Lasery a jejich aplikace

Lasery a jejich aplikace
Jan 'ulc
1. 10. 2002
1 vod
Slovo LASER je akronymem anglickØho nÆzvu Light
Ampli cation by Stimulated Emision of Radiation, co
lze płelo it jako zesilovÆn sv tla stimulovanou emis
zÆłen . De nice ł kÆ, e laser je kvantov generÆtor
a zesilovaŁ koherentn ho (vnitłn uspołÆdanØho, sfÆzo-
vanØho) optickØho zÆłen , kterØ vynikÆ extrØmn mo-
nochromatiŁnost (tj. v„echny fotony tohoto zÆłen maj
stejnou barvu , respektive vlnovou dØlku a frekvenci),
n zkou rozb havost (divergenc ) svazku (v„echny fotony
laserovØho zÆłen se pohybuj stejn m sm rem) a vy-
sokou hustotou płenÆ„enØho v konu Łi energie. fiÆdnØ
jinØ zÆłen , ne zÆłen generovanØ laserem tyto vlast-
nosti nemÆ.
TakovÆto obecnÆ de nice je nezbytnÆ, jeliko za
40 let, kterØ uplynuly od doby, kdy byl princip laseru
objeven, byl laserov generÆtor konkrØtn realizovÆn ne-
płebern m poŁtem zpøsobø. D ky tomu dnes mø e laser
vypadat tłeba jako miniaturn elektronickÆ souŁÆstka,
jako sklen nØ vlÆkno dlouhØ des tky metrø, nebo jako
komplikovanÆ chemickÆ aparatura. Mø e svou energii
Łerpat z obyŁejnØ elektrickØ baterie, ze sluneŁn ho zÆ-
łen nebo tłeba z jadernØho v buchu. VlnovØ dØlky la-
serovØho zÆłen spadaj od mikrovlnnØ oblasti, płes in-
fraŁervenØ tepelnØ zÆłen a viditelnØ sv tlo a po rentge-
novØ paprsky. Energetick potenciÆl laserovØho paprsku
mø e b t pou it k obrÆb n i toho nejtvrd„ ho mate-
riÆlu, a płedpoklÆdÆ se, e prostłednictv m laserovØho
paprsku bude mo nØ uvolnit takØ energie skrytØ v jÆdru
atomu.
Laser je tedy pł stroj zkonstruovan na principech
kvantovØ mechaniky, generuj c zÆłen zcela unikÆtn ch
vlastnost , kterØ si d ky svØ povaze nalezlo nesŁetnØ
mno stv aplikac .
2 Princip laseru
AŁkoliv existuje velkØ mno stv røzn ch typø laserov ch
generÆtorø, ka d v sob zahrnuje tłi zÆkladn souŁÆsti:
laserovØ aktivn prostłed ve kterØm prob hÆ zesilovÆn
zÆłen , zdroj ŁerpÆn pro excitaci aktivn ho prostłed a
rezonÆtor vytvÆłej c zp tnou vazbu mezi zÆłen m a ak-
tivn m prostłed m vedouc ke vzniku laserov ch oscilac .
ZÆkladn v znam pro funkci laseru mÆ proces sti-
mulovanØ emise, kter mø e nastat płi interakci excito-
vanØho kvantovØho systØmu (atomu, iontu nebo mole-
kuly) s elektromagnetick m zÆłen m - fotonem, jeho
frekvence ” odpov dÆ energetickØmu rozd lu E2 ¡ E1
mezi excitovan m a n kter m n e polo en m stavem
kvantovØho systØmu. Płitom dochÆz k płechodu kvan-
tovØho systØmu do tohoto energeticky chud„ ho stavu a
souŁasn je excitaŁn energie uvoln na emitovÆn m fo-
tonu s energi h” = E2¡E1 (h je Planckova konstanta).
PodstatnØ je, e i ostatn vlastnosti emitovanØho fotonu
jsou stejnØ jako u fotonu, kter emisi stimuloval. Toto
je podstatou zesilovÆn sv tla.
Obecn princip laseru je nÆsleduj c : zdroj bud c
energie zaji„»uje, aby se v aktivn m prostłed nachÆ-
zel dostatek kvantov ch soustav v excitovanØm stavu.
