Keby sa vás niekto opýtal, aké poznáte najjasnejšie, najintenzívnejšie svetlo, asi by ste mu povedali, že svetlo slnečné, ale mýlili by ste sa. Svetlo z laserov je ešte jasnejšie, v skutočnosti je to najostrejšie svetlo, aké doposiaľ poznáme. Laser produkuje uzounký lúč farebného svetla, ktorý je tak intenzívny, že prepáli dierku aj ocele a zároveň tak úzky a rovný, že ho môžeme presne zacieliť na maličké zrkadlo na Mesiaci, vzdialenej 384 401 km. Samotné slovo LASER [lejzr] pochádza z angličtiny a je zložené z počiatočných písmen dlhého anglického názvu popisujúceho jeho funkciu: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, čo by sa dalo preložiť ako zosilnenie svetla pomocou vynútenej (Stimulovanej) emisie žiarenia. České pomenovanie laseru je kvantový generátor svetla, čo sa nepoužíva, pretože laser je kratšie. Z názvu je zrejmé, že laser vydáva svetlo a jeho princíp predpovedal už v roku 1916 Albert Einstein. K realizácii tohto zariadenia však došlo až takmer o päťdesiat rokov neskôr v roku 1960, kedy fyzika a technológie, najmä polovodičových štruktúr dosiahli potrebného stupňa vývoja. Moderné fyzika hovorí o tzv duálnym charakteru svetla. Dokázala, že na svetlo, v širšom zmysle slova na žiarenie, je potrebné vnímať súčasne ako na elektromagnetické vlnenie (hovoríme o vlnovom charaktere svetla) i ako na prúd častíc (korpuskulárne charakter svetla). Čím sa ale líši svetlo laseru od svetla napríklad také žiarovky? Laserové svetlo je monochromatické (jednofarebné) koherentné (usporiadané) a má malú divergenciu (rozbiehavosť). Rozdiel je názorne vidieť na príklade. Ak "posvietite" laserom na mesiac, bude mať osvetlená plocha priemer niekoľko kilometrov. Zdá sa vám to veľa? Tak skúste svietiť žiarovkou na mesiac. Z definície vyplýva, že laser je zariadenie, ktoré premieňa dodávanú energiu na laserové svetlo. Energiu môžeme dodávať rôznym spôsobom, napríklad opticky (svetlom výbojky), chemicky, elektricky atd Vzhľad samotných laserov je veľmi rôznorodý. Záleží hlavne na druhu laseru, na jeho konštrukcii av neposlednom rade na jeho použitie. V dnešnej dobe je laserový lúč využívaný vo veľmi mnohých odboroch ľudskej činnosti. Je jemným chirurgickým nástrojom, zaznamenáva informácie a sníma ich záznam z kompaktných diskov, slúži k prenosu dát, obrába tvrdé materiály, vŕta diery do diamantu, brúsi nástroje, zameriava letiace telesá, slúžia vo vojenstve na zameranie cieľov, rozpúšťa molekuly látok, dokáže preniknúť do nitra atómov a iskrou termonukleárnej reakcii apod Napr. pri zváraní a vŕtaní je určujúci charakteristikou výkon lasera, preto sa tu uplatňujú najlepšie impulzný lasery. Zvyšovanie výkonu sa ale nedialo zvyšovaním energie vyžiarené laserom. Celková vyžiarenej energie nemôže byť väčšia ako energia prijatá. Výkon laseru ale taktiež závisí na dĺžke laserového pulzu, čím bude pulz kratší, tým väčší bude výkon. Skracovanie dĺžky impulzu viedlo až k niekoľkým nanosekundám. Takým pulzuje hovoríme gigantické alebo obrie a získavame výkony slušné elektrárne. Pri prenose informácií sa naopak používajú lasery pracujúce v nepretržitom režime. Atmosféra ale laserový lúč silno oslabuje, preto je vhodné použiť lasery pracujúce v oblasti takzvaných atmosferických okien, pre ktoré je atmosféra veľmi priezračná. Väčšina laserov pracuje na jednej určitej frekvencii, ktorú nie je možné meniť. Ak chceme používať viac frekvencií, použijeme lasery přesaditelné a pokiaľ používame laser k prenosu energie je pre nás najdôležitejšie účinnosť premeny energie v laserový lúč. V tomto ohľade sú na tom najlepšie lasery polovodičové. Pre lasery pracujúce vo vesmíre potrebujeme nezávislý zdroj energie. Neexistuje univerzálny laser, ktorý by vyhovel všetkým podmienkam. Laserov je veľké množstvo a každý niečím vyniká a je vhodný k určitému použitiu. Jednotlivé typy sa taktiež postupom času zdokonaľovali a vylepšovali sa ich parametre. Najlepšie bude si lasery nejako rozdeliť a každý typ krátko charakterizovať. Základné typy laserov Lasery možno rozdeliť podľa rôznych kritérií. Podľa povahy aktívneho prostredia rozlišujeme lasery: a) pevnolátkové b) kvapalinové c) plynové d) lasery využívajúce zväzky nabitých častíc Podľa spôsobu čerpania energie možno lasery rozdeliť na lasery čerpané: a) opticky (výbojkou, iným laserom, slnečným svetlom a rádioaktívnym žiarením) b) elektricky (zrážkami v elektrickom výboji, zväzkom nabitých častíc, injektážou elektrónov, interakcií elektromagnetického poľa sa zhluky nabitých častíc) c) chemicky (energiou chemickej väzby, fotochemickou Disociáciou, výmenou energie medzi molekulami a atómami) d) termodynamicky (zahriatím a ochladením plynu) e) jadrovou energiou (reaktorom, jadrovým výbuchom) Z hľadiska režimu práce môžu lasery pracovať kontinuálne (spojite, nepretržite) alebo impulzne. Lasery môžeme deliť tiež podľa vyžarovanej vlnovej dĺžky na: a) infračervené b) lasery v oblasti viditeľného svetla c) ultrafialové d) röntgenové Konečne môžeme lasery deliť podľa použitia na lasery a) výskumné b) meracie c) lekárske d) technologické e) energetické f) vojenskej Príklady niektorých LASER Rubínová LASER Je to prvý skutočne fungujúci laser, zostrojený v roku 1960 americkým vedcom Theodorom H. Maimanem. Jeho konštrukcia dovoľuje názorne vysvetliť celý rad pojmov a princípov, ktoré sú v rôznych modifikáciách využívané vo všetkých, aj najmodernejších konštrukciách laserov vrátane polovodičových. Aktívne prostredie rubínu lasera je tvorené kryštálom syntetického rubínu (Al2O3), v ktorom sú rovnomerne rozptýlené trojmocné ióny chrómu CR3 + v koncentrácii asi 0,05%. Osvetlia Ak sa kryštál dostatočne intenzívnym impulzom svetla vhodné vlnovej dĺžky, napr z xenónové výbojky (doba trvania impulzu poriadku desatín milisekundy), dôjde k excitáciu iónov chrómu. Ak sú splnené niektoré ďalšie podmienky, vznikne vnútri kryštálu laserové aktívny prostredie, schopné stimulovanú emisií zosilniť vstupný svetelný lúč. Ak si uvedomíme, že v laserovom aktívnom prostredí prebieha súčasne okrem stimulovanej tiež spontánnej emisie fotónov dôjdeme k záveru, že funkciu vstupných fotónov by mohli zastávať fotóny spontánne emitované v tomto prostredí, ak by sme ich vhodne umiestnenou zrkadlovou plochou odrazili z výstupu späť do priestoru, v ktorom k emisii dochádza. Odrazené fotóny pri svojej ceste od výstupnej strany kryštálu späť k vstupnej vyvolajú stimulovanú emisiu fotónov z ďalších excitovaných kvantových sústav, ty opäť z ďalších atď Ak aj druhá z čelných stien kryštálu bude vybavená zrkadlom, dôjde k novému odrazu už zosilneného svetla späť do priestoru kryštálu . Pri ceste lúča od vstupnej steny kryštálu k výstupnej sú uvoľňované ďalšie fotóny. Po dosiahnutí výstupný steny dôjde k novému odrazu svetla atď Rubínový laser pracuje zvyčajne v impulznom režime. Dĺžka budiaceho impulzu je niekoľko desatín milisekundy, až jedna milisekunda. Doba