Laser
Kategorie: Fyzika a astronómia (celkem: 480 referátů a seminárek)
Informace o referátu:
- Přidal/a: anonymous
- Datum přidání: 06. února 2007
- Zobrazeno: 3574×
Příbuzná témata
Laser
ÚvodLaser je vynálezem dvacátého století a za necelých čtyřicet let své existence se stal nedílnou součástí našeho života. Setkáváme se s ním v mnoha oborech lidské činnosti. Pomáhá nám při měření vzdáleností a určování směru (například při stavbě Metra). V rukou lékaře se stává naprosto sterilním a bezbolestným skalpelem. Můžeme s ním opracovávat i velice tvrdé materiály. Lze s ním svařovat i materiály dříve nesvařovatelné. Dokáže přenášet obrovské množství informací na velké vzdálenosti. Nebo nám například doma přehrává kompaktní disky. Jen málokterý nástroj, který má člověk k dispozici je tak všestranně použitelný jako laser.
Na těchto několika málo stranách bych rád trochu přiblížil cestu člověka k ovládnutí světelného paprsku. Během této cesty se pokusím vysvětlit základní princip na kterém laser funguje a v cíli bych chtěl popsat některé základní typy laserů.
Obsah
Cesta směrem k laseru
Co je to laser
Slovo laser [lejzr] pochází z angličtiny. Je složené z počátečních písmen dlouhého anglického názvu popisujícího jeho funkci: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, což by se dalo přeložit jako zesílení světla pomocí vynucené (stimulované) emise záření. České pojmenování laseru je kvantový generátor světla, což se nepoužívá, protože laser je kratší. Z názvu je zřejmé, že laser vydává světlo. Čím se ale liší světlo laseru od světla například takové žárovky? Laserové světlo je monochromatické (jednobarevné) koherentní (uspořádané) a má malou divergenci (rozbíhavost). Rozdíl je názorně vidět na příkladu. Pokud “posvítíme” laserem na měsíc, bude mít osvětlená plocha průměr několik kilometrů. Zdá se vám to hodně? Tak zkuste svítit žárovkou na měsíc. Z definice vyplývá, že laser je zařízení, které přeměňuje dodávanou energii na laserové světlo. Energii můžeme dodávat různým způsobem, například opticky (světlem výbojky), chemicky, elektricky atd. Vzhled samotných laserů je velmi různorodý. Záleží hlavně na druhu laseru, na jeho konstrukci a v neposlední řadě na jeho použití. K tomu abychom pochopili jak laser funguje, musíme nejdříve vědět co je to světlo.
Obr. 1 - Srovnání světla vyzařovaného laserem se světlem žárovky
Obsah
Co je to světlo
Světlo je pro nás nejdůležitějším zdrojem informací o okolním světě. Přesto jsme o něm dlouhou dobu téměř nic nevěděli. Teprve až v 17. století se podařilo Isaacu Newtonovi rozložit bílé světlo hranolem na spektrum barev a ukázat, že se bílé světlo skládá z mnoha barev.
Newton si tehdy představoval, že světlo má částicový (korpuskulární) charakter, přičemž každá barva je zastoupena částicemi s jinou velikostí. Se svou teorií dokázal vysvětlit všechny tehdy známé vlastnosti světla. Ve stejném století vznikla i Huygensova vlnová teorie světla. Christian Huygens také dokázal pomocí své teorie vysvětlit většinu tehdy známých vlastností světla. Vnikl tu tedy spor, zda je světlo částice nebo vlna. Tento spor rozhodl až na počátku 19. století Thomas Young, který vyslovil myšlenku interference světla, což je záležitost čistě vlnová. Dokázal, že světlo přidané ke světlu může dát tmu. Interference je typickým příkladem takzvaného lineárního jevu, kdy se účinky jednotlivých vln jednoduše sčítají. Ty vznikají pouze při malé intenzitě světla. V opačném případě dochází k různým nelineárním jevům. Předtím než se objevily první lasery, neznala optika dostatečně silné světelné zdroje, které by umožňovaly pozorovat nelineární jevy. Naproti tomu každý radiotechnik je zvyklý běžně pracovat s takovými nelineárními jevy v oblasti rádiových vln, jako je modulace, směšování, násobení kmitočtu a další.
V devatenáctém století tedy převládla vlnová teorie světla. Zbývala tedy jedna otázka a sice: “Co se vlní?” Nejpřirozenější představu vlnění nám dává akustika. Vzduch se střídavě zhušťuje a zřeďuje podél směru šíření zvukové vlny. Zvuk je vlnění podélné. Naproti tomu světlo je vlnění příčné, protože se u něj uplatňuje jev polarizace světla. Polarizace je možná pouze u příčného vlnění, nikoliv u podélného. Zvuk tedy polarizovat nelze. Problém příčného vlnění je ten, že si nedokážeme představit žádnou látku, která by se mohla příčně vlnit. Světlo se navíc šíří i vakuem a představa, že by se vlnila prázdnota je ještě absurdnější. Fyzikové tedy museli vymyslet speciální všudypřítomnou, nehmotnou a nepolapitelnou substanci, kterou nazvali světelný éter. Tehdy již byla známa souvislost mezi elektrickými a magnetickými silami. Tyto síly byly vysvětlovány působením různým napětí ve zvláštním prostředí, který se nazývalo elektromagnetický éter. Svět se tedy zdál být naplněn jakýmisi všepronikajícími fluidy a to dokonce několika druhů, které přes svou éteričnost mohly vytvářet značné elektrické a magnetické síly. Obr. 2 - Model příčného a podélného vlnění
Naštěstí však na přelomu padesátých a šedesátých let přichází James Clerk Maxwell se svou teorií elektromagnetického pole. Všechny známé jevy a zákony se dají vypočítat z Maxwellových, po matematické stránce geniálních, rovnic. Éter se najednou stal zbytečným. Elektromagnetické pole je forma hmoty odlišná od látky v jakémkoliv skupenství.
Projevem elektromagnetického pole jsou pouze elektrické a magnetické síly a nic víc. Aby se fyzikové přesvědčili o pravdivosti Maxwellovy teorie bylo třeba potvrdit ještě některé nové závěry, které z ní vyplývaly. Jedním z nich byla právě existence příčného elektromagnetického vlnění, šířícího se rychlostí světla. Odtud byl vlastně již jen krůček k závěru, že světlo je vlnění elektromagnetického pole.
Obsah
Spektrum elektromagnetického záření
Maxwellovo dílo ukázalo, že elektrické, magnetické a optické jevy mají stejnou podstatu. Vyplynula z něj také existence dalšího elektromagnetického záření. Toto záření však už není světlem, které může člověk vnímat zrakem. Dnes už víme, že země je doslova zaplavována elektromagnetickým zářením z vesmíru. Toto záření pochází ze slunce a dalších vesmírných zdrojů. Člověk však může vnímat zrakem jen nepatrný zlomek tohoto záření. K registraci a měření ostatních druhů elektromagnetického záření musel člověk zkonstruovat zvláštní přístroje a aparatury.
Na základě Maxwellovy předpovědi se fyzikové v osmdesátých a devadesátých letech minulého století vydali na lov neviditelných vln a záření. Byl mezi nimi také mladý německý fyzik Heinrich Hertz. Hertz se věnoval studiu jiskrových výbojů a elektromagnetické indukce při rychlých oscilacích. Podařilo se mu koncem roku 1887 uměle vyvolat krátké radiové vlny. První zprávy o výsledcích jeho pokusů vyvolaly živý zájem vědecké veřejnost. Přicházeli mu blahopřejné dopisy a jeden z nich byl podepsán jménem Wilhelma Conrada Röntgena, které mělo za několik málo let vstoupit do historie.
Večer 8. listopadu 1895 prováděl Röntgen jako obvykle sám ve své laboratoři na Würzburské univerzitě své experimenty s výbojovými trubicemi. Trubici přitom obalil černým papírem, který nepropouštěl světelné ani ultrafialové záření. Nedaleko trubice leželo “náhodou” několik krystalů, které začaly ve tmě světélkovat. Röntgen nazval záření paprsky X a začal s nimi experimentovat. Zkoušel jim dávat do cesty různé překážky, kterými záření nerušeně procházelo. Nakonec jim dal do cesty vlastní ruku a pozoroval její obraz na stínítku. Röntgenův objev způsobil jak ve vědeckých kruzích tak mezi širokou veřejností senzaci. Röntgenovy paprsky X se ukázaly být také elektromagnetickým zářením. Jeho vlnová délka je ovšem mnohem kratší než u světelného záření, řádově několik milióntin metru. Tyto paprsky našly uplatnění hlavně v medicíně, ale také v průmyslové defektoskopii a při výzkumu vlastností krystalů.
