Laser — definícia, princíp fungovania a použitie
Laser – definícia, princíp fungovania a použitie: jasné vysvetlenie vzniku a princípu zosilneného jednofarebného lúča, typy laserov a ich aplikácie v medicíne, priemysle a vede.
Laser je zariadenie, ktoré vytvára zosilnený jednofarebný zdroj svetla. V praxi to znamená, že laser produkuje svetlo so silnou smerovou zložkou, úzkym lúčom a veľmi úzkym rozsahom vlnových dĺžok — teda takzvanú monochromatickosť. Na vytvorenie takejto emisie sa používa špecifické aktívne médium: môžu to byť plynné zmesi, polykryštály alebo kryštály, kvapalné farbivá či polovodičové vrstvy. Niektoré z týchto médií vyžarujú svetlo len jednej farby alebo veľmi úzkeho spektrálneho pásma.
Vo vnútri lasera sa aktívne médium najprv „napumpuje“ energiou (elektrickým prúdom, svetlom z iného zdroja alebo chemickou reakciou), aby v ňom vznikla populačná inverzia — viac častíc v excitačnom stave než v základnom. Pri stimulovanej emisii potom excitovaná častica uvoľní fotón s rovnakou fázou, smerom a energiou ako dopadajúci fotón. Tento proces vedie k zosilneniu svetla. Pre ďalšie zosilnenie a usmernenie lúča sa okolo média umiestnia zrkadlá tvoriace optickú dutinu; jedno zrkadlo je čiastočne priepustné a umožní odvádzať časť zosilneného svetla ako výstupný lúč.
Hlavné vlastnosti laserového svetla
- Koherencia: fotóny sú v rovnakej fáze, čo umožňuje interferenciu a veľmi presné merania (holografia, interferometria).
- Monochromatickosť: úzke spektrálne pásmo — dôležité pri spektroskopii alebo pri prenosoch dát.
- Direkčnosť (smerovosť): svetlo sa šíri ako úzky, málo rozptyľovaný lúč (podobne ako kolimované svetlo), vďaka čomu je možné veľmi presné zacielenie a prenos energie na veľké vzdialenosti.
- Vysoká intenzita na jednotku plochy: umožňuje napr. rezanie alebo zváranie materiálov.
Druhy laserov (príklady)
- Plynové lasery: He–Ne (viditeľný červený lúč), CO2 (infračervený, ~10,6 µm) — často sa používajú v priemysle a pri rezaní.
- Pevnoštátne lasery: napr. Nd:YAG (neodym v kryštále yttriového hliníka), široko používané v priemysle a medicíne.
- Polovodičové (diódové) lasery: malé, účinné, bežné v optických komunikačných zariadeniach, čítacích mechanizmoch a ukazovátkach.
- Vláknaové lasery: aktívne médium vo forme špeciálneho optického vlákna — vysoká účinnosť a dobré chladenie.
- Dye lasery a excimer lasery: používané tam, kde je potrebné nastaviteľné alebo ultrafialové spektrum.
Použitie
Lasery majú veľmi široké spektrum využitia v rôznych oblastiach:
- Priemysel: rezanie, zváranie, povrchové úpravy, meranie rozmerov.
- Medicína: oftalmológia (operácie oka), dermatológia, stomatológia, laserová chirurgia.
- Telekomunikácie: prenos dát po optických vláknach.
- Výskum a meranie: spektroskopia, interferometria, LIDAR, metrológia.
- Bežná elektronika: čítačky CD/DVD/Blu‑ray, tlačiarne, barcode skenery.
- Vojenské a bezpečnostné aplikácie: označovanie cieľov, laserové zbrane (vo vývoji), dálkové zameriavanie.
- Zábava a prezentácie: laserové ukážky a ukazovátka.
Bezpečnosť
Aj keď mnohé lasery sú neškodné, niektoré typy môžu spôsobiť vážne poškodenie oka alebo kože. Intenzita a vlnová dĺžka rozhodujú o riziku — infračervené lúče napríklad môžu poškodiť oko bez pocitu bolesti. Lasery sa preto klasifikujú podľa rizika (nízke triedy bezpečné pre bežné použitie, vyššie triedy vyžadujú ochranné pomôcky a prísne pracovnícke postupy). Pri práci s výkonnými lasermi je dôležité používať vhodné ochranné okuliare, riadiť prístup do priestoru a dodržiavať bezpečnostné predpisy.
