Laser
Kategorie: Fyzika a astronómia (celkem: 480 referátů a seminárek)
Informace o referátu:
- Přidal/a: anonymous
- Datum přidání: 12. března 2007
- Zobrazeno: 2909×
Příbuzná témata
Laser
LaseryVznik stimulovanej emisie, ktorá sa stala základom všetkých zosilňovačov a oscilátorov, po prvý raz vysvetlil Albert Einstein vo svojej práci "Ku kvantovej mechanike žiarenia" v roku 1917. Prvé experimentálne dôkazy o stimulovanej emisii podali Ladenburg a Kopferman v roku 1928.V roku 1954 bol vo Fyzikálnom ústave Akadémie vied ZSSR pod vedením Basova a Prochorova a na Kolumbijskej univerzite pod vedením Townesa vytvorený prvý kvantový oscilátor v centimetrovom pásme (MASER - Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation).O niekoľko rokov neskôr bolo zostrojené obdobné zariadenie zosilńovacie a generujúce v optickej spektrálnej oblasti(Light - svetlo = LASER - Light amplification by stimulated emision of radiation). Prvý rubínový laser v roku 1959 otvoril brány laserov. Žiarenie laserov svojou veľkou koherentnosťou (fáza kmitov je po dlhú dobu konštantná) a monochromatičnosťou má veľkú smerovnosť, možno ho veľmi dobre sfokusovať získať neobyčajne veľkú hustotu výkonu v lúči (~1013 W.cm-2).
Pozrieme sa bližšie na princíp funkcie rubínového lasera. Základná úroveň E1 a stav E2 sú enegetickými pásmi.
Prechod z úrovne E2 na E1 je zakázaný - elektrón na úrovni E2 by mal byť úplne stabilný. V praxi to však neplatí; elektrón sa na tejto úrovni udrží po dobu 1/100 sekundy. V porovnaní s inými nestabilnými stavmi (10 na -8 s) je to doba veľmi dlhá. Osvietime tyčinku vybrúsenú z rubínového kryštálu Al2o3 so zabudovanými iónmi chrómu intenzivným zeleným svetlom, nastane tento proces: Najprv sa dostanú elektróny v dôsledku energie zo základnej hladiny E1 do enegetického pásu E2.Touto vonkajšou energiou je atóm vybudený a naviac nastane tzv. inverzia populácie. Nižšia energetická úroveň, inak silno obsadená elektrónmi, sa skoro úplne vyprázdni. Vyššia úroveň E2, pôvodne nepatrne obsadená elektrónmi, je mimoriadne husto obsadená. Dosiahli sme tak nahromadenie energie. Atóm prejde zo stavu E2 do E1 uvolni pritom žiariacu energiu (fotón) - samovoľná emisia. Ten je dostatočný pre to aby na svojej ceste kryštálovou tyčinkou zasiahol iný vybudený atóm. Ten uvolní fotón s rovnakou fázou a vráti sa späť na E1- vynútená emisia. Znamená to, že z tyčinky je vyslaný viditeľný impulz červeného svetla. Na túto vlnovú dĺžku sú však "naladené" všetky zostávajúce ióny chrómu vybudené do stavu E2.Teda ak zasiahne ión žiarenie, okamžite preskočí do základného stavu a sám pri tom zažiari. Tento dej nazývame indukovaná, alebo stimulovaná emisia svetla.
Indukované žiarenie ma rovnaký kmitočet a fázu ako indukované kmity. Jediná spontánna emisia vyvolá trvalé a (pokiaľ je k dispozícii dostatok vybudených atómov) kontinuálne svetelné kmitanie vo vnútri kryštálu. Ak nanesieme na jednu s kruhových stien tyčinky polopriepustné zrkadlo, opustí časť žiarivej energie tyčinku ako koherentné svetelné žiarenie. Základné typy laserov
Lasery je možné rozdeliť podľa rôznych kritérií. Podľa povahy aktívneho prostredia rozlišujeme lasery:
· pevno látkové
· kvapalinové
· plynové
· lasery využívajúce zväzky nabitých častíc.
Podľa spôsobu čerpania energie možno lasery rozdeliť na lasery čerpané
· opticky (výbojkou, iným laserom, slnečným svetlom a radioaktívnym žiarením)
· elektricky (zrážkami v elektrickom výboji, zväzkom nabitých častíc, vstrekovaním elektrónov, interakciou elektromagnetického pola so zhlukmi nabitých častíc)
· chemicky (energiou chemickej väzby, fotochemickou disociaciou, výmenou energie medzi molekulami a atómmi)
· termodynamicky (zohriatím a ochladením plynu)
· jadrovou energiou (reaktorom, jadrovým výbuchom)
Z hľadiska režimu práce môžu lasery pracovať spojito alebo impulzne.