Obr.
3 - Spektrum elektromagnetického záření
Řetěz objevů nových paprsků tím však zdaleka neskončil. Henri Becquerel objevil při experimentech s luminiscencí solí uranu radioaktivní záření. Mezi zářením vydávaným radioaktivními látkami bylo objeveno kromě proudů rychle letících částic také elektromagnetické záření ještě pronikavější než záření Röntgenovo. Toto záření dostalo název záření gama. Zahrnujeme pod něj veškeré elektromagnetické záření s vlnovou délkou kratší než několik miliardtin metru.
Dnes známe celé spektrum elektromagnetického záření lišící se pouze svou vlnovou délkou od mnoha kilometrů až po bilióntiny centimetru. Nejdelší jsou vlny radiové, dlouhé střední a krátké. Metrové vlny se používají při televizním přenosu, decimetrové a centimetrové při radiolokaci. Kratší jsou vlny milimetrové, submilimetrové a infračervené. Světelné vlny můžeme vnímat zrakem. Kratší než světelné vlny jsou vlny ultrafialové, rentgenové a konečně záření gama. Všechny tyto vlny jsou téže fyzikální povahy. Každá vlna z tohoto širokého spektra má však své specifické vlastnosti. Základní kvalitativní rozdíl je v přímočarosti šíření. Zatímco dlouhé radiové vlny se ohýbají za kopce, světelný paprsek je již úzce směrovaný. I světelný paprsek se může ohýbat, pouze však za překážky velikostí srovnatelné s jeho vlnovou délkou.
Obsah
Jak vzniká světlo
Víme, že zahřátá tělesa září. Září tak naše slunce, plamen svíčky i vlákno žárovky. Vedle světelného záření vydávají i záření tepelné (infračervené). Jako světelné zdroje jsou velmi neekonomické, protože na světelný výkon vydají pouze nepatrnou část dodávané energie. Zahřejeme-li těleso, dojde ke zrychlení chaotického pohybu atomů a molekul. Ty do sebe naráží a při nárazech získávají nadbytečnou vnitřní energii, dostávají se do vybuzeného (excitovaného) stavu. Tuto získanou vnitřní energii pak vyzáří ve formě elektromagnetického záření. Na druhou stranu mohou atomy také elektromagnetické záření pohltit a zvýšit tak svou vnitřní energii. Zákony vyzařování a pohlcování energie se staly předmětem zkoumání mnoha fyziků na konci minulého století, mezi nimi Gustava Kirchhoffa, Wilhelma Wiena, Ludwiga Boltzmanna, Josepha Stefana a dalších.
Zahřívaná tělesa mohou být z různého materiálu, mohou mít různý tvar, objem a váhu. Co může mít jejich vyzařování společného? Gustav Robert Kirchhoff však došel k poznání, že spektrum záření vycházející z uzavřené dutiny, do níž nahlížíme malým otvorem, má stejné vlastnosti bez ohledu na materiál z něhož jsou stěny dutiny tvořeny a bez ohledu na velikost dutiny.
Jediná veličina, která určuje charakter pozorovaného záření je teplota stěn dutiny. Na určité vlnové délce je záření nejintenzívnější. Současně dopadají vyzařované vlny na protější stranu dutiny, kde jsou pohlcovány jinými atomy. Vznikne tedy rovnovážný stav, který se změní pouze se změnou teploty stěn dutiny.
Na konci minulého století se zdálo, že fyzika už dosáhla vrcholu svého vývoje a že všechny základní zákonitosti přírody jsou poznány. Newtonova klasická mechanika vysvětlovala pohyb jak nebeských těles tak i molekul a atomů. Maxwellova teorie brilantním způsobem popisovala elektromagnetické pole a jeho účinky. Fyzika se jevila jako věda, kterou už ani nestojí za to studovat. Zdálo se, že svět, který nás obklopuje je tvořen dvěma základními formami. Jednak jako látka složená z atomů a molekul a na druhé straně jako pole. Obě tyto formy hmoty jsou rovnoprávné a na sobě nezávislé. Několik málo přírodních jevů (čárová spektra atomů, fotoelektrický jev) se však nedaly na základě těchto představ vysvětlit. Kamenem úrazu se však nakonec stalo záření černého tělesa. Pokusy vysvětlit charakter spektra tohoto záření ztroskotávaly nebo byly úspěšné jen částečně. Někde zřejmě nastala chyba.
14. prosince 1900 vyslovil tehdy dvaačtyřicetiletý Max Planck hypotézu, která umožňovala vypočítat přesně vzorec udávající spektrum záření černého tělesa. Podstata hypotézy byla, že světlo je tvořeno malými částečkami energie nazývanými kvanta. Energie každého kvanta je úměrná kmitočtu daného záření. Toho dne vznikla kvantová fyzika, která zahájila novou éru. Podle představ kvantové fyziky má světlo dvojaký charakter. Světlo je tedy zároveň částicí i vlnou. Spor Newtona a Huygense byl nakonec vyřešen důmyslnou syntézou. Planckova kvanta energie byla později nazvána fotony. Fotony letí prostorem a při srážce s jinou částicí se chovají jako částice. Mezi sebou ale fotony interferují jako vlny. Dopadají-li na dvě štěrbiny, dokážou se zařídit tak, že projdou oběma štěrbinami zároveň a na stínítku vytvoří difrakční obrazec. Kvantová mechanika později ukázala, že tato dvojakost není vlastností pouze fotonů, ale i elektronů a nukleonů a vůbec všech přírodních objektů a že s pohybem mechanickým je spojen i pohyb vlnový.
Planckova kvantová hypotéza sice přivedla fyziky ke správnému vzorci udávající intenzitu jednotlivých částí spektra záření černého tělesa, avšak blíže nepopisovala způsob jeho vzniku. Nevysvětlovala principy vyzařování a pohlcování záření atomy. To se povedlo až dalším rozvojem kvantové teorie na počátku našeho století.
Slavný dánský fyzik Niels Bohr vypracoval v letech 1912-1913 planetární model atomu vodíku. Podle něj obíhají elektrony kolem jádra po vymezených drahách podobně jako planety kolem slunce. Přeskočí-li elektron z jedné dráhy na druhou, může atom získat či ztratit energii v podobě elektromagnetického záření. Energie atomu se změní právě o vyzářené nebo pohlcené kvantum. Poloměr dráhy a další parametry elektronu se musí změnit skokem.
Ve dvacátých letech byla zásluhou předních teoretických fyziků, jako byl Lous de Broglie, Max Born, Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger, P. A. M. Dirac a další, vytvořena matematická teorie kvantové mechaniky, jak ji fyzika používá v dnešní podobě. Je to velmi neobvyklá teorie, protože místo s čísly a funkcemi pracuje se symboly zvanými operátory. Experimenty nicméně dokazují, že pravdivě popisují zákony mikrosvěta. Klasická mechanika stojí na tom, že lze s matematickou přesností určit polohu planet v prostoru v libovolném čase. Při pohybech uvnitř atomů však přestává klasická mechanika platit. Elektron uvnitř atomu se nepohybuje jen jako planeta, ale musí být zároveň vlnou. Nepohybuje se tedy po kruhové dráze, ale koná jakýsi roztodivný tanec kolem jádra, hned je tam a hned zas tady. I přesto je v jeho pohybu jistý řád. Pohltí-li atom světelné kvantum, začne elektron poskakovat ve větší vzdálenosti od jádra.
Způsob jakým se elektron pohybuje pro nás ale není důležitý. Podstatné je, že atom má určitou energii, říkáme, že se nachází na určité energetické hladině. Tato energie je neměnná, dokud atom nepohltí, nebo nevyzáří kvantum elektromagnetického záření. K přeskoku na vyšší energetickou hladinu musí atom pohltit kvantum s určitou energií, tedy určité vlnové délky. Tato vlnová délka se dá vypočítat ze vzdálenosti energetických hladin atomu.
