Lasery


  pevnolátkové  kapalinové  plynové  polovodičové


Tak nejdříve trocha z historie. Vše začalo v roce 1917, kdy Albert Einstein předpověděl jev indukované (stimulované) emise, na které jsou kvantové generátory (lasery, masery, rentgenové lasery) založeny. Vůbec první kvantový generátor na světě produkoval mikrovlnné záření (maser - microwave amplification by stimulated emission of radiation - zesilování mikrovln stimulovanou [indukovanou, vynucenou] emisí záření). Byl postaven Charles Townesem a J. P.Gordonem v roce 1954. Odtud už vede jen malý krůček k sestrojení kvantového generátoru světla - laseru (light amplification by stimulated emission of radiation - zesilování světla stimulovanou emisí záření). Laser je generátorem koherentního, a většinou přísně monochoromatického světla (až na vyjímky). První laser postavil v roce 1960 Theodor Maimann. Jednalo se o krychličku ze syntetického rubínu o hraně 1cm. Nejdříve se však musely vyřešit důležité věci - tzv. aktivní prostředí, v němž se dá dosáhnout inverzní populace a také jak v něm udržet světlo dostatečně dlouho na to, aby se mohlo zesílit. Pomohla optika a nabídla tzv. rezonátor, tj. 2 planparalelně (rovnoběžně) uložená zrcadla (ať už rovinná nebo dutá či vypuklá), mezi které se vloží aktivní prostředí. Jedno ze zrcadel je polopropustné, druhé plně odrazivé.
Ale co je vlastně to aktivní prostředí ? Je to látka, u které se dá dosáhnout vyšší četnosti atomů na vyšší energetické hladině, než na hladině nižší. Z toho vyplývá, že se mu nějakým způsobem musí dodat energie z vnějšku. Je jedno jakým způsobem, ať už nekoherentním, nebo koherentním světlem, elektrickým proudem, energií z chemických reakcí či jakýmkoli jiným zdrojem energie. Po tomto dodání energie se indukují (vybudí) atomy které přijaly energii. Následně budu popisovat tříhladinnovou kvantovou soustavu : Uvažujme elektrony na základní energetické hladině W1. Do aktivního prostředí dodáme energii ve formě světla. Elektron tuto energii přijme (samozřejmě ne všechnu - viz. dále - ztráty). Elektron povyskočí na vyšší energetickou hladinu W2. Po určité době se vrací na svojí původní energetickou hladinu. Přímý seskok z hladiny W2 na hladinu W1 není povolen, jinak by fotony budící energie samy způsobovaly návrat elektronů na základní hladinu W1. I při silném buzení by se nanejvýš dosáhlo toho, že by se počet vybuzeným (excitovaných) elektronů blížil počtu nevybuzených (neexcitovaných). V takovém případě nemůže k zesilování světla dojít. Elektrony musí sestoupit na hladinu W3 nezářivým přechodem (nevzniká světlo), avšak část své energie vyzáří ve formě fononu (kvantum mechanické energie - tato energie se vlastně přemění na teplo). Aby se co nejvíce elektronů mohlo nacházet na excitované hladině, musí být doba, po které se elektrony udrží na hladině W3 relativně dlouhá ve srovnání s dobou excitace (z W1 na W2). Po "nahromadění" určitého počtu (spíše energie) elektronů na hladině W3 naráz všechny přestupují na základní energetickou hladinu W1 zářivým přechodem, při kterém se vyzařuje světlo ve formě koherentního (se stejnou fází) záření. Tento popsaný jev se nazývá inverzní populace.
A na co je v laseru (a pro jeho provoz nutný) rezonátor ? Jak již bylo řečeno, při zářivém přechodu (z hladiny W3 na W1) se vyzařuje světlo - fotony. Tyto fotony putují aktivním prostředím až narazí na některé ze zrcadel. Když dopadají na rovinu zrcadla kolmo, tak se od něj odrazí zpět do aktivního prostředí, kde jsou vlastně tyto fotony budící energií pro další a další elektrony. Potom doputují na druhé zrcadlo, kde se opět odrazí a opět excitují nové elektrony. Toto se děje, dokud fotony nemají dostatečnou energii na to, aby prošly ven polopropustným zrcadlem. Fotony, které nedopadají kolmo na rovinu zrcadla se sice také odrážejí, ale po několikátém odrazu opouštějí bez užitku aktivní prostředí.

