Laser

Laser
 
Úvod
Keby sa vás niekto opýtal, aké poznáte najjasnejšie, najintenzívnejšie svetlo, asi by ste mu povedali, že svetlo slnečné, ale mýlili by ste sa. Svetlo z lasera je ešte jasnejšie a v skutočnosti je to najostrejšie svetlo, aké doposiaľ poznáme. Laser produkuje uzunký lúč farebného svetla, ktorý je tak intenzívny že prepáli dierku aj v oceli a zároveň tak úzky a rovný, že ho môžeme presne zacieliť na maličké zrkadlo na Mesiaci, vzdialenom 384 401 km , preto sme si vybrali túto tému lebo obsahuje veľa zaujimavosti .

Vznik
Laser patrí medzi mladšie vynálezy 20. storočia. Ale aj tak mu je tento rok už 66 rokov, stal sa neoddeliteľnou súčasťou nášho života.
Slovo samé je skratkou anglického výrazu "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation", čo sa prekladá ako "zosilenie svetla pomocou vynútenej (stimulovanej) emisie žiarenia". Slovenský výraz pre laser je "kvantový generátor svetla". Z názvu je zrejmé, že laser je zariadenie, ktoré vydáva svetlo. Od bežného svetla (napr. svetla žiarovky) sa však líši tím, že je monochromatické (jednofarebné), koherentné (usporiadané) a má malou divergenciu (rozbiehavosť). Energiu môžeme dodávať rôznym spôsobom, napríklad opticky (svetlom výbojky), chemicky, elektricky atd. Vzhľadom samotných laserov je veľmi rôznorodý. Záleží hlavne na druhu laseru, na jeho konštrukcie a v neposlednej rade na jeho použitiu. Koherentné svetlo má jedinú frekvenciu a fázu a ide ju prirovnať k pochodujúcemu vojenskému útvaru, zatiaľ nekoherentné svetlo k davu ľudí pohybujúcich sa chaoticky po ulici. Činnosť laseru je založená na princípe indukovanej emisie, ktorú Albert Einstein predpovedal už v roku 1916. Talentovaný anglický fyzik Paul Adrien Maurice Dirac spravil koncom 20. rokov ešte detailnejšiu matematickú analýzu kvantovej teórie žiarenia a ďalej rozvinul Einsteinove myšlienky. Avšak až v roku 1958 spravil Charles Hard Towens (neskorší nositeľ Nobelovej ceny za fyziku) sa so svojimi spolupracovníkmi správne výpočty, ktoré umožnili tuto myšlienku realizovať. Koncom roku 1959 sa začala pozornosť vedcov obracať k rubínu, jednému z najušľachtilejších drahých kameňov. Vedci však zaujímalo to, že rubín javí fotoluminiscenciu. V lete roku 1960 americký fyzik T. Maiman vyleštil koncové steny kryštálu umelého rubínu a opatril ju vrstvičkou striebra (vo funkcii zrkadla). Po ožiarení kryštálu zeleným svetlom prenikol jedným zo zrkadiel červený lúč laserového svetla. Maiman sa tak stal tvorcom prvého laseru.
 
Fyzikálny princíp lasera
Z fyzikálneho hľadiska je laser kvantovo - elektronický zosilňovač elektromagnetického žiarenia. Laser je zdrojom intenzívneho monochromatického a časovo a priestorovo koherentného žiarenia. Princíp je založený na stimulovanej emisii fotónov v aktívnom prostredí lasera.
Pri normálnych podmienkach sa väčšina atómov, iontov alebo molekúl (častíc) nachádza v najnižšom energetickom stave. Ak sú tieto častice excitované do vyšších energetických stavov pôsobením vonkajších zdrojov energie, napr. intenzívnymi svetelnými zábleskami, výbojom, vnorením do magnetického poľa a pod., budú počas preskoku do pôvodného alebo nižšieho energetického stavu vyžarovať nekoherentné svetelné žiarenie. Pôsobeniu vonkajších energetických zdrojov sa hovorí čerpanie lasera. U lasera sa tieto emitované fotóny pohybujú v tzv. rezonátore (optickom), ktorého technickým vyhotovením je uzavretá trubica (dutina), ktorá má na koncoch navzájom rovnobežné kovové zrkadlá z ktorých jedno je vysokoreflexné a druhé polopriepustné, umožňujúce výstup lúča. Prúd takto získaných fotónov má identickú vlnovú dĺžku, smer a fázu. Fotóny, ktoré nie sú usporiadané rezonátorom, nie sú riadené zrkadlami, na vybudzovanie väčšej emisie bude dutina zosilňovať iba tie fotóny, ktoré sú správne orientované.
Stavy a fázy zosilnenia lasera sú znázornené na obr 1. , kde
a) častice aktívneho prostredia sú v nevybudenom stave
b) počiatočný stav spontánnej emisie
c) pokročilý stav spontánnej emisie excitovaných častíc vonkajším zdrojom do vyššších energetických hladín
d) počiatočný stav stimulovanej emisie fotónov po zrážke emitovaných fotónov
e) zosilňovacia fáza, viacnásobný odraz fotónov medzi zrkadlami
f) fáza koherentného lúča vystupujúceho polopriepustným zrkadlom.
 