Krátka história
Termín "laser" pochádza z angličtiny a slovo "laser" je skratka pre "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation" — teda "zosilnenie svetla stimulovanou emisiou žiarenia". Koncepcia zariadenia sa vyvinula z predchádzajúceho konceptu masera, odtiaľ pochádza aj starší názov Maser. Prvý funkčný laser zostrojil Theodore H. Maiman v roku 1960 (rubínový laser), čo otvorilo cestu k rýchlemu rozvoju rôznych typov laserových zdrojov.
Lasery sú dnes nenahraditeľným nástrojom v mnohých oblastiach vďaka svojej presnosti, vysokej intenzite a možnosti kontrolovaného prenosu energie. Ich vývoj pokračuje — hľadajú sa nové materiály, účinnejšie pumpovacie metódy a bezpečnejšie i výkonnejšie konštrukcie.
Červené (660, 635 nm), zelené (532, 520 nm) a modré (445, 405 nm) lasery
Mechanizmus
Laser vytvára svetlo špeciálnymi činnosťami s použitím materiálu nazývaného "optické zosilňovacie médium". Energia sa do tohto materiálu vkladá pomocou "energetickej pumpy". Môže to byť elektrina, iný zdroj svetla alebo iný zdroj energie. Energia spôsobí, že materiál prejde do tzv. excitovaného stavu. To znamená, že elektróny v materiáli majú dodatočnú energiu a po určitom čase ju stratia. Keď stratia energiu, uvoľnia fotón (časticu svetla). Typ použitého optického zosilňovacieho média zmení farbu (vlnovú dĺžku), ktorá sa vytvorí. Uvoľňovanie fotónov je "stimulovaná emisia žiarenia", ktorá je súčasťou lasera.
Mnohé veci môžu vyžarovať svetlo, napríklad žiarovka, ale svetlo sa neorganizuje v jednom smere a fáze. Použitím elektrického poľa na riadenie spôsobu vytvárania svetla bude teraz toto svetlo jedného druhu a bude smerovať jedným smerom. Ide o "koherentné žiarenie".
V tejto chvíli je svetlo stále slabé. Zrkadlá na oboch stranách odrážajú svetlo tam a späť, ktoré dopadá na iné časti optického zosilňovacieho média, čím sa z týchto častí uvoľňujú fotóny a vytvára sa viac svetla ("zosilnenie svetla"). Keď celé optické zosilňovacie médium produkuje svetlo, nazýva sa to nasýtenie a vytvára sa veľmi silný svetelný lúč s veľmi úzkou vlnovou dĺžkou, ktorý by sme nazvali laserový lúč.
Rezanie laserom
Dizajn
Svetlo sa pohybuje prostredím medzi dvoma zrkadlami, ktoré ho odrážajú tam a späť. Jedno zo zrkadiel však odráža svetlo len čiastočne, takže časť svetla uniká. Unikajúce svetlo tvorí laserový lúč.
Ide o jednoduchú konštrukciu; typ použitého optického zosilňovacieho média zvyčajne určuje typ lasera. Môže to byť kryštál, príkladom je rubín a kryštál granátu vyrobený z ytria a hliníka s prímesou kovu vzácnej zeminy. Pre laser sa môžu použiť plyny pomocou hélia, dusíka, oxidu uhličitého, neónu alebo iných. Veľké a výkonné lasery sú zvyčajne plynové lasery. Laser na voľných elektrónoch využíva lúč elektrónov a dá sa nastaviť tak, aby vyžaroval rôzne farby. A napokon najmenšie lasery používajú na výrobu svetla polovodičové diódy. Ide o najpočetnejší druh, ktorý sa používa v elektronike.