Druhy laserů

Pevnolátkové lasery : Typickým zástupcem je rubínový laser, který byl vůbec první fungující laser na světě. Používá krystal syntetického rubínu, ne však tmavě červené barvy, ale barvy růžové. Pro buzení se využívá xenonové výbojky. Tento laser pracuje zpravidla v impulsním režimu, kde v miliontině sekundy vyzáří výkon řádově miliony Wattů. Dnes se však již moc nepoužívá, byl nahrazen polovodičovými lasery. Tento laser generuje světlo ve 2 vlnových délkách - 692,9nm a 694,3nm (červené světlo). Druhá vlnová délka výkonově převládá. Dále je velmi rozšířen yttriumaluminiový granát s příměsí neodymu případně chromu (Nd:YAG resp. Cr:YAG). K čerpání se dá využít světlo i obyčejné žárovky, xenonové výbojky atp. Dá se také provozovat v kontinuálním i impulsním režimu. Musí se však stejně jako rubínový laser nucenně chladit, protože při velkých čerpacích výkonech se krystal značně zahřívá. Generuje v oblasti IR(1064nm). Velmi perspektivní je také sklo . Protože sklo, nekrystalický materiál, se dá vyrobit s velmi vysokou kvalitou a dopovat různými prvky, případně jejich solemi. Často se dopuje neodymem, vyzařuje též v IR oblasti.
A teď něco ke konstrukčnímu upořádání. Pevnolátkové lasery se umisťují do odrazivé komory (dutiny) s kruhovým, lépe elyptickým průřezem. Do jednoho ohniska v případě elyptické dutiny se umístí krystal, do druhého budící lampa (výbojka). Odrazivost dutiny by měla být co možná největší (kvůli ztrátám). Některé paprsky z výbojky se nemusejí nikdy dostat do krystalu, jiné se třeba částečně utlumí. Celková účinnost těchto laserů je však velmi malá (0,1 až pár %). Je to dáno hlavně kvalitou odrazivé dutiny a také značným zahříváním krystalu. Další lasery - Ho:YAG, Er:YAG, Safírový, Alexandritový atp.

Kapalinové (barvivové) lasery : Jejich obrovskou výhodou je, že se dají přelaďovat na jiné vlnové délky, tudíž mají velmi značné využití ve spektrometrii. Jako aktivní prostředí zde slouží různá barviva, např. Rhodamin 6G, Rhodamin B, Fluorescein, Alizarin, různé Coumariny atd. rozpuštěné např. v lihu, destilované vodě, také je možnost je rozpustit ve skle. K jejich buzení se dá využít světlo jiného laseru, velmi často laser dusíkového, který generuje v oblasti UV. Rovněž se dá využít světlo z nějaké výbojky. Podobně jako pevnolátkové lasery se umisťují do odrazné dutiny v případě buzení výbojkou. V případě buzení jiným laserem je uspořádání trochu jiné. Ale o tom až někdy příště. Ještě abych nezapomněl. V úvodu jsem psal, že se tyto lasery dají ladit. Jak ? Do rozonátoru se umístí difrakční mřížka. Jejím natáčením se mění barva výsledného světla. Nebo se difrakční mřížka může vynechat, a výstupní paprsek laseru jednoduše rozložit např. hranolem. Potom se vybere vhodná vlnová délka.

Plynové lasery : Existují různá provedení těchto laserů. K jejich buzení se povětšinou používá vysokonapěťový doutnavý elektrický výboj. Existují samozřejmě i vyjímky, např. argonový laser, který se budí také elektrickým proudem, ale o malém napětí. Elektrody tohoto laseru musejí být velmi odolné, jelikož jsou v trubici velké proudové intenzity. Elektrický proud předává svoji energii neexcitovaným atomům - to platí také skoro pro všechny plynové lasery. Existují také vyjímky, např. expanzní CO2 laser, ale ten zde popisovat nebudu.
Velmi rozšířené jsou kontinuální CO2 lasery, užívané pro řezání, vrtání atd. V trubici tohoto laseru slouží jako aktivní prostředí směs plynů, a to CO2, He a N v různých poměrech podle užití. Trubice musí být z křemenného skla, protože se aktivní prostředí velmi zahřívá. Chlazení je nezbytné - jako chladící médium se používá voda, olej, nebo různé jiné roztoky. Lepším řešením je průtok plynu, pak se trubka tak nezahřívá. CO2 lasery dosahují i v kontinuálním provozu velkých výkonů (řádově kW). V impulsním režimu i několik desítek TW (teraWattů). Tento laser svítí infračerveným světlem (10,6um).
O dalším z těchto laserů bych napsal pár slov. Jedná se o tzv. HeNe laser. Jeho výhoda je, že má velmi malou divergenci (rozbíhavost) paprsku, tudíž se hodí na zaměřování, ale to spíš dříve, nahradily je polovodičový lasery (o těch rovněž zatím psát nebudu, snad někdy příště) a má velikou stálost kmičtu. Generuje většinou v oblasti červenooranžové (632,8nm), při které má výkon v řádu desítek mW. Také dokáže svítit zeleně, žlutě, ale opět i v IR oblasti. V IR oblasti je výkon v řádu stovek mW. Vše záleží na směsi plynů, tlaku a hlavně na zrcadlech v rezonátoru. Aktivní prostředí, jak už sám název napovídá, je směs plynů helia a neonu. Jako aktivní prostředí zde slouží neon, helium jen podporuje jeho činnost a slouží jako zásobárna energie. Tlak v trubici je malý, řádově desítky až stovky Pa. Budí se vysokonapěťovým doutnavým výbojem.
Existuje nepřeberné množství plynových laserů, pro příklad některé uvedu - argonový (modrý, zelený), dusíkový (UV), laser s parami mědi(zelený), jódový (viditelné, IR) a mnoho dalších.

