Lasery a jejich aplikace

aj pro rozb jen luŁov ch nebo ledvino-
v ch kamØnkø a takØ pro bezbolestnØ vrtÆn zubø. Foto-
chemick ch œŁinkø laserovØho zÆłen se pou vÆ k lØŁb
zhoubn ch nÆdorø metodou fotodynamickØ terapie.
Mo nØ je pou it stłedn silnØho nebo slabØho lasero-
vØho zÆłen pro ozałovÆn v ortopedii, pro lØŁen revma-
tick ch pot a bolest . OzałovÆn laserov m paprskem
takØ prokazateln zrychluje hojen ran a jizev.
LaserovØ paprsky se pou vaj i pro diagnostickØ a
analytickØ œŁely, płi urŁovÆn stavu prokrven kø e nebo
indexu lomu oka, v laboratorn medic n napł klad płi
stanovovÆn plasmatick ch proteinø v imunologii.
Hlavn płednosti pou it laserovØho paprsku jako nÆ-
stroje v medic n jsou nÆsleduj c :
† LaserovØ zÆłen lze soustłedit do nepatrnØho bodu
a zam łit płesn na m sto urŁen , ani by byla za-
sa ena okoln tkÆ .
† Vhodnou volbou v konu laseru, hustoty energie,
vlnovØ dØlky a doby, po jakou laserovØ zÆłen
pøsob , lze velmi operativn regulovat œŁinky a
hloubku prøniku laserovØho zÆłen .
† V mnoha pł padech lze vyu t selektivnosti lasero-
vØho zÆłen - vhodnou volbou parametrø zÆłen lze
zajistit, e laser v razn pøsob pouze na vybranØ
tkÆn a okol ponechÆ beze zm ny i płi jejich za-
sa en . Nav c lze anal zou odra enØho zÆłen kon-
trolovat postup zÆkroku.
† Operace laserov m paprskem mø e prob hat zcela
bezkontaktn a tkÆ je œŁinky laserovØho zÆ-
łen desin kovÆna, tak e se znaŁn sni uje riziko
vzniku infekce.
† Pomoc optickØho vlÆkna um st nØho v endoskopu
lze laserovØ zÆłen aplikovat na obt n dostup-
n ch m stech uvnitł t la bez nutnosti v t„ ho chi-
rurgickØho zÆkroku.
4
† I v medic n lze vyu t v hod robotizovanØho, au-
tomatizovanØho, Łi dÆlkovØho ł zen laserovØho pa-
prsku pro nÆroŁnØ operace bez pł tomnosti speci-
alisty.
5 Historie laserø
StimulovanÆ emise, kterÆ byla teoreticky płedpov zena
ji roku 1917 A. Einsteinem a pozorovanÆ v Gasu
roku 1928 R. Ladenburgem a H. Kopfermannem,
byla roku 1940 poprvØ vyu ita pro zesilovÆn sv tla so-
v tsk m fyzikem W. A. Fabrikantem. V roce 1958
bylo A. L. Schawlowem a C. H. Townesem navr eno
uplatn n principø maseru pro sv tlo s vyu it m stimulo-
vanØ emise zÆłen a N. G. Bassowem a A. M. Procho-
rowem byly vytvołeny teoretickØ zÆklady laserovØho ge-
nerÆtoru. Po dlouholetØm prÆvn m sporu je G. Gould
na zÆklad notÆłsky ov łenØho zÆpisu z roku 1957 po-
klÆdÆn za vynÆlezce pevnolÆtkovØho a plynovØho laseru.
Prvn rub nov laser roku 1960 zkonstruoval T. H. Mai-
man. Prvn plynov laser byl uveden do provozu roku
1961 A. Javanem, W. R. Bennetem a D. R. Herrio-
tem. Roku 1962 byl souŁasn na røzn ch m stech vyvi-
nut polovodiŁov laser.
6 ZÆkladn pojmy
Foton płedstavuje nejmen„ ŁÆsteŁku (kvantum) sv tla.
Podle principø kvantovØ mechaniky nen mo nØ
d lit energii nesenou elektromagnetick m zÆłen m
do nekoneŁna. Energie fotonu je dÆna vlnovou dØl-
kou pł slu„nØho elektromagnetickØho zÆłen . ¨ m
krat„ je vlnovÆ dØlka, t m v t„ je energie fotonu.
