Spis treści:
- 1 Laser – jak funguje a kde se používá?
- 2 Lasery v praktických aplikacích
- 3 L.A.S.E.R. - zkratka, která se stala spisovným slovem
- 4 Idea fungování laseru
- 5 Vlnová povaha laserového světla
- 6 Vlnová délka laserového světla
- 7 Lasery všude kolem nás
- 8 Lasery - použití v medicíně
- 9 Lasery - použití v komunikaci
- 10 Lasery - použití v průmyslu
- 11 Lasery ve vědeckém a technickém využití
- 12 Lasery ve vojenském využití
Laser – jak funguje a kde se používá?
Bez nich by řada technologických procesů byla mnohem složitější a primitivnější a vědeckofantastické filmy a koncerty Pink Floyd a Jeana-Michela Jarreho by nebyly takové jako dřív – poznejte lasery!
Lasery v praktických aplikacích
Tento článek představuje konstrukci, princip fungování a praktické využití laserů.
L.A.S.E.R. - zkratka, která se stala spisovným slovem
Přestože se slovo “laser” vžilo jako plnohodnotné slovo, písmena, která ho tvoří, jsou zkratkou, která zjednodušeně definuje princip fungování tohoto vynálezu. Vývoj zkratky L.A.S.E.R. je “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”, což v překladu znamená “zesílení světla nucenou emisí záření”. Samotná zkratka a její vývoj jsou jen špičkou ledovce – podívejme se, jak laser funguje od základu!
Idea fungování laseru
Světelná energie excituje elektrony v atomech optických materiálů, které se přesunou na orbitu s vyšší energií. Když se elektrony samovolně nebo po “stimulaci” světlem či energií vrátí na svou normální oběžnou dráhu, vyzařují částice světla zvané fotony. Laserové světlo vzniká, když elektrony v atomech optických materiálů, jako je sklo, krystal nebo plyn, absorbují energii elektrického proudu nebo světla.
Tato dodatečná energie “nabudí” elektrony natolik, že se přesunou z nižší energetické dráhy na vyšší energetickou dráhu kolem jádra atomu. Laser využívá kvantových vlastností atomů, které absorbují a vyzařují částice světla zvané fotony. Když se elektrony v atomech vrátí na svou normální oběžnou dráhu – neboli do “základního” stavu – buď samovolně, nebo jsou “vybuzeny” světlem či jiným zdrojem energie, v některých případech dokonce jiným laserem, vyzařují další fotony.
Vlnová povaha laserového světla
Světlo se pohybuje ve vlnách. Běžné viditelné světlo, například z domácí žárovky nebo baterky, se skládá z mnoha vlnových délek nebo barev a je nekoherentní, což znamená, že hřebeny a údolí světelných vln se pohybují v různých vlnových délkách a v různých směrech. V laserovém paprsku jsou světelné vlny “koherentní” – svazek fotonů se pohybuje stejným směrem a má stejnou vlnovou délku. Toho se dosáhne tak, že se nabité elektrony vysílají přes optické “zesilovací médium”, jako je pevný materiál, například sklo, nebo plyn.
Vlnová délka laserového světla
Konkrétní vlnová délka světla závisí na množství energie uvolněné při pádu excitovaného elektronu na nižší oběžnou dráhu. Úroveň vnesené energie lze nastavit podle materiálu v zesilovacím médiu, aby bylo dosaženo požadované barvy paprsku. Zrcadlo na jedné straně optického materiálu laseru odráží foton zpět k elektronům. Prostor mezi zrcadly neboli “dutina” je navržen tak, aby foton požadovaný pro určitý typ optického zesilovacího média byl přiváděn zpět do média a stimuloval emisi téměř přesného klonu tohoto fotonu. Obě částice se pohybují stejným směrem a stejnou rychlostí, aby se odrazily od dalšího zrcadla na druhé straně a zopakovaly proces klonování. Ze dvou se stanou čtyři, ze čtyř osm a tak dále, dokud se fotony nezesílí natolik, aby všechny prošly zrcadly a optickým materiálem v dokonalé harmonii. Představte si je jako synchronizované členy pochodové kapely na Rose Parade. Tato kombinace dodává laseru výkon. Laserové paprsky mohou zůstat ostře zaměřené na velké vzdálenosti, dokonce i na Měsíc a zpět. Základní laser, jako je červený rubínový laser, se skládá z tyče z rubínových krystalů se zrcadlem na obou koncích a svítilny. Světelný záblesk z bleskové lampy dodává energii uvnitř prutu, excituje atomy rubínu a vytváří světelné částice zvané fotony. Fotony dopadají na atomy a vytvářejí další a další fotony, které se odrážejí mezi zrcadly v tyči. Počet fotonů je tak velký, že projdou jedním ze zrcadel, které je částečně reflexní, a objeví se laserový paprsek.