Mezi vyzářením (emisí) a pohlcením (absorpcí) kvanta energie je ale určitý rozdíl. Je zřejmé, že kvantum energie musí být pohlceno ihned po dopadu. Co ale donutí atom na vyšší energetické hladině, aby ji opustil a vyzářil energii?. A tu jsme u jádra věci. Atom zůstane na vyšší hladině různou dobu, podle toho jak stabilní bude jeho stav. Pro každou hladinu existuje určitá střední doba života, po níž atom na této hladině setrvává. Existují hladiny o velmi dlouhé době života, kde se atom udržuje třeba i po dobu celé vteřiny. Takovým hladinám říkáme metastabilní. Dříve nebo později však atom vyšší hladinu opustí a vyzáří elektromagnetické kvantum. Učiní tak sám od sebe, spontánně a proto hovoříme o spontánní emisi záření. Kdy se to stane je pro každý jednotlivý atom věcí náhody.
Co je pro jeden atom věcí náhody, je pro bilióny atomů železným zákonem. V průměru atomy energii jednak vyzařují a jednak pohlcují za přesně vymezenou dobu.
Obsah
Stimulovaná emise
A tu se dostáváme k Albertu Einsteinovi. V době vzniku kvantové teorie na počátku století byl v úzkých stycích s Maxem Planckem. Byl vlastně jedním z prvních, kdo pochopili její plný dosah a sám přispěl k jejímu dalšímu rozvoji. Einstein podal kvantové vysvětlení fotoelektrického jevu, tepelných vlastností krystalů a konečně publikoval práci zásadního významu, v níž odvodil novým způsobem Planckův zákon záření černého tělesa. V ní ukázal, že neexistují pouze dva procesy při vzájemném působení látky a záření, ale tři. Dopadá-li kvantum energie na atom, který se nachází na vyšší energetické hladině a odmítá ji prozatím opustit, může k tomu být přinucen. Původní dopadající kvantum se ale nepohltí. Výsledkem jsou tedy dvě kvanta světelné energie, světlo o dvojnásobné energii. Tento jev dostal název vynucená neboli indukovaná emise záření.
Shrňme si nyní všechny tři možné případy. Budeme si přitom představovat atom, který má pouze dvě energetické hladiny (dvouhladinový systém) a může přecházet z jedné hladiny na druhou za současného pohlcení nebo vyzáření kvanta elektromagnetického záření. V prvním případě máme atom na horní energetické hladině. V některém okamžiku, který nelze předem určit, opustí atom horní hladinu a přejde na hladinu spodní. Zároveň vyzáří kvantum energie, hovoříme o spontánní emisi. V dalších dvou případech dopadá na atom kvantum elektromagnetického záření. Zastihne-li ho na spodní energetické hladině, může být atomem pohlceno a atom přeskočí na horní hladinu, hovoříme o absorpci. Setká-li se záření s atomem na horní hladině, může ho donutit vyzářit další kvantum energie a přejít na spodní hladinu, hovoříme o indukované emisi.
Obr. 4 - Absorpce, samovolná a vynucená emise záření
Tím, že teoreticky předpověděl jev indukované emise, mohl Einstein hlouběji objasnit způsob záření černého tělesa. Stěny tělesa vyzařují díky spontánní emisi. Toto záření se pak od stěn dutiny odráží a může být podle okolností pohlceno, nebo může vyvolat indukovanou emisi. Pravděpodobnost obou výsledků je podle Einsteina stejná. Záleží tedy pouze na tom, zda se foton setká s atomem na spodní hladině, schopným pohltit energii, nebo s atomem vybuzeným (excitovaným) na horní hladině, který může energii vyzářit.
Činnost laseru je založena na principu indukované emise, který Einstein předpověděl již v roce 1916.
Jak se tedy mohlo stát, že tento jev byl poprvé využit až ve čpavkovém generátoru v roce 1954 a že první laser zazářil až v roce 1960? Vždyť princip byl znám téměř čtyřicet let, co tedy bránilo jeho praktickému využití? Zahřáté těleso je v rovnováze. Spektrum záření, průměrné koncentrace atomů na různých energetických hladinách, to vše zůstává neměnné, pokud je udržována stálá teplota. V takovém rovnovážném stavu je atomů s menší energií vždy mnohem více, než atomů vybuzených. Dopadající záření je tedy většinou pohlcováno a počet indukovaných emisí je zanedbatelně malý. V záplavě spontánního záření je takovéto vynucené vyzařování nepostřehnutelné. I když vědci uznávali význam Einsteinovy práce, pokládali ji pouze za teoretickou předpověď a vynucenou emisi považovali za jev velmi slabé intenzity, který nemá žádný praktický užitek a nestojí za namáhavé experimentální zjišťování.
Talentovaný anglický fyzik Paul Adrien Maurice Dirac provedl koncem dvacátých let ještě detailnější matematickou analýzu kvantové teorie záření a dále rozvinul Einsteinovy myšlenky. Einstein i Dirac si byli vědomi vlastností, jaké by vynucené záření mělo. Narozdíl od chaotické spontánní emise bude vyzařování při vynucené emisi mnohem uspořádanější. Dopadající i vyzářené kvantum budou mít totiž stejnou vlnovou délku a stejnou fázi, budou vzájemně koherentní. Světlo vyzářené při indukované emisi nebude pouze zesíleno, zachová si i charakter sinusové vlny, u níž je možno v každém okamžiku a v každém místě určit, zda právě prochází vrchol vlny či jiná její fáze.
Před vynálezem laseru neznala optika zdroje takového koherentního světla. Koherentní světelná vlna má stejné vlastnosti jako radiová vlna, lze ji proto také použít k přenosu zpráv. Je to ale vlna s frekvencí biliónů kmitů za vteřinu. Je-li šířka televizního kanálu kolem 4 megahertz, bylo by možno pouze na viditelných vlnách přenášet vysílání osmdesáti miliónů televizních kanálů zároveň. Koho to ale mělo napadnout v roce 1916, kdy teprve radioamatéři začínali lovit první radiové signály.
Záření vznikající při indukované emisi má pouze jeden přesně stanovený kmitočet, pouze jednu vlnovou délku. Je to dáno tím, že fotony, které na sebe paprsek nabírá vznikají při přeskocích atomů mezi stejně vzdálenými hladinami. Na rozdíl od spontánní emise, kdy je energie nehospodárně rozdělena do širokého spektra záření, dává nám indukovaná emise světlo jednobarevné (monochromatické). Jeho kmitočet a vlnová délka budou přitom vysoce stabilní a to nám dává možnost vytvořit vysoce přesné hodiny nebo standard délkové míry. Einstein i Dirac si byli vědomi toho, že vynucené záření nebude vyzařováno všemi směry, nýbrž podle zákona zachování impulsu bude přesně směrováno.
Vzniklý paprsek bude tedy velmi úzký a světelná energie bude koncentrována v malé oblasti prostoru. Kromě toho je možné očekávat, že záření proběhne velmi rychle, protože dopadající kvantum záření vyvolá téměř okamžitě vynucenou emisi.
K praktickému využití vynucené emise a tím pádem i ke konstrukci prvního laseru bylo třeba ještě vyřešit dva ryze technické problémy.
1. Vytvořit nerovnovážný stav, kdy bude více atomů na vyšších energetických hladinách než na hladinách nižších. V takovém případě hovoříme o populační inverzi a těleso nazýváme aktivním prostředím.
2. Najít způsob, jak udržet paprsek uvnitř aktivního prostředí dostatečně dlouhou dobu, aby stihnul nabrat co nejvíc energie vynucených emisí. Řečeno slovy radiotechnika: vytvořit příslušný rezonanční obvod se zpětnou vazbou.
Obsah
Aktivní prostředí
Abychom mohli zkonstruovat laser, musíme mít nejdřív aktivní prostředí. S různými podobami aktivního prostředí se člověk setkává po celé věky. Zářivý třpyt drahokamů pod dopadajícími slunečními paprsky, lampičky světlušek, světélkování lesních pařezů a bahenních plynů, svítící ornamenty mořských hlavonožců a hlubinných ryb, to vše jsou různé druhy studeného světla vzniklé v energeticky obohaceném prostředí s inverzí populací hladin. Všechny tyto a mnohé další přírodní jevy zahrnujeme pod společným názvem luminiscence. Dlouhodobé světélkování se nazývá fosforescence, zatímco krátkodobé trvající pouze nepatrný zlomek vteřiny se nazývá fluorescence. Nejen zahřátá tělesa mohou svítit, nýbrž i tělesa chladná, mají-li ovšem k dispozici vhodný zdroj energie. Toto studené světlo je dokonce mnohem hospodárnější, protože je zde energie mnohem lépe využita, a tím dává také mnohem více možností k praktickému využití.