Lasery môžeme deliť tiež podľa vyžarovanej vlnovej dĺžky na
· infračervené
· lasery v oblasti viditeľného svetla
· ultrafialové
· röntgenové
Konečne môžeme lasery deliť podľa použitia na lasery
· výskumné
· meracie
· lekárske
· technologické
· energetické
· vojenské
Pridržíme sa delenia podľa povahy aktívneho prostredia.
Lasery využívajúce pevné látky.
Do tejto skupiny patria lasery využívajúce rozptýlené ióny v kryštálových, alebo amorfných látkach, polovodičové lasery a lasery s kryštálmi s farebnými centrami.
Rubínový laser.
Najstarší laser, prvý raz bol realizovaný T.H.Maimanem v roku 1960. Jeho prostredie tvorí kryštál korundu (oxidu hlinitého, Al2O3),s prímesou chrómu, ktorý predstavuje aktívnu látku. Monokryštál sa získa z taveniny s prímesou zlúčenín trojmocného chrómu pozvoľným ochladzovaním. Konce sa zabrúsia, buď kolmo, alebo pod Brewsterovým uhlom. Po nanesení odrazových plôch a vložení do budiaceho žiarenia výbojky ja laser je schopný fungovať. V dnešnej dobe sa viac využíva laser s eliptickými zrkadlami. Svetlo vydávané výbojkou umiestenou v jednom ohnisku sa sústreďuje v druhom ohnisku, kde je umiestnený kryštál. Je to laser trojhladinový pracujúci v pulznom režime. Pulzný režim je potrebný, pretože sa kryštál pri čerpaní energie silne zohrieva.
Laser vyžaruje červené svetlo o vlnovej dĺžke 0,6943 mikrometru a pohlcuje energiu svetla výbojky.
Neodýmový laser.
Najrozšírenejší, aktívnou látkou je materiál, s aktivovanými iónmi vzácnych plynov. Pracujú podľa 4urovňového modelu.
Lasery YAG
S kryštálom yttrito - hlinitého granátu dotovaného neodymom. Neodýmové sklo môže byť vyrábané v prakticky neobmedzených rozmeroch a dosahuje tak veľkých laserových energií. Laser vyžaruje infračervený lúč z veľkou energiou. YAG laser, vyznačuje vysokou účinnosťou, stačí ho osvietiť žiarovkou a môže vydávať spojité svetlo s výkonom stovky wattov. YAP lasery
kryštálom yttrio - hlinitého perovskitu.
Polovodičový laser.
Atómy emitujú pri prechode z vyššej energetickej hladiny na nižšiu svetlo. Stimulovaná emisia nastáva vtedy, ak zosílenie záťaže v optickom rezonátore, ktorý je v oblasti PN, ktorý vyrovná nevyhnutné straty. Budený je napätím v priamom smere. Toto napätie vyvolá vznik prúdu prechodom, vyvolá žiaducu inverziu obsadených energetických pasov v oblasti prechodu PN. Polovodič je tak vybudený a zachováva v sebe energiu. V tomto stavu nie je polovodič ešte laserom. Je to LED-dióda (light emitting diode) Dalej zvyšujeme prúd prechádzajúci polovodičom, dosiahneme zosílenie, pričom je splnená podmienka samobudenia. Nad týmto prahom začne dióda pracovať ako laser. Laser pracuje na vlne 0,840 mikrometru. V daľšom vývoji polovodičových laserov zohrala zásadnú úlohu práca sovietských vedcov, ktorí našli spôsob vytvárania štruktúr heteroprechodov. Vedľa injekčných polovodičových laserov sa podarilo realizovať i elektroionizáciu polovodičových laserov. Lasery využívajúce kvapalné látky
Pracujú s chelátmi rôznych prvkov vzácnych zemín sa objavili už v roku 1963. Výhodou je, že môžu zaberať neobmedzene veľký objem a sú dokonale homogénne. Nevýhodou ale je, že sa chemicky rozkladajú. Dôležitou skupinou sú však farebné lasery, ktoré využívajú roztok rôznych organických látok, napríklad rhodaminu.
Lasery na farebných centrách
kryštáloch s rôznymi defekty vyvolávajúce vybudenie na rôznofarebných spektrálnych čiarach (kryštál KCl s prímesou lítia). Lasery využívajúce plynné látky
Laser helium - neonový
generujúci červené (na vlne 0.6328 mikrometru), infračervené žiarenie.