Lasery všude kolem nás
Lasery existují od roku 1960, i když jejich myšlenka pochází již z roku 1900 (viz “Odkaz laserů a průkopníci laserové fúze”). Dnes se lasery vyrábějí v mnoha velikostech, tvarech, barvách a výkonech a používají se ke všemu možnému, od chirurgických zákroků v nemocnicích přes snímače čárových kódů v obchodech s potravinami až po domácí přehrávání hudby, filmů a videoher. Možná jste podstoupili operaci LASIK, která koriguje váš zrak pomocí malého laseru. Některé lasery, například rubínové lasery, vysílají krátké světelné pulzy. Jiné lasery, například helium-neonové nebo lasery s kapalným barvivem, vyzařují kontinuální světlo. NIF, stejně jako rubínový laser, vysílá světelné pulzy trvající pouhé miliardtiny sekundy.
Laserové světlo nemusí být viditelné. Paprsky NIF začínají jako neviditelné infračervené světlo a poté procházejí speciální optikou, která je transformuje na viditelné zelené světlo a poté na neviditelné vysokoenergetické ultrafialové světlo, aby byla zajištěna optimální interakce s cílem. Lasery mohou být malé mikročipové součástky nebo mohou být tak obrovské jako NIF, největší a nejenergetičtější laser na světě, který se nachází v budově vysoké 10 pater a široké tři fotbalová hřiště.
Lasery - použití v medicíně
Lasery se hojně využívají v lékařství. Patří mezi ně odstraňování ledvinových kamenů, neinvazivní chirurgie, diagnostika rakoviny a radioterapie, korekce oční čočky, endoskopie s optickými vlákny pro detekci žaludečních a dvanácterníkových vředů, léčba plicních a jaterních onemocnění, vyšetření mikroorganismů a buněk, podpora chemických reakcí, tvorba plazmy, odstraňování polypů, odstraňování fragmentů zubů a zubní dřeně postižených gangrénou a nekrózou a v plastické chirurgii.
Lasery - použití v komunikaci
Laserové světlo se používá také v komunikaci v nejširším slova smyslu. Příkladem může být přenos dat na velké vzdálenosti prostřednictvím optických komunikačních kabelů s nízkou ztrátou signálu, komunikace pod vodou a komunikace ve vesmíru prostřednictvím radaru a satelitů.
Lasery - použití v průmyslu
Dalším odvětvím, které představuje obrovské pole pro využití laserů, je průmysl v nejširším slova smyslu. Sklo a křemen lze řezat laserem. V elektronickém průmyslu se lasery používají při výrobě polovodičových zařízení a integrovaných obvodů – za zmínku stojí zejména ultrafialové lasery, které se používají ve fotolitografických procesech, např. při výrobě desek plošných spojů, mikroprocesorů a dalších integrovaných obvodů. Lasery lze použít také ke skenování čárových kódů a QR kódů na obalech výrobků. Lasery se používají také k vrtání aerosolových trysek a regulačních otvorů s požadovanou přesností.
Lasery ve vědeckém a technickém využití
Bez laserů by byl moderní výzkum a vývoj mnohem obtížnější. Lasery pomáhají mimo jiné při studiu Brownova pohybu částic. Pomocí helium-neonového laseru bylo prokázáno, že rychlost světla je ve všech směrech stejná. Pomocí laseru lze také vypočítat počet atomů v látce. Lasery se v počítačích používají k načítání uložených informací z CD, na kterém jsou data uložena v binární podobě. Používají se k měření plynných a jiných látek znečišťujících ovzduší, a proto je lze nalézt mezi jinými v detektorech prachu. V astronomii pomáhají lasery přesně určit rychlost rotace Země. Jsou také důležitou pracovní součástí počítačových tiskáren. Lze je také použít k vytváření trojrozměrných obrazů v prostoru bez použití objektivu. Lasery se používají k detekci seismických otřesů a podvodních jaderných výbuchů. Diodový laser s arsenidem galia lze použít k vytvoření neviditelného plotu, který chrání střežené oblasti před neoprávněným vstupem.
Lasery ve vojenském využití
Bez laserů se neobejde ani vojenská technika v nejširším slova smyslu. Příkladem jsou laserové dálkoměry, které se používají k určení vzdálenosti k objektu. Prstencový laserový gyroskop se používá k detekci a měření velmi malého úhlu natočení pohybujících se objektů. Lasery lze použít jako skryté osvětlovače pro vysoce přesné noční vidění a také k distribuci energie bojové hlavice poškozením střely. Kromě toho se v systémech LIDAR používá laserové světlo k přesnému měření vzdálenosti k objektu.