Jedním ze základních přírodních zákonů je zákon o zachování a přeměnách energie. Známe mnoho různých druhů energie, které mohou přecházet jedna v druhou tak, že celkové množství energie v každém izolovaném systému zůstává neměnné. Ke vzniku luminiscence je třeba dodat látce energii v libovolné podobě, kromě energie tepelné. Podle druhu energie, která se přeměňuje na studené světlo rozlišujeme několik druhů luminiscence. Pokud dodáváme energii v podobě světelného nebo ultrafialového záření, hovoříme o fotoluminiscenci. Jde-li o energii v podobě elektrického pole nebo proudu, dochází k elektroluminiscenci, svazek elektronů dopadající na obrazovku televizoru vyvolává katodoluminiscenci. Radioaktivní látky vyvolávají radioluminiscenci, ultrazvukem je možno vyvolat sonoluminiscenci, mechanickou deformací tělesa triboluminiscenci.
Konečně světlo tlejících pařezů a světlušek má svůj původ v chemické energii procesů probíhajících v živé hmotě a proto nese název chemiluminiscence a bioluminiscence.
Každý druh energie, který lze použít k vyvolání luminiscence, můžeme použít také při konstrukci laseru. Dnes tedy známe lasery buzené světlem, elektrickým proudem, svazkem elektronů, chemické lasery a další. Každý z uvedených druhů laserů má své přednosti i nevýhody a nachází použití v různých oblastech lidské činnosti. Při přeměně jednoho druhu energie v druhý je také důležitá účinnost této přeměny. V žárovce se mění jen necelá tři procenta elektrické energie ve světlo. U zářivek je to už něco kolem deseti až patnácti procent. Zato světluška dokáže přeměnit svou biochemickou energii na světlo téměř na sto procent. V tomto ohledu překonává příroda vše, co se zatím podařilo člověku dosáhnout. Obsah
Rezonanční obvod
Rezonanční obvod, zpětná vazba - to není jazyk optiky. Je to cizí řeč radiotechniky, optika nemyslí v těchto termínech. Proto také není laser dílem optiků ale odborníků v oblasti vysokofrekvenční radiotechniky a radioskopie.
K přenosu zpráv používáme radiové vlny dlouhé, střední a krátké, jejichž vlnové délky překrývají oblast od několika desítek metrů do několika kilometrů. Základním prvkem generátoru těchto vln je oscilační obvod skládající se z cívky a kondenzátoru. Pokud chceme obvod vyladit na určitý kmitočet, provedeme to změnou kapacity kondenzátoru, nebo změnou indukčnosti (počtu závitů) cívky. V oscilačním obvodu protéká rychle oscilující střídavý elektrický proud, který vytváří na deskách kondenzátoru střídavé elektrické pole a v závitech cívky střídavé magnetické pole. Je to obvod se soustředěnými parametry, kde indukčnost a kapacita jsou od sebe výrazně odděleny. Připojíme-li k obvodu anténu, začnou se elektromagnetické vlny rozbíhat do prostoru podobně jako vlny na vodní hladině.
Obr. 5 - Oscilační obvod
Pokud se obvod ponechá sám sobě, jsou kmity tlumeny až se nakonec kmitání v obvodu zastaví. Pokud chceme, aby generátor pracoval nepřetržitě, musíme mu dodávat energii. Tato energie musí ale přicházet v pravý okamžik a k tomu slouží elektronka nebo tranzistor jejichž ovládací prvek je spojen s obvodem zpětnou vazbou. Zpětná vazba je důležitá nejen při řízení činnosti oscilačního obvodu, ale neobejde se bez ní ani činnost lidské společnosti.
Obr. 6 - Oscilační obvod se zpětnou vazbou
Už dříve jsem se zmínil o tom, že čím kratší mají vlny vlnovou délku, tím přímočařeji se šíří. Z toho důvodu se zdály krátké vlny nevhodné pro spojení na velké vzdálenosti a staly se doménou radioamatérů. Rok 1921 však přinesl ohromující objev.
Slabé, vlastnoručně zhotovené radioamatérské stanice navázaly spojení na vzdálenosti mnoha tisíc kilometrů. Vědci okamžitě obrátili svou pozornost ke krátkým vlnám a zjistili, že se odrážejí od vrstev ionosféry, která pro ně funguje jako zrcadlo, a vracejí se zpátky na zem.
Pokud se ale krátké vlny odrážejí od ionosféry, mohou se odrážet i od jiných elektricky vodivých předmětů jako jsou lodě, letadla a další. Příjem odražených rádiových signálů může odhalit přítomnost kovového předmětu, určit jeho vzdálenost, rozměry a na základě Dopplerova jevu i rychlost jeho pohybu. Krátké radiové vlny přitom procházejí tmou, mlhou a nevadí jim nepříznivé povětrnostní podmínky. Takovéto zjišťování polohy letadel a lodí , případně i jiných předmětů, má velký vojenský i mírový význam. Tato oblast použití radiových vln dostala název radiolokace, anglicky radar (Radio Detecting and Ranging). Směrovaný paprsek velmi krátké radiové vlny může však také ukazovat cestu letadlům a lodím a vést je bezpečně nocí a mlhou. V takovém případě hovoříme o radionavigaci.
Upřesněme si pojem velmi krátkých rádiových vln. Zkracování vlnové délky, nebo růst kmitočtu elektromagnetického vlnění má důležité praktické důsledky. Vlna o kratší délce, je-li náležitým způsobem modulována, může přenášet větší množství informací. V oblasti krátkých nebo velmi krátkých vln můžeme najít mnohem více stanic mnohem těsněji u sebe než je tomu u vln dlouhých. Nejde však jen o počet stanic. Vyšší kmitočty umožňují zvětšit i šířku vysílacího kanálu, použít kmitočtové modulace a dosáhnou tak kvalitnějšího příjmu. Také rušení vnějšími poruchami je přitom možno prakticky vyloučit.
Televizní kanál musí přenášet mnohem více informací než kanál rozhlasový. Využívá proto kmitočtu kolem jednoho sta megahertzů, tedy vln o délce několika metrů. Tyto vlny se ale šíří už dost přímočaře a proto se k přenosu na větší území nebo delší vzdálenosti využívá sítě retranslačních stanic nebo komunikačních družic.
Naopak z hlediska potřeb radiolokace je přímočarost šíření nezbytnou podmínkou. Pro přesnější určení vzdálenosti se používá dokonce vln decimetrových a centimetrových, které obvykle nazýváme mikrovlnami. Mikrovlnná technika se však liší od techniky v oblasti radiových vln. Při práci s mikrovlnami nemůžeme již používat oscilační obvod z kondenzátoru a cívky a střídavé proudy s tak vysokým kmitočtem už nemůžeme přenášet po drátech. S rostoucí frekvencí radiových vln klesá počet závitů cívky a kapacita kondenzátoru v oscilačním obvodu. Pro mikrovlny je však i jen jeden závit příliš.
Sebeméně ohnutý drát je pro ně cívkou i kondenzátorem zároveň, tedy i anténou. Místo aby poslušně sledovaly vedení, jsou mikrovlny drátem vyzařovány do okolního prostoru.
Proto se k vedení mikrovln používá dutých uzavřených trubic, obvykle obdélníkového průřezu, s vysoce vodivými, nejčastěji vyleštěnými a postříbřenými stěnami. Říká se jim vlnovody. Mikrovlnná laboratoř se pozná podle toho, že je v ní změť různých hranatých rour - vlnovodů. Průřez vlnovodu má vždy rozměry přibližně odpovídající vlnové délce a proto není těžké poznat, s jakými vlnami v té či oné laboratoři pracují. Místo oscilačního obvodu se u mikrovln používá uzavřené dutiny, tedy kovové krabice, uvnitř které se vlny odrážejí od stěn a vzniká tam stojaté vlnění. Rozměry dutiny opět zhruba odpovídají vlnové délce. U kratších vln (milimetrových) je už těžší vytvořit takovou dutinu a to klade velké nároky na jemnou práci.
