5 využití laseru a optiky, se kterými se setkáte každý den

Laserové záření se svými specifickými vlastnostmi nachází uplatnění v mnoha oborech. Rozsah jeho použití je tak široký, že se s ním každý dennodenně setkáváme v běžném životě. Na princip pěti takových, dnes již zcela běžných, aplikací laseru se nyní podíváme.

CD a DVD

CD a DVD, neboli kompaktní optické disky, jsou záznamová zařízení, která informační hodnotu uchovávají v podobě ohromného množství prohlubní (tzv. pitů) vytvořených na lesklé ploše disku. Šířka této záznamové stopy je v řádu stovek nanometrů (viz Obr. 1).

Obr. 1 Porovnání technologie CD, DVD, HD DVD a Blu-ray [1]

Čtecí laserová dioda přehrávače vyzařuje svazek, který se odráží a fokusuje na záznamovou stopu (viz Obr. 2). Po dopadu na lesklou plochu disku se část záření odrazí do detektoru a vznikne elektrický impulz. Dopadne-li do prohlubně (pitu), rozptýlí se a v detektoru tak elektrický impulz nevznikne.

Obr. 2 Schéma optické trasy v mechanice pro čtení a zápis CD a DVD médií [2]

Z detektoru tak získáváme digitální záznam, který je následně vyhodnocovacími obvody zpracován na zvukový, obrazový, či informační signál. Snímání je bezkontaktní a nedochází tak k mechanickému opotřebení záznamových disků.

Tato technologie zažila velký rozmach od svého prvního uvedení na trh v roce 1983. Zvyšování kapacity tohoto typu paměti narazilo na strop s uvedením čtyřvrstvých, 128 GB velkých BD-XL. Pro další zvýšení kapacity byla snaha přejít od zápisu po vrstvách na zápis do objemu pomocí holografie. Jedním z nových standardů byl „Holographic Versatile Disc“ (HVD). Slibovaná finální kapacita měla být až 3,9 TB na disk. Bohužel, předpokládaná cena a náklady na vývoj tuto technologii odsoudily k zániku ještě před uvedením.

Mezi lety 2000-2013 začaly být kompaktní disky masivně nahrazovány streamováním a jinými digitálními metodami uchovávání dát. Stále však mají nezastupitelné místo v archivaci velkého množství dat. Věděli jste třeba, proč na načtení starých a dlouho nesdílených médií na sociálních sítích čekáte déle, než na načtení nedávno sdíleného videa? V těch pár sekundách robotické rameno hledá ten správný archivační optický disk a vkládá ho do mechaniky tak, jak jste to kdysi dělali s CD nosiči vy.

Čtečky čárových kódů

Čárové kódy umožňují snadnou a rychlou identifikaci zboží sekvencí čar a mezer s definovanou šířkou (např. EAN), popř. vypadají jako mozaika (např. QR kódy). Nejčastěji se s nimi setkáte v logistice, supermarketech, či knihovnách.

Obr. 3 Čtečka čárových kódů

Nejefektivnější čtečky jednorozměrných (lineárních) kódů (Obr. 3) jsou postaveny na miniaturním laseru, jehož paprsek kmitá a skenuje čárový kód (viz Obr. 4). Rozmítání paprsku zajišťuje otočný hranol nebo naklápěcí zrcadlo. Od tmavých čar se vysílaný laserový paprsek neodráží, kdežto od světlých míst ano. Odražené paprsky zachytí detektor a ten vzniklé elektrické impulzy předává do vyhodnocovacího obvodu již ve formě digitální informace. Konstrukce čtečky dovoluje načítat čárový kód i z větší vzdálenosti (až 15m). Pro pohodlnou práci mohou být čtečky buď zabudované, nebo ve formě ručního zařízení.

K přečtení dvourozměrných kódů (jako jsou například QR kódy) slouží skenery na bázi CCD kamery. Přes komunikační zařízení pak načtená a dekódovaná informace putuje k dalšímu zpracování.

