Nedílnou součástí každého laseru je tzv. aktivní prostředí. Právě tam dochází k zesilování světla. Je tedy zřejmé, že aktivní prostředí určuje řadu vlastností laseru, ve kterém se používá. Některé vlastnosti, jako je spektrum laseru, přesně vyhraní možnosti použití, zatímco jiné například omezují dosažitelný výkon.

Hlavní vlastnosti každého aktivního prostředí můžeme dělit na optické a tepelné.

Optické vlastnosti

Asi nejdůležitějšími z optických vlastností aktivního prostředí jsou jeho absorpční a emisní spektrum. Kvantové přechody, při kterých dochází k emisi světla v daném prostředí, určují vlnové délky, které je možné tímto prostředím získat. Poloha tzv. Spektrální čáry tedy určuje, na kterých vlnových délkách bude možné s daným prostředím laserovat. Některá prostředí emitují fotony pouze v části viditelného spektra, jiná jsou omezena na blízkou infračervenou oblast (1).

Absorpční spektrum je důležité pro tzv. čerpání aktivního prostředí, kdy do aktivního prostředí vkládáme energii tím, že do něj svítíme světlem o specifické vlnové délce. Pokud na dané vlnové délce prostředí fotony neabsorbuje, není možné pomocí tohoto světla dostat prostředí do excitovaného stavu.

Spektrální čáry aktivních prostředí také mohou mít různou šířku. Ačkoliv se běžně uvádí, že laserové záření je monochromatické, neplatí to obecně. Například titan-safírový laser je schopný emitovat záření přes velikou část celého viditelného spektra.

Šířka emisní spektrální čáry je velice důležitá pro konstrukci impulsních laserů, kdy širší spektrum laserového záření umožňuje dosáhnout kratších impulsů. Například výše zmíněný titan-safírový laser je schopný dosáhnout laserových impulsů dlouhých pouze pár jednotek femtosekund (2).

Obrázek 1: Graf absorpčního a emisního spektra ytterbiem dopovaného vlákna. Na ose x je vynesena vlnová délka v nanometrech a ose y efektivní průřezy absorpce a emise. V tomto případě je aktivní prostředí možno čerpat na přibližně 920 nm nebo 969 nm a následně s ním laserovat na 1030 nm. Převzato z (4), přeloženo.

Také je důležitá pravděpodobnost toho, že k zesílení světla kvantovými procesy uvnitř aktivního prostředí dojde. Tomuto parametru říkáme efektivní průřez stimulované emise. Když si tento koeficient vykreslíme do grafu jako například v obrázku 1, můžeme vidět, jak efektivně na dané vlnové délce aktivní prostředí absorbuje nebo emituje fotony.

Obrázek 2: Diagram znázornění energetických hladin aktivního prostředí. Tečky na jednotlivých hladinách znázorňují kvantové soustavy, což jsou ve většině případů elektrony v obalu atomů. Atomy se načerpají absorpcí fotonu na energetickou hladinu, která je energetičtější než horní laserová hladina. Poté přejdou na horní laserovou hladinu a rozdíl těchto energií předají svému prostředí. Následně zůstanou na horní laserové hladině náhodnou dobu, než se dostanou na spodní laserovou hladinu pomocí spontánní nebo stimulované emise. Dolní laserová hladina musí být pro tyto kvantové soustavy nestabilní, nemůžou na ní vydržet dlouhou dobu a musí spadnout na základní hladinu, odkud mohou tento proces začít znovu.