Jako generátory se pro mikrovlny používají dva hlavní typy: klystrony a magnetrony. V klystronu vytvářejí pohybující se elektrony shluky, které při průletu dutinovým rezonátorem v něm udržují netlumené oscilace. Magnetron je kovový válcový blok s osmi propojenými rezonančními dutinami a je umístěn v poli silného magnetu. Elektrony, které vyletují z centrálně umístěné katody radiálně všemi směry, zakřivují své dráhy v magnetickém poli. Vytvoří nakonec opět systém shluků, tentokrát v podobě ohnutých paprsků vozového kola, které se otáčejí kolem osy. Při průletu kolem rezonančních dutin předávají elektrony opět část své energie a udržují oscilace v dutinách. Rozměry samotného magnetronu nejsou velké, ale celé ovládací a napájecí zařízení vydá už na pořádnou skříň.
K vysílání a přijímání decimetrových a centimetrových vln se používá parabolická anténa, která slouží současně jako přijímač i vysílač. Otáčením antény je možno prohledávat oblohu na velké vzdálenosti bez ohledu na nepříznivé počasí. Další oblastí, kde se uplatňuje mikrovlnná technika je radiospektroskopie. Zabývá se elektromagnetickým vyzařováním atomů a molekul v mikrovlnné oblasti spektra. Mikrovlnným vyzařováním Slunce a jiných vesmírných objektů se zabývá radioastronomie. K příjímání signálů používá obrovské parabolické antény a zesilovací aparatury se většinou chladí, aby se potlačil jejich vlastní tepelný šum. Radioastronomie se zabývá i vesmírnými objekty, které nevysílají světelné záření a proto je nemůžeme pozorovat dalekohledy.
Jeden ze zájmů radioastronomie je i zachytit vysílání jiných inteligentních bytostí ve vesmíru.
Obsah
Maser
Historický vývoj radiospektroskopie vedl od nepatrných vlnových délek směrem k mikrovlnám. Radiotechnika naopak postupovala od vln dlouhých a středních k vlnám kratším. Ve čtyřicátých letech našeho století se oba tyto obory sešly v oblasti mikrovln.Oba obory si navzájem vyměnily poznatky a odborníci si byli nuceni osvojit myšlenky a přístroje z toho druhého odvětví. A zde, na rozhraní mezi dvěma vědními obory se zrodila nová myšlenka - kvantový generátor mikrovln, maser [mejzr].
Ke konstrukci kvantového generátoru, jak jsem se zmínil výše, bylo třeba vyřešit dva ryze technické problémy: rezonační obvod a aktivní prostředí. Pro mikrovlny slouží jako rezonanční obvod dutinový rezonátor. Bylo teda jen třeba vytvořit vhodné aktivní prostředí. Teoreticky se o různých metodách vytvoření aktivního prostředí diskutovalo již několik let. Zbývalo tedy, aby někdo tyto teorie převedl do praxe. Chyběla tu ale potřeba kvantového generátoru mikrovln, protože by byl výkon takového generátoru podstatně menší než výkon magnetronu.
Látkou, která posloužila jako aktivní prostředí prvnímu kvantovému generátoru se stal čpavek. Molekula čpavku má tvar čtyřstěnu, kde podstava je tvořena třemi molekulami vodíku a vrchol molekulou dusíku. Molekula vykonává různé rotační a kmitavé pohyby. Nejzajímavější je takzvaný pohyb inverzní, kdy se atom dusíku střídavě přibližuje a oddaluje od základny, kde na něj působí odpudivé síly vodíkových atomů. Po mnoha marných pokusech se mu podaří dostat skrz a vytvoří se molekula zrcadlově shodná. Průchod molekule dusíku umožňuje takzvaný tunelový jev. Ve světě atomů platí, že když nemá částice dostatek energie aby se dostala přes bariéru, stejně se přes ní dostane, bude-li se o to mnohokrát marně pokoušet. Pokud budeme molekulu pozorovat déle zjistíme, že atom dusíku kmitá z jedné strany na druhou s frekvencí 24 miliard kmitů za vteřinu a vyzařuje přitom elektromagnetickou vlnu o délce 1,25 centimetru.
Obr. 7 - Molekula čpavku
Jednou z možností jak vytvořit aktivní prostředí je přímá separace. Vytvoříme svazek rychle letících molekul a z něj vybereme atomy na vyšší energetické hladině a ty potom soustředíme v prostoru rezonátoru. První kvantový generátor se zrodil na dvou místech zároveň. Prvním místem byl Fyzikální ústav P. N. Lebeděva, akademie věd SSSR v Moskvě a tvůrci byli Nikolaj Gennadievič Basov a Alexandr Michaljovič Prochorov. Druhým místem potom byla Kolumbijská univerzita v New Yorku a tvůrcem Charles Hard Towens se svými spolupracovníky.
Všichni tři byli za svou práci v oblasti kvantových generátorů odměněni v roce 1964 Nobelovou cenou za fyziku. Všichni tři také pracovali v hraniční oblasti mezi fyzikou a radiotechnikou.
Oba dva týmy vedla k cíli stejná myšlenková úvaha. Při výzkumech radiospektroskopie se používala trubice naplněná plynem, ale svazek letících částic by měl spektrální čáry mnohem ostřejší. Je ale velmi obtížné vytvářet svazky o velké hustotě a proto je intenzita čar malá a je třeba hledat způsob, jak ji zvýšit. Nedalo by se k tomu účelu použít vynucené emise, jejíž existenci předvídal v roce 1916 Einstein? Tak se zrodila myšlenka kvantového generátoru, nikoliv z přímé potřeby technické praxe, nýbrž z úsilí o zpřesnění fyzikálního měření. První kvantový generátor centimetrových vln používající svazek molekul čpavku byl uveden do provozu současně v Moskvě a v New Yorku v roce 1954.
V roce 1954 vstoupil svět do věku kvantové radiotechniky. Towens používal pro označení přístroje výraz maser, který vznikl zkrácením dlouhého Microwave amplification by stimulated emission of radiation, tedy zesílení mikrovln pomocí vynucené emise záření.
Podívejme se nyní, jak pracuje první kvantový generátor mikrovln, neboli čpavkový maser. Plynný čpavek prochází z rezervoáru redukčním ventilem do měrné komůrky, kde je udržován požadovaný tlak plynu. Odtud procházejí molekuly čpavku kanálky a clonami do vakuové komory vyčerpané asi na milióntinu milimetru rtuťového sloupce. V komoře prolétává svazek molekul elektrickým polem čtyřpólového kondenzátoru (selektoru). Siločáry tohoto pole jsou silně zakřiveny a kondenzátor působí jako spojná čočka pro molekuly na vyšší hladině a jako rozptylka pro molekuly s nižší energií. Tím dochází k selekci molekul. Do dutinového rezonátoru vstupuje pak již nadbytek energeticky bohatých molekul a vzniká zde aktivní prostředí. Takto zaplněný rezonátor může působit jako zesilovač velmi slabých mikrovlnných signálů, případně jako generátor centimetrových vln.
Popsané zařízení není velké a může být uzavřeno v kompaktní kovové schránce, ale zdroj napětí, vakuová aparatura a chladicí zařízení dělají z maseru nepřenosnou a složitou aparaturu. Výkon čpavkového maseru není velký, asi něco kolem jedné miliardtiny wattu. Jako zesilovač má i další nevýhody, má malý rozsah a úzkou šířku pásma a nelze přelaďovat. Co je tedy jeho hlavní výhodou? Je to zejména stabilita kmitočtu a nízká úroveň šumu. Stabilita kmitočtu z něj vyváří nejpřesnější hodiny, jaké kdy byly vytvořeny, s teoretickou odchylkou jedné vteřiny za několik miliónů let.
Nízká úroveň šumu dovoluje maseru zesilovat i velmi slabé signály, třeba z hlubin vesmíru.
Čpavkový maser není jediným druhem maseru. V roce 1960 byl sestrojen vodíkový maser. Hlavní odlišnost vodíkového maseru je v tom, že nepoužívá k selekci molekul kondenzátor ale nehomogenní magnetické pole a rezonátor není průletový. Vodíkový maser má vyšší přesnost kmitočtu a užší šířku pásma. Pracuje na vlně o délce 21 centimetrů. Na této vlně vysílá také atomární vodík přítomný všude ve vesmíru. Předpokládá se, že jiné inteligentní bytosti si tohoto vyzařování určitě všimly a budou se právě na této vlně snažit o kontakt s jinými civilizacemi.