PotØ, co n kterÆ kvantovÆ soustava aktivn ho prostłed
płejde nÆhodn spontÆnn emis na ni „ hladinu, bude
uvoln nØ kvantum stimulovat i dal„ kvantovØ soustavy
k płechodu na spodn energetickou hladinu a emisi fo-
tonø. ¨Æst fotonø se mø e kvantov mi soustavami op t
absorbovat. Pokud v„ak bude v aktivn m prostłed v ce
kvantov ch soustav v excitovanØm stavu (inverze popu-
lace hladin) bude se optickØ zÆłen łet zovou reakc ze-
silovat. SpontÆnn emise se stane zanedbatelnou vzhle-
dem k emisi stimulovanØ a generovanØ zÆłen nabude
jednotnØ povahy, tj. bude koherentn a monochroma-
tickØ. Aby se zajistila sm rovost laserovØho zÆłen , for-
muje se aktivn prostłed do tvaru dlouhØho vÆlce a je
um st no uvnitł optickØho rezonÆtoru. Ten zaji„»uje se-
lektivn kladnou zp tnou vazbu systØmu - jen rezonuj c
fotony se budou zesilovat. Jej velikost lze nastavit tak,
aby byla maximÆln pro laserov paprsek po adovan ch
vlastnost . Po dostateŁnØm zes len je laserov svazek
z rezonÆtoru vyveden - viz obrÆzek 1.
Od zÆłen b n ch sv teln ch zdrojø (plynovØ v -
bojky, Ærovky) se odli„uje laserovØ sv tlo nÆsleduj c mi
vlastnostmi:
† ZÆłen je prostorov koherentn , to znamenÆ, e
vlny emitovanØ z røzn ch m st aktivn ho prostłed
maj pevn fÆzov vztah.
† ZÆłen se v prostoru ne„ ł v„emi sm ry, ale
v œzkØm svazku. Nam ł -li se napł klad paprsek
Helium-NeonovØho laseru po roz„ łen teleskopem
s aperturou 1 metr na M s c, pokryje tam tento
paprsek (płi zanedbÆn uktuac atmosfØry) plo-
chu o prøm ru 240 m. Fokusac na malou plo„ku
lze dosÆhnout extrØmn vysokØ hustoty v konu
(płibli n 1014 W/cm2).
1
ObrÆzek 1: Pokud je aktivn prostłed s inverzn m obsazen m hladin uzavłeno v optickØm rezonÆtoru (tvołenØm obyŁejn
dv mi navzÆjem proti sob um st n mi rovinn mi nebo takØ sfØrick mi zrcadly), zp tnÆ vazba laserovØho zÆłen (odraz zp t
do aktivn ho prostłed ) umo n vznik generÆtoru elektromagnetick ch kmitø. PłekroŁ -li zes len sv tla v aktivn m prostłed
ztrÆty płi jednom prøchodu mezi zrcadly, zaŁne laser emitovat zÆłen na vlnovØ dØlce charakteristickØ pro danØ aktivn lase-
rovØ prostłed . Aby bylo mo nØ vyvÆzat laserov paprsek z rezonÆtoru, je jedno ze zrcadel ŁÆsteŁn propustnØ. Na obrÆzku
jsou vyznaŁeny kvantovØ soustavy v zÆkladn m (1.) a v excitovanØm (2.) stavu, stimulovanÆ emise (3.) a energetickØ hladiny
kvantov ch soustav E1 a E2.
† Laser emituje postupnØ vln n se zanedbateln mi
fÆzov mi nestabilitami - laserovØ zÆłen je Ła-
sov koherentn . S t m je svÆzanÆ vysokÆ płesnost
frekvence (monochromatiŁnost) zÆłen . Frekvence
kmitÆn viditelnØho sv tla je łÆdov 1015 Hz, ty-
pickÆ frekvenŁn „ łka laseru se pohybuje od 108
do 109 Hz. Stabilizac lze uktuace frekvence redu-
kovat o mnoho łÆdø. U Helium-NeonovØho laseru
byly nam łeny krÆtkodobØ uktuace men„ ne 10
Hz.
† Laser umo uje generovat extrØmn krÆtkØ sv -
telnØ impulsy. Płi pou it pulsn ho laseru lze
v œzkØ oblasti vlnov ch dØlek uvolnit optick v -
kon o hodnotÆch od 1010 do 1013 W. VysokÆ in-
tenzita elektrickØho pole v takovØm laserovØm pa-
prsku vedla k odhalen zcela nov ch fyzikÆln ch
efektø interakce sv tla a hmoty (nelineÆrn op-
tika).