Polovodičové lasery : Tak přeci jen něco málo o polovodičových laserech napíši. Jak už sám název vypovídá, aktivní prostředí je tvořeno polovodičovým přechodem. U těchto typů laserů se využívá rekombinace páru elektron-díra (pro pochopení doporučuji nastudovat vlastnosti polovodičů). Při rekombinaci zaplňuje elektron místo v nenasycené vazbě. Tím se elektron dostává do valenční sféry, která má větší energii, ale menší energii než ve sféře vodivostní. Přebytečného množství se však za krátkou dobu zbavuje a to buď postupně po malých skocích (vznikají pouze fonony který zahřívají krystal) u křemíku, nebo najednou, při čemž vzniká foton (zářivý přechod), třeba arsenidu galia (GaAs). Proto se křemík na polovodičové lasery nepoužívá. Toto je základní princip polovodičového laseru s kterým si vystačíme, existují i jiné typy, ale princip je podobný. Důležitá věc je, že počet rekombinací je přímo úměrný procházejícímu proudu a z toho vyplývá, že přechod začně vydávat laserové světlo až od určité proudové intenzity v PN přechodu (stovky Ampérů na čtvereční milimetr). Ještě něco k rezonátoru - nejsou potřeba vnější zrcadla. Stačí, když se krystalu vhodně odštípnou čela tak, aby byly planparalelně, protože index lomu krystalu a vzduchu je velký, stejně jako zesílení v aktivním prostředí. Účinnost je velmi vysoká - i více než 70% .
Polovodičové lasery skoro vytlačili lasery pevnolátkové a helium-neonové, protože jsou levnější a menší, ale né úplně ve všech oborech. Vyrábí se v různých výkonech, od milliWattů až po desítky Wattů a zářící v různách barvách spektra - od modré barvy po IR oblast. Používají se třeba pro zaměřování, buzení pevnolátkových laserů a snad největší využití mají k přenosu informací. Tady bych se chvíli zastavil. Snad každý ví, že polovodičový laser má ve svém CD/DVD/BlueRay/HD-DVD přehrávači/rekordéru (HD-DVD nemá budoucnost, je ukončen vývoj firmou, který ho vymyslela [Toshiba]). Účelem tohoto článku není podrobně popsat činnost CD přehrávače, ale pár vět bych k tomu napsal. Na CD jsou velmi malé stopy ve spirále, od středu po okraj. Příčná odstup stop je 1,6um (mikrometrů) Stopy jsou různě dlouhé, podle informace, která je v nich zakódována.
Takže, v přehrávači je zdroj světla - polovodičový laser učité barvy (lépe vlnové délky). Vlnová délka světla se liší u CD, DVD a BlueRay/HD-DVD disků. U CD je 785nm (infračervená oblast), u DVD 660 nm (červená) a u BlueRay/HD-DVD disků je to 405nm (modrofialová). Možná se ptáte, proč nemůže být jenom jedna stená vlnová délka pro všechny typy disků. Je to z toho důvodu, že šířka stopy a odstup stop se změnšuje s rostoucí kapacitou média. Z toho je patrné, že se světlo musí zaostřit na menší bod. Čím je kratší vlnová délka světla, tím se dá zaostřit do menšího bodu. Proto u BlueRay disků je barva laseru modrofialová (pojme nejvíc dat a tudíž má nejmenší stopy při zachování rozměru disku 12cm jako u CD/DVD).
Ale zpět k popisu činnosti. Světlo laseru se zaostří čočkou na stopu disku, od té se buď odrazí zpět a nebo se rezptýlí (záleží na tom, jestli je zrovna ve stopě drážka nebo ne, v drážce se rozpýlí). Odražený paprsek projde zpátky ostřící čočkou, ale už se nevrací do laseru (někdy ano, pokud pouzdro laseru obsahuje snímací fotodiodu), ale projde hranolem do fotodiody, která ho přemění na eletrický signál. Dál už tento signál (jednočky a nuly) zpracovávají jiné obvody. Princip je stejný i pro DVD/BlueRay/HD-DVD.

To je asi tak vše co jsem chtěl napsat. Tento článek vznikl ze dvou důvodů. První z nich je můj zájem o lasery, a druhý, že je podle mého o nich docela nedostatek informací (alespoň na českých webech). Právě pracuji na dusíkovém laseru, o kterém jsem zde záměrně nepsal. Když bude moje konstrukce úspěšná, napíšu a něm samostatný článek. Na závěr pár obrázků :