Vedle čpavkového a vodíkového maseru existují i další druhy, mezi nimi i masery založené na principu elektronové paramagnetické rezonance. Některé látky vložené do magnetického pole začnou pohlcovat elektromagnetické vlny o určitém přesně stanoveném kmitočtu, který závisí na velikosti magnetického pole a lze jej tudíž ovlivňovat. Tento jev byl teoreticky předpovězen již v roce 1923 a objasněn na základě představ o spinu elektronů v magnetickém poli a dostal název elektronové paramagnetické rezonance. Elektrony se v magnetickém poli chovají jako malé roztočené vlčky. Ty, které se otáčejí jedním směrem, mají vyšší hladinu energie a ty, které se otáčejí druhým směrem, menší. Pokud se nám podaří přimět všechny točit se stejným směrem, vytvoříme aktivní prostředí. To se dá provést několika způsoby, rychlou změnou směru magnetického pole nebo pomocí krátkého impulsu vysokofrekvenčního elektromagnetického pole.
Obr. 8 - Tříhladinový systém (čerpání a vynucená emise)
Výše uvedený systém je dvouhladinový a to s sebou přináší jednu nevýhodu. U dvouhladinového systému tohoto druhu jsou okamžiky vyzáření energie a zásobování novou energií od sebe odděleny a generátor nemůže pracovat plynule. To přivedlo vědce k myšlence vytvořit tří- a vícehladinový systém. Látce dodáváme energii ve formě nekoherentního elektromagnetického záření o určité vlnové délce, tento proces nazýváme pumpování nebo čerpání. Atomy pohltí toto záření a přejdou na vyšší energetickou hladinu, ale i opačně. Po určité době je přechod mezi hladinami přesycen a vytvoří se vněm rovnováha, kdy je na obou hladinách v průměru stejný počet atomů. To ale ještě nemáme aktivní prostředí. Vložíme-li však mezi hladiny hladinu třetí, může se stát, že atomy budou bez vyzáření padat z horní na tuto prostřední a udrží se zde relativně dlouhou dobu. Na této hladině, říkáme jí pracovní, bude počet elektronů větší než na hladině spodní a tím vytvoříme aktivní prostředí.
Tento generátor bude vydávat záření odpovídající rozdílu prostřední, tedy pracovní, a spodní energetické hladiny. Pokud chceme dostat například centimetrové vlny, musíme generátoru dodávat vlny kratší, tedy milimetrové. Když posvítíme na krystal rubínu zeleným světlem fotografické výbojky, dostaneme rudý paprsek světla. Tím se ukazuje přímá cesta vedoucí k laserům.
U tříhladinových maserů se jako aktivní prostředí používá některý speciální krystal, například rubín, který je vložen do rezonanční komory a chlazen tekutým héliem a spolu s ní umístěn mezi pólovými nástavci silného magnetu. Tříhladinový maser se rovněž uplatní jako bezšumový zesilovač. Nemusí být umístěn ve vakuu, čímž odpadá jedna složitá aparatura, ale stále zůstává zdroj napětí a chladící technika, které tvoří z maseru značně nemobilní zařízení, které by se těžko montovalo například na družici. I s těmito problémy si nakonec technika poradí a bude možno konstruovat malé kompaktní krystalové masery, které budou pracovat spolehlivě i ve vesmíru.
Obsah
První laser
V roce 1954 se podařilo sestrojit první kvantový generátor. Odtud je již jen krůček vedoucí k laserům. Vědci byli ale natolik zaměstnáni maserem, že už nestačili myslet na konstrukci laseru. Bylo však třeba vyřešit, z konstrukce maseru dobře známé, dva technické problémy, rezonanční obvod a aktivní prostředí. S tím však už nemohla pomoci radiotechnika a musela nastoupit optika. Rezonanční obvod používaný pro mikrovlny zde nelze použít. Už vytvoření rezonátoru pro milimetrové vlny je velmi těžké a vytvoření dokonale vyleštěného a postříbřeného rezonátoru rozměrem srovnatelného s vlnovou délkou viditelného záření technicky nemožné. Navíc by se do takových rozměrů nevešlo příliš látky aktivního prostředí a výkon takového zařízení by byl velmi malý.
Proč ale uzavírat světlo do kovové schránky? Vždyť by bylo možné ho nechat kmitat mezi dvěmi rovnoběžnými zrcadly. Takový systém zrcadel se nazývá Fabry-Perotův interferometr. Mezi optickým rezonátorem a rezonátorem mikrovlnným je však určitý rozdíl. Tam je délka dutiny přibližně shodná s vlnovou délkou záření a uvnitř dutiny se vytvoří stojaté vlnění. Rezonátor může být naladěn na jednu určitou frekvenci. Vzdálenost zrcadel optického rezonátoru je však téměř miliónkrát větší než vlnová délka světla. Vede to k tomu, že v rezonátoru kmitá zároveň velké množství vidů záření, které se nepatrně liší svou vlnovou délkou a tedy i frekvencí. Můžeme tedy říci, že, i když je laserový paprsek koherentní, skládá se přesto z více vln o různém kmitočtu.
Systém zrcadel se dá u laserů používat dvojím způsobem.
Je-li aktivním prostředím krystal, stačí rovnoběžně zbrousit a vyleštit jeho dvě protější strany. Pro zvýšení odrazivosti se můžou plošky pokrýt vrstvičkou stříbra. Zrcadla přímo spojená s aktivním prostředím se nazývají vnitřní. Můžeme také použít zrcadla vnější, která nezávisí na typu aktivního prostředí. Mají tu výhodu, že je lze mechanicky nastavovat a že můžeme studovat vlastnosti laserového paprsku přímo uvnitř rezonančního prostoru. Pokud používáme vnější zrcadla, musíme vyloučit odrazy na koncových stěnách krystalu nebo skleněné trubice. Proto bývají konce trubice či krystalu zešikmeny pod takzvaným Brewsterovým úhlem, kdy nedochází k odrazu světla polarizovaného v rovině dopadu. Vnější zrcadla se většinou nepoužívají rovinná, ale dutá kulová, výhodně umístěná vzhledem ke své ohniskové vzdálenosti. Takový rezonátor je méně citlivý k malým odchylkám.
Bylo vypracováno mnoho teoretických prací zabývajících se aktivním prostředím laserů. Objevovaly se návrhy použít aktivního prostředí při výbojích v plynu. V roce 1959 byl navržen princip polovodičového laseru. Towens, jeden z tvůrců prvního maseru, navrhoval páry draslíku. Další otázka se týkala čerpání energie. Uvažovalo se o impulsních lampách (fotoblescích), zda bude jejich výkon stačit. To bylo již nutno zkusit. Koncem roku 1959 se začala pozornost vědců obracet k rubínu. Rubín je po chemické stránce oxid hlinitý s příměsí chrómu. Rubín je jeden z nejušlechtilejších drahých kamenů. Naštěstí byl začátkem našeho století nalezen způsob jeho umělého pěstování a daří se tvořit krystaly rubínu vysoké čistoty o délce několika decimetrů a průměru kolem dvou centimetrů.
Rubín jeví fotoluminiscenci. Jeho atomy pohlcují zelené světlo a dostávají se na metastabilní energetickou hladinu, kde setrvávají několik tisícin vteřiny. Když atomy přecházejí na nižší hladinu, vyzařují charakteristické červené světlo. Vezmeme-li krystal umělého rubínu, vyleštíme jeho koncové stěny, pokryjeme je tenkou vrstvičkou stříbra a ozáříme krystal zeleným světlem, můžeme očekávat, že jedním ze zrcadel pronikne červený paprsek laserového světla. Přesně to provedl americký fyzik T. Maiman v létě roku 1960 a stal se tak tvůrcem prvního laseru.
Maimanův laser byl velmi nedokonalý a zdaleka ne tak efektní, jako dnešní lasery. Jeho rubín měl tvar krychličky o hraně jednoho centimetru a dvě protilehlé stěny byly postříbřeny. Maimain ho pravidelně osvětloval záblesky zeleného světla a srovnával světlo, které vycházelo z okénka v postříbřené straně se světlem ze strany boční.
