Laser

Laser (skratka z angl. Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) je zdroj monochromatického koherentného svetla, ktorý vznikne umiestnením zosilňovača svetla do optického rezonátora naladeného na príslušnú vlnovú dĺžku.

Dejiny

Prvý laser zostrojil roku 1960 Theodore Maiman. Laserový zväzok vytvoril tak, že do špeciálnej tyče z umelého rubínu vysielal záblesky obyčajného svetla.

Princíp

Princíp činnosti lasera

Zosilnenie svetla vzniká vďaka stimulovanej emisii. Ide vlastne o druh luminiscencie, pričom elektróny z vybudených stavov neprechádzajú na základné stavy za sprievodu vyžiareného fotónu spontánne (náhodne) ale vplyvom interakcie s iným fotónom zodpovedajúcej vlnovej dĺžky. Takto vyžiarený „nový“ fotón má rovnakú frekvenciu aj fázu ako „pôvodný“ fotón. Vďaka umiestneniu do rezonátora (najčastejšie Fabry-Perotov, t. j. dve rovnobežné zrkadlá), spontánne vyžiarený fotón opakovane prechádza materiálom, vyvoláva stimulovanú emisiu a takto vznikajúce fotóny vyvolávajú ďalšiu stimulovanú emisiu – dochádza k lavínovému efektu. Pochopiteľne, spontánna emisia prebieha aj naďalej a po určitom čase môže prevážiť „balík“ fotónov pochádzajúci od iného spontánne vyžiareného fotónu. Tento čas (v jeho priemernej hodnote) udáva koherentnú dĺžku.

Niektoré druhy laserov je možné „ladiť“ (meniť vlnovú dĺžku vyžiareného svetla) v úzkom rozsahu, ak sa zabezpečí zhoda rezonančnej vlnovej dĺžky rezonátora a oblasti zosilnenia aktívnej látky.

Druhy laserov

Podľa aktívnej látky

• Tuhofázové (rubínový)
• Polovodičové (laserová dióda)
• Plynové (xenónový, argónový, CO2)
• Kvapalinové

Úvod

Ako aktívnu látku pre laser je možné použiť úplne všetko. Jedine z kovov sa principiálne nedá vyrobiť žiaden laser.

Dielektrikum

Aktívna látka je vo forme monokryštálu vhodného materiálu so zabudovanými prímesami, ktoré tvoria vhodné energetické hladiny pre čerpanie a následnú emisiu. Čerpané sú opticky, výbojkami alebo iným laserom.

Príklad: rubínový laser (historický, červené svetlo), neodýmiový laser (YAG:Nd, blízka infračervená oblasť – okolo 1 000 nm).

Vláknový laser

Zvláštny druh lasera, tvorený optickým vláknom. Čerpaný obvykle polovodičovým laserom. Často ide len o zosilňovač (pre zosilnenie signálu v komunikačnom vlákne bez konverzie na elektrický signál a späť).

Plyny

Aktívnou látkou je plyn čerpaný elektrickým výbojom.

Príklad: CO₂ laser (vysoké výkony v ďalekej infračervenej oblasti, používaný na obrábanie v priemysle, typické výkony 3-12 kW), Ar laser (zelená farba, žiadaný pre "laserové show") Dusíkový laser. Hélium Neónový laser.

Kvapaliny

U kvapalinových laserov (čerpaných iným laserom) je možné dosiahnuť pomerne širokú preladiteľnosť.

Polovodiče

U laserovej diódy ide o štruktúru podobnú LED dióde, ktorá je čerpaná prechodom elektrického prúdu, s integrovaným rezonátorom tvoreným rozhraním polovodič/vzduch (príp. Braggovým reflektorom vo vertikálnom usporiadaní).

Podľa typu prevádzky

• Pulzný
• Spojitý

Použitie

Vďaka vysokej koherencii a monochromatickosti je možné v laserovom lúči sústrediť veľkú energiu na malej ploche, čo je základ použitia na rezanie a vŕtanie materiálov. Napríklad kónické otvory pre ventily motorov sa dajú dnes najekonomickejšie vyrobiť laserom.

Ďalšie aplikácie využívajú malú rozbiehavosť a koherentnosť – optické dátové médiá (CD, DVD, Blu-ray, magnetooptické disky), meracie aplikácie. Monochromatickosť a možnosť rýchlej modulácie je využitá v optických komunikáciách.

Bezpečnosť

Lasery sú nebezpečné pre vysokú koncentráciu energie v ich lúči, často neviditeľnom. Sú povinne značené dohodnutou značkou a sú kategorizované do 4 kategórií:

• lasery kategórie I – sú relatívne neškodné aj pri priamom pohľade do lúča a pre ich použitie neplatia takmer žiadne obmedzenia. Príkladom sú lasery použité v CD prehrávačoch a čítačkách čiarového kódu. Max. výkon 0,4 mikroW.
• lasery kategórie II – nemali by spôsobiť poškodenia oka, pretože oko sa zatvorí za 0,25s. Tento čas nestačí na poškodenie buniek zraku. Max. výkon 1 mW.
• lasery kategórie III – v spojitom režime emitujú žiarenie vo viditeľnej oblasti spektra, ktorého výkon nepresahuje 5 mW, a v pulznom režime zväzok o výkone menšom než 0,5W. Difúzny odraz žiarenia nespôsobuje poškodenie zdravia.
• lasery kategórie IV – svojimi parametrami presahujú max. hodnoty triedy III. Pri týchto laseroch aj difúzny odraz spôsobuje vážne poranenia vrátane popálenín

(presnejšie, pri ~50 W ťažké popáleniny, od 200 W výkonu prerežú človeka napoly, od 10 kW vyššie človeka spália na popol)

podľa všetkých známych bezpečnostných noriem musí byť PP lasera tejto triedy človeku zneprístupnený klietkou.

Iné projekty

• Commons ponúka multimediálne súbory na tému Laser