Helium-neonový laser
Tvorí dlhá sklenená trubica naplnená zmesou neonu a hélia, v nich sa budí elektrický výboj na vysokom kmitočtu najčastejšie vonkajšími elektródami. Konce trubice bývajú skosené pod Brewsterovým uhlom a celá trubica je umiestnená medzi zrkadlami vonkajšieho rezonátoru. Ako aktívny plyn pôsobí neón. Lúč má vysokú stabilitu kmitočtu (vyššiu ako u maseru) a malú rozbiehavosť.
To predurčuje hélium-neonový laser k funkcii presných hodín a k účelom telekomunikačným a geodetickým. Argónový laser
Vydáva modrozelené svetlo (zelené na vlne 0,514 mikrometra a modré na vlne 0,488 mikrometra). Je pre neho typická vysoká hustota elektrického prúdu pretekajúceho výbojom a vysoká teplota. Výbojová trubica sa obyčajne zhotovuje z keramického materiálu a prúd sa izoluje od stien magnetickým polom. Laser je schopný generovať desiatky wattov vo spojitom režime a je vhodný i pre technologické účely. Hélium-kadmiový laser
Je zaujímavý tým, že je 3farebný - vyžaruje svetlo modré, zelené a červené. Najvýkonnejšími z plynových laseru sa stali laser s oxidom uhličitým (CO2 laser) a lasery chemické. Laser s oxidom uhličitým generuje infračervené žiarenie na vlne 10,6 mikrometru. Vzhľadom k veľkosti trubice môže podávať vysoké výkony. U tohoto laseru sa postupne uplatňovali nové spôsoby čerpanie energie. V roku 1966 využili tepelnú energiu, ktorá vzniká pri prudké expanzii zohriateho plynu. Tak boli realizované.
Gazodynamické lasery
S rýchlym, nadzvukovým prúdom oxidu uhličitého. V rokoch 1970-1971 to potom bolo čerpanie pomocou zväzku elektrónu (elektroionizačný laser EIL). To umožnilo použiť plyn pod vysokým tlakom a ďalej zvýšiť laserový výkon. V roku 1969 vznikli v USA lasery s oxidom uhličitým pod atmosférickým tlakom a s priečnym budením (tak zvané TEA lasery, transverse excitation atmospheric - priečne budenie, atmosferické). Takéto lasery umožňujú vytvoriť výkonné tepelné stroje s uzavretou cirkuláciou plynu, v nich sa tepelná energia mení na obrovskú energiu infračerveného žiarenia. CO2 laser nachádza uplatnenie v technológii, vo vojenskej a kozmickej technike a vo vedeckom výskume. Chemické lasery
Využívajú k čerpaniu energiu do aktívneho prostredia energie exotermických reťazových chemických reakcií. Prví takýto laser s použitím reakcie medzi vodíkom a chlórom bol zkonštruovaný v roku 1965 a prvé výkonné lasery tohoto druhu založené na reakcii vodíku a fluóru vznikli v roku 1969. Zvláštnym druhom chemického laseru založeného na disociácii molekúl ultrafialovým žiarením (tzv. fotodisociacní laser) je laser jódový. Po dlhou dobu neboli k dispozícii lasery generujúce ultrafialové žiarenie. Podarilo sa ho nakoniec získať pomocou špeciálnych laserov plynových (dusíkový laser), avšak rozhodujúcí obrat znamenali až lasery excimerové. Tato skupina laseru využíva ako aktívneho prostredia zvláštneho druhu molekúl, excimeru, vytváraných za účasti atómu vzácnych plynov.
Tieto molekuly, inak nestabilné, môžu existovať len za zvláštnych podmienok, napríklad v plynovom výboji, s atómami vo vysoko vybudených, excitovaných stavoch. Pri rozpadu týchto exotických molekúl vzniká práve ultrafialové žiarenie. Prví excimerový laser bol realizovaný v roku 1970. Išlo o laser s kvapalným xenonom budený elektrónovým zväzkom. V roku 1976 sa objavili plynové excimerové lasery s excimery XeF, KrF, ArF, teda molekulami tvorenými atómami vzácnych plynov a fluóru. Lasery využívajúce zväzky nabitých častíc. Tieto lasery nepracujú na kvantových prechodoch, ale využívajú synchronizované oscilácie častíc. Boli yytvorené lasery zo zväzkom rýchlych elektrónov, tzv. FEL lasery (skratka za free electron lasers), lasery na volných elektronóch, prípadne iných nabitých časticiach. Takéto lasery majú tesnú náveznosť na urýchľovače.