Při dostatečně silném osvětlení se začala zužovat červená spektrální čára a její intenzita začala narůstat. Červené světlo vycházející okénkem začalo být koherentní, monochromatické a směrované. V tomto svém prvním experimentu mohl Maiman pouze sledovat zužování spektrální čáry a narůstání její intenzity, což byl však neklamný příznak toho, že krystal začal “laserovat”.
Dokonalejším způsobem byl Maimanův experiment proveden skupinou amerických fyziků R. I. Collinsem, D. F. Nelsonem, A. L. Schawlovem, W. Bondem, G. B. Garettem a W. Kaiserem. Jejich rubín měl již délku čtyř centimetrů a vyzářená energie činila jednu setinu joulu. Laserový puls trval několik desetitisícin vteřiny a výkon tohoto laseru byl tedy kolem 100 wattů. Collins se svými spolupracovníky pozoroval vedle monochromatičnosti také prostorové soustředění světla do úzkého kužele s vrcholovým úhlem menším než jeden stupeň. Provedl také difrakční pokus, který prokázal koherenci světelného paprsku.
Obsah
Lasery současnosti
Od spuštění prvního laseru uběhlo téměř čtyřicet let. Během té doby se, zejména v šedesátých letech, začaly objevovat další typy laserů, lišící se aktivním prostředím, nebo konstrukčním uspořádáním. Vznikaly také lasery s dalšími vlnovými délkami v oblasti viditelného , infračerveného, ultrafialového a dokonce i rentgenového záření. Každý z těchto laserů našel uplatnění v jiné oblasti lidské činnosti. Ne každý laser se hodí pro každý účel.
Při sváření a vrtání je určující charakteristikou výkon laseru, proto se zde uplatňují impulsní lasery. Zvyšování výkonu se ale nedělo zvyšováním energie vyzářené laserem. Celková vyzářená energie nemůže být větší než energie přijatá. Výkon laseru ale také závisí na délce laserového pulsu, čím bude puls kratší, tím větší bude výkon. Zkracování délky pulsu vedlo až k několika nanosekundám. Takovým pulsům říkáme gigantické nebo obří a získáváme výkony slušné elektrárny. Při přenosu informací se naopak používají lasery pracující v nepřetržitém režimu. Atmosféra ale laserový paprsek silně oslabuje, proto je vhodné použít lasery pracující v oblasti takzvaných atmosférických oken, pro která je atmosféra velmi průzračná. Většina laserů pracuje na jedné určité frekvenci, kterou není možné měnit. Pokud chceme používat více frekvencí, použijeme lasery přeladitelné. Pokud používáme laser k přenosu energie je pro nás nejdůležitější účinnost přeměny energie v laserový paprsek. V tomto ohledu jsou na tom nejlépe lasery polovodičové. Pro lasery pracující ve vesmíru potřebujeme nezávislý zdroj energie.
Neexistuje univerzální laser, který by vyhověl všem podmínkám.
Laserů je velké množství a každý něčím vyniká a je vhodný k určitému použití. Jednotlivé typy se také postupem času zdokonalovaly a vylepšovaly se jejich parametry. Nejlepší bude si lasery nějak rozdělit a každý typ krátce charakterizovat.
Obsah
Základní typy laserů
Lasery lze rozdělit podle různých kritérií. Podle povahy aktivního prostředí rozlišujeme lasery
pevnolátkové
kapalinové
plynové
lasery využívající svazky nabitých částic.
Podle způsobu čerpání energie lze lasery rozdělit na lasery čerpané
opticky (výbojkou, jiným laserem, slunečním světlem a radioaktivním zářením)
elektricky (srážkami v elektrickém výboji, svazkem nabitých částic, injektáží elektronů, interakcí elektromagnetického pole se shluky nabitých částic)
chemicky (energií chemické vazby, fotochemickou disociací, výměnou energie mezi molekulami a atomy)
termodynamicky (zahřáním a ochlazením plynu)
jadernou energií (reaktorem, jaderným výbuchem)
Z hlediska režimu práce mohou lasery pracovat kontinuálně (spojitě, nepřetržitě) nebo impulsně.
Lasery můžeme dělit také podle vyzařované vlnové délky na
infračervené
lasery v oblasti viditelného světla
ultrafialové
rentgenové
Konečně můžeme lasery dělit podle použití na lasery
výzkumné
měřící
lékařské
technologické
energetické
vojenské
Přidržíme se dělení podle povahy aktivního prostředí.
Obsah
Lasery využívající pevné látky
Do této skupiny patří lasery využívající rozptýlené ionty v krystalických nebo amorfních látkách, polovodičové lasery a lasery s krystaly s barevnými centry.
Nejstarším laserem je laser rubínový. Jako aktivní prostředí je použit krystal korundu (Al2O3) s příměsí chromu (řádově desetiny procenta), který představuje aktivní látku. Laser vyzařuje červené světlo o vlnové délce 0,6943 mikrometru a pohlcuje energii světla výbojky (kratší vlnové délky, zelenou část spektra). Dříve se používalo výbojky tvaru šroubovice, která ovíjela krystal. Výroba takové výbojky ale činí potíže, proto se přešlo na lasery s eliptickými zrcadly. Světlo vydávané výbojkou umístěnou v jednom ohnisku se soustřeďuje v druhém ohnisku, kde je umístěn krystal. Je to laser tříhladinový pracující v pulsním režimu. Pulsní režim je nutný, protože se krystal při čerpání energie silně zahřívá.
Nejrozšířenější jsou lasery s neodymovým sklem, kde jsou ionty neodymu rozptýleny ve skleněné matrici a lasery YAG s krystalem yttrio - hlinitého granátu dotovaného neodymem. Neodymové sklo může být vyráběno v prakticky neomezenýh rozměrech a dosahováno tak velkých laserových energií.
Atomy neodymu pracují jako čtyřhladinový systém. Laser vyzařuje infračervený paprsek o velké energii. Pokud jde o YAG laser, vyznačuje se vysokou účinností, stačí jej osvětlit pouhou žárovkou a může vydávat spojité světlo o výkonu stovky wattů. V poslední době se osvědčují i takzvané YAP lasery s krystalem yttrio - hlinitého perovskitu.
Obr. 9 - Injekční polovodičový laser
Vedle korundu, skla a yttrio-hlinitého granátu se jako základní materiál používá fluorit, wolframan vápenatý a jiné. Jako aktivní příměsi slouží většinou prvky vzácných zemin: chrom, kobalt, nikl nebo uran. Tyto prvky vydávají převážně červené a infračervené záření.
Obr. 10 - Polovodičový laser s heterostrukturou
Vlastnosti polovodičových krystalů, zejména přechodu PN byly zkoumány již dříve a tak se také brzy zrodila myšlenka využít elektroluminiscenční vlastnosti polovodičů k sestrojení laseru. Polovodičové lasery lze také zařadit mezi lasery pevnolátkové, mají však své zvláštnosti a významné použití především v optoelektronice.
První polovodičové lasery byly injekčního typu, využívaly tedy vlastností PN přechodu a jako nejvhodnější materiál se ukázal arsenid galitý. K nevýhodám tohoto laseru patří nutnost jeho chlazení na teplotu kolem 77 kelvinů tekutým dusíkem. Laser pracuje na vlně 0,840 mikrometrů a jeho výkon a účinnost silně závisí na provozní teplotě.
V dalším vývoji polovodičových laserů sehrála zásadní úlohu práce sovětských vědců, kteří našli způsob vytváření struktur s heteropřechody. Tak laser na struktuře AlGaAs může pracovat již při pokojové teplotě a s účinností kolem 20 procent a dávat kolem 200 miliwattů nepřetržitého výkonu. Vedle injekčních polovodičových laserů se podařilo realizovat i elektroionizační polovodičové lasery, například na krystalu sulfidu kademnatého. Laser vydává při pokojové teplotě zelené světlo o vysokém impulsním výkonu.
Obsah
Lasery kapalinové
Kapalinové lasery pracující s cheláty různých prvků vzácných zemin se objevily již v roce 1963. Výhodou je, že můžou zabírat neomezeně velký objem a jsou dokonale homogenní. Nevýhodou ale je, že se chemicky rozkládají.