3 Typy laserø
Jak ji bylo zm n no v œvodu, existuje mnoho røzn ch
tł d laserø, jejich zÆkladn princip je sice stejn , ale li„
se v razn konstrukc a realizac jednotliv ch ŁÆst . D -
l n laserø do jednotliv ch skupin prob hÆ podle n ko-
lika kritØrii.
Podle skupenstv aktivn ho prostłed se lasery d l
na pevnolÆtkovØ, kapalinovØ, plynovØ a plazmatickØ.
ZvlÆ„tn tł du płitom tvoł lasery polovodiŁovØ - lase-
rovØ diody.
Podle re imu generace se pak lasery d l na dv velkØ
tł dy: na kontinuÆln (Łasto oznaŁovanØ zkratkou CW)
a na pulsn lasery. Pulsn se dÆle d l na lasery pracuj c
v re imu volnØ generace (dØlka impulsø łÆdov 10¡4 s),
lasery pracuj c v re imu sp nÆn zisku (Łasto oznaŁovanØ
jako Q-sp nÆn , dØlka impulsø łÆdov 10¡8 s) a na lasery
pracuj c v re imu synchronizace m dø (dØlka impulsø
łÆdov 10¡12 s).
Podle zpøsobu ŁerpÆn se lasery rozd luj na opticky
(a to bu koherentn nebo nekoherentn ) ŁerpanØ, na
lasery ŁerpanØ elektrick m v bojem, chemickou reakc ,
elektronov m svazkem atd.
Podle frekvenŁn oblasti, ve kterØ je laserovØ zÆłen
generovanØ se lasery d l na submilimetrovØ, infraŁer-
venØ, viditelnØ, ultra alovØ a rentgenovskØ.
Dal„ mo nost je d lit lasery podle prostorovØ struk-
tury laserovØho svazku na jedno a mnoham dovØ; podle
rozsahu generovan ch frekvenc na jednofrekvenŁn a
płeladitelnØ; podle vyu it ch nelineÆrn ch jevø na lasery
generuj c na vy„„ harmonickØ frekvenci, lasery se sm -
„ovÆn m frekvenc , na RamanovskØ lasery atd. Zat mco
uvedenØ tł dy se neustÆle dopl uj a m n , jak jsou reali-
zovÆny novØ a novØ lasery, d len laserø podle skupenstv
aktivn ho prostłed je v ce-mØn univerzÆln .
3.1 PevnolÆtkovØ lasery
V „ir„ m slova smyslu lze do tØto skupiny laserø załadit
v„echny lasery, jejich aktivn prostłed se nachÆz v pev-
nØm stavu. PotØ mø e nÆsledovat dal„ d len podle vo-
divosti aktivn ho prostłed na polovodiŁovØ lasery a la-
sery, jejich aktivn prostłed tvoł izolanty. I ty lze dÆle
rozd lit na pevnolÆtkovØ iontovØ lasery a na tzv. lasery
s barevn mi centry.
V u „ m slova smyslu jsou za pevnolÆtkovØ lasery
oznaŁovÆny pouze opticky ŁerpanØ pevnolÆtkovØ iontovØ
lasery jejich aktivn prostłed tvoł matrice { krysta-
lickØ nebo amorfn (sklo, keramika) izolanty, dotovanÆ
pł m s vhodn ch iontø. Byly vyzkou„eny snad tis ce
røzn ch kombinaci dopantø a matric. Asi nejznÆmn j„
płedstavitel tØto skupiny je Łerven zÆł c rub nov la-
ser, jeho aktivn prostłed tvoł saf r dopovan chro-
mem { rub n. Nejroz„ łenej„ m a dnes asi nejlØpe tech-
nicky zvlÆdnut m pevnolÆtkov m laserem je laser ozna-
Łovan jako Nd:YAG. Jeho aktivn m prostłed m je neo-
dymem dopovan yttrium aluminium granÆt. Tento la-
ser na„el bohatØ uplatn n jak v prømyslu, tak v me-
2
dic n a v d . Generuje neviditelnØ infraŁervenØ zÆłen
na vlnovØ dØlce 1064 nm, ale s pomoc nelineÆrn op-
tiky se Łasto vyu vÆ płi generaci zelenØho sv tla. Dal-
„ mi płed