Svetlo a jeho vlastnosti

Dlho bolo fyzikom nejasné, čo je vlastne svetlo.. Svetlo, či u. slnečné alebo svetlo z umelých zdrojov je elektromagnetické .iarenie, ktorého podstatou je kmitanie vzájomne viazaných, na seba kolmých po-lí: magnetického a elektrického. Rýchlosť kmitania - frekvencia, a od nej odvodená vlnová dĺ.ka, charakterizujú jednotlivé ty-py elektromagnetického .iarenia. Celé elektromagnetické spektrum je znázornené na obr.1.

Frekvencia je udávaná počtom kmitov za sekundu a nie je závislá od prostredia, kto-rým svetlo prechádza. Preto sa pri zmene optického prostredia frekvencia nemení. Fyzikálnou veličinou kmitočtu je 1 hertz (Hz). Vlnová dĺ.ka je definovaná ako vzdiale-nosť, ktorú prejde .iarenie počas doby jedného kmitu a je závislá od rýchlosti .í-renia .iarenia. Vlnová dĺ.ka ë, kmitočet í, a rýchlosť .í-renia elektromagnetického .iarenia c sú vyjadrené vzťahom:vztah1

Zásadné rozpory boli v tom, či svetlo sú vlny alebo prúd častíc. Tieto rozpory od-stránila kvantová elektrodynamika. Podľa tejto teórie prenos energie elektromagne-tickým .iarením nie je plynulý, ale dochá-dza k nemu kmitavým dejom po malých častiach, tzv. kvantách. Energia jedného kvanta, alebo fotónu, je vyjadrená vzťa-hom:

ktorý sa nazýva Planckova rovnica a vyjadruje, .e energia ka.dého fotónu nie je rovnaká, ale závisí od frekvencie dané-ho .iarenia. Čím vy..í je kmitočet, alebo čím krat.ia je vlnová dĺ.ka, tým väč.ia je prená.aná energia. Písmeno h v rovnici (2) je tzv. Planckova kon.tanta (6.6256x10-34 Js). Niektoré fyzikálne pochody sa vysvetľujú hraničnými prípadmi kvantovej elektro-dynamiky, vlnovou teóriou (rozdelenie poľa v rezonátore) alebo korpuskulárnou teóriou (optický zosilňovač). Konvenčné svetelné zdroje, ako sviečka alebo .iarovka vy.arujú svetlo v.etkými smermi do okolitého priestoru. Určité usmernenie svetelných lúčov ô.eme do-cieliť pou.itím rôznych prídavných zaria-dení, ako napr. parabolickými reflektormi, .o.ovkami alebo vhodne umiestnenými tienidlami. Na rozdiel od toho, svetlo vychádzajúce z laserovej trubice je sústredené do úzkeho lúča, ktorý sa .íri na veľké vzdialenosti s inimálnym rozptylom. Táto vlastnosť laserového lúča je označovaná ako prie-storová koherencia (obr. 2).

Ka.dý zdroj svetla má ohraničené priesto-rové rozlo.enie. Jednotlivé atómy alebo molekuly zdroja vy.arujú nezávisle od se-ba svetelné vlny. Priestorová koherencia sa dá zosilniť jednak clonou alebo zväč.e-ním vzdialenosti od svetelného zdroja, čím ale klesne intenzita svetla. Priestorová ko-herencia má svoj vzťah k ohybu svetla. Rozptyl laserového lúča, ktorý vzniká pri .írení na veľké vzdialenosti sa nazýva divergencia. Podobne sa správa paralelný svetelný lúč po prechode clonou, kedy sa po určitej vzdialenosti .roz.iruje. - do-chádza k ohybu svetla. Viditeľné .iarenie je tá časť elektro-magnetického spektra, na ktorú je ľudské oko citlivé (400 - 700 nm). Oblasť vidi-teľného .iarenia je na jednej strane ohra-ničená časťou elektromagnetického .iare-nia s vlnovou dĺ.kou pod 400 nm, a nazý-va sa ultrafialové (UV) .iarenie, na druhej strane prechádza do časti elektro-magnetického .iarenia s vlnovou dĺ.kou nad 700 nm a nazýva sa infračervené (IR) .iarenie. Konvenčné svetelné droje emitujú .iare-nie, ktoré pokrýva .iroký pruh elektro-magnetického spektra, spravidla pokrýva-júc aj celú viditeľnú oblasť. Na rozdiel od toho, laserové .iarenie má veľmi úzky spektrálny rozsah, niekedy len vo forme úzkej čiary. Svetelný zdroj, ktorého .iarenie okrýva celú viditeľnú časť spektra, ľudské oko vníma ako .biele. svetlo. Na rozdiel od toho úzke spektrum .iarenia ľudské oko percipuje ako .čisto farebné. svetlo, ako monochromatické svetlo. Táto vlastnosť laserového .iarenia - jeho úzka spektrálna emisia - sa často nazýva časová koheren-cia. Ak vlny z dvoch oblastí priestoru mô.u vytvárať efekt interferencie (obr. 3),

