznání dramatičtěji, paradoxně je ale díky naší schopnosti stavět supervýkonné lasery dosažitelnější. Fúzní elektrárna založená na inerciálním držení by vlastně byla jednou velkou laserovou soustavou. 

Obr. 2: Palivová kulička užívaná NIF, obsahující směs deuteria a tritia v pevném skupenství uvnitř plastové kuličky. (Zdroj: National Ignition Facility)

Abychom totiž místo reaktoru nevyrobili bombu, musí být palivový terčík bombardovaný laserem velmi malý. V dnešních zařízeních se laserem bombardují „peletky“ vytvořené z plastové kuličky o velikosti kuličky pepře. Ta je naplněná hluboce podchlazenou směsí deuteria a tritia, které se před „zapálením“ nachází v pevném skupenství. Výsledkem je relativně malá exploze (která ovšem uvolňuje energii v řádech sta milionů joulů), v průmyslovém využití by proto takových miniaturních explozí probíhala celá série za sebou.

Ani inerciální udržení ale není dokonale zvládnuté – jak už to tak bývá, co se zdá být funkční v teorii, pokulhává v praxi. Rozvoj technologie trvá už od 70. let, v novém století byly největší naděje dávány do zařízení National Ignition Facility (NIF) v USA. Jde o doposud největší zařízení tohoto typu, které je schopné palivo bombardovat celkem 192 laserovými paprsky, jež dokázaly palivový terčík ohřát energií 2 MJ. Jde mimochodem o tak high-tech stavbu, že si dokonce v jednom Star Trek filmu zahrála v roli strojovny lodi Enterprise. I v tomto provozu se ale původní očekávání nenaplnila a tříletá kampaň spuštěná v roce 2009 nedosáhla stanoveného cíle, totiž dostatečně energeticky efektivního zapálení fúze. Zařízení NIF sice různými technickými úpravami až čtyřicetinásobně zlepšilo výtěžky z dosažené fúze, přesto to nestačilo. Původní ambice NIF jsou tak dnes v útlumu a zařízení se věnuje jiným vědeckým úkolům spojeným s materiálovou vědou a vojenským výzkumem.

Obr. 3: Schéma zařízení NIF. Paprsky z laserových zařízení (modře) se koncentrují do jednoho bodu uvnitř palivové komory (červeně), kde je umístěna palivová kulička. (Zdroj: National Ignition Facility)

To ovšem neznamená, že by potenciál technologie byl mrtvý – právě naopak. Existuje několik dalších výzkumných center hledajících vhodnou cestu (konkrétně se řeší přesný způsob zapálení palivové kuličky, fokusování energie laserů a podobně), navíc ani NIF možná ještě neřekl poslední slovo. Pointa je v tom, že laserové stlačování paliva funguje. Pereme se ne se samotným fyzikálním principem, ale především s energetickou náročností laserů a konkrétními konstrukčními řešení. Ano, je pravda, že pozornost některých výzkumných center se od laserů posouvá směrem k urychlovačům schopným generovat iontové pulsy s podobným efektem. Jak ale ví každý fanoušek sci-fi, lasery jsou cool a ještě není důvod přestat jim držet palce. Ostatně nezapomínejme: průmyslová jaderná fúze je už jen 30 let daleko.

Sice se někdy říká, že ve 20. století lidstvo vykročilo ke hvězdám, skutečnost ale není tak vzletná. Pokroky v kosmonautice jsou sice značné, ale i když jsou výpravy sond k objektům naší soustavy fantastická záležitost, hvězdy nám zůstávají zoufale nedostupné. Alespoň co se cestování týče, nemluvíme teď o dálkovém průzkumu. Vždyť i Voyager 1, tedy sonda, která se zatím dostala nejdál od Slunce, uletěla zatím pouhých 20,5 světelných hodin. K hvězdě Proxima Centauri, nejbližšímu sousedu naší soustavy ve vzdálenosti 4,22 světelných let, by se svou zdánlivě úctyhodnou rychlostí 61 198 km/h v hodině letěl přes 70 000 let. 