trvania výstupného impulzu by mala byť čo možno najkratšie, aby sa dosiahla čo najväčšia časové koncentrácie energie, tj čo najväčšie hustoty žiarivého toku. Bez špeciálne konštrukčné úpravy lasera trvá výstupný impulz približne jednu milisekundu a pozostáva z niekoľkých kratších impulzov. Aby sa dosiahlo čo možno najkratšieho impulzu, musí sa laser pomerne zložito konštrukčne upraviť, ale potom možno dosiahnuť impulzu o dobe trvania rádovo 10-9 až 10-12 sekundy. Žiarenie má tak obrovskú hustotu, že zodpovedá okamžitému výkonu poriadku 109 wattov. Stredná hodnota výkonu rubínových laserov je však malá, poriadku desiatok miliwattov. Celková účinnosť je len niekoľko percent. Pri kontinuálnom prevádzky je nutné účinné chladenie celého zariadenia. Zliatinový LASERY Z laserov užívajúcich ako aktívny prostredia pevnú látku aspoň menujme laser s kryštálom ytritý-hlinitého granátu s aktívnymi iónmi neodýmu Nd3 +. Pre tento typ sa používa označenie laser YAG. Optickým budením sa excitují ióny neodýmu. Laser pracuje v kontinuálnom režime. Výstupná žiarenie má vlnovú dĺžku zodpovedajúcu infračervenej oblasti. Tento laser má pomerne nízky prah budiaci výkon, tj výkon budiaceho žiarenia, pri ktorom laser začína generovať. Výstupný výkon v kontinuálnom režime môže prekročiť 1 kW. K chladenie lasera sa používa voda. Laser Nd: YAG je podobný laseru s neodymovým sklom. Výroba skla pre tieto lasery je jednoduchšie ako výroba kryštálov. Nevýhodou skiel je však ich horšie tepelná vodivosť, takže sa ťažko pri prevádzke chladí, a preto sa nehodí na kontinuálnu prevádzku, pričom generujú infračervené žiarenie. Hélium-Neónová LASER Tento typ lasera bol objavený v roku 1960 a bol najrozšírenejším pred nástupom polovodičových laserov. Aktívne prostredie tvorí zmes 5 až 10 dielov hélia na jeden diel neónu. Budenie sa vykonáva priamo v trubici sa zmesí tlejivým elektrickým výbojom vysokého elektrického napätia. Výboj excituje (nestabilný stav s prebytkom energie) atómy hélia, ktoré pri vzájomných zrážkach odovzdávajú energiu atómom neónu. Tým vzniká stav inverzia populácie v súbore atómov neónu. V dôsledku toho sa objaví výstupný žiarenia lasera. Vzhľadom k veľkému množstva energetických úrovní (energetické spektrum) v atómoch neónu, kde môže inverzie vzniknúť, je hélium-neónový laser schopný generovať žiarenie radu vlnových dĺžok. Najčastejšie sú konštrukcie pre generovanie červeného svetla s vlnovou dĺžkou 633 nm. Ďalej môže generovať žiarenie až v infračervenej oblasti. Laser je napájaný zo zdroja o desiatkach mA. Celková účinnosť je len niekoľko percent. LASERY S kysličníkom uhličitým Prostredie tohto molekulárneho lasera je tvorené zmesou oxidu uhličitého, dusíka a hélia v pomere 1: 2: 8. K stimulovanej emisii dochádza v molekulách CO2, ostatné plyny zlepšujú podmienky vzniku inverzné populácie. Laser generuje infračervené žiarenie niekoľkých vlnových dĺžok, ktoré je možno oddeliť hranolom. Existujú dva druhy laserov s CO2: - Laser využívajúce budenie elektrickým výbojom v trubici so zmesou plynov. Pri priemere trubice 20mm a dĺžke 1m laser vyprodukuje žiarenia okolo 50 W. Používa sa vysokonapäťový zdroj (1000 - 1700V) o prúdu 30 až 50 mA. Účinnosť presahuje 20%. - Expanzná CO2 laser. Je tvorený expanzné komorou, do ktorej sa vháňa plyny. K excitáciu molekúl CO2 dochádza vďaka elektrickému obloukovému výboju o vysokej teplote. Plyn s excitovaným CO2 prúdi rýchlosťou niekoľkokrát presahujúcou