Proces je trvalý (to neznamená, že kontinuálny), pokiaľ je zabezpečená inverzná populácia.
Inverzná populácia je nutná podmienka činnosti lasera.

Unikátne vlastnosti lasera
 
monochromaticita
 (jednofarebnosť, vyžarovanie na jednej frekvencii). Laserove svetlo pozostáva v praxi z niekoľkých spektrálnych čiar veľmi malej šírky (doplň obr. z rukopisu). Monochromaticita je dôležitá v aplikáciách interferometrie, holografie, merania rýchlosti a vzdialeností, izotopovej separácii a v spojovej a informačnej technike. Nie je dôležitá pri obrábaní laserom.
 
Priestorová a časová koherencia :
ukazuje vzťah medzi elektronickými a magnetickými komponentami elektromagnetickej vlny. Ak sú tieto komponenty všetky usporiadané do radu – lúč je koherentný. (Analógiou môže byť skupina pochodujúcich vojakov, pri pohľade na rady spredu je rameno pri rameni –priestorová koherencia, pri pohľade na skupinu zboku sa vzdialenosti nemenia keď sa skupina pohybuje – časová koherencia.
 
Ohyb je:
fenomén, pri ktorom sa svetlo ohýba okolo ostrohranného predmetu. Veľmi malý rozptyl laserového svetla spôsobuje, že pri reflektorovaní dosiahne oveľa ďalej ako bežné svetlo. Divergentný uhol napr. HeNe lasera je 0,2 mR.

Žiarivosť svetelného lúča je:
v podstate svetelný výkon a vyjadruje sa vo W/m2/steradian. Typický HeNe laser s výstupom 1 mW má žiarivosť o 2 rády vyššiu ako povrch slnka.
Žiarivosť nemožno zvýšiť optickou manipuláciou, závisí predovšetkým od konštrukcie dutiny.

Základné prvky a rodelenie laserov
Každý laser sa skladá z troch základných častí:
1. Aktívne zosilňovacie prostredie, ktoré obsahuje atómy, ionty alebo molekuly schopné exitácie na emisné energetické hladiny a ktoré je schopné zaistiť inverznú populáciu.
2. Zdroj energie, ktorý túto excitáciu vyvolá.
3. Optický rezonátor, ktorý zabezpečí mnohonásobný odraz fotónov od planparalelných zrkadiel dutiny

Dnes môžeme lasery rozdeliť do rôznych kategórií. Podľa materiálu, z ktorého môže byť získaný laserový efekt delíme na:
  tuhé
  kvapalné
  plynné
  lasery využívajúce zväzky nabitých častíc.

Podľa čerpania energie môžeme lasery rozdeliť na:
  opticky (výbojkou, iným laserom, slnečným svetlom a rádioaktívnym zariadeným)
  elektricky (zrážkami v elektrickom výboji, zväzkom nabitých častíc, injektážou elektrónov, interakcií elektromagnetického pole sa zhluky nabitých častíc)
  chemicky (energií chemickej väzby, fotochemickou disociaciou, výmenou energie medzi molekulami a atómmi)
  termodynamicky (zahriatím a schladením plynu)
  jadernou energií (reaktorom, jadrovým výbuchom)

Lasery môžeme deliť tiež podľa vyžarovanej vlnovej dĺžke na:
  infračervené
  lasery v oblasti viditeľného svetla
  ultrafialové
  röntgenové

Podľa použitia na:
  výskumné
  merací
  lekárske
  technologické
  energetické
  vojenské
Prakticky všetky lasery môžu pracovať v dvoch časových modoch:
- kontinuálna vlna – laser žiari bez prerušenia
- pulzný mod – laser žiari periodicky (prerušovane).
 