Rekord mezi lidskými výtvory drží sonda Parker Solar Probe, které se krátkodobě podařilo dosáhnout rychlosti 393 042 km/h, nyní zpomaluje a po opakovaném zrychlení se odhaduje, že v roce 2025 dosáhne neuvěřitelných 690 000 km/h. No, neuvěřitelných – vše je otázka úhlu pohledu. Pořád se pohybujeme na nějakých 0,064 % rychlosti světla, což je zoufale málo pro cestu ke hvězdám. A to jde o rychlost dosaženou kombinací klasických motorů a gravitačních triků. Jinými slovy, chceme-li vůbec o vyslání sondy k cizí hvězda uvažovat, musíme změnit způsob myšlení a hledat nové metody pohonu. 

Právě tady nastává chvíle, kdy na scénu vstupují lasery a laserové technologie. Zdá se to být k nevíře, ale skutečně je teoreticky možné, aby lasery poháněly družice. Tedy, jak už to tak bývá, má to spoustu háčků – musely by to být velké lasery, malé družice a rozhodně to není něco, co bychom zvládli postavit zítra. Ze všech možných teoretických úvah je ale tato to nejreálnější, jak jsme se možnosti poslat alespoň něco k cizím hvězdám s naší soudobou technologií přiblížili. Bohužel, kapitáne Picarde – warp pohon bude muset zatím počkat.

Fyzikální princip celého konceptu spočívá v tzv. tlaku záření. Světlo lze popsat jako vlnění i jako částici, jeho částicová podstata se ale právě tlakem záření projevuje. Elektromagnetické záření – včetně světla – je kvantováno na fotony, u kterých lze popsat všechny částicové veličiny, včetně energie a hybnosti. I fotony se tak projevují starou známou newtonovskou hrou na akci a reakci. Jinými slovy: i světlo má mechanické účinky a silové působení, což jsou vlastnosti, které si s ním obvykle nespojujeme. Ovšem někdy je lepší věřit částicovým fyzikům spíš než selskému rozumu. Ten by nás nabádal k tomu, že světlo pohne tak maximálně slunečnicemi, když se za ním otáčejí a rozhodně přece na nic netlačí.

Koncept laserem poháněné “plachetnice” (Zdroj: Breakthrough Initiative)

Samozřejmě, pokud jde o sluneční světlo, bavíme se o zdánlivě velmi slabých projevech. V případě slunečního záření to ilustrují tzv. sluneční plachetnice. Jde o princip pohonu v kosmonautice již experimentálně vyzkoušený. Sluneční plachetnice je typ sondy, která rozvine plachtu ze speciálních materiálů, pomocí kterých zachytává fotony slunečního záření. Ty svým odrážením předávají soustavě energii a hybnost. Samotné zrychlení je velmi, velmi malé – s plachtou o ploše 600 m2 činí jen 0,0005 m s-2. Na rozdíl od raketového pohonu ale dokáže působit velmi dlouho, takže sluneční plachetnice jsou schopné za 100 dní dosáhnout díky fotonům rychlosti až 10 000 km/h.

Dobře, sluneční záření – a co kdybychom dokázali proud fotonů koncentrovat do úzkého paprsku a tím jejich energii efektivně maximalizovat na velmi malé ploše? Škoda, že taková technolog- a, ano, takovou technologii máme: světelným obloukem se vracíme zpátky k laserům. 

Na principu mechanických účinků světla je totiž postavený koncept projektu Breakthrough Starshot, započatý v roce 2016; jedním z jeho duchovních otců byl i před časem zesnulý Stephen Hawking. Cíl má ambiciózní: vyslat flotilu světelných plachetnic k hvězdě Alpha Centauri, u které se v obyvatelné zóně nachází exoplaneta srovnatelná velikostí se zemí. V teorii celý projekt pracuje s aplikacemi technologií a fyzikálních principů, které už známe. Sonda vybavená světelnou plachtou by se ostřelováním zacílenými laserovými paprsky mohla z oběžně dráhy urychlit způsobem, jaký klasické doposud užívané pohony nemůžou nikdy nabídnout. Cílem projektu je dostat sondy (tzv. StarChip) na rychlost 20 % rychlosti světla. S takovým kvaltem by se rázem cesta trvající desítky tisíc let zkrátila na pár desetiletí, v případě Alpha Centauri něco málo přes 20 roků.