označujeme ich ako koherentné. Dva kohe-rentné fotóny mô.eme zhruba prirovnať ku dvom ladičkám, ktoré spolu kmitajú presne na tej istej frekvencii a presne v tej istej fáze.

V.eobecne sa uznáva, .e čas pozorovania vzorky vlnenia (fringe pattern) je dlhý v porovnaní s časom existencie atómov, z ktorých pochádza .iarenie

Prirodzené zdroje svetla sa skladajú z veľkého počtu atómov a molekúl, ktoré nezávisle od seba emitujú .iarenie. Jednotlivé atómy vysielajú pritom svetlo iba po-čas ohraničeného časového intervalu. Pole .iarenia svetelného zdroja pozostáva takto zo .tatistického sledu jednotlivých vlno-vých prúdov. Stredné trvanie vlnového prúdu sa volá koherenčný čas. Čím u..ia je .írka svetelného pásma, tým väč.í je koherenčný čas, resp. koherenčná dĺ.ka. Vo v.eobecnosti sa lí.i laserové .iarenie od .iarenia konvenčných svetelných zdro-jov: - nepatrnou divergenciou lúčov - nepatrnou spektrálnou .írkou pás-ma - vysokou spektrálnou hustotou e-nergie - veľkou časovou a priestorovou ko-herenciou - stabilitou amplitúdy (v stacionár-nej prevádzke) - mo.nosťou generácie krátkych svetelných pulzov (DONGES, 1988).

Niektoré fyzikálne aspekty elek-tromagnetického .iarenia

Uhol, ktorý charakterizuje roz.irovanie la-serového lúča v čase jeho .írenia sa v priestore, sa nazýva divergencia. V zásade sa divergencia skladá z dvoch častí. Jedna sa dá korigovať, alebo kom-pletne eliminovať pou.itím .o.oviek. Čím men.ia je nekorigovateľná divergencia, tým men.í je priemer lúča v ohnisku a tým väč.ia je hustota energie. Pre laserový lúč kruhového tvaru sa dá vypočítať plocha lúča v ľubovolnej vzdialenosti od fokálnej roviny podľa vzorca

kde S je plocha lúča, d je priemer kruhového bodu v rovine najmen.ej dosiahnu-teľnej veľkosti bodu, l je vzdialenosť od tejto roviny po povrch ko.e, alebo o.arovaný povrch, È je polovičný uhol divergencie. Hodnoty d a È udáva výrobca lasera, alebo sa dajú odmerať priamo na laseri. Divergencia laserových systémov sa zvyčajne udáva v miliradiánoch (mrad) (1 mrad = 0.057°). Pri stanovovaní divergencie laserového lúča experimentálne, odmerá sa priemer lúča v dvoch rôznych vzdialenostiach jeho dráhy, a polovičný uhol divergencie sa potom vypočíta podľa vzorca:

kde d2 je priemer väč.ieho, vzdialenej.ieho bodu, d1 je priemer men.ieho, bli..ieho bodu a ÷ je vzdialenosť medzi nimi. Väč.ia divergencia spôsobuje, .e lúč pre-chádzajúci cez men.iu clonu sa roz.iruje rýchlej.ie a viac ako lúč prechádzjúci cez clonu väč.iu. Tento efekt je výraznej.í pri vzdialenostiach väč.ích ako 3 cm od mies-ta výstupu lúča po cieľovú .truktúru. Priemer laserového lúča po prechode ma-lým otvorom clony je v skutočnosti väč.í ako priemer laserového lúča po prechode väč.ou clonou. Aby sme lep.ie pochopili reakciu ko.e na laserové .iarenie, musíme spomenúť tri charakteristiky laserového svetla: intenzitu .iarenia, dávku .iarenia a expozičný čas.

Intenzita .iarenia je .iarivý tok dodaný na jednotku plochy

V prípade, .e laserový lúč nie je kolmý na cieľovú .truktúru, intenzita .iarenia sa vy-ráta podľa vzorca:

kde Ee je intenzita .iarenia a á je uhol dopadu lúča.