Další poměrně důležitou veličinou je také tzv. doba života na horní laserové hladině. Když aktivní prostředí excitujeme, bude se na horní laserové hladině vyskytovat více kvantových soustav než na té spodní. Tím se zvyšuje pravděpodobnost stimulované emise, a vytváří se laserový paprsek. V přirozeném stavu se v aktivním prostředí všechny kvantové soustavy nachází v základním stavu. Pokud prostředí přestaneme čerpat, postupem času se buď spontánní emisí nebo jinými procesy všechny kvantové soustavy postupně snesou na spodní laserovou hladinu. Tím pádem máme po načerpání jenom omezenou dobu, kdy je prostředí připraveno laserovat. Toto je důležité zejména u laserů, u kterých čerpáme buď elektrickým výbojem, výbojkou nebo jiným pulsním mechanismem. Čím delší je tato doba, tím déle můžeme laserovat po načerpání a tím větší bude rozdíl počtu kvantových soustav na horní laserové hladině a počtu na dolní laserové hladině. Tento rozdíl znamená vyšší pravděpodobnost, že dojde ke stimulované emisi, a tím pádem bude aktivní prostředí lépe zesilovat světlo (3).

Za zmínku stojí ještě kvantový defekt. To je veličina, která se projevuje pouze u opticky čerpaných aktivních prostředí. Jednoduše jde o rozdíl energie absorbovaného fotonu a energie emitovaného fotonu. Až na vzácné výjimky je emitovaný foton vždy méně energetický než absorbovaný foton. Tato veličina tedy určuje, jaká část energie je z každého absorbovaného fotonu ztracena. Často se uvádí jako procento energie absorbovaného fotonu. Prostředí s vysokým kvantovým defektem tedy mají vyšší ztráty a více se zahřívají. Vyšší teplota aktivního prostředí ve většině případů vede k zhoršení parametrů laseru a tím pádem jsou taková aktivní prostředí nevhodná k použití pro lasery s vysokým středním výkonem.

Tepelné vlastnosti

Při provozu laseru se aktivní prostředí zahřívá (viz. kvantový defekt výše) a rostoucí teplota má na laser většinou negativní dopad. Může se stát, že vlivem zvýšené teploty také přibude počet kvantových soustav na dolní laserové hladině. To potom snižuje možné zesílení světla. Každé optické prostředí (včetně plynu) má navíc index lomu, který může být závislý na teplotě. Toto znamená, že pokud se aktivní prostředí zahřeje, a chladíme jej ve směru kolmém na směr laserového svazku, vznikne uvnitř teplotní gradient, který díky tepelné závislosti indexu lomu udělá z aktivního prostředí čočku (většinou spojku). Tento jev velice silně narušuje optický rezonátor laseru a u řady aktivních prostředí vylučuje jejich použití pro střední výkony větší než pár Wattů.

Proto je nutné lasery dobře chladit, a k tomu je velice důležitý koeficient tepelné vodivosti aktivního prostředí. Čím vyšší, tím lépe lze aktivní prostředí chladit. Samotný způsob chlazení pak závisí i na skupenství aktivního prostředí. V plynovém laseru je možné plyn postupně měnit, nebo jej chladit (2) skrze stěny nádoby ve které se nachází aktivní prostředí, zatímco u pevnolátkového laseru je nutno jej chladit skrze jeho stěny.

Shrnutí

Každé aktivní prostředí má řadu vlastností, které určují, jak laseruje a k jakému účelu se tedy hodí. Při konstrukci jednotlivých laserů se také projeví řada jiných vlastností. Zacházení s vláknovými lasery je naprosto odlišné od zacházení s plynovými lasery, a podobně. Třeba polovodičové laserové diody se čerpají pomocí elektřiny a nabízejí tak vysokou účinnost, ale jejich spektrální čáry neumožňují generaci krátkých laserových impulsů.

Citovaná literatura

1. Csele, Mark. Funamentals of Light Sources and Lasers. New Jersey : John Wiley & Sons, Inc., 2004.
2. Morgner, U., a další. Sub-two-cycle pulses from a Kerr-lens mode-locked Ti:sapphire laser. Optics Letters. 1999.
3. Saleh, Bahaa E. A. a Teich, Malvin Carl. Základy fotoniky. Praha : Matfyzpress, 1991. Sv. 3.
4. Paschotta, Rüdiger. RP photonics, članek o průřezech kvantových přechodů. Rp Photonics Encyclopedia. [Online] 2022. https://www.rp-photonics.com/transition_cross_sections.html.