História
Albert Einstein bol prvý, kto prišiel na myšlienku stimulovanej emisie, ktorá by mohla vytvoriť laser. Od tohto momentu uplynulo mnoho rokov, kým sa zistilo, či táto myšlienka funguje. Najprv sa ľuďom podarilo vyrobiť masery a neskôr prišli na to, ako vyrobiť kratšie viditeľné vlnové dĺžky. Až v roku 1959 Gordon Gould vo svojej výskumnej práci použil názov laser. Prvý funkčný laser zostavil a prevádzkoval Theodore Maiman v Hughesových výskumných laboratóriách v roku 1960. V tom čase začalo na laseroch pracovať mnoho ľudí a o tom, kto získa patent na laser, sa rozhodlo až v roku 1987 (práva získal Gould).
Aplikácie
Lasery našli mnoho využití v každodennom živote, ako aj v priemysle. Lasery sa nachádzajú v prehrávačoch CD a DVD, kde čítajú kód z disku, na ktorom je uložená skladba alebo film. Laser sa často používa na čítanie čiarových kódov alebo kódov SQR na veciach predávaných v obchode, na identifikáciu výrobku a uvedenie jeho ceny. Lasery sa používajú v medicíne, najmä pri operácii očí LASIK, kde sa laser používa na opravu tvaru rohovky. V chémii sa používa v spektroskopii na identifikáciu materiálov, aby sa zistilo, z akých plynov, pevných látok alebo kvapalín sa niečo skladá. Silnejšie lasery sa môžu používať na rezanie kovov.
Lasery sa používajú na meranie vzdialenosti Mesiaca od Zeme pomocou odrazu od reflektorov, ktoré zostali po misiách Apollo. Meraním času, ktorý svetlo potrebuje na cestu na Mesiac a späť, môžeme presne zistiť, ako ďaleko je Mesiac.
Laserové ukazovatele používajú ľudia na ukazovanie na miesto na mape alebo na diagrame. Používajú ich napríklad prednášajúci. Mnohí ľudia sa tiež radi hrajú s laserovými ukazovátkami. Niektorí ľudia nimi ukazujú na lietadlá. Je to nebezpečné a v mnohých krajinách je to aj nezákonné. Ľudia boli za tento čin zatknutí a stíhaní.
V počítačoch sa ako vstupné zariadenie bežne používa optická počítačová myš. Moderné laserové ukazovátka sú na toto použitie príliš veľké a výkonné, takže väčšina myší používa na tento účel malé lasery VCSEL alebo "lasery s vertikálnou dutinou vyžarujúcou povrch". Tieto lasery sa používajú aj v mechanikách DVD, CD-ROM a v holografii.
Otázky a odpovede
Otázka: Čo je to laser?
Odpoveď: Laser je zariadenie, ktoré vytvára koncentrovaný, jednofarebný svetelný lúč pomocou špeciálnych plynov alebo kryštálov, ktoré sú nabité energiou, aby vyžarovali svetlo.
Otázka: Ako laser vytvára svetlo?
Odpoveď: Plyny alebo kryštály v laseri sú nabité energiou, aby vyžarovali svetlo, ktoré sa potom zosilní alebo zosilní pomocou zrkadiel.
Otázka: Vytvára laser svetlo mnohých farieb?
Odpoveď: Nie, laser produkuje svetlo len jednej farby.
Otázka: Čo je to kolimované svetlo?
Odpoveď: Úzky, koncentrovaný lúč svetla, ktorý sa na rozdiel od väčšiny iných zdrojov svetla počas svojej cesty nerozširuje ani neslabne.
Otázka: Čo znamená slovo laser?
Odpoveď: Laser je skratka, ktorá znamená "zosilnenie svetla stimulovanou emisiou žiarenia".
Otázka: Aký je rozdiel medzi laserovým lúčom a lúčom baterky?
Odpoveď: Laserový lúč zostáva sústredený v úzkom zväzku, zatiaľ čo lúč baterky sa rozširuje a slabne.
Otázka: Aká je súvislosť medzi laserom a masérom?
Odpoveď: Laser bol vyvinutý zo staršieho zariadenia nazývaného maser a obe zariadenia využívajú podobné princípy na výrobu zosilneného svetla.
Prehľadať