rýchlosť zvuku vo vzduchu štrbinovú tryskou do vákua. Vďaka rýchlemu poklesu tlaku dochádza k poklesu teploty plynu. Energetickej hladiny s veľkými energiami v molekulách CO2 zostávajú po určitú dobu zaplnené elektróny. Hovorí sa tomu "zamŕzaniu" vyšších energetických hladín. Lasery tohto typu sú schopné generovať infračervené žiarenie veľkých výkonov (stovky kW). Nevýhody sú rýchle zaplňovanie vákuového priestoru za tryskou a veľká spotreba plynov. Principiálne podobné sú chemické lasery ktoré využívajú na vytvorenie aktívneho prostredia chemických reakcií. Vývoj laserov chemických i expanzných je z vojenských dôvodov starostlivo utajovaný. Lasery pracujú na podobných princípoch av lepších podmienkach (napr. v kozme). Polovodičový laser s dvojitou HETEROSTRUKTUROU Pri malých prúdových hustotách je počet iónov vznikajúcich rekombinantov, ktoré sú pripravené emitovať fotón malý. Nevzniká stav s inverziou populácií a prevláda spontánny emisie. Zväčšíme Ak však hustotu prúdu nad určitú prahovú hodnotu, vznikne a prevládne stimulovaná emisie. Čelnej steny kryštálu sa vzhľadom k veľkému indexu lomu na rozhraní arzenidu gália a vzduchu chovajú ako zrkadlá odrážajúce asi polovicu svetla späť do kryštálu. Zosilnenie žiarenia v kryštáli GaAs je veľké. Preto táto pomerne slabá optická spätná väzba stačí na vytvorenie podmienok pre generovanie svetla. Takto zostrojený laser je málo účinný a je schopný kontinuálneho prevádzky len pri nízkych teplotách. Porovnanie šírky pásma emitovaného žiarenia pri spontánny a stimulovanej emisii u mono-kryštálu GaAs: Vytvorením tzv dvojité heterostruktury sa dosiahne citeľné zlepšenie činnosti, tento typ lasera sa nazýva DH laser. V tomto prípade dochádza k rekombináciu len vo veľmi tenkej vrstve GaAs, zvyčajne vo vodivosti typu P. vrstvička má hrúbku 100 - 200 nm a je obklopená vrstvami iného chemického zloženia (GaAs s prímesou hliníka). Polovodičový laser s dvojitou heterostrukturou. Pôsobením napájacieho zdroja sú do aktívnej vrstvy vstrekovaný z časti N elektróny az P diery. V dôsledku potenciálových valov, vznikajúcich na styku aktívnej vrstvy s okolitými chemicky rozdielnymi vrstvami nedochádza k vydesený nábojov do okolia. Nahromadenie nosičov náboja v aktívnej vrstve je vzhľadom k jej malému prierezu tak veľké, že prúdové hustoty potrebné ku vzniku inverzia populácie a převládnutí stimulovanej emisie dosahuje už pri prahových prúdoch niekoľkých desiatok mA. Účinnosť je okolo 75%. Laser je schopný pracovať kontinuálne pri izbovej teplote. V základnom prevedenie emituje žiarenie v blízkej infračervenej oblasti. Vhodnými prímesami v aktívnej vrstve možno vytvoriť laser vyžarujúca červenú farbu. Na vedenie svetla dochádza v aktívnej vrstve, pretože má index lomu svetla väčšia ako susedné vrstvy. To prispieva ku smerovanie svetla vystupujúceho z aktívnej vrstvy do priestoru do tvaru plochého úzkeho zväzku. Pretože je zosilnenie žiarenia v GaAs veľké, môžeme dosiahnuť toho, že celkové zosilnenie pozdĺž dráhy lúča v kryštáli prevládne nad stratami. Praktické použitie laserov Čiarový kód - Medzi najbežnejšie čiarové kódy patria takzvané Európske číslo výrobku skladajú sa z 13 číslic a Univerzálny kód výrobku s 12 číslicami. Každé číslo predstavuje skupina rovnakých rovnobežných čiar a bielych medzier. Laserové čidlo prekladá informácie do signálov v dvojkovej sústave a tie odosiela do počítača. Laser prechádza číselný kód svetelným lúčom