Lasery pevnej fázy
využívajú ionty uvoľnené do kryštalickej mriežky.
Aktívne prostredie je tvorené určitým typom kryštálov alebo skla dopovaného iontami jedného zo skupiny prechodových prvkov periodickej sústavy (napr. ionty Cr 3+, ionty kovov vzácnych zemín, predovšetkým Nd3+. Polovodičové lasery sú síce lasery pevnej fázy ale majú odlišnú excitáciu a generáciu žiarenia, preto sú považované za samostatnú skupinu.

Rubínový laser
Aktívne prostredie tvorí Al2O3 + Cr3O2 (Cr mu dáva červenú farbu) v tvare tyčky s vybrúsenými planparalelnými plochami na koncoch okolo ktorej je ovinutá trubica vo funkcii xenónovej alebo selénovej výbojky ako zdroja čerpania. Typická pracovná vlnová dĺžka je 694,3 nm, stredný výkon neprekračuje 1 W, maximálny výkon v pulznom režime 1 ms je 10-104 W s účinnosťou 0,1 %. Využíva sa predovšetkým v holografii a pri meraní vzdialeností.

Neodýmový laser
Aktívne prostredie tohto druhu lasera je Y3Al15O12 (laser je známy ako YAG), typická dĺžka vlny je 1,06 µm, výkon v kontinuálnom režime je do 150 W, maximálny výkon v pulznom režime asi do 2.104 kW
 
Plynové lasery
Aktívnym prostredím je plyn alebo zmes plynov. K čerpaniu týchto druhov laserov spravidla postačuje dostatočne intenzívny elektrický výboj.
Plynové lasery sú ďalej rozdelené na skupiny v závislosti od zloženia laserovacieho média: - neutrálny atóm He Ne (najpopulárnejší viditeľný laser s dĺžkou vlny 0,6328 µm)
Potrebné „lavínové“ vlastnosti má Ne-atóm, prechod elektrónov a prítomnosť He iniciuje výboj, ktorého energia sa transformuje k Ne atómom v nízkotlakovej výbojkovej trubici. Energetická účinnosť neprekračuje hodnotu 0,1 %, typický výkon je 50 mW. Používa sa v holografii, v snímaní, vytyčovaní, meraní, vo vláknových komunikačných sieťach - všade tam, kde postačuje nízka úroveň energie.

- iónový laser, alebo laser plynových iónov využíva ionizovaný plyn ako je Ar, Kr, Xe, ktoré produkujú laserový lúč s vlnovou dĺžkou 0,5 – 1 µm. budenie je iniciované elektrickým výbojom, ktorý sa dosiahne dvoma spôsobmi: plyn je ionizovaný a elektróny sú privedené do vybudeného stavu. Výsledný lúč môže dosiahnuť výkon až niekoľkých wattov. Aplikačné spektrum zahrňuje predovšetkým spektroskopiu a chirurgiu.

- molekulárny laser využíva molekuly plynu ako laserovacie médium. Molekuly sú vybudené do vibračných stavov. Prenosy medzi rôznymi vibračnými stavmi zabezpečujú fotóny. Predstaviteľmi tohto druhu lasera sú CO, HF a CO2 lasery.
CO2 laser je vhodný na aplikácie obrábania. Vyžaruje svetlo s vlnovou dĺžkou 10,6 µm v ďalekoinfračervenej oblasti elektromagnetického spektra. Laserovacie médium je zmesou CO2, N a He.
Laserovací mechanizmus sa tu odlišuje od predošlých typov. Molekuly CO2 sa riadne vybudia až pri kolíziách s molekulami N, ktoré im pridajú energiu (vybudenie sa dosahuje zvýšením vibračnej energie).
Pre CO2 molekuly je strata svetelnej energie a tepla počas energetického transferu oveľa menšia než u iných laserov. Energetická účinnosť tohto druhu lasera je až 10 %. Konštruujú sa v závislosti od geometrického usporiadania výboja a toku plynu v trubici na výkon niekoľkých W až 15 kW.
Aplikačná oblasť tohto typu lasera je obrábanie, zváranie, tepelné spracovanie a i.

1. typ Ak tok plynu nie je riadený, maximálny výkon je asi 50 W a životnosť lasera končí disociáciou CO2 na CO + O.
2. typ tohto lasera je laser s axiálnym tokom (obr. 3.). Axiálny tok umožňuje nahradzovať „vyčerpaný“ CO2 novým. Typický výkon je do 4 kW pri kontinuálnom režime. Do výkonu 1 kW má intenzitný profil Gaussovo rozloženie. Tieto lasery s axiálnym tokom môžu byť ďalej rozlíšené ako nízkorýchlostné, kde výkon na bežný meter trubice je asi 60 W. Lasery s vysokorýchlostným tokom (60m/s) majú typický výkon 600 W na meter trubice s totálnym výkonom do 6 kW. Tepelné ovplyvnenie rezonátora je vďaka rýchlemu prúdeniu média pomerne menšie ako u predošlého, ale chladiť treba aj v tomto prípade.
 