Použitie laserov
Laser je technológie, ktorá stojí u rady lekárskych zázrakov, je nepostrádateľnou súčastov ideje hviezdnych vojen, všade doprevádza moderní život a stáva sa také klúčom k vysokorýchlostným komunikáciam. Tvorí základní súčasť vašeho CD prehrávača, skeneru v pokladni supermarketu a tiež tlačové hlavy vašich laserové tlačiarni.. Ked večšina ludí premýšla o laserech, týkajú sa ich myšlenky zrejme hlavné hraniční medicíny a zbraní, ktoré používajú zlí mimozemstí géniovia. Jedným z odkazov význačného miesta laserov v sci-fi literatúre a filmoch je ich sila symbolizújúca futuristickou technológii. Ale ony sa práve staly chrbticou dnešného telekomunikačného priemyslu.
Rychlá data
Začínající firma Novalux ze Sunnyvale v Kalifornii právě vynalezla nový laser s názvem NECSEL (Novalux Extended Cavity Surface Emitting LASER -- řekněme: povrchově emitující laser s rozšířenou dutinou). NECSEL značně zvyšuje množství informací, které je možné levně zasílat pomocí optického vlákna. To je rajská hudba znějící do uší průmyslovému oboru, jenž roste 40% ročním tempem.
Brzy by vám lasery dokonce mohly dovolit běžně bezdrátově komunikovat nebo by mohly nahradit obrazovku ve vaší televizi. "Snad až příliš zjednodušující představa laserů je pravděpodobně odvozena z té staré bondovky o laserovém paprsku sjíždějícím po Seanu Connerym. Je to velké staré zařízení, z něhož vyzařuje paprsek s kruhovým průřezem. Tato představa je v podstatě správná, avšak všechny dnešní lasery vyzařující mohutné paprsky pocházejí z plynových laserů nebo laserů využívajících pevnou fázi," říká Malcolm Thompson, prezident a výkonný ředitel Novaluxu a bývalý technický ředitel výzkumného centra Xeroxu v Palo Alto.
Dnes jsou obvyklejší miniaturní polovodičové lasery, takové, jaké naleznete v tiskových hlavách laserových tiskáren.
K čemu je laser
Když Akademie věd USA sestavovala seznam dvaceti nejvýznamnějších úspěchů vědy 20. století, vedle elektrifikace se v něm objevily lasery i vláknová optika. Když však byl laser vynalezen, nezdálo se, že by to řešilo nějaký naléhavý sociální nebo vědecký problém.
"Mnoho mých přátel si ze mě kvůli němu utahovalo: 'Pěkné řešení, k čemu je ale dobré?' Nic zvláštního na tom neviděli," říká Charles Townes, vědecký poradce společnosti Novalux. Je uznáván jako spoluvynálezce maseru -- jenž je podobný laseru, místo světla však používá mikrovlny -- i laseru. Townes obdržel první patent za lasery jakožto telekomunikační zařízení v roce 1960. V roce 1964 obdržel Nobelovu cenu za fyziku.
Townes, posléze působící na fakultě Columbia University v New Yorku, se pustil do vynalézání lepší metody měření světelných vln.
"O odchlípené sítnici jsem nikdy neslyšel, ale právě to byla jedna z prvních lékařských aplikací laserů," říká.
Lasery se nejčastěji používají pro zajišťování přenosů po optických vláknech, generování a zesilování signálů a jejich distribuci prostřednictvím vláknové optiky. Kvalitnější paprsek
Na druhé straně polovodičové lasery, které jsou mnohem rozšířenější, jsou velmi malé a spotřebovávají jen velmi málo energie. Jsou dvou typů: edge-emitting (emitující okrajem) a vertical-cavity (s vertikální dutinou).
V případě okrajem emitujících laserů, které jsou levnější než lasery s vertikální dutinou, jsou postranní plošky polovodiče odštípnuty tak, aby vytvořily zrcadlo, a paprsek vystřeluje z okraje materiálu. Zatímco se takových laserů každoročně vyrobí a použije v zařízeních jako CD přehrávače více než 50 milionů, zrcadla a tedy i paprsky trpí nepřesností a nehodí se pro stavbu vysokorychlostních sítí.
Vláknová optika spoléhá na přesnější lasery s vertikální dutinou. Ty jsou po tisících kusech vytvářeny na velmi malých oplatcích. Samotné lasery mohou být menší než 1 krychlový milimetr. Výrobci vytvářejí velmi přesné paprsky tak, že do každého zrcadla laseru -- známého jako horní a dolní Braggovo zrcadlo -- zabudovávají více než 100 vrstev.