od jedného konca na druhý. Je dosť citlivý na to, aby dokázal čítať zľava doprava alebo sprava doľava. Aj keď sa čiarové kódy zvyčajne tlačia čiernou na biely podklad, laser dokáže prečítať číselný kód v akejkoľvek tmavej farbe okrem červenej. Niektoré lasery používajú snímač s červeným svetlom, takže nemôžu zachytiť odraz červenej farby. Kompaktný disk - Priemer kompaktného disku je len 12 cm, ale vojde sa na neho 5 kilometrov stopy a vydrží hrať približne 1 hodinu. CD disky sú nahrané len z jednej strany a počas hrania je nemožno poškriabať ani sa časom neopotrebuje, pretože sa povrchu disku nedotýka žiadna ihla. Namiesto toho disk zospodu čitateľov laserový lúč s nízkym napätím a sníma mikroskopické jamky a medzery na stope, ktoré sa odvíjajú od stredu disku. Dierky a medzery sú digitálny kód, ktorý sa neskôr prevádza na zvuk. Záznam - Čistý sklenený disk s povlakom živice citlivé na svetlo sa otáča pod laserovým lúčom a kódované signály sa odovzdávajú do lasera ako elektrické impulzy. Laserový lúč je vysiela v podobe svetelných zábleskov, ktoré na povlaku disku vytvárajú zodpovedajúci zoskupenia jamiek a medzier. Povlak sa potom chemickou cestou ustáli. Originálne disk sa stane vzorom pre ďalšie disky. Každý disk dostane tenký hliníkový povlak, ktorý zväčší jeho odrazivosť, a potom sa ošetrí ochrannou vrstvou laku. Laser v medicíne - Pred zavedenie laserovej chirurgie musel každý, kto mal nejaký patologický výrastok, rakovinu alebo sekundárny šedý zákal, podstúpiť k ich odstráneniu väčšiu operáciu. Dnes je možné pomocou laserových lúčov "nekrvavou" operáciou odstrániť patologické útvary a opravovať tkanivo bez rezania, s menšou bolesťou a bezpečnejšie. Laserová chirurgia je založená na princípe vedenia svetla optickým vláknom. Laserový lúč je sám formou svetla s veľkým množstvom energie. Túto energiu absorbuje tkanivo, ktorú treba odstrániť, teda zahrieva sa. Dávkovaním tepelnej energie môže lekár nežiadúce bunky spáliť-doslova vypariť. Ďalej sa laserových lúčov používa k zahrievaniu tkanív do tej miery, aby sa svařily, napr na zastavenie krvácania. Lasery, v ktorých sa používa oxid uhličitý, produkujú svetelné lúče, ktoré sú absorbované tkanivami v hĺbke iba 1 mm. Preto sa dajú použiť ako laserový skalpel k jemným rezom do tkaniva. Lasery používajúce chemikáliu, ktorej základom je kov neodým, produkujú svetlo, ktoré absorbujú tkaniva vo väčšej hĺbke, takže je vhodné k deštrukcii rakovinových nádorov. Lasery používajúce plyn argón produkujú charakteristické modrozelené svetlo, ktoré je vstrebávané hemoglobínom. Lúče z argónového lasera sa môžu použiť napríklad tam, kde je veľké množstvo hemoglobínu, napríklad v materských znaménkách. Hologramy Hologram je fotografia vytvorená s pomocou laserového svetla. Vidíme na nej trojrozmerný obraz predmetu tak, ako je to v reálnej skutočnosti. Hologramy vznikajú rozdelením laserového zväzku na dva. Jeden zväzok tzv referenčné smeruje priamo na fotografický film, druhý dopadá najprv na hologramovú predmet a tým si poruší usporiadanú štruktúru svetelných vĺn. Film zachytí spôsob, ktorým je nanesený predmetové zväzok rozhádže neporušený referenčný zväzok a vytvorí tak trojrozmerný obraz predmetu. Záver: Ako je vidieť, laser sa stal bežnou súčasťou nášho každodenného života a značne uľahčuje prácu v mnohých odboroch ľudskej činnosti. Napriek tomu však máme v jeho potenciálnom využití ešte značné rezervy. Navrhnout lepší překlad