3. typ CO2 laserov je tranzverzný prietokový laser, v ktorom plynová zmes He, N2 a CO2 prúdi kolmo na optickú dutinu. Typický výkon je 10kW/m. Optika je vyrobená zo selenidu zinku alebo arzenitu gália (obr. 4.).

Medzi plynové lasery
patrí excimerový laser, ktorý používa xenón Xe2, fluor F2 a ďalšie vzácne plyny ako prvky laserovacieho média. Typické excimerové komplexy obsahujú ArF, KrF, XeF a iné. Tieto zlúčeniny existujú iba časovo a to vtedy, keď je vzácny plyn vybudený (vo vybudenom elektrónovom stave). Spoj-puto je veľmi silné ale trvá iba niekoľko nanosekúnd. Ak atóm vzácneho plynu už nie je vybudený, každá zložená molekula sa rozkladá na elementárne komponenty, čo je sprevádzané uvoľňovaním väzobnej energie vo forme fotónov.
 
Excimerové lasery
 produkujú vysokovýkonné pulzné lúče s priemerným výkonom nad 100 W a pulzom 1000/sek.
 
Fyzika procesu odstraňovania materiálu týchto laserov je odlišná od CO2 a Nd; YAG laserov. Namiesto odstraňovania materiálu tavením a odparovaním, kde sa jedná o tepelnú premenu z pevného na kvapalný, resp. na plynný stav, excimerové lasery snímajú materiál through ablation, t.j. lámu chemické väzby materiálu disociáciou na chemické zložky. Netvoria sa kvapalné alebo plynné fázy! Organické materiály absorbujú fotóny v tenkej vrstve v blízkosti povrchu, čo láme spojenia organických zložiek. Ďalšou osobitosťou excimerového lasera v porovnaní s CO2 je možnosť zaostrenia lúča na malú plochu a prejsť krížom cez obrobok. Tieto lasery produkujú lúč veľkého priemeru, ktorý možno nechať prejsť maskou, zaostriť na obrobok šošovkou. Nezaostrený excimerový laser má hustotu energie 100-200 mJ/cm2. maska je vyrobená z kovu odrážajúceho väčšinu laserového svetla. Napr. excimerový laser dokáže vyvŕtať 5000 otvorov v polyamidovom páse za 3 sekundy, čo CO2 laseru trvá 50 sekúnd. (použije sa kontaktné maskovanie)
 
Kvapalinové lasery
Aktívnym prostredím týchto laserov je roztok určitého organického farbiva vo vode, metanole alebo etanole. Lasery vyžarujú na vlnových dĺžkach v rozmedzí asi 0,4 – 1 µm. Ich typickou vlastnosťou je možnosť preladenia. Používajú sa vo fotochémii, spektroskopii a i.
Chemické lasery
Inverzná populácia v týchto laseroch sa dosahuje prostredníctvom chemickej reakcie. Predstaviteľom tejto skupiny je napr. fluorovodíkový laser. Úrovňou výstupného výkonu sa radia k CO2 laserom.

Polovodičové lasery
Na rozdiel od iných druhov laserov, kde sú vlnové funkcie vzťahované na molekulu alebo atóm, v polovodičových laseroch je nutné vlnové funkcie vzťahovať na kryštál ako celok. Moderným typickým predstaviteľom polovodičového lasera je GaAsAl laser používaný v počítačovej, informačnej a spotrebnej elektronike (CD, MD, DVD).

Prevádzkové podmienky laserov
Odhliadnuc od šírky možností využitia laserov, budú poznatky v tejto časti cielené k priemyselnému a predovšetkým výrobnému využitiu lasera. Niektoré myšlienky v nasledujúcom texte konvenujú s fiktívnou inštaláciou výkonového laserového pracoviska.
 