Důležitou skupinou jsou však zejména barvivové lasery, které využívají roztoků různých organických látek, například rhodaminu. K těmto kapalinovým laserům patří i lasery na barevných centrech, krystalech s různými defekty vyvolávající absorpci na různobarevných spektrálních čárách (krystal KCl s příměsí lithia).
Barvivové lasery a lasery na barevných centrech mají společnou vlastnost, která je předurčuje k použití ve spektroskopii a v informační technice. Jsou přeladitelné a vlnovou délku laserového záření lze u nich plynule měnit.
Obsah
Lasery plynové
Z plynových laserů se stal nejznámějším laser helium - neonový generující jak červené (na vlně 06328 mikrometru), tak infračervené záření. Helium-neonový laser tvoří dlouhá skleněná trubice naplněná směsí neonu a hélia, v níž se budí elektrický výboj na vysokém kmitočtu nejčastěji vnějšími elektrodami. Konce trubice bývají zkoseny pod Brewsterovým úhlem a celá trubice je umístěná mezi zrcadly vnějšího rezonátoru. Jako aktivní plyn působí neon. Paprsek má vysokou stabilitu kmitočtu (vyšší než u maseru) a malou rozbíhavost. To předurčuje hélium-neonový laser k funkci přesných hodin, přesného dálkoměru a k účelům telekomunikačním a geodetickým.
Obr. 11 - Plynový helium - neonový laser
Plynové lasery se ukázaly jako velmi perspektivní a mohutné zdroje infračerveného i ultrafialového záření a našly významné uplatnění v technice a technologii. Je to dáno tím, že objem plynu je možno podle potřeby zvětšovat, plynulým přítokem je možné dodávat stále nové aktivní prostředí a je možno je čerpat nejrůznějšími mechanismy, elektricky, chemicky apod. Plynové lasery mají vyšší účinnost, protože přeměna elektrické energie ve výboj je hospodárnější. Proto tyto lasery pracují v nepřetržitém režimu, ale jejich trvalý výkon není moc velký.
Argonový laser vydává modrozelené světlo (zelené na vlně 0,514 mikrometru a modré na vlně 0,488 mikrometru). Je pro něj typická vysoká hustota elektrického proudu protékajícího výbojem a vysoká teplota. Výbojová trubice se obyčejně zhotovuje z keramického materiálu a proud se izoluje od stěn magnetickým polem. Laser je schopen generovat desítky wattů ve spojitém režimu a je vhodný i pro technologické účely. Podobné vlastnosti má i kryptonový a kadmiový laser a lasery s parami kovů, například mědi. Hélium-kadmiový laser je zajímavý tím, že je tříbarevný - vyzařuje světlo modré, zelené a červené.
Nejvýkonnějšími z plynových laserů se staly laser s oxidem uhličitým (CO2 laser) a lasery chemické. Laser s oxidem uhličitým generuje infračervené záření na vlně 10,6 mikrometru, tedy právě uprostřed atmosférického okna. Vzhledem k velikosti trubice může podávat vysoké výkony. U tohoto laseru se postupně uplatňovaly nové způsoby čerpání energie. V roce 1966 využití tepelné energie, která vzniká při prudké expanzi zahřátého plynu. Tak byly realizovány gazodynamické lasery s rychlým, nadzvukovém proudem oxidu uhličitého.
V letech 1970-1971 to pak bylo čerpání pomocí svazku elektronů (elektroionizační lasery EIL). To umožnilo použít plyn pod vysokým tlakem a dále zvýšit laserový výkon. V roce 1969 vznikly v USA lasery s oxidem uhličitým pod atmosférickým tlakem a s příčným buzením (tak zvané TEA lasery, transverse excitation atmospheric - příčné buzení, atmosférický). Takové lasery umožní vytvořit výkonné tepelné stroje s uzavřenou cirkulací plynu, v nichž se tepelná energie mění v obrovskou energii infračerveného záření. CO2 laser nachází uplatnění v technologii, ve vojenské a kosmické technice a ve vědeckém výzkumu.
Chemické lasery využívají k čerpání energie do aktivního prostředí energie exotermických řetězových chemických reakcí. První takový laser s použitím reakce mezi vodíkem a chlorem byl zkonstruován v roce 1965 a první výkonné lasery tohoto druhu založené na reakci vodíku a fluoru vznikly v roce 1969. Zvláštním druhem chemického laseru založeného na disociaci molekul ultrafialovým zářením (takzvaný fotodisociační laser) je laser jódový.
Po dlouhou dobu nebyly k dispozici lasery generující ultrafialové záření. Podařilo se ho nakonec získat pomocí speciálních laserů plynových (dusíkový laser), avšak rozhodující obrat znamenaly až lasery excimerové. Tato skupina laserů využívá jako aktivního prostředí zvláštního druhu molekul, excimerů, vytvářených za účasti atomů vzácných plynů. Tyto molekuly, jinak nestabilní, mohou existovat jen za zvláštních podmínek, například v plynovém výboji, s atomy ve vysoce vybuzených, excitovaných stavech. Při rozpadu těchto exotických molekul vzniká právě ultrafialové záření. První excimerový laser byl realizován v roce 1970. Šlo o laser s kapalným xenonem buzený elektronovým svazkem. V roce 1976 se pak objevily plynové excimerové lasery s excimery XeF, KrF, ArF, tedy molekulami tvořenými atomy vzácných plynů a fluoru.
Obsah
Lasery využívající svazky nabitých částic
Tyto lasery nepracují na kvantových přechodech, ale využívají synchronizované oscilace částic. Byly vytvořeny lasery se svazky rychlých elektronů, takzvané FEL lasery - zkratka za free electron lasers, lasery na volných elektronech, případně jiných nabitých částicích.
Takové lasery mají těsnou návaznost na urychlovače.
laser
(pracovní látka)
vlnová délka
(v mikrometrech)
střední výkon
režim
poznámka
rubín
0,6943
1 W
impulsní
červený
neodymové sklo
1,058
1 W
impulsní
infračervený
YAG:Nd
1,064
150 W
spojitý
infračervený
arsenid galitý
0,840
0,01 W
spojitý
vysoká účinnost, chlazení
AlGaAs
0,7-0,9
1 W
spojitý
vysoká účinnost, chlazení
sulfid kademnatý
0,5-0,7
impulsní
EIL
KCl:Li
2,5-2,9
spojitý
brevná centra, přeladitelný
cheláty
0,22-0,86
impulsní
organická barviva
0,55-0,67
100 W
spojitý
přeladitelné
rhodamin
0,590
helium-neon
0,6328; 1,15; 3,39
0,05 W
spojitý
měřící účely
helium-kadmium
0,325; 0,442
0,1 W
spojitý
“bílý”
argon
0,33; 0,48; 0,51
150 W
spojitý
modrozelený
krypton
0,46; 0,64
spojitý
oxid uhličitý
10,6
100 W
spojitý
infračervený
-“- s průtokem plynu
10,6
10 kW
spojitý
-“- elektroionizační
10,6
10 kW
spojitý
EIL
-“- gazodynamický
10,6
100 kW
spojitý
-“- s příčným buzením
10,6
impulsní
TEA
oxid uhelnatý
5,0-6,6
spojitý
vysoká účinnost
kyanovodík
128,6; až 773
1 W
spojitý
submilimetrový
páry mědi
0,51; 0,58
40 W
impulsní
dusík
0,337
ultrafialový
vodík
0,116; 0,160
ultrafialový
excimery
100 W
ultrafialové
XeF
0,350
KrF
0,248
ArF
0,193
Ar2
0,126
jód
1,315
impulsní
fotodisociační
fluorovodík
2,6-3,5
10 kW
spojitý
chemický
fluorodeuterium
3,6-5,0
10 kW
spojitý
chemický
Tabulka 1 - Nejdůležitější používané typy laserů (základní údaje)
Obsah
Použitá literatura
E. J. Strumban, I. Štoll: Lasery a optoelektronika (Praha, Panorama 1989)
I. Štoll: Paprsek budoucnosti (Praha, Pressfoto 1975)
K. Sedláček: Laser v mnoha podobách (Praha, Naše vojsko 1982)
E. Svoboda a kol.: Přehled středoškolské fyziky (Praha, Prometheus 1998)
Laser tutorial (http://members.aol.com/WSRnet/laser.htm, Web Science Resources 1997).