ZÁKLADNÉ TYPY LASEROV

Podla povahy aktívneho prostredia rozlišujeme lasery:

	pevno látkové
	kvapalinové
	plynové
	lasery využívajúce zväzky nabitých castíc.

Podla spôsobu cerpania energie možno lasery rozdelit na lasery cerpané

	opticky (výbojkou, iným laserom, slnecným svetlom a rádioaktívnym žiarením)
	elektricky (zrážkami v elektrickom výboji, zväzkom nabitých castíc, vstrekovaním elektrónov, interakciou elektromagnetického pola so zhlukmi nabitých castíc)
	chemicky (energiou chemickej väzby, fotochemickou disociáciou, výmenou energie medzi molekulami a atómmi)
	termodynamicky (zohriatím a ochladením plynu)
	jadrovou energiou (reaktorom, jadrovým výbuchom)

Z hladiska režimu práce môžu lasery pracovat spojito alebo impulzne.

Lasery môžeme delit tiež podla vyžarovanej vlnovej dlžky na

	infracervené
	lasery v oblasti viditelného svetla
	ultrafialové
	röntgenové

Podla použitia môžeme lasery rozdelit na

	výskumné
	meracie
	lekárske
	technologické
	energetické
	vojenské

Pevnolátkové lasery

Do tejto skupiny patria lasery využívajúce rozptýlené ióny v kryštálových, alebo amorfných látkach, polovodicové lasery a lasery s kryštálmi s farebnými centrami. Aktívne prostredie tejto skupiny tvoria pevné kryštalické, poprípade amorfné látky dopované vhodnou prímesou iónov. Pevná fáza tvorí vlastne iba nosný obal aktívneho prostredia a k optickému zosileniu dochádza na elektrónových prechodoch ionov prímesi. Ich koncentrácia málokedy presahuje 1%. V kryštalických materiáloch sú aktívne ióny zabudované v mriežke a majú stálu, orientovanú polohu v silovom poli mriežky. Z dôvodu anizotropie kryštálov musí byt výbrus presne orientovaný podla optických osí.

rubínový laser Pozrieme sa bližšie na princíp funkcie rubínového lasera. Základná úroven E1 a stav E2 sú energetickými pásmi. Prechod z úrovne E2 na E1 je zakázaný - elektrón na úrovni E2 by mal byt úplne stabilný. V praxi to však neplatí; elektrón sa na tejto úrovni udrží po dobu 1/100 sekundy. V porovnaní s inými nestabilnými stavmi (10-8 s) je to doba velmi dlhá. Osvietime tycinku 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 energetického pásu E2.Touto vonkajšou energiou je atóm vybudený a naviac nastane tzv. inverzia populácie. Nižšia energetická úroven, inak silno obsadená elektrónmi, sa skoro úplne vyprázdni. Vyššia úroven E2, pôvodne nepatrne obsadená elektrónmi, je mimoriadne husto obsadená. Dosiahli sme tak nahromadenie energie. Atóm prejde zo stavu E2 do E1 uvolní pritom žiariacu energiu (fotón) - samovolná emisia. Ten je dostatocný pre to aby na svojej ceste kryštálovou tycinkou zasiahol iný vybudený atóm. Ten uvolní fotón s rovnakou fázou a vráti sa spät na E1- vynútená emisia. Znamená to, že z tycinky je vyslaný viditelný impulz cerveného svetla. Na túto vlnovú dlžku sú však "naladené" všetky zostávajúce ióny chrómu vybudené do stavu E2.Teda ak zasiahne ión žiarenie, okamžite preskocí do základného stavu a sám pri tom zažiari. Tento dej nazývame indukovaná, alebo stimulovaná emisia svetla. Indukované žiarenie ma rovnaký kmitocet a fázu ako indukované kmity. Jediná spontánna emisia vyvolá trvalé a (pokial je k dispozícii dostatok vybudených atómov) kontinuálne svetelné kmitanie vo vnútri kryštálu. Ak nanesieme na jednu s kruhových stien tycinky polopriepustné zrkadlo, opustí cast žiarivej energie tycinku ako koherentné(jedna vlnová dlžka) svetelné žiarenie. Je typickým predstavitelom tejto skupiny a súcasne aj prvý fungujúci laser, ktorý postavil T.H.Maiman v roku 1960. Rubín, ako nosný materiál (Al2O3) s iónmi Cr3+ s koncentráciou asi 0,05%, je zároven aj typickým predstavitelom trojhladinových laserov. Má dva typické prechody 692,9nm a 694,3nm co je oblast cervenej. Rubínový laser pracuje predovšetkým v impulznom režime kde dlžka impulzu je približne 1ms.