Výkon lasera
Pre danú aplikáciu a materiál existuje rozsah relevantného užitočného výkonu lasera. Ako bolo uvedené, účinnosť laserov sa pohybuje v rozmedzí 0,1 až 15 %, preto pri voľbe výstupného výkonu lasera treba s jeho účinnosťou rátať v zmysle dimenzovania napájania. Pri poddimenzovanom výbere bude proces pomalý a niektoré obrábané materiály, resp. ich hrúbky budú pre danú voľbu irelevantné. Najvyšší kontinuálny výkon poskytujú CO2 lasery, najvyšší pulzný výkon – Nd:YAG laser. Úroveň požadovaného výkonu lasera vychádza z údajov optických a tepelných vlastností obrábaného materiálu, napr. keramický materiál vyžaduje zvýšený výkon lasera z dôvodu vysokého latentného tepla typického pre tento druh materiálu. Optické vlastnosti materiálu sa prejavia pri dopade lúča na obrobok. Absorpčná schopnosť materiálu má najväčší vplyv na výkon lasera. Pohltivosť určuje podiel zložiek energií pohltených a odrazených do okolia. Absorpčný koeficient sa mení v závislosti od vlnovej dĺžky dopadajúceho lúča, drsnosti obrábaného povrchu, teploty a prípadného druhu povlaku na povrchu obrobku. Istá korekcia sa vykonáva vzhľadom na požadovanú hrúbku, tvar a iné parametre obrobku. Napr. Al a Cu a ich zliatiny majú pre lúče s vlnovou dĺžkou okolo 10 µm (CO2 laser) nízku pohltivosť, ale pre lúče s vlnovou dĺžkou okolo 1 µm (Nd:YAG lasetr) oveľa vyššiu.
 
Každý z týchto laserov našiel uplatnenie v inej oblasti ľudskej činnosti. Nie každý laser sa hodí pre každý účel. Väčšina laserov s ktorými sa bežne stretávame, sú laseri malého výkonu pracujúce kontinuálne (spojite, nepretržite). Od bežných laserových ukazovatiek, cez laserové tlačiarne, kopírky alebo CD-ROM mechaniky až k laserovým efektom známym z rockových koncertov. Taktiež pri prenose informácii sa používajú lasery pracujúce v nepretržitom režime. Ďalej sa lasery používajú pri meraní vzdialeností, pri operácii očí (odstránenie či zmenšení krátkozrakosti) apod. Pri zvarení, rezaní, vŕtaní či chirurgii je určujúci charakteristikou výkon laseru, preto sa tu uplatňujú impulzné lasery. Výkon laseru totiž taktiež závisí na dĺžke laserového impulzu, a tak čím bude impulz kratší, tím väčší bude výkon. Skracovanie dĺžky impulzu viedlo až k niekoľkým nanosekundám, čím sa docieli výkonu zrovnateľného s malými elektrárňami. Bohužiaľ si laser našiel veľmi rýchlo cestu i vo vojenskej oblasti (navadzanie strel a bômb) a špionáži (laserový mikrofón). Aj preto, že človek pri konštrukcii laseru zvládol mnoho, čo sa týka energetickej účinnosti, prírodu - podobne ako v iných oblastiach - sa mu prekonať nepodarilo, lebo zatiaľ čo v žiarovke sa menia len necelé 3% elektrické energie na svetlo, u žiariviek niečo okolo 10 - 15% a u laseru okolo 20%, "obyčajná" svätojánska muška dokáže premeniť svoju biochemickou energiu na svetlo takmer na 100%. V tomto ohľade prekonáva príroda všetko, čo sa zatiaľ podarilo človeku dosiahnuť.

Ochrana proti žiareniu lasera
Lasery majú nepriaznivé biologické účinky, ktoré vyvolávajú :
a, Lokálne zvýšenie teploty a tým poškodenie živého tkaniva.
b, Druhotným účinkom teploty, vznikom tlakovej vlny, ktorej intenzita dostačuje na trhanie svalového tkaniva. Konkrétnejšie, poškodzuje sa pigment epitelu a príp. neuroektodermálny povlak. Bezpečnosť pri práci si vyžaduje predovšetkým ochranu pokožky a očí, ktoré sú najviac ohrozované. K ohrozeniu dochádza nielen priamym stykom a laserovým zariadením, ale aj sekundárnymi účinkami, hlavne vzdušnou kontamináciou. Oči chránime bezpečnostnými filtračnými okuliarami. Záver : ako je vidieť, laser sa stal bežnou súčasťou nášho každodenného života a značne uľahčuje prácu v mnohých oboroch ľudskej činnosti. V jeho potenciálnom využití však máme ešte značné rezervy.

záver
Ako je vidieť, laser sa stal bežnou súčasťou nášho každodenného života a značne uľahčuje prácu v mnohých oboroch ľudskej činnosti. V jeho potenciálnom využití však máme ešte  značné rezervy.