To nejdůležitější – co zároveň představuje hlavní technickou výzvu – jsme zatím jen naznačili: Jak zaznělo, mechanické účinky světla jsou velmi malé. Aby tedy bylo reálné o využití laserů pro účel pohonu uvažovat, bavíme se o soustavě o výkonu až 100 gigawattů. To je hodně! A i tak by takový laser působil na světelnou plachtu silou jen asi 7 N. To je málo! Tedy, málo je to jen zdánlivě. Pokud by totiž sonda byla mimořádně malá a sérii paprsků by se podařilo udržet alespoň 10 minut, odhaduje se, že by se dalo dosáhnout zrychlení až 100 km s-2. Sonda by ovšem musela mít váhu jen několik málo gramů, a to včetně plachty o průměru 5 metrů. 

Soustava laserů pro pohon sond ke hvězdám bude muset být masivní konstrukcí (Zdroj: Breakthrough Initiative)

V teorii by tedy vše fungovat mělo, v praxi je ale podobný projekt jednou velkou soustavou technologických obtíží. Aby se kompenzovala velikost sond a předpokládané ztráty po cestě, hovoří se o roji až 1000 ks mezihvězdných včeliček. Přirovnání ke včelkám není přeháněním, sondy by opravdu musely být velmi malé. Jejich konstrukce tedy představuje skutečnou výzvu miniaturizace – ať už jde o senzory, vysílače či (jaderné) napájení. Největší technologickou, a tedy i finanční, váhu celého projektu ale představují samotné lasery na zemi. Musela by vzniknout obrovská soustava navzájem koordinovaných zářičů. Současný koncept pracuje s konstrukcí 10 kW laserů na ploše 1 km2, které by teprve ve vzájemné součinnosti dosáhly požadovaných 100 GW. Není asi potřeba příliš zdůrazňovat, že něco takového potřebuje vyřešit celou řadu aspektů: napájení, schopnost udržet paprsky dostatečně dlouho, koordinaci se sondami apod.

V případě teoretického využití laserů pro pohon sond tak zvláštním způsobem stojíme jednou nohou v současné realitě, druhou nohou skoro v žánru sci-fi. V tom smyslu, že pokud vezmeme samotná teoretická východiska tohoto snažení, pak se vše zdá být perfektně reálné. Podle fyziky by to zkrátka fungovat mělo. Ve smyslu konkrétních technologických řešení, koordinace tak masivního projektu a definitivní realizace je ale cíl ještě míle a míle daleko. To, že ale nejde o marné blouznění, ilustruje i fakt, že se na dílčích projektech podílejí vědci z celého světa, včetně ČR. 

Cestování ke hvězdám v sobě vždycky mělo kus snění, něco ostatně musí alespoň trochu vyvažovat přijatelný skepticismus a racionalitu. S takovým sněním by ovšem byla jistá poetika v tom, kdybychom ke hvězdám nakonec pluli na světelném paprsku.

Lasery jako supernástroj člověka mají v dnešní době uplatnění v moha oblastech lidské činnosti, díky unikátnostem, které v sobě laserové záření skrývá. Mezi tyto vlastnosti můžeme řadit zejména monochromatičnost – tedy to, že záření má stejnou vlnovou délku, malou rozbíhavost, což nám umožňuje tenký laserový svazek převádět na velkou vzdálenost bez toho, aby podstatně měnil geometrii svého profilu, a také je nutné zmínit koherenci laserového záření, která vyjadřuje spojitost šířící se vlny.

Mezi důležité informace pro různé druhy aplikací patří nejenom vlnová délka záření, tedy, ale také to, jak krátké laserové pulzy může laser produkovat a jakou v nich můžeme přenášet energii. V dnešní době je již běžné setkat se s kontinuálními lasery, které produkují záření prakticky bez přestávky (například laserové ukazovátko) až po jednotky femtosekund, což představuje hodnotu 10-15 s. Pokud se zaměříme na konkrétní laserové aplikace, mohli bychom určitě najít mnoho způsobů jejich dělení. Alespoň některé z nich se pokusíme přiblížit a pro jednoduchost rozdělíme jejich využití do tří následujících kategorií a to v průmyslu, medícíně a ve vědě.