Napł klad foton ŁervenØho sv tla s vlnovou dØlkou
740 nm nese poloviŁn energii oproti fotonu alo-
vØho sv tla s vlnovou dØlkou 370 nm.
KvantovÆ soustava je obecnØ oznaŁen pro systØm,
jeho chovÆn a interakci s okol m je nutnØ popiso-
vat zÆkony kvantovØ mechaniky. Typicky se jednÆ
płedev„ m o systØmy atomÆrn ch rozm rø: ionty,
atomy, molekuly, elektrony atd.
ZÆkladn stav kvantovØ soustavy je stav s nejni „
energi . Nen -li kvantovÆ soustava vystavena vn j-
„ mu pøsoben , je nejpravd podobn j„ , e se na-
chÆz prÆv v tomto stavu.
Excitovan stav kvantovØ soustavy je takov , kdy je
jej energie vy„„ ne v zÆkladn m stavu. Energie
kvantovØ soustavy mø e nab vat røzn ch hodnot
z urŁitØ mno iny povolen ch stavø. Tato mno ina
tzv. energetick ch hladin je z principu diskrØtn ,
ale v n kter ch pł padech je natolik hustÆ, e se
hovoł o kvazispojitØm spektru energetick ch hla-
din. Tento stav nen trval a kvantovÆ soustava po
Łase samovoln płechÆz do stavu s ni „ energi {
deexcituje se.
Excitace je d j, płi kterØm płechÆz kvantovÆ soustava
ze stavu s ni „ energi do stavu s vy„„ energi .
K tomu, aby tento d j nastal, mus kvantovÆ sou-
stava płijmou zcela płesnØ mno stv tzv. excitaŁn
energie charakteristickØ pro dan płechod, odpo-
v daj c rozd lu energie kvantovØ soustavy płed a
po excitaci. Excitace (vzbuzen ) kvantovØ soustavy
lze dosÆhnou røzn mi prostłedky. OpaŁn proces
se naz vÆ deexcitace. Płi tomto d ji kvantovÆ sou-
stava energii uvol uje.
Absorpce fotonu nastÆvÆ, pokud dojde k jeho pohl-
cen płi interakci s kvantovou soustavou. Foton płi
tomto d ji zanikÆ a jeho energie je vyu ita pro ex-
citaci kvantovØ soustavy. JednÆ se tedy o excitaci
kvantovØ soustavy elektromagnetick m zÆłen m.
Podstatnou vlastnost tohoto d je je to, e energie
fotonu mus b t kvantovou soustavou pohlcena be-
zezbytku. Pro kvantovou soustavu v danØm stavu
mus tedy existovat takov płechod, aby excitaŁn
energie byla płesn rovna energii absorbovanØho
fotonu.
SpontÆnn emise fotonu je d j opaŁn absorpci fo-
tonu. NastÆvÆ v pł pad , kdy je płi deexcitaci uvol-
n na energie kvantovØ soustavy formou elektro-
magnetickØho zÆłen - fotonu. Podstatou d je je
to, e płi jednom deexcitaŁn m płechodu je uvol-
n n prÆv jeden foton a jeho energie se bezezbytku
rovnÆ rozd lu energie kvantovØ soustavy na po-
ŁÆtku a na konci tohoto d je. Emitovan foton mÆ
krom energie ostatn vlastnosti, jako je sm r „ -
łen , fÆze a polarizace, zcela nÆhodnØ a z hlediska
laserovØho zÆłen se dÆ hovołit o „umu. SpontÆnn
emise je podstatou zÆłen naprostØ v t„iny klasic-
k ch zdrojø sv tla.
StimulovanÆ emise je proces vyzÆłen fotonø exci-
tovan mi kvantov mi soustavami, vyvolan in-
terakc s fotony vn j„ ho (stimuluj c ho) zÆłen .
NutnÆ podm nka je, by se energie stimuluj c ho
fotonu rovnala energii n kterØho płechodu exci-
tovanØ kvantovØ soustavy. ZÆsadn je, e v„echny
vlastnosti (frekvence, fÆze, polarizace a sm r „ -
łen ) nov emitovanØho a stimuluj c ho fotonu
jsou toto nØ. Tento proces je podstatou zesilovÆn
sv tla v laserech.