lasery YAG S kryštálom yttrito - hlinitého granátu dotovaného neodymom. Neodýmové sklo môže byt vyrábané v prakticky neobmedzených rozmeroch a tak dosahuje velkých laserových energií. Laser vyžaruje infracervený lúc z velkou energiou. YAG laser sa vyznacuje vysokou úcinnostou, stací ho osvietit žiarovkou a môže vydávat spojité svetlo s výkonom stovky wattov. Je jeden z najrozšírenejších pevnolátkových laserov ktoré pre jeho malú budiacu energiu majú schopnost pracovat efektívne v kontinuálnom režime. Nosné prostredie je ytrio-hlinitý granát (YAG) dopovaný aktívnymi iónmi Nd3+ (neodym). Najintenzívnejší emisný prechod v neodyme vyžaruje na vlnovej dlžke 1064,8nm. Bežné budenie je kontinuálnou, alebo pulznou xenónovou výbojkou podla druhu prevádzky. Dnes sú bežné v ponuke aj tzv. dablované Nd:YAG, ktoré generujú na vlnovej dlžke 532,4nm (zelená). Svoje miesto má Nd:YAG takmer všade. Zváranie, rezanie, vrtanie otvorov do tvrdých materiálov, gravírovanie a znacenie (hlavne do kovov, ale aj plastov) , meranie vzdialenosti a vela dalších.

polovodicový laser. Atómy emitujú pri prechode z vyššej energetickej hladiny na nižšiu svetlo. Stimulovaná emisia nastáva vtedy, ak zosílenie zátaže 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. Polovodic je tak vybudený a zachováva v sebe energiu. V tomto stavu nie je polovodic ešte laserom. Je to LED-dióda (light emitting diode) Dalej zvyšujeme prúd prechádzajúci polovodicom, dosiahneme zosílenie, pricom je splnená podmienka samobudenia. Nad týmto prahom zacne dióda pracovat ako laser. Laser pracuje na vlne 0,840 mikrometru. V dalšom vývoji polovodicových laserov zohrala zásadnú úlohu práca sovietských vedcov, ktorí našli spôsob vytvárania štruktúr heteroprechodov. Vedla injekcných polovodicových laserov sa podarilo realizovat i elektroionizáciu polovodicových laserov. Aktívne prostredie sa budí prevodom elektrónov z valencného do vodivostného pásu a to najcastejšie injektovaním prúdu cez PN prechod. S ohladom na velké zosilenie a velký index lomu polovodicových materiálov (napr.GaAs) sa ako zrkadlá môžu použit rovnobežné konce kryštálu. K zosileniu dochádza v pomerne úzkom prúžku prechodu PN. Pri tak velkom zosilení a tak malom rozmere ako u polovodicových laserov dochádza k generovaniu rôznych módov. Tieto módy sa šíria v osi kryštálu rôznymi odrazmi od stien. To spôsobuje pomerne velkú divergenciu (rozbiehavost) zväzku. Polovodicové lasery majú uplatnenie vo vede, priemysle a hlavne v poslednom období aj v komercnej elektronike. Aj ked kvalita zväzku (dlžka koherencie, spektrálna cistota.....) je pomerne malá majú svoje prednosti hlavne kvôli jednoduchej modulácii, malým rozmerom, vysokou úcinnostou a nízkym pracovným napätím. Je dost bežné, že sa polovodicové laserové bloky (Laser bar) poskladané z desiatok až stoviek diód v stlpci používajú na budenie pevnolátkových laserov(napr. Nd:YAG ) Cím sa spoja výhody oboch typov. Na druhej strane polovodicové lasery, ktoré sú omnoho rozšírenejšie, sú velmi malé a spotrebovávajú len velmi málo energie. Sú dvoch typov: edge-emitting (emitujúce okrajom) a vertical-cavity (s vertikálnou dutinou).V prípade okrajom emitujúcich laserov, ktoré sú lacnejšie ako lasery s vertikálnou dutinou, sú postranné plôšky polovodica odštiepnuté tak, aby vytvorili zrkadlo, a zväzok vystreluje z okraja materiálu. Zatial sa takých laserov každorocne vyrobí a použije v zariadeniach ako CD prehrávace viac ako 50 miliónov, zrkadla a teda aj zväzky trpia nepresnostou a nehodia sa pre stavbu vysokorýchlostných sietí. Vláknová optika sa spolieha na presnejšie lasery s vertikálnou dutinou. Tie sú po tisícich kusoch vytvárané na velmi malých rozmeroch. Samotné lasery môžu byt menšie než 1 štvorcový milimeter. Výrobcovia vytvárajú velmi presné zväzky tak, že do každého zrkadla laseru - známeho ako horné a dolné Braggovo zrkadlo - zabudovávajú viac než 100 vrstiev. Presnost tiež plodí úcinnost: Zatial co okrajom emitujúci laser v CD prehrávaci potrebuje pre svoju cinnost okolo 30 miliwattov, jeho ekvivalent s vertikálnou dutinou by vyžadoval iba 2 miliwatty. Cím okruhlejší je zväzok, tým presnejšie sa laser "spojí" s káblom tvoreným optickými vláknami, vysiela ho do káblu signálmi na omnoho väcšej vzdialenosti, pricom po jeho prekonaní je nutné tieto signály zosilit, co šetrí peniaze. Výkonnejšie lasery rovnako zvyšujú úcinnost prenosu. Firma Novalux vynašla ešte výkonnejší 300 miliwattový laser s vertikálnou dutinou, menší, než podobné lasery, a s lacnejšou výrobou. "Veci, ktoré obmedzujú spojitú rozšíritelnost optických sietí, sú náklady a výkony budúcich laserov. Nižšie náklady by mohli do velkomestských oblastí priviest omnoho viac optického vlákna," hovorí Thompson. Optický kabel je omnoho lacnejší ako samotné lasery.

