Laser

Název LASER je akronymem z anglického Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, což v překladu znamená zesílení světla pomocí stimulované emise záření. Díky tomuto jevu dochází ke vzniku světla, která vykazuje unikátní vlastnosti jako je nízká rozbíhavost, koherence a monochromatičnost. Díky tomu našly lasery uplatnění v mnoha oborech lidské činnosti od průmyslu, přes medicínu až po věci každodenní využití.

Každý laserový systém se skládá z několika základních prvků (obr. 1). Pomyslným srdcem laseru je aktivní prostředí, kde dochází ke stimulované emisi a vzniku laserového záření. Toto aktivní prostředí je obklopeno tzv. otevřeným rezonátorem, který bývá tvořen dvěma zrcadly. Jedno z nich je plně odrazné, druhé pak částečně propustné tak, aby mohl laserový svazek vystoupit ven. Dalším důležitým prvkem je čerpání systému, které dodává energii do aktivního prostředí, která je potřebná pro stimulovanou emisi. To bývá provedeno různými způsoby, ovšem patrně nejrozšířenějším je v dnešní době optické čerpání pomocí laserových diod. Posledním prvkem většiny laserů je chlazení, které odvádí přebytečné teplo z aktivního prostředí pryč. Pro chlazení bývá zpravidla použita voda, Peltierův článek či kapalný dusík nebo helium.

Základní schéma laseru

Historie

Historie laserů sahá až do roku 1917, kdy A. Einstein popsal základní princip vzniku laserového záření. Dalším mezníkem byly roky 1952, ve kterém A. Prokorov a N. Basov popsali teorii maseru, tedy mikrovlnného zesilovače pracujícího na stejném principu jako laser, a rok 1953, kdy C. H. Thownsen tento maser sestrojil. Všichni tři společně dostali za tyto objevy v roce 1964 Nobelovu cenu za fyziku. První laser byl uveden do provozu 15. května 1960 T. H. Maimanem v Hughes Research Laboratories. Jednalo se o rubínový laser, který byl čerpán výbojkou a chlazen vodou. Více o historii najdete přímo v článku zaměřujícím se na historii laseru.

Vynálezce prvního laseru Theodor Maiman a jeho rubínový laser.

Princip laseru

Každý laserový systém se skládá z několika základních prvků vyobrazených na obr. 1. Pomyslným srdcem každého laseru je tzv. aktivní prostředí, což může být pevná látka, kapalina či plyn. V něm při dodávání čerpací energie vzniká laserové záření. Pro zvýšení účinnosti přeměny čerpání na laserové záření se aktivní prostředí obklopuje dvěma či více zrcadly. Toto uskupení se nazývám otevřený rezonátor. Jelikož přemena čerpacího záření na laserové není dokonalá a dochází k zahřívání aktivního prostředí, je nutné ho chladit například pomocí vody.

Základní princip laseru

Pro pokročilejší

Jak již bylo řečeno, základem každého laseru je tzv. aktivní prostředí, což může být krystal, keramika, kapalina, plyn nebo jiné látky. Toto aktivní prostředí je tvořeno atomy, které se za normálních okolností, tzn. za stavu termodynamické rovnováhy, nachází na základní energetické hladině E₀. Zde pak může dojít k absorpci záření (obr. 3), které je v našem případě reprezentováno tokem fotonů o energii.

Kdy h je Planckova konstanta ( h = 6,626 . 10^-34 J.s), f je frekvence a λ vlnová délka. Během absorpce dochází k předání energie fotonu ve prospěch elektronu, který se díky tomu dostává na vyšší energetickou hladinu E₁, tedy do tzv. excitovaného stavu. Z hlediska zákonu zachování energie pak platí:

Opačným jevem k absorpci je emise záření, při kterém se elektron dostává zpět na základní hladinu E₀ a dochází k vyzáření nového fotonu o takové energii, aby došlo k zachování energie. Tuto emisi lze rozdělit na dva případy. Prvním z nich je tzv. spontánní emise , při níž dochází k sestupu elektronu samovolně. Vzniklý foton má pak náhodný směr a fázi. Druhým případem je tzv. stimulované emise (fig. 3), při které sestup elektronu způsobí další foton nacházející se v jeho okolí. Při sestupu opět vzniká nový foton, ovšem v tomto případě má směr a fázi shodnou s fotonem, který tento sestup způsobil.

Schéma absorpce, spontánní emise a stimulované emise

Čtyřhladinové a tříhladinové schéma

Vlastnosti laserového záření

Pro pochopení vlastností laserového záření je nutné zmínit, že se na každé světlo lze dívat jako na vlnění. Toto vlnění se ovšem liší pro různě barevná světla. Ta můžeme od sebe odlišit pomocí fyzikální veličina nazvané vlnová délka, kterou si můžeme například představit jako vzdálenost mezi dvěma maximy. Jak je vidět na obrázku, červené světlo má od sebe maxima dále než světlo zelené a modré, tedy i jejich vlnové délky jsou rozdílné (červená – 633 nm, zelená – 532 nm, modrá – 470 nm). Více os světle se dozvíte v článku Světlo jako katalyzátor poznání.

Světlo jako vlnění

Když se podíváme na obyčejnou žárovku, zdá se nám, že světlo které vyzařuje je bílé až žluté. Ve skutečnosti lze ovšem dokázat, že je toto světlo složeno z mnoha různých barev od fialové, přes zelenou až po červenou. Oproti tomu, laserové světlo je vždy tvořeno pouze jednou barvu a nejsme schopni ho na jiné barvy rozložit, nazýváme ho tedy monochromatické.

Další vlastností laserového záření je koherence neboli soufázovost. Tento jev částečně souvisí s předchozí vlastností, že světlo je tvořeno pouze jednou barvu. Všechny vlny obsažené v tomto záření mají tedy stejnou vlnovou délku, což znamená stejně vzdálená maxima a minima. Ovšem laserové záření je tak specifické, že všechny tyto vlny mají maxima i minima na stejném místě jako na obr. 4. Koherence nám také umožňuje soustředit laserový svazek do malého místa a tím například řezat či svářet kovy. Více ve článku laserové aplikace.

Koherence světla

Poslední vlastností laserového světla je nízká rozbíhavost. Tato vlastnost opět souvisí s předchozími dvěma vlastnostmi. V praxi to znamená, že laserový svazek je i na velkou vzdálenost reprezentován úzkým paprskem.

Druhy laserů