V první části se tak zaměříme na průmyslové aplikace. Jak jsme již zmínili na začátku, laserový paprsek může přenášet značné množství energie a proto je možné fokusovaným laserovým paprskem řezat celou řadu komponentů z různých materiálů od trubek, nosníků, kovových plechů, plastů nebo dřeva. Výhodou je vysoká přesnost, rychlost a především čistota řezů.

K řezání a svařování se používají vysokovýkonné CO 2 lasery (10,6 μm) a Nd:YAG lasery (1064 nm), kdy hodnota v závorkách udává pracovní vlnovou délku laseru. Řezaný materiál je lokálně nataven laserovým svazkem a následně odfouknut tryskou s asistenčním plynem, což bývá obvykle dusík, kyslík nebo argon. Laserové svařování se provádí metodou tzv. klíčové dírky, kdy při počáteční interakci laserového paprsku je procesem odpaření materiálu vytvořena kavita, neboli dutina (klíčová dírka), jejíž stěny jsou tvořeny roztaveným materiálem. Tento roztavený materiál postupně zaplňuje dutinu za pohybujícím se laserovým paprskem. Samotný průběh tohoto procesu můžete vidět na přiloženém videu.

Další možností je, že nebudeme chtít materiál přímo oddělit, ale pouze provést nějaké specifické úpravy na jeho povrchu a tak zlepšit jeho vlastnosti. Mezi tyto procesy patří například laserové gravírování a mikroobrábění. Při laserovém gravírování je odpařením odebrána tenká vrstva materiálu z povrchu. Takto lze laserem opracovat ocel, hliník, nerez, měď, zlato a další kovy, ale i dřevo a sklo. Záleží čistě jen na nastavení laserového zařízení, kdy se nejčastěji opět používají CO 2 lasery pro dřevo a sklo, nebo Nd:YVO 4 lasery pro plasty a řadu kovů. Při použití velmi krátkých laserových impulzů v řádech femtosekund je možný tzv. studený proces (Cold Processing), kdy je materiál odpařen bez vedlejších tepelných účinků.

Takto je například možné gravírovat i hlavičku sirky, aniž by se zapálila. Mikroobrábění je souhrnný název pro technologie s cílem přesného opracování materiálu, například příprava hydrofilních (smáčivých), hydrofobních (nesmáčivých) a biokompatibilních povrchů, jejich texturování, modifikace koeficientu tření apod. Funkcionalitu hydrofobních povrchu lze opět shlédnout na videu.

Mimo výše zmíněné metody, kdy se laser používá k deformaci povrchu, nebo přímo k řezání a sváření, můžeme při použití výkonných krátkých fokusovaných pulsů přesně odpařovat pouze tenkou povrchovou vrstvu nečistot z kovově součástky, aniž by došlo k porušení původního povrchu. Při jemném ladění hustot výkonu laserového svazku je tak možné dostáhnout optimálního vyčištění, které by bylo jinými metodami nedosažitelné. K tomuto účelu se nejčastěji používají Nd:YAG lasery (1064 nm) nebo vláknové lasery a pomocí nich se úspěšně odstraňuje rez, mastné nečistoty nebo se s jejich pomocí restaurují staré umělecké památky. Některé příklady můžete opět vidět v naší videotéce.

Z předchozího textu by se mohlo zdát, že se lasery v průmyslové praxi hodí pouze v případě, kdy je zapotřebí odstranit nějakou část materiálu nebo ho jinak modikovat, avšak i v průmyslu se lasery využívají k několika dalším zajímavým účelům, kdy není jejich prvotním smyslem materiál deformovat/ničit. Jedním z příkladů je metoda laserového vyklepávání LSP, což je technologie používaná k vytvrzování namáhaných součástek s cílem prodloužení jejich životnosti. Pomocí vysokoenergetického laserového impulzu je na povrchu materiálu vytvořeno plazma, které generuje lokální šokovou vlnu, která se může šířit do hloubky materiálu a při svém průchodu tento materiál stlačovat a zanechávat v něm zbytkové tlakové napětí. Jelikož je tato metoda značně nákladná, používá se v průmyslu například k vytvrzování lopatek turbín, zpevnění svárů u parogenerátorů a v jaderných elektrárnách. Doplňující video najdete v naší videotéce.