Aktivn prostłed laseru je systØm kvantov ch sou-
stav schopn ch pod vlivem pł vodu excitaŁn (bu-
d c ) energie płej t do excitavanØho stavu a se-
trvat v n m dostateŁn dlouhou dobu. Aktivn
prostłed laseru mohou płedstavovat samostatnØ
atomy, ionty Łi molekuly a jejich sm si (plyn,
plazma), periodicky uspołÆdanØ skupiny atomø
(polovodiŁe a krystalickØ izolanty), nebo nÆhodn
uspołÆdanØ skupiny atomø Łi molekul (kapaliny a
pevnØ amorfn lÆtky { skla). Podle pou itØho ak-
tivn ho prostłed lze lasery rozd lit do nÆsleduj -
c ch skupin: plazmatickØ, plynovØ, kapalinovØ, po-
lovodiŁovØ a pevnolÆtkovØ.
5
Inverze populace energetick ch hladin uvnitł aktiv-
n ho prostłed je nutnou podm nkou pro to, aby
dochÆzelo k zesilovÆn sv tla. NastÆvÆ v okam iku,
kdy jsou v aktivn m prostłed vy„„ m rou zastou-
penØ excitovanØ kvantovØ soustavy oproti sousta-
vÆm v zÆkladn m stavu.
Buzen je zpøsob, jak m je do aktivn ho prostłed do-
dÆvÆna excitaŁn energie. Zpøsob buzen zÆvis na
pou itØm aktivn m prostłed . Buzen mø e b t za-
ji„t no optick m zÆłen m (v bojka, laserovÆ di-
oda), elektrick m v bojem, elektronov m svaz-
kem, chemickou reakc , expanz plynu, injekc no-
siŁø nÆboje, rekombinac atd. DodanÆ energie je
pak røzn mi procesy płem n na na energii ioni-
zaŁn . Zdroje buzen mohou pracovat jak kontinu-
Æln , tak pulzn .
Zisk aktivn ho prostłed charakterizuje œrove inverze
populace hladin, respektive schopnosti zesilovat
zÆłen .
Laserov rezonÆtor je soustava minimÆln dvou zr-
cadel zaji„»uj c kladnou zp tnou vazbu zÆłen do
aktivn ho prostłed . Jedno zrcadlo mÆ obvykle co
nejvy„„ re exi pro odpov daj c vlnovou dØlku la-
serovØho zÆłen . Re exe druhØho se ł d zpøsobem
vyvÆzÆn energie z rezonÆtoru.
Laserov paprsek. NormÆln zdroj sv tla, napł klad
Ærovka, emituje zcela neuspołÆdanØ „irokØ spek-
trum røzn ch vlnov ch dØlek od ultra alovØho zÆ-
łen a k infraŁerven m tepeln m paprskøm. Sou-
hrn t chto paprskø vn mÆ lidskØ oko jako lutob lØ
sv tlo „ ł c se mnoha sm ry. Laser naproti tomu
vys lÆ velmi sm rovØ monochromatickØ energetickØ
koherentn paprsky, kterØ se jinak v pł rod nevy-
skytuj .
Koherentn zÆłen laseru se od b nØho nekohernt-
n ho sv tla li„ t m, e na dlouhØm œseku mezi
jednotliv mi vlnami laserovØho paprsku existuje
pevnÆ ŁasovÆ a prostorovÆ vazba fÆze. Zat m co
sv tlo b n ch zdrojø je chaotickØ, laserovØ sv tlo
je zvlÆ„tn m zpøsobem uspołÆdanØ.
Reference
[1] VrbovÆ M., Jel nkovÆ H., Gavrilov P.: vod do la-
serovØ techniky, Vydavatelstv ¨VUT, Praha, 1994
[2] VrbovÆ M. a kol.: Lasery a modern optika - Obo-
rovÆ encyklopedie, Prometheus, Praha, 1994
[3] PÆtek K.: Lasery, kvantovØ generÆtory sv tla,
SNTL, Praha, 1964
[4] Sochor V.: Lasery a koherentn svazky, Academia,
Praha,1990
[5] Engst P., HorÆk M.: Aplikace laserø, SNTL, Praha,
1989
[6] Mi„ek J., KuŁera L., KortÆn J.: PolovodiŁovØ zdroje
optickØho zÆłen , SNTL, Praha, 1988
6