Přesnost též plodí účinnost: Zatímco okrajem emitující laser v CD přehrávači potřebuje pro svou činnost kolem 30 miliwattů, jeho ekvivalent s vertikální dutinou by vyžadoval pouze 2 miliwatty. Čím kulatější je paprsek, tím přesněji se laser "spojí" s kabelem tvořeným optickými vlákny, vysílaje do kabelu signály na mnohem větší vzdálenost, po jejímž překonání je nutné tyto signály zesílit, což šetří peníze.
Výkonnější lasery rovněž zvyšují účinnost přenosu.
Firma Novalux vynalezla ještě výkonnější 300 miliwattový laser s vertikální dutinou, menší, než podobné lasery, a s levnější výrobou. "Věci, které omezují spojitou rozšiřitelnost optických sítí, jsou náklady a výkony budoucích laserů. Nižší náklady by mohly do velkoměstských oblastí přivést mnohem více optického vlákna," říká Thompson. Optický kabel je levný, lasery nikoliv. Thompson předpovídá, že jeho společnost bude nakonec schopna vyrobit velmi malý jednowattový NECSEL.
Optické vlákno až k plotu a domů:
Překážkou všudypřítomného vysokorychlostního přístupu k síti z domova i podniku je takzvaná poslední míle. V důsledku vysokých nákladů na pokládku optických kabelů a na lasery potřebné pro vysílání signálů většina telekomunikačních společností používá na překonání poslední míle měď. Avšak měděné dráty nemohou přenést více než 10 megabajtů za sekundu. Aby se dosáhlo lepšího výkonu, mohou být využívána souběžná vedení. Náklady však potom rostou. Jakmile cena laserů klesne a bude je možné nákladově efektivně instalovat v každé domácnosti, vláknová optika a širší pásmo se stanou schůdnými i pro domácnosti.
Automobily:
"Můžete očekávat, že optické vlákno zanedlouho najdete v každém autě," říká Gary Oppedahl, viceprezident pro obchodní operace firmy Novalux. "Proč v autě potřebujete něco tak rychlého? Důvodem je hmotnost." Výrobci automobilů do svých vozidel přidávají další a další systémy, současně se však snaží vozidla odlehčit. Mercedes-Benz již pro snížení hmotnosti optické vlákno používá. Stejně jako měděné vodiče byly v autě nahrazeny křemíkem, také vlákno, ovšem z plastu, dále sníží zatížení dnešních vozidel.
Digitální divadlo:
"Pokud jste obdrželi krásný, kruhový, dobře se chovající paprsek, můžete jej promítat na nekonečnou vzdálenost a začít hovořit o elektronickém kině," říká Thompson. Protože lasery umožňují řídit obraz téměř na molekulární úrovni, jsou možné velmi přesně řízené displeje s přední i zadní projekcí, pohybující se od stolní velikosti až po velikost kina nebo větší, s výjimečně vysokou kvalitou obrazu. V nejbližší budoucnosti by se televizní vakuové obrazovky i ploché panely mohly stát starou veteší.
Lidar
Ligt detection and ranging -- lidar (detekce světla a pohyb v určitém rozmezí) je podobný radaru. Avšak zatímco radar se používá k měření rychlosti, vzdálenosti a směru rádiové vlny, lidar spoléhá na laserovou diodu. Používá rovněž mnohem užší paprsek, což vede k větší přesnosti měření. Na rozdíl od konvenčního radaru se laserové světlo mnohem obtížněji detekuje, což jej činí vhodnějším pro vojenské použití.
Dříve, než se lidarové přístroje stanou všudypřítomnými v letadlech, musí ještě dojít ke zmenšení jejich celkových rozměrů.
Analýza skal na Marsu:
NASA může ke zkoumání Marsu brzy použít laserově buzenou spektroskopii. Poněvadž materiály nacházející se v pouštním prostředí planety jsou často velmi zvětralé, mohou být pokryty až 2mm vrstvou hlíny a jiných směsí. Lasery, jsou-li aplikovány na vzorky půdy, vzduchu nebo vody, se propálí zvětranou vrstvou a odpaří vzorek. Protože každý atom emituje jedinečnou spektrální strukturu, vědci budou schopni rozlišit složení vzorků, dokonce i při přítomnosti menšího množství prvku než 2 částice v milionu.
Mathew Schwartz
Použitá literatúra
[1] www.scienceworld.cz
[2] Peter Hábovčík, Lasery a fotodetektory, 1989
[3] Stanislav Miškařík, Moderní zdroje světla, 1979 str. 222-229
[4] W.Glaser, Úvod do techniky světlovodů, 1984 str. 28-34,84
[5] P. Engst- M. Hornák: Aplikace laserů, SNTL, Praha 1989
[6] www.hyperlink.cz/tks/laser.htm.