Zpracování materiálů pomocí laseru
Kategorie: Fyzika, astronomie (celkem: 253 referátů a seminárek)
Informace o referátu:
- Přidal/a: anonymous
- Datum přidání: 18. srpna 2005
- Zobrazeno: 4853×
Příbuzná témata
Zpracování materiálů pomocí laseru
Zpracování materiálů pomocí laseru
Obsah
1. Úvod ………………………………………… 3
2. Historie a princip laseru ………………………………………… 4
3. Rozdělení laserů ………………………………………… 8
3.1. Členění laserů podle různých hledisek ………………………………………… 8
3.1.1. Rozdělení podle aktivního prostředí ………………………………………… 10
3.1.1.1. Pevnolátkové lasery ………………………………………… 10
3.1.1.1.1. Aktivní prostředí ………………………………………… 10
3.1.1.1.2. Laserový systém ………………………………………… 11
3.1.1.1.3. Vybrané pevnolátkové lasery ………………………………………… 12
3.1.1.2. Kapalinové lasery ………………………………………… 14
3.1.1.2.1. Aktivní prostředí ………………………………………… 14
3.1.1.2.2. Buzení barvivových laserů ………………………………………… 15
3.1.1.2.3. Využití barvivových laserů ………………………………………… 15
3.1.1.3. Plynové lasery ………………………………………… 15
3.1.1.3.1. Atomární lasery ………………………………………… 16
3.1.1.3.2. Iontové lasery ………………………………………… 17
3.1.1.3.3. Molekulární lasery ………………………………………… 17
3.1.1.3.4. Zvláštní metody buzení laserů ………………………………………… 18
3.1.1.4. Plazmatické lasery ………………………………………… 18
3.1.1.5. Polovodičový laser ………………………………………… 19
3.1.1.6. Nové druhy laserů ………………………………………… 21
4. Využití laseru ………………………………………… 22
4.1. Lasery v medicíně ………………………………………… 22
4.2. Lasery v mikroelektrotechnice ………………………………………… 22
4.3. Laser v astronomii, geodézii, geofyzice a ekologii ………………………. 23
4.4. Laser ve výpočetní technice ………………………………………… 25
4.5. Laserová spektroskopie ………………………………………… 25
4.6. Laserová separace izotopů ………………………………………… 26
4.7. Využití laseru v holografii ………………………………………… 26
4.8. Laserová technologie ………………………………………… 26
4.8.1. Laserové svařování ………………………………………… 27
4.8.2. Laserové vrtání ………………………………………… 28
4.8.3. Laserové řezání ………………………………………… 29
4.8.4. Dekorace skla laserem ………………………………………… 32
4.8.5. Laserové značení, značkování, popis a gravírování …………………….. 33
4.8.6. Laserové kalení ………………………………………… 37
4.8.7. Využití laseru při obrábění ………………………………………… 38
5. Firmy zabývající se laserovým zpracováním materiálů …………………. 39
6. Bezpečnost práce s lasery ………………………………………… 40
6.1. Biologické efekty laserového záření ………………………………………… 40
6.2. Zajištění bezpečnosti při práci s lasery ………………………………… 40
7. Závěr ………………………………………… 41
8. Seznam použité literatury a pramenů ………………………………………… 42
1. Úvod
Laser je vynálezem dvacátého století a za čtyřicet let své existence se stal nedílnou součástí našeho života.Setkáváme se s ním v mnoha oborech lidské činnosti.Předměty opracované laserem potkáváme na každém kroku a ani si někdy neuvědomujeme,že právě předmět ,který držíme v ruce,má něco společného s laserem.
Na těchto několika málo stránkách bych rád přiblížil princip laserové techniky,seznámil se širokým využitím laseru v mnoha odvětvích lidské činnosti a s využitím laseru v souvislosti se zpracováním materiálů.
Slovo laser [lejzr] pochází z angličtiny. Je složené z počátečních písmen anglického názvu popisující 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 moc neujalo a používá se kratší název laser.. Z názvu vyplývá, že laser vydává světlo. čím se ale liší světlo laseru od běžného světla? Laserové světlo je monochromatické (jednobarevné) koherentní (uspořádané) a má malou divergenci (rozbíhavost).
2. Historie a princip laseru
Cesta, která vedla k sestrojení prvního přístroje, začala už před staletími. O světelný paprsek se s zajímali už staří Řekové, ovšem znalosti o podstatě světla se až do 17. století nijak podstatně nezměnily.
Teprve až v 17.století se podařilo Isaacu Newtonovi rozložit bílé světlo skleněným hranolem na spektrum barev a ukázal, že se bílé světlo skládá z mnoha barev. Newton si tehdy představoval, že světlo má korpuskulární (částicový) charakter. Se svou teorií dokázal vysvětlit všechny tehdy známé vlastnosti světla, jako je odraz, lom a další.
Jeho součastník Christian Huyghes však podstatu světla viděl ve vlnění, které se šíří prostorem stejnou rychlostí všemi směry z každého bodu na povrchu svítícího tělesa. Měl také pravdu. Spor rozhodl až v 19.století svými pokusy s ohybem a interferencí světla Thomas Young. Interference je záležitost čistě vlnová, je to vlastně interakce (vzájemné působení) dvou stejných světelných vln (stejnou frekvenci a amplitudu) v daném okamžiku a místě. Vlnové rozruchy se vzájemně sčítají. Setkají-li se ve fázi, je výsledkem zesílení, v proti fázi zase zeslabení.
Co se vlastně vlní ? Na tuto otázku odpověděl na přelomu padesátých a šedesátých let 19. století svými výpočty James Clerk Maxwell. Svou teorií překlenul propast mezi optickými a elektromagnetickými jevy. Z jeho teorie vyplynulo, že světlo není nic jiného než vlnění elektromagnetického pole.
Se senzační hypotézou přišel v roce 1900 Max Planck. Prohlásil, že záření, světlo, je tvořeno malými částečkami energie – „kvanty“. Energie každého kvanta je úměrná kmitočtu záření. Tak byli položeny základy kvantové fyziky. Podle ní má světlo dvojaký charakter vlnový a korpuskulární (částicový).
Planckova kvanta energie byla později nazvána fotony. Fotony letí prostorem a při srážce s jinou částicí se chovají jako částice. Mezi sebou se však fotony interferují jako vlny. Planckova hypotéza však nevysvětlovala principy vyzařování a pohlcování záření atomy. To se povedlo v letech 1912 – 1913 dánskému fyzikovi Nielsnu Bohrovi. Ten vypracoval planetární model vodíku, podle něhož obíhají elektrony kolem jádra po vymezených drahách podobně jako planety kolem slunce. Přeskočí-li elektron z jedné dráhy na druhou, může atom získat nebo ztratit energii v podobě elektromagnetického záření. Energie atomu se změní právě o vyzářené nebo pohlcené kvantum.
K pochopení činnosti laserů je proto zapotřebí vyjasnit – alespoň v základních rysech vztahy mezi hmotným prostředím (složeným z molekul, atomů atd.) a zářením, při nichž hraje kvantování významnou roli. Hmotné prostředí může záření buď pohlcovat (absorbovat), anebo vysílat (emitovat). Zatímco absorpce záření je jednoznačná záležitost, emise může být buď samovolná (spontánní), nebo vynucená (indukovaná, stimulovaná). Atom má určitou energii, říkáme, že je na určité energetické hladině. Částice přitom mění své energetické stavy (nabytím energie přecházejí do stavů vyšší energetické hladiny a naopak) a různě dlouho v nich setrvávají. U spontánní emise dříve nebo později atom vyšší hladinu opustí a vyzáří elektromagnetické kvantum. Učiní tak sám od sebe, spontánně a proto hovoříme o spontánní emisi záření. U vynucené emise dopadá na atom kvantum elektromagnetického záření. Zastihne-li ho na spodní energetické hladině, může být atomem pohlceno a atom přeskočí na horní energetikou hladinu, hovoříme o absorpci. Setká-li se záření s atomem na horní energetické hladině, může ho donutit vyzářit další kvantum energie (elektromagnetického záření) a přejít na spodní hladinu, hovoříme o indukované emisi, tedy o fyzikálním jevu, na kterém je činnost kvantových generátorů (maserů, laserů) založena a jehož existenci předpokládal už Albert Einstein.
Dnes známe celou řadu druhů elektromagnetického záření, které se liší pouze svou vlnovou délkou. S rostoucí energií fotonů se bude zkracovat délka vlny. Nejmenší fotonovou energii a tedy největší vlnovou délku mají rádiové vlny. Následuje oblast mikrovlnná, submilimetrová, infračervená, viditelná, ultrafialová, rentgenová a oblast gama paprsků. Poslední jmenované paprsky mají tedy největší fotonovou energii a nejkratší vlnovou délku.
S energií fotonů souvisí, zda laserový paprsek vidíme nebo běžným způsobem nevidíme. Nejen to. S délkou vlny souvisejí také barvy záření ve viditelné oblasti. Na konci přilehlém infračervené oblasti má viditelné záření barvu červenou (nejmenší energie, nejdelší vlna), přechod do ultrafialové oblasti tvoří fialová barva (největší energie, nejkratší vlna). V bílém slunečním světle jsou zastoupeny všechny vlnové délky viditelného záření.
Zcela jinak je tomu u vynucené emise. Záření je přísně monochromatické (jednobarevné). Když ho také rozložíme skleněným hranolem, objeví se ve spektru jen jediná vlnová délka.
Obr. č. 1: Spektrum elektromagnetického záření
Od objevení vynucené (indukované nebo stimulované) emise záření, však muselo uplynout čtyřicet let než bylo na tomto základě zkonstruováno první experimentální zařízení. Pracovalo na principu stimulované emise mikrovln. V tomto zařízení jsou vyděleny molekuly čpavku excitované (vybuzené) na vyšší energetickou hladinu a jsou přinuceny generovat („vyrábět“) mikrovlnné vlnění. Molekuly čpavku přešly při této ztrátě energie do stavu s nižší energií.
Pojmenování „MASER“ vzniklo z počátečních písmen dlouhého názvu „Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation“, čili zesilování mikrovln pomocí stimulované emise záření. Maser, první kvantový generátor centimetrových vln používající svazek molekul čpavku byl současně a nezávisle na sobě uveden do provozu v Rusku a v USA. Od maseru vedla logická cesta k prvnímu laseru, který místo mikrovln generoval vlny světelné. Vznikla zkratka z pěti písmen anglického názvu „Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation“ – LASER, česky – zesílení světla pomocí stimulované emise záření.
K praktickému využití vynucené emise, a tím pádem i ke konstrukci prvního laseru, bylo potřeba ještě vyřešit dva ryze technické problémy.
První z nich bylo vytvoření nerovnovážného stavu, kdy bude více atomů na vyšších energetických hladinách než na hladinách nižších. V takovém případě hovoříme o populační inverzi a těleso nazýváme aktivním prostředím. K vytvoření populační inverze se využívá pochodu nazývaného „čerpání“, tj. látce se dodává energie ve formě nekoherentního (neuspořádaného) elektromagnetického záření o určité vlnové délce. Atomy pohltí toto záření a přejdou na vyšší energetickou hladinu, ale i opačně. Po určité době je přechod mezi hladinami přesycen a vytvoří se v něm rovnováha, kdy je na obou hladinách v průměru stejný počet atomů. Tím ale ještě není vytvořeno aktivní prostředí. Vloží-li se však mezi dvě hladiny hladina třetí, může se stát, že atomy budou bez vyzáření padat z horní hladiny na tuto prostřední a udrží se zde relativně dlouhou dobu. Na této hladině – nazvané „pracovní“, bude počet elektronů větší než na hladině spodní, a tím se vytvoří žádané aktivní prostředí. Důležité je poznání, že v aktivním prostředí se musí vždy nacházet nejméně tři hladiny. Jen za těchto okolností totiž může dojít k populační inverzi, nikdy ne na dvouhladinovém systému. Laserující systém může mít i více hladin než tři.
Záření vzniklé tímto způsobem bude odpovídat rozdílu prostřední (pracovní) a spodní energetické hladiny. Pokud chceme dostat např. 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.
K vyvolání laserové akce nestačí mít vhodné aktivní prostředí a umět v něm docílit populační inverzi. Tím se dostáváme k druhému problému. Druhým technickým problémem bylo najít způsob, jak udržet paprsek uvnitř aktivního prostředí dostatečně dlouhou dobu, aby stihnul nabrat co nejvíce energie vynucených emisí. Pomohla optika a nabídla dvě rovnoběžná zrcadla, tzv. rezonátoru, mezi která se vloží aktivní prostředí. Proces v aktivním prostředí zahajuje tzv. iniciační spontánní foton. Ten při srážce s atomem či molekulou v excitovaném (vybuzeném) stavu vyvolává indukovanou emisi fotonu a pád atomu či molekuly na nižší hladinu. Rezonátor způsobí, že fotony postupující v jeho ose procházejí několikanásobně (asi stokrát) aktivním prostředím a při každém průchodu indukují vznik dalších fotonů. Fotony, které se šíří jiným směrem než v ose rezonátoru, systém bez užitku opouštějí. Jedno ze zrcadel rezonátoru je polopropustné. Jím opouští rezonátor kolimovaný, tj. úzký, téměř nerozbíhavý laserový paprsek.
Často se hovoří o různých výkonech laseru. Výkon laseru je množství vyzářené energie za určitý čas, označuje se ve wattech (W). Množství vyzářené energie se udává v jednotkách zvaných joule (J). Jestliže svítí laser nepřetržitě, většinou vystačíme s pouhým označením výkonu. Jestliže však laser pracuje v krátkých záblescích, které trvají milisekundy (ms) až pikosekundy (ps) a dokonce i femtosekundy (fs), je pro odborníky důležité vědět, jak kratičké jsou a jak je velká vyzářená energie. Čím kratší je doba trvání záblesku, tím větší je špičková energie a výkon. Tak je možné v nepatrném zlomku sekundy vyzářit veliké množství energie (nejen jednotky, desítky, stovky, ale i tisíce joulů). Výkony laserů se v takových případech pohybují nejen ve wattech (W), kilowattech (KW), ale i megawattech (MW), gigawattech (GW)a dokonce i v terawattech (TW).
Při charakterizování laserů se někdy zmiňujeme také o jejich účinnosti. Účinnost je poměr mezi množstvím energie dodané do zařízení a množstvím energie, které z něho vystupuje. V různých typech laserů totiž dochází k různě velkým ztrátám. Účinnost laserů, která se pohybuje v rozmezí od 0,1% do 80%, je často hlavním faktorem pro jejich použití. Významná je především v případech, kdy je důležitý vysoký výstupní výkon laserů, tj. při použití tzv. výkonových laserů. Do laseru musíme sice přivádět více energie než jí získáme, ale vyplatí se to. Laser totiž opouští paprsek zvláštních a pro nás výhodných vlastností. Jsou to monochromatičnost (jednobarevnost), koherence (uspořádanost) a malá divergence (rozbíhavost). Díky těmto charakteristickým vlastnostem nacházejí lasery stále větší uplatnění v nejrůznějších oborech.
Historie laseru začíná v roce 1917, kdy Albert Einstein ukázal, že kromě jevů jako jsou spontánní emise a absorpce, musí existovat ještě stimulovaná emise. Následující krok směrem k vynálezu laseru udělal ruský fyzik V.A..Fabrikant, který v roce 1939 poukázal na možnost použití stimulované emise k zesilovaní elektromagnetického záření procházejícího prostředím. Později v roce 1951, spolu s M.M.Vudynským a F.A.Butajevovou přihlásili patent na metodu zesilování elektromagnetického záření (ultrafialového, viditelného, infračerveného a pásma radiových vln) tím způsobem, že záření prochází prostředím, ve kterém je vytvořen nerovnovážný stav. Stav takového charakteru, že je preferováno obsazení horních energetických stavů atomů. popř. jiných elementů prostředí.
Po prve byla tato idea realizována pro zesilování záření v mikrovlnné oblasti. V roce 1952 moskevští fyzikové N.G.Basov a A.M.Prochorov na konferenci o radiospektroskopii referovali o molekulárním svazkovém generátoru – MASERu pracujícím se svazkem molekulárního čpavku. Prakticky současně byla vyjádřena myšlenka použití stimulované emise k zesílení a generaci milimetrových vln americkým fyzikem Ch.H.Towenesem. V roce 1954 byl sestrojen první molekulární generátor. Realizace maseru dala vznik novému vědnímu oboru – kvantové elektronice. Basov, Prochorov a Townews dostali společně za vynález maseru Nobelovu cenu v roce 1964.
Mezi realizací prvního maseru a prvního laseru uplynulo šest let. V roce 1955 Basov a Prochrov navrhli optické buzení a prostředek pro dosažení populační inverze. V roce 1957 pak Basov uvažoval o využití polovodičových materiálů pro kvantové oscilátory a realizoval optický rezonátor leštěnými planparalelními stěnami na polovodičovém čipu. V témže roce Fabrikant a Butajevová pozorovali zesílení optického záření v experimentu s elektrickým výbojem procházejícím směsí par rtuti, vodíku a helia. V roce 1958 Prochorov, Schawlow a Townes vyslovili nezávisle na sobě ideu, že jev stimulované emise, užitý v maseru, může být použit i v infračervené a optické oblasti spektra. R.H.Dicke (Princeton University) navrhl použití otevřeného rezonátoru pro realizaci kladné zpětné vazby v optické oblasti. V roce 1960 Theodore Maiman publikoval článek o generaci záření ve viditelné oblasti světla v rubínové tyči. Bal vynalezen rubínový laser. V témže roce (1960) A.Javan, W.R.Bennett a D.R.Herriott demonstrovali laserová akci ve směsi plynů helia a neonu. V roce 1960 se podařilo zkonstruovat první vodíkový maser. Od roku 1961 začal bouřlivý vývoj různých typů laserů zároveň s vývojem laserové technologie. První polovodičový laser byl sestrojen v roce 1962. V České republice se maser objevil v roce 1962 a laser o rok později.
3. Rozdělení laserů
Slovo laser [lejzr] pochází z angličtiny. Je složené z počátečních písmen anglického názvu: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation,což by se dalo přeložit jako zesílení světla pomocí vynucené (stimulované) emise záření.Český název pro laser je kvantový generátor světla. Z názvu je zřejmé, že laser vydává světlo. Laserové světlo je monochromatické (jednobarevné) koherentní (uspořádané) a má malou divergenci (rozbíhavost). 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.
3.1. Členění laserů podle různých hledisek
Lasery mohou být klasifikovány podle různých hledisek, např.:
podle aktivního prostředí
pevnolátkové lasery
polovodičové lasery
plynové lasery
kapalinové lasery
plazmatické lasery
podle vlnových délek optického záření, které vysílají
infračervené lasery
lasery viditelného pásma
ultrafialové lasery
rentgenové lasery
podle typu kvantových přechodů (energetických hladin zúčastněných při laserovém kvantovém přechod)
molekulární(rotační, rotačně-vibrační, vibrační)
elektronové
jaderné
podle typu buzení - lasery buzené
opticky
elektronovým svazkem
elektronovým svazkem
tepelnými změnami
chemicky
rekombinací
injekcí nosičů náboje
podle délky generovaného impulsu – lasery
s dlouhými impulsy
s krátkými impulsy
s velmi krátkými impulsy (pikosekundové, femtosekundové)
Přehled typů laserů
Aktivní materiály Typy laserů buzení
Dielektrické Pevnolátkové lasery
krystaly skla
kapaliny, optické
organická barviva kapalinové lasery
fotodisociační
atomové
elektrickým
plyny, plynové iontové výbojem
směsi
molekulární
plynové
lasery excimerové
elektroionizační elektron. svazkem
plynově-dynamické expanzí stlačeného plynu
chemické chemickou reakcí
plazma plazmatické lasery rekombinační
vlastní polovodiče elektronovým svazkem
polovodičové lasery
příměsové polovodiče elektrickým proudem
Obr. č.2: Přehled typů laserů
3.1.1. Rozdělení podle aktivního prostředí
Toto dělení je v praxi nejpoužívanějším.
3.1.1.1. Pevnolátkové lasery
Po objevu rubínového laseru, tj. laseru s aktivním materiálem Al2O3:Cr3+, bylo vyzkoušeno mnoho dalších aktivních přechodových prvků, které, zabudovány do vhodné matrice (základní materiál, který určuje většinu technických vlastností daného aktivního prostředí, v tomto případě krystalu), měly předpoklady dát laserovou generaci. Historicky nejúspěšnějším se stal iont Nd v matrici yttrium aluminium granátu – Nd:YAG (Y3Al5O12:Nd3+). Poslední léta jsou opět poznamenána zvýšeným zájmem o pevnolátkové lasery vzhledem k jejich relativní stabilitě aktivního materiálu a jednoduchosti systému.
3.1.1.1.1. Aktivní prostředí
Aktivním prostředím je dielektrikum – pevná opticky propustná látka.
Matrice
U pevnolátkových laserů je matrice základním materiálem, který určuje většinu technických vlastností daného krystalu. Matrice musí být průzračná, opticky homogenní a musí být technologicky možné ji uměle vyrábět. Materiály, které vyhovují těmto požadavkům, jsou:
1. krystaly
2. skla
3. keramika
1. Krystalické materiály se dělí na:
a) oxidy – nejznámější je safír Al2O3. Je tvrdým materiálem s vysokou termální vodivostí, s aktivními ionty chromu vytváří krystal rubínu Al2O3 + Cr3+
b) granáty – jsou krystalické sloučeniny typu A3B5O12, kde symbol A označuje ionty yttria nebo lanthanidů a symbol B může být hliník, galium, železo, indium, chrom a další. Nejvýznamnější z nich je sloučenina Y3Al5O12 – yttrium aluminium granát YAG. Je to tvrdý izotropní krystal dobré kvality, který lze uměle vyrábět
c) alumináty – např. krystal yttrium – orthoaluminát YAlO3, nazývaný YALO, YAP nebo Perovskit, přibližuje se využitím krystalu YAG
d) fluoridy – relativně měkké, izotropické krystaly
e) oxylsulfidy – např. lanthan, gadolinium, ittrium a lutecium oxylsulfid
f) fosfáty a silikáty – např. kalcium fluorofosfát, silikátový oxyapatit
g) tungstaáty, molybdáty, vanadáty a beryláty
2. Skla
Jejich výhodou (ve srovnání s krystaly) je snadnější výroba, která umožňuje dosáhnout výbornou homogenitu (stejnorodost) skla a ve srovnání s krystaly mnohem větší rozměry. Nevýhodou skleněných matric je menší tepelná vodivost a menší tvrdost.
3. Keramika
Výhodou této matrice je nízká cena ve srovnání s krystaly nebo sklem a vyšší tepelná vodivost než má sklo.
Ativátor
Aktivátory jsou atomy nebo ionty umístěné v matrici, zúčastňující se procesu generace optického záření. Při výběru aktivátorů přidávaných do matric je nejpodstatnější podmínka, která omezuje použité látky na takové, které mají nezaplněné vnitřní slupky elektronového obalu. Jsou to atomy:
transmisní skupiny prvků (Fe, Cr atd. s nezaplněnou slupkou 3d)
vzácných zemin (Sm, Nd atd. s nezaplněnou slupkou 4f)
skupiny aktinidů (U s nezaplněnou slupkou 5f)
3.1.1.1.2. Laserový systém
Součástí pevnolátkového laseru je:
1. laserová hlavice obsahující aktivní materiál, budící elementy (výbojky xenanové, kryptonové), budící dutinu a otevřený rezonátor. Aby koncentrace světelné energie byla co největší, má budící dutina speciální tvar (jednoelipsa, dvouelipsa, čtyřelipsa, atd.). Vnitřní stěna budící dutiny je pro zvýšení odrazivosti pokovena (obvykle vrstvou stříbra nebo zlata). Rezonátor je obvykle tvořen zrcadly s kruhovou aperturou (velikost otvoru optických přístrojů), z nichž jedno je zpravidla totálně odrazné (R=100%) pro záření generované vlnové délky a druhé částečně propustné. Pro kontinuální pevnolátkové lasery je odrazivost výstupního zrcadla R=90 až 99%, pro pulsní R=8 až 50%.
Obr. č. 3: Součásti pevnolátkového laseru
2. zdrojová jednotka – jejím úkolem je dodat dostatečné množství energie do výbojky v impulsním nebo kontinuálním režimu. K napájení kontinuální výbojky slouží budící elektrický obvod, který je zdrojem proudu od 10 do 60 A.
3. chladící jednotka – jejím úkolem je odebrat aktivnímu prostředí teplo vydělené při nezářivých přechodech aktivních iontů, neboť podstatná část energie buzení se uvnitř hlavice přemění na teplo. Chlazení probíhá dvojím způsobem:
chladící tekutinou (zpravidla destilovaná voda), která protéká celou budící dutinou
laserový krystal a výbojky jsou umístěny ve skleněných trubicích a voda jimi protéká
3.1.1.1.3. Vybrané pevnolátkové lasery
Rubínový laser – je pevnolátkový laser, jehož aktivním prostředím je krystal generující záření o vlnové délce 0,6943 μm. Matrici tvoří safír (Al2O3) a aktivátorem jsou ionty chromu (Cr3+). Rubínový laser je používán většinou v impulsním režimu, protože pro kontinuální režim není možné rubín dostatečně ochladit. Při volně běžícím režimu rubínový laser generuje impulsy s energií až 5J, s délkou impulsu = 1.10-3 s. V případě činnosti laseru v Q-spínavém režimu jsou generovány impulsy s energií 1 až 2 J a s délkou impulsu 10-8 až 10-9 s. Generovaná vlnová délka rubínového laseru λ = 0,6943 μm. Rubínového laseru se v průmyslu využívá k vrtání tvrdých materiálů, v lékařství v dermatologii, a v laserové lokaci družic atd. V mnoha oborech byl nahrazen především Nd:YAG laserem.
Parametr Rozměr Rubín Nd:YAG Nd:sklo
Vlnová délka μm 0,6943 1,0641 1,0623
Energie fotonu J 2,86.10-19 1,86.10-19 1,86.10-19
Spontánní doba života μs 3000 240 300
Fluorescenční šířka čáry nm 0,55 0,40 26
Teplotní vodivost
Wcm-1K-1 0,42 0,14 0,012
Tab. č. 1: Parametry rubínového, Nd:YAG a Nd:sklo laserového aktivního materiálu
Neodymový laser - matricí v tomto materiálu je sklo. To se odlišuje od ostatních materiálu tím, že jde o materiál izotropní. Může být dopován vysokou koncentrací až 5% neodymovými ionty Nd2O3. Pro matrice se používají skla silikátová (SiO2) a fosfátová (P2O5). Tepelná vodivost je u skla značně menší než u většiny ostatních matric. Nd:sklo laser pracuje tak jako laser rubínový zpravidla v impulsním režimu. Generovaná energie může dosáhnout až 20 J v impulsu o délce 100.10-6 s. V Q-spínavém režimu jsou generovány impulsy s energií 2 až 5 J s délkou impulsu 10 až 30.10-9 s. Nd:sklo lasery jsou vhodné pro vysoce–energetické pulsní režimy práce s malou opakovací frekvencí, např. pro velké termonukleární systémy.
Nd:YAG laser - Nd:YAG laser je dnes nejvíce používaný typ pevnolátkového laseru. Aktivním materiálem je izotropní krystal yttrium aluminum granátu dopovaný neodymem. Tepelná vodivost granátu dovoluje účinné chlazení aktivního materiálu, a proto lze tento laser provozovat jak v impulsním, tak v kontinuálním režimu. Při kontinuálním provozu je laser buzen kontinuálně-hořícími kryptonovými výbojkami (nově diodami) a může dosahovat výkonů 100 až 200 W. Pro impulsní buzení se do krystalové mřížky yttrium aluminium granátu přidává další dopující prvek – ionty chromu (Cr3+). Potom lze použít pro buzení xenonové výbojky. Energie dosahované ve volně běžícím režimu jsou až 5 J, při délce impulsu 100.10-6 s a opakovací frekvenci až 100 Hz. Účinnost Nd:YAG laseru dosahuje až několika procent. V průmyslu se využívá při vrtání, svážení, řezání a žíhání materiálu. V lékařství se používá kontinuální Nd:YAG laser jako skalpel v chirurgii a pulsní Nd:YAG laser v oční mikrochirurgii. Dále se uplatnil v radarové technice a ve spektroskopii.
Obr. č. 4: Nd:YAG laser
1. Rychlé scannery rozmítají svazek v ose X a Y
2. Expandér - ovlivňuje tloušťku stopy a hustotu výkonu
3. Clona mechanicky blokující laser
4. Moderní dutina s difuzní keramikou a jednoduchou výměnou výbojky
5. Zadní 100% zrcadlo a uspořádání předního zrcadla určují výkonové parametry laseru
6. F-theta objektiv určuje velikost popisovaného pole
7. Výstupní polopropustné zrcadlo
8. Naváděcí Helium-Neonový laser
9. Akusto-optický modulátor řízený počítačem umožňuje programově řídit parametry popisu
Nd:YLF laser - matricí materiálu Nd:YLF je materiál lithium-yttrium-fluorid (LiYF4). Laserový přechod je na vlnové délce 1053 nm. Materiálové vlastnosti krystalu Nd:YLF jsou uvedeny v tabulce. Nd:YLF laserová krystal se používá dnes v průmyslových aplikacích i v medicíně.
Vzorec Nd:LiYF4
Vlnová délka [μm] 1,053
Doba života na energ.hladině [μs] 520
Hustota [gcm-3] 3,99
Tvrdost (Mohs.stupnice) 4 až 5
Teplotní vodivost [Wcm-1K-1] 0,06
Součinitel teplotní roztažnosti [10-6K-1] 13 (osa a)
8 (osa c)
Bod tání [°C] 825
Tab. č. 2: Vlastnosti krystalu Nd:YLF
Alexandrit - přírodní alexandritový krystal byl poprvé nalezen v roce 1880. Chemicky je alexandrit krystalem chrysoberylu BeAl2O4 (matrice) dopovanými ionty Cr3+ (aktivátor). Koncentrace aktivních iontů Cr může být 0,1 až 0,4 at.%. Alexandrit je opticky a mechanicky velmi podobný krystalu rubínu. Alexandritový laser může pracovat jak v kontinuálním, tak v impulsním režimu. V Q-spínavém režimu byla generována výstupní energie 1 J. Z hlediska využití se alexandritové lasery začínají prosazovat v lékařských aplikacích (dermatologie, fotodynamická terapie), dále v průmyslu a ve spektroskopii.
Vzorec Cr:BeAl2O4
Vlnová délka [μm] 700 až 818
Doba života na energ.hladině [μs] 260
Fluorescenční šířka čáry [nm] 100
Tvrdost 2000
Teplotní vodivost [Wcm-1K-1] 0,23
Součinitel teplotní roztažnosti [10-6K-1] 6,1
Bod tání [°C] 1870
Tab. č. 3: Vlastnosti krystalu alexandritu
Ho/CTH:YAG - generace laserového záření na vlnové délce λ = 2,1 μm na iontu holmia zabudovaného do matrice yttrium aluminium granátu byla poprvé dosažena v roce 1962. Atomy holmia mají jen několik slabých absorpčních čar na vlnových délkách produkovaných výbojkovým čerpáním, a proto byly do matrice yttrium-aluminium-granátu (Y3Al5O12 – YAG) dodány postupně další ionty vzácných zemin – erbia (Er) a thulia (Tm), které přenášejí absorbovanou výbojkovou energii na ionty holmia.
Systém se uplatňuje především v medicíně.
Er:YAG - absorpční a fluorescenční vlastnosti iontu erbia byly zkoumány v různých matricích, aby byly určeny vlastnosti erbia jako aktivního iontu umožňujícího laserovou akci. Materiál matrice pro Er iont dnes tvoří převážně YAG. Dominantními vlnovými délkami generovaného záření jsou 1,56 a 2,94 μm. Záření Er:YAG laseru 1,56 μm se používá v laserových dálkoměrech.
3.1.1.2. Kapalinové lasery
3.1.1.2.1. Aktivní prostředí
Aktivním prostředím kapalinových laserů jsou z převážné části roztoky organických barviv nebo speciálně připravené kapaliny dopované ionty vzácných zemin. Aktivním prostředím jsou ionty organických barviv v různých kapalných rozpouštědlech, jakými jsou např. voda, etylalkohol, metylalkohol, toulen, benzen, aceton, cyklohexan, glycerin a další. Nejznámějším a prakticky nejdůležitějším aktivním prostředím barvivových laserů je Rhodamin 6G. Patří ke skupině xanthenových barviv. Významnou charakteristikou barvivových laserů je šířka čáry generované vzhledem k šířce čáry luminiscenční. Tak jako u pevnolátkových laserů i barvivové lasery mají šířku absorpční a luminiscenční čáry v okolí 0,1 μm. Šířka generované laserové čáry ovšem může být až řádu 10-4 μm nebo menší. Generovaná vlnová délka může být tedy měněna spojitě uvnitř hranic daných šířkou luminiscenční čáry. Lasery, u kterých generovaná vlnová délka může být plynuje měněna, nazýváme lasery přeladitelnými.
3.1.1.2.2. Buzení barvivových laserů
Pro buzení barvivových laserů se užívá optického záření. Optické buzení těchto laserů je nekoherentní nebo koherentní, pulsní nebo kontinuální a příčné nebo podélné.
Při koherentním buzeni je barvivové aktivní prostředí ozařováno zářením pomocného laseru na kmitočtu odpovídajícím absorpčnímu pásmu daného barviva. Účinnost barvivových laserů buzených koherentně zářením pomocného laseru dosahuje řádu desítek procent.
Při nekoherentním čerpání se pro buzení barvivových laserů užívá podobného uspořádání jako u pevnolátkových laserů. Účinnost nekoherentně čerpaných barvivových laserů dosahuje maximálně 10%.
3.1.1.2.3. Využití barvivových laserů
Použití barvivových laserů je především ve spektroskopii. Novou aplikací je využití možnosti naladění přesné vlnové délky v medicíně – ve fotodynamické terapii, kdy se působením záření přesné vlnové délky ničí rakovinotvorný nádor předem „napuštěný“ speciálním organickým barvivem (barvivo se působením záření rozpadá a volný generovaný kyslík ničí rakovinotvorné buňky).
3.1.1.3. Plynové lasery
Plynové lasery jsou lasery s aktivním prostředím v plynné fázi. Inverze populace hladin je vytvářena mezi energetickými hladinami některé ze složek plynu, tj. atomů (atomární lasery), iontů (iontové lasery), molekul (molekulární lasery). Většina plynových laserů pracuje v kontinuálním režimu, ale byly vyvinuty i lasery s mimořádně vysokým výkonem pracující v impulsním provozu.
Při průchodu aktivním prostředím bývá optický svazek méně deformován než u laserů s kondenzovaným prostředím, neboť plyny jsou obecně homogennější. Nevýhodou plynových laserů je poměrně malá objemová hustota počtu části, která se odráží v malých objemových výkonech.
Plynové lasery je možné budit:
elektrickým výbojem
chemickou reakcí
fotodisociací
rychlou expanzí plynu
průchodem svazku rychlých elektronů
nebo opticky
Tab. č. 4: Plynové lasery
3.1.1.3.1. Atomární lasery
Aktivním prostředím jsou elektricky neutrální atomy. Typickým představitelem atomárních laseru jsou helium-neonový laser, měděný laser a jodový laser.
Helium-neonový laser – aktivní prostředí je tvořeno vzbuzenými (excitovanými) atomy neonu. Excitují se v elektrickém výboji ve směsi plynů helia a neonu. Tento laser vyzařuje infračervené záření o vlnové délce 1,15 μm, 3,39 μm a 0,633 μm.
Měděný laser – aktivní prostředí tvoří neutrální atomy mědi. Vysílá zelené světlo s vlnovou délkou 510,5 nm a 578,2 nm. Inverze populace mezi energetickými hladinami se vytváří v elektrickém výboji ve směsi par mědi a dalšího nárazníkového plynu (helia, argonu). Střední výstupní výkon měděného laseru bývá až 40 W při opakovací frekvenci větší než 10 kHz. Aby tlak měděných par ve výbojové trubici byl dostatečně velký, pracují měděné lasery při vysoké teplotě (1800 K), tj. jejich výbojová trubice je uložena v peci. Měděné lasery jsou dosud nejúčinnější lasery v zelené oblasti spektra. Vlnové délce jejich záření odpovídá malá absorpce v mořské vodě, což je předurčuje mj. pro podmořskou komunikaci či lokaci.
Jodový laser – generuje viditelné nebo infračervené záření v důsledku stimulované emise na kvantových přechodech vzbuzeného atomu jodu. Vlnová délka laserového záření je 1,35 μm. Podle způsobu buzení je možné jodové lasery rozdělit na fotodisociační lasery a lasery buzené rezonančním přenosem energie. Fotodisociační buzení je založeno na rozpadu molekul v důsledku působení ultrafialového záření. Poměrně dlouhá doba (130 ms) života atomu jodu v excitovaném stavu umožňuje dosáhnout generaci impulsů záření s velmi velkou energií a velkým špičkovým výkonem (až několik TW). Jiný způsob excitace využívá přenosu excitace molekuly kyslíku na atom jodu.
3.1.1.3.2. Iontové lasery
Iontovými lasery se rozumí plynové lasery, jejichž aktivní prostředí tvoří ionty vzácných prvků nebo ionty par kovů. Ionty vzácných prvků bývají dvojmocné (Ne2+, Ar2+, Kr2+, Xe2+) viz. tabulka.
iont vlnová délka [nm]
Ne2+
Kr2+ 267,7
528,8 333,1
647,1
676,4
Ar2+ 418,3 476,5 488,8 514,2
Xe2+ 526,2 542,0 597,1 627,0 782,7 871,6
Tab. č. 5: Vlnové délky zářená iontových laserů
Typickým široce používaným představitelem je argonový laser. Iontové lasery s parami kovů (Sn, Pb, Zn, Cd, Se) a typickým jejich představitelem je helium-kadmiový laser.
Argonový laser – aktivní prostředí tvoří ionty argonu. Budí se elektrickým výbojem. Vlnové délky záření jsou: 457,9 nm; 465,7 nm; 472,7 nm; 488,0 nm; 496,5 nm a 514,5 nm.
Helium-kadmiový laser – je příkladem laseru pracujícího s ionty kovu, vysílají záření ve viditelné oblasti na vlnových délkách 533,7 nm; 537,8 nm a 441,6 nm. Budí se elektrickým výbojem, ve které se nejdříve excituje a ionizuje helium. Atomy helia pak dávají vznik iontům kadmia v procesu tzv. Penningovy reakce.
3.1.1.3.3. Molekulární lasery
Molekuly mají ve srovnání s atomy a ionty poměrně složitá spektra energetických hladin. V molekulách je možné vytvářet inverzi populace hladin mezi energetickými hladinami různého typu. Inverze mezi dvěma elektronickými stavy umožňuje generovat ultrafialové nebo viditelné záření. Příkladem laserů tohoto typu jsou vodíkový laser, dusíkový laser a excimerové lasery. Inverze mezi vibračně-rotačními hladinami vede ke generaci infračerveného záření (CO2 laser, CO laser).
Vodíkový laser – aktivním prostředím je vodík. Elektronové kvantové přechody v molekulárním vodíku jsou používány pro generaci ultrafialového záření v oblasti vlnových délek 140 až 165 nm a 100 až 120 nm. Buzení se provádí elektrickým výbojem. Laser pracuje zpravidla v tzv. režimu zesílené spontánní emise (tj. bez zrcadel tvořících optický rezonátor).
Dusíkový laser – laser s molekulárním dusíkem jako aktivním prostředím může generovat záření ve třech oblastech optického spektra a to:
- ultrafialové záření (337 až 328 nm)
- viditelné a blízké infračervené (754 až 1235 nm)
- infračervené (3,29 až 3,47 μm a 8,15 až 8,21 μm)
Největšího využití se dusíkovému laseru dostalo jako generátoru laserového ultrafialového sváření s vlnovou délkou 337,1 nm. Buzení se provádí elektrickým výbojem. Dosahované zesílení je veliké a laser může pracovat bez optického rezonátoru.
Excimerové lasery – excimer je nestabilní molekula, která vzniká jen na přechodnou dobu v důsledku vzájemného působení vzbuzeného atomu s atomem v základním stavu. Aktivním prostředím laserů jsou excimery. Dosud známé excimerové lasery pracují buď s excitovanými dimery vzácných plynů (např. Ar2), s halogenidy vzácných plynů (např. KrF), nebo s oxidy vzácných plynů (např. XeO). Buzení excimerových laserů se provádí elektrickým výbojem, nebo svazkem rychlých elektronů. Buzením elektronovým svazkem dosahujeme vyšší účinnosti než buzením elektrickým výbojem (až 10 krát).
CO2 laser – aktivními molekulami jsou molekuly oxidu uhličitého. Ke stimulované emisi dochází při kvantových přechodech mezi různými vibračně-rotačními podhladinami základního elektronického stavu molekuly. Elektrický výboj se zapaluje ve směsi plynů CO2, N2 a He. V klasickém konstrukčním uspořádání bývá základem CO2 laseru výbojová trubice T s vnitřním průměrem několika centimetrů naplněná směsí plynů CO2:N2:He při tlaku několika kPa. CO2 lasery mají poměrně vysokou účinnost (cca 10%), jsou široce využívané. Vedle elektrického buzení existuje i řada systémů CO2 laseru založených na jiných principech buzení (např. chemickou reakcí nebo rychlým ochlazením přihřátého plynu).
CO laser – aktivním prostředím CO laseru jsou molekuly oxidu uhelnatého. Laserové přechody se uskutečňují mezi vibračně-rotačními hladinami základního elektronového stavu této dvouatomové molekuly. CO lasery vyzařují infračervené záření v pásmu 5 až 6,5 μm a vyznačují se dobrou účinností a velkými výstupními výkony. Buzení CO laseru je provádí obdobnými metodami jako u CO2 laseru a to především elektrickým výbojem nebo elektronovým svazkem. V CO laserech, kde nejsou kladeny žádné nároky na spektrální čistotu výstupního svazku, se dosahuje účinnosti až 50 %. Jejich většímu rozšíření brání jedovatost CO.
3.1.1.3.4. Zvláštní metody buzení plynových laserů
příčně buzené lasery (TE lasery) - příčné buzení se s výhodou využívá u impulsních CO2 laserů s atmosférickým tlakem plynové náplně a u excimerových laserů
fotodisociační lasery – příklad tohoto laseru je jodový laser
chemické lasery – buzení chemickou reakcí (např. u CO2 laseru)
plynově dynamické lasery – kromě nejběžnějších CO2 plynově-dynamických laserů, vysílajících záření s vlnovou délkou 10 μm, byly realizovány i lasery s molekulami CO, N2O a CS2 vyzařující v infračervené oblasti spektra. Nově se objevují i ve viditelné oblasti spektra.
opticky buzené plynové lasery – prakticky se optického buzení plynových laserů využívá pro generaci submilimetrového záření, Tj. záření s vlnovými délkami 0,1 až 1,0 mm. Typickým představitelem submilimetrových laserů je laser s molekulami vody (H2O), vysílající záření s vlnovými délkami 118,6 a 220,2 μm nebo laser HCN s vlnovými délkami 331, rep. 337 μm.
3.1.1.4. Plazmatické lasery
V plazmatickém laseru je inverze populace