Spis treści:
Lasery, známé již mnoho desetiletí, se používají v řadě zařízení a technologií, které používáme každý den. Zjistěte, co přesně představují a jak fungují.
Co je to laserová dioda?
“Laser” je zkratka pro “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”, což znamená zesílení světla nucenou emisí záření. Jinými slovy jde o částice světla (fotony), které jsou excitovány tak, že vyzařují energii ve formě světla soustředěného do paprsku.
Nejběžnějším známým řešením jsou polovodičovélaserové diody, které jsou vyrobeny z polovodičových materiálů, jejichž struktura obsahuje “p-n” spojky. Vyznačují se následujícími vlastnostmi.
- Koherence – laserové diody vyzařují koherentní světelné vlny se stejnými parametry (tj. fáze, polarizace, vlnová délka). Tím se mimo jiné liší od běžné žárovky, která světlo rozptyluje. V tomto případě se paprsek pohybuje jedním směrem a zaměřuje se na malou oblast.
- Monochromatičnost – světlo vyzařované laserovými diodami má vždy jednu barvu. Nejčastěji se vyskytuje v červené nebo zelené barvě. Průlomovým objevem byl vývoj modrého laseru. Díky němu se zrodila technologie disků Blu-ray.
- Směrový charakter vyzařovaného světla – laserové diody vyzařují svazek s nízkou divergencí. Světelné paprsky se nerozptylují, takže se pohybují jedním směrem, téměř rovnoběžně.
- Dlouhá životnost – polovodičové diody se vyznačují spolehlivostí a dlouhou životností. Díky tomu jsou široce použitelné.
Jak funguje laserová dioda?
Vysvětlení fungování laserové diody, je třeba nejprve vysvětlit, jak funguje přenos energie mezi molekulami. Vezměme si atom, který má energetické hladiny (orbitaly). Mohou nabývat specifických energetických hodnot, které se promítají do jejich excitace. Částice však nemohou uchovávat energii donekonečna, a proto se jí zbavují několika způsoby, například prostřednictvím zářivých a nezářivých přechodů.
Atomy lze excitovat opticky, elektricky nebo tepelně. Takto aktivované částice vyzařují fotony nuceně nebo spontánně. Zásadní pro fungování laserové diody je nucená excitace, při níž foton, působící jako katalyzátor, prochází kolem excitované molekuly a “spouští” její emisi. Není jím však absorbován.
Hlavní součásti laserové diody
Laser se skládá ze tří částí:
- aktivní centrum,
- čerpací systém,
- optický rezonátor.
Aktivní médium je materiál, ve kterém se vyzařuje světlo. Může být rubínová, dusíková, argonová, argon-fluorová nebo vyrobená z nitridu galia či fosfidu india. Aktivní vrstva je umístěna v optickém rezonátoru. Jedná se o dvě zrcadla obrácená k sobě tak, že se od nich neustále odráží světlo. Za zmínku však stojí, že jedno ze zrcadel je poloprůhledné, takže světlo (jeho část) může být vyzařováno mimo rezonátor. Celek je doplněn čerpacím systémem určeným k dodávce energie do aktivního média.
Fungování laserové diody nejlépe ilustruje příklad prvního zkonstruovaného rubínového laseru. Jeho aktivním prostředkem je tyč vyrobená z rubínu, tj. oxidu hlinitého dopovaného chromem. Nabíjí se opticky pomocí světla, které vychází z pulzní výbojky ve tvaru spirály obepínající tyč. Čerpací systém dodává energii do aktivní vrstvy a excituje molekuly v ní. Po aktivaci samovolně vyzařují světlo. V určitém okamžiku se intenzita emise zvýší a vznikne stav tzv. inverze obsazení (více molekul je v excitovaném stavu než v základním stavu).
Aktivované částice jsou samovolně emitovány do všech směrů. Nevedou podél osy rezonátoru, a proto mají pro výkon laseru malý význam. Fotony, které se nacházejí v ose rezonátoru, se naopak odrážejí mezi zrcadly a několikrát procházejí aktivní vrstvou, čímž způsobují emisi po sobě jdoucích fotonů, které mají stejnou vlnovou délku, směr šíření a další parametry. Ostatní typy laserů pracují na stejném principu, i když jsou vybaveny jinými aktivními vrstvami, mají jiné čerpání a jinou geometrii rezonátoru.
Použití laserových diod
Laserové diody nacházejí široké uplatnění. Většina lidí se jistě mnohokrát setkala s bodovými nebo ukazovacími lasery, které se používají mimo jiné ve firmách, školách a na univerzitách. Může je použít přednášející ve třídě nebo na obchodní schůzce, aby na tabuli upozornil na probíranou problematiku.
Tato zařízení obvykle vyzařují světlo ve tvaru bodu, i když jsou k dispozici i modely zobrazující kříž nebo čáru. Laserové diody se používají také v zaměřovacích zařízeních, která pomáhají vést hlaveň zbraně požadovaným směrem, nebo v měřicích zařízeních, jako je laserová vodováha.
Laserové diody jsou také klíčovou součástí přehrávačů CD, DVD a Blu-ray. Světlo, které vyzařují, se používá ke čtení dat z média. Diodovou technologii lze nalézt také ve snímačích a tiskárnách čárových kódů. Velmi oblíbené jsou také ve vědě, například v biologii, chemii nebo fyzice, kde se používají k výzkumu, například k manipulaci s atomy.
Výkonné laserové diody pro gravírování a řezání
Laserové diody se vyznačují proměnlivým výkonem. Zatímco ty nejběžnější, např. v ukazovátkách, jsou pro člověka bezpečné (pokud se jimi nesvítí do očí, které mohou poškodit), specializované lasery, které mají např. 2000 mW až 6000 mW, lze použít k řezání a gravírování. S jejich pomocí lze na nerezovou ocel nebo titan zavádět vzory a značky. Laserové diody vynikají také při řezání umělých hmot (např. plastu nebo pryže), dřeva, textilu nebo umělé či přírodní kůže.
Indikační lasery obvykle vyzařují vlnové délky ve viditelném pásmu, zatímco řezací lasery vysílají paprsky různých vlnových délek. V závislosti na účelu použití mohou přecházet i do oblasti neviditelných vln, např. infračerveného záření.