Tento graf znázornuje pracovný režim LD. Incoherent output znamená, že LD už zacína generovat, avšak toto žiarenie nemá vlastnosti laserového žiarenia. Laser threshold je nábeh LD do pracovného režimu. Damage threshold je oblast kde už dochádza k trvalému poškodeniu LD.Bod Laserthreshold pre 25°C je ovela dalej ako damage threshold pri 0°C. Co s toho vyplýva? Asi tolko, že keby sme budili LD minimálnym prúdom na hranici laserovania (25°C), tak zmenou teploty na 0°C by bola LD nenávratne znicená.

dalšie iba v skratke: - Nd:Sklo - Nd:YVO4 - Nd:YLF - a mnohé iné...

Lasery využívajúce kvapalné látky

Pracujú s chelátmi rôznych prvkov vzácnych zemín, ktoré sa objavili už v roku 1963. Výhodou je, že môžu zaberat neobmedzene velký 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 využívajúce plynné látky

neodýmový laser. Najrozšírenejší, aktívnou látkou je materiál, s aktivovanými iónmi vzácnych plynov. Pracujú podla 4-úrovnového modelu.

hélium-neónový laser Tvorí dlhá  sklenená trubica naplnená zmesou neónu a hélia, v nich sa budí elektrický výboj na vysokom kmitoctu najcastejšie vonkajšími elektródami. Konce trubice bývajú skosené pod Brewsterovým uhlom a celá trubica je umiestnená medzi zrkadlami vonkajšieho rezonátoru. Ako aktívny plyn pôsobí neón. Lúc má vysokú stabilitu kmitoctu (vyššiu ako u maseru) a malú rozbiehavost. To predurcuje hélium-neónový laser k funkcii presných hodín a k úcelom telekomunikacným a geodetickým. Bol to jeden z najrozšírenejších laserov vôbec. Má pomerne jednoduchú konštrukciu a spôsob budenia. Ku generovaniu dochádza na neóne a hélium sa podiela iba na prenose energie. Najzaujímavejší je prechod 3s->2p (632,8nm), ktorý má však malé zosilenie(0,17dB/m) oproti prechodu 3s->3p (3391nm zos.40dB/m) a preto je nutné (pre 632,8nm) v optickom rezonátore tento mod potlacit.

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 obycajne zhotovuje z keramického materiálu a prúd sa izoluje od stien magnetickým polom. Laser je schopný generovat desiatky wattov vo spojitom režime a je vhodný i pre technologické úcely. Je velmi rozšíreným laserom a zároven aj najvýkonnejším laserom generujúcim vo viditelnej oblasti spektra. Je to v podstate klasický plynový laser, ale k dosiahnutiu inverznej populácie v argóne je nutná velká hustota budiacich elektrónov. Pre dosiahnutie hornej laserovej hladiny je nutné použit takzvané kaskádne budenie. V Ar+ laseri pri budení ide už skôr o oblúkový výboj než dútnavý. Pri dútnavom výboji preteká výbojovou trubicou prúd rádovo desiatok miliampér, ale pri Ar+ je to aj stovky ampérov. Prechodov na ktorých je možné generovat je celkom asi 45 a to v rozsahu 260nm až 1000nm. Zaradením selektívneho prvku medzi F-P rezonátor je možné tento laser jednoducho preladovat. Tri najvýznamnejšie prechody sú 514,5nm(zelená), 488,0nm(modrá) a 351,1nm(ultrafialová). Použitie tohoto typu laseru je hlavne pre vedu a výskum. Pre velký výstupný výkon má svoje miesto aj v lasershow.

hélium-kadmiový laser Je zaujímavý tým, že je 3-farebný - vyžaruje svetlo modré, zelené a cervené. Najvýkonnejšími z plynových laserov sa stali laser s oxidom uhlicitým (CO2 laser) a lasery chemické. Laser s oxidom uhlicitým generuje infracervené žiarenie na vlne 10,6 mikrometru. Vzhladom k velkosti trubice môže podávat vysoké výkony. U tohoto laseru sa postupne uplatnovali nové spôsoby cerpanie energie. V roku 1966 využili tepelnú energiu, ktorá vzniká pri prudkej expanzii zohriateho plynu. Tak boli realizované.

gazodynamické lasery S rýchlym, nadzvukovým prúdom oxidu uhlicitého. V rokoch 1970-1971 to potom bolo cerpanie pomocou zväzku elektrónu (elektroionizacný laser EIL). To umožnilo použit plyn pod vysokým tlakom a dalej zvýšit laserový výkon. V roku 1969 vznikli v USA lasery s oxidom uhlicitým pod atmosférickým tlakom a s priecnym budením (tak zvané TEA lasery, transverse excitation atmospheric - priecne budenie, atmosferické). Takéto lasery umožnujú vytvorit výkonné tepelné stroje s uzavretou cirkuláciou plynu, v nich sa tepelná energia mení na obrovskú energiu infracerveného žiarenia. CO2 laser nachádza uplatnenie v technológii, vo vojenskej a kozmickej technike a vo vedeckom výskume.

CO2 laser: Je to další z velmi rozšírených laserov generujúcich prevažne na 10600nm. K zosileniu dochádza na molekule oxidu uhlicitého pri prechodoch medzi vybracnými hladinami. Významnou prímesou CO2 laseru je dusík, ktorého molekuly sa dajú budit do prvého excitovaného stavu zrážkami s elektrónmi v dútnavom výboji. Rezonancným prenosom z molekuly N2 na CO2 sa zväcší horná laserová hladina molekúl CO2. Inverzná populácia sa dalej zväcšuje depopuláciou spodných leserových hladín pomocou hélia. Aktívne prostredie CO2 laserov teda obsahuje CO2 : N2 : He pri pomere tlakov 1:2:8 a celkovom tlaku asi 1,5kPa. Svoje uplatnenie má hlavne v priemysle pre jeho vysoké výkony a úcinnost. 1kW optického výkonu nie je nic mimoriadne. Vynikajúce vlastnosti má pre rezanie dreva a kovu. Gravírovanie a dekórovanie skla je tiež jeho silná stránka. Taktiež sa využíva pri chirurgických zákrokoch v medicíne.

chemické lasery Využívajú k cerpaniu energiu do aktívneho prostredia energie exotermických retazových chemických reakcií. Prvý 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 získat 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 úcasti atómu vzácnych plynov. Tieto molekuly, inak nestabilné, môžu existovat 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.

dalšie iba v skratke: - napr. dusíkový laser N2, ktorý je možné lahko poskladat aj doma - a mnohé iné.....

Lasery využívajúce zväzky nabitých castíc.

Tieto lasery nepracujú na kvantových prechodoch, ale využívajú synchronizované oscilácie castíc. Boli vytvorené lasery zo zväzkom rýchlych elektrónov, tzv. FEL lasery (skratka za free electron lasers), lasery na volných elektrónoch, prípadne iných nabitých casticiach. Takéto lasery majú tesnú náväznost na urýchlovace.

Použitie laserov

Laser je technológia, ktorá stojí u rady lekárskych zázrakov, je nepostrádatelnou súcastou myšlienky hviezdnych vojen, všade

doprevádza moderný život a stáva sa tiež klúcom k vysokorýchlostným komunikáciám. Tvorí základnú súcast CD prehrávaca, skenera v pokladni supermarketu na rozpoznanie ciarového kódu a tiež tlacové hlavy laserových tlaciarní... Ked väcšina ludí premýšla o laseroch, ich myšlienky sa týkajú modernej medicíny a zbraní, ktoré používajú napr. zlí mimozemskí géniovia. Jedným z odkazov význacného miesta laserov v sci-fi literatúre a filmoch je ich sila symbolizujúca futuristickou technológiou. Ale práve ony sa stali chrbticou dnešného telekomunikacného priemyslu.

<< Spät na hlavnú stránku

Zaujímavé aplikácie >>