Jednou z dalších vyvinutých aplikací je metoda 3D tisku z kovu, neboli tzv. selektivní laserové sintrování SLS (Selective laser sintering). Laserový svazek lokálně taví kovový prášek a po jednotlivých vrstvách tak dává vzniknout vysoce přesnému výrobku. V podstatě se touto metodou dají tisknout různé tvary, které by byly jinak velmi obtížné na výrobu klasickou technologií. Krátkou ukázku můžete najít pod textem níže, avšak doporučujeme navštívit i naši videotéku, kde je delší vysvětlení celého principu.

Pomocí vysokovýkonných krátkeých fokusovaných pulzů lze přesně odpařit tenkou vrstvu nečistot z povrchu kovové součástky aniž by došlo k porušení původního povrchu. Jemnou změnou hustoty výkonu laserového svazku je dále možné dosáhnout optimálního vyčištění, které jinými metodami není dosažitelné. Pro tyto aplikace se používají především lasery typu Nd:YAG (1064 nm) nebo vláknové lasery. Laserové čištění se používá k odstranění rzi, mastných nečistot, restaurování uměleckých předmětů.

Mimo odstranění nečistot lze dále laserový svazek využít k vytvrzování povrchu materiálů pomocí metody laserového vyklepávání (LSP). LSP (Laser shock Peening) je technologie používaná k vytvrzování namáhaných součástek s cílem prodloužit jejich životnost. Pomocí vysokoenergetického laserového impulzu je na povrchu materiálu vytvořena plazma, ta generuje šokovou vlnu, která se šíří do hloubky a materiál stlačuje – zanechává v něm zbytkové tlakové napětí. Tato metoda se díky své finanční náročnosti používá hlavně v průmyslu při vytvrzování lopatek turbín, zpevnění svárů u parogenerátorů v jaderných elektrárnách atd. Video z vývoje v jednom z tuzemských laserových centrech lze shlédnout v naší videotéce.

Mimo čistě průmyslové aplikace pak lasery nachází široké uplatnění v medicíně. Mezi hlavní medicínské obory a aplikace lze uvést například:

Lasery v oftalmologii

K odstranění dioptrií a astigmatismu se používají femtosekundové lasery. Zákrok probíhá tak, že laserový svazek pod svrchní vrstvou oka nejprve odseparuje vhodné části rohovky, ty pak chirurg malým řezem vytáhne ven. Výsledné zakřivení rohovky pak odpovídá zdravému oku. Průběh operace oka lze vidět na videu níže.

Glaukom nebo-li zelený zákal je onemocnění, při kterém dochází ke zvýšení nitroočního tlaku. Tento průběh si bohužel pacienti neuvědomí až do chvíle, kdy dojde k omezení funkčnosti jejich zraku. Zákrok jinak zvaný také jako laserová iridotomie pak pomocí laseru umožňuje vytvořit otvor v duhovce, který pomůže vyrovnat tlak mezi přední a zadní komorou oka.

Laserová koagulace sítnice je jedinou známou metodou léčby diabetické retinopatie, což je onemocnění oka, při kterém dochází k nekróze buněk sítnice a to v důsledku hypertenze v oční bulvě. Pacient vidí tmavé skvrny v zorném poli a jeho vidění je rozostřené. Toto onemocnění postihuje pacienty trpící hyperglykemií tj. vysokou hladinou cukru v krvi.

Lasery v chirurgii

Neurochirurgie je odnož chirurgie s extrémními požadavky na přesnost operačních zákroků z důvodů komplikované struktury a zranitelnosti mozku. Při operacích nádorů na mozku se používá Nd:YAG laser (1064 nm), díky efektivní koagulaci kdy zaastaví krvácení. Taktéž se používá CO2 laser (10,2 μm), jehož záření sice nemá takovou schopnost koagulace, zato je mozkovou tkání lépe absorbováno. Laserem lze řezat, koagulovat (srážet) či odpařovat tkáň bez nutnosti fyzického kontaktu s ní. Tyto přednosti snižují riziko pozdější infekce a dalších komplikací

V kardiochirurgii se lasery užívají při léčbě ischemické choroby srdeční, při které dochází k nedokrvení srdečního svalu, které je způsobeno ukládáním tuku do cév.

Lasery v dermatologii

Lasery se například používají při odstranění tetování. Interakcí záření s hmotou zvané fotodisrupce – kdy je laserový svazek zaostřen do jednoho bodu dochází ke koncentraci energie, a tím je narušení původního tetování. Tetovací inkoust pod povrchem svrchní části kůže (epidermis) se rozpadá a tetování. Odstranění barevného tetování bývá obecně více problematické, jelikož jednotlivé tetovací inkousty se rozpadají pod vlivem záření různé barvy. Odstranění se provádí výkonnými pulzními lasery Nd:YAG (1064 nm) nebo Alexandritový laser (755 nm). Průběh zákroku lze sledovat na videu níže.

Laserem lze taktéž působit na vyhlazování vrásek. Vrásky vznikají ztrátou elasticity pokožky opakovaným stažením mimických svalù. Přesně cílený laserový svazek odabluje (odstraňuje) tkáň v bezprostředním okolí záhybu (vrásky). Zbylé části pokožky následně srůstají bez vzniku jizev. K odstranění vrásek se používá např. erbiový laser. Další metodou laserového omlazení je tzv. rejuvenace, kdy se tepelným narušením kolagenu v kůži aktivuje proces hojení a tvorba nových, pružnějších kolagenových vláken, což vede celkově ke zvýšení elasticity pokožky a redukci vrásek.

Mezi další aplikace v dermatologii lze zařadit například laserovou depilaci (Alexandriový laser, 755 nm) nebo termickou nekrózu potových žláz, čímž lze značně redukovat akné. Pro tento účel se používá laserová dioda o vlnové délce 1450 nm.

Srovnání laserového vrtání do zubu s použitím různých vlnových délek.

Odstranění zubního kazu může být kromě klasické zubní vrtačky provedeno i přesnými lasery o vlnové délce 755 nm. K tomuto účelu se používá například erbiový laser. Závislost použité vlnové záření na povrchových změnách zubu lze sledovat na obrázku.

Ošetřením kořenových kanálků u zubů, u kterých došlo následkem pokročilého zuního kazu k destrukci zubní korunky se zabývá obor endodoncie. Při hermetickém uzavření zubních kanálků se zabraňuje přístupu bakterií z dutiny ústní. Následně se pomocí laserového záření redukuje počet zbytkových mikrobiálních patogenů, a to až se stoprocentní účinností.

Lasery samozřejmě nachází široké uplatnění ve vědě. V roce 2018 byla za dvě tyto realizace (Optická pinzeta a metoda generace vysokoenergetických půlzů) dokonce udělana Nobelova cena za Fyziku.

Optická pinzeta je metoda neinvazivní, bezkontaktní manipulace s drobnými částicemi, např. bakteriemi, viry či živými buňkami pomocí tlaku optického záření. Myšlenka, že i světelné záření vyvíjí tlak, byla publikována již roku 1619 Johannesem Keplerem, který tímto vysvětlil pozorování směřování ocas komet vždy směrem od Slunce. S vynálezem laseru roku 1960 bylo možné studovat tlak záření intenzivního kolimovaného světelného svazku. Průkopníkem v této oblasti byl Arthur Ashkin, který poprvé postavil optickou pinzetu roku 1970 a letos za tento vynález spoluobdržel Nobelovu cenu za fyziku.

Chirped Pulse Amplification (CPA) je metoda generace vysokoenergetických piko až femtosekundových impulzů. Krátký laserový impulz je nejprve roztažen v čase , zesílen v aktivním prostředí aniž by došlo k jeho poškození a následně zpětně zkrácen. Tuto myšlenku se poprvé podařilo zrealizovat v roce 1985 v Donně Strickland a Gérardovi Mourou. Spolu s A. Ashkinem pak za tento objev obdrželi v roce 2018 Nobelovu cenu za fyziku.

Další aplikace laserů lze samozřejmě hledat kdekoliv v našem okolí a dostali se i mimo naši planetu. Využívají se například pro měření vzdálenosti mezi Zemí a Měsícem, kde byla umístěna odrazivá zrcadla a skrze zpoždění laserového svazku lze určit jejich reálnou vzdálenost, či jako součást sond brázdících povrch Marsu pomáhají studovat složení tamních hornin.

Měření vzdálenosti Země – Měsíc pomocí laserů a zrcadel, které byly umístěny na povrch Měsíce v rámci mise Apollo 14