Obr. 4 Princip čtečky čárových kódů [3]

Tisk

Laserové tiskárny využívají laserový paprsek k vytvoření elektrostatického „obrazu“ na světlocitlivém válci. Tento válec je kovový, s vrstvou polovodiče na povrchu. Obraz je na válec přenesen modulátorem laserového paprsku, jenž sestává z otočného, např. šestibokého, zrcadla a soustavy čoček. Laserový svazek změní náboj osvětlených oblastí světlocitlivého válce na slabě pozitivní. Na válec se elektrostaticky nachytá toner (záporně nabitý) a výsledný obraz se z válce přenese na papír. Vyhřívanými válci se toner roztaví a trvanlivě pronikne do textury papíru.

Výhodou laserových tiskáren je vysoká kvalita i při velké rychlosti tisku, nízké provozní náklady a nízká hlučnost. Nevýhodou jsou pořizovací náklady a čas potřebný k zahřátí.

Obr. 5 Schéma laserové tiskárny [4]

Další metodou laserového tisku je laserové značení. Slouží k permanentnímu označení výrobků laserovým svazkem, který svou dopadající energií změní povrchové vlastnosti do podoby značky. Z principu je bezkontaktní a nevyžaduje žádný další spotřební materiál, tonery, či chemikálie. Technologie umožňuje označovat členité povrchy, vytvářet různé struktury a vhodným nastavením laseru dokonce určit barvu značky (viz Obr. 6). Velkou výhodou laserového značení je trvanlivost – nehrozí setření informace či její vyblednutí (což je zejména vhodné ve farmacii). K značení se používají CO₂ lasery (pro značení skla, papíru či průhledného PET), vláknové lasery (pro značení kovových či plastových materiálů) a UV lasery (pro značení plastových materiálů a tenkých filmů).

Obr. 6 Laserové značení [5, 6, 7]

Optický internet

Optický internet je moderní technologie přenosu dat, v podstatě na libovolnou vzdálenost, s minimální latencí (Obr. 8). Páteří optického internetu jsou optická vlákna, kterými je vedeno záření s minimálními ztrátami. Na rozdíl od starších metalických kabelů jsou data přenášena s vysokou efektivitou. Světelné impulzy generované laserem putují skrz skleněné optické vlákno a ztráta intenzity je jednoduše kompenzována přidáním zesilovače.

Hlavními součástmi optické sítě jsou lasery, optické zesilovače a vlnové multiplexy. Poslední zmíněné, vlnové multiplexy, jsou technologií, která umožňuje podstatně rozšířit kapacitu komunikace v jednom optickém vlákně, a to použitím více vlnových délek. Výsledkem je přenos více optických signálů v jednom vlákně, současně.

Datový přenos skrz skleněné optické vlákno je imunní vůči rušení. Dále je optický internet také velmi rychlý, stabilní a téměř bezúdržbový.

Obr. 7 Optický komunikační kabel se skládá z mnoha optických vláken [8]

Obr. 8 Síť podmořských optických kabelů [9]

Optické bezpečnostní sensory

Optické sensory umožňují bezkontaktní detekci a měření. Často jsou využívány v automatizaci.

Konkrétně jsou z nich často konstruované světelné závěsy, které zajišťují osobní bezpečnost v průmyslových provozech. Sensory se skládají z vysílače a detektoru. Na hranice sledované oblasti (ochranného pole) se umístí zdroje optického signálu (vysílače), které vysílají matici rovnoběžných svazků. Detektor zachycuje dopadající svazky a při poklesu intenzity dopadajícího záření vyšle signál do bezpečnostního obvodu, který aktivuje ochranné prvky.

Jinou variantou použití jsou optické bariéry či světelné závory (Obr. 9), které se liší rozlišením (roztečí vysílaných svazků) a častěji slouží jako registrační zařízení.

Obr. 9 Světelné závory [10]

Zatímco některá laserová zařízení naše domácnosti pomalu opouštějí, nové laserové technologie si do nich nacházejí cestu a není vyloučeno, že laserové projektory a 3D tiskárny budou nové generaci uživatelů známější než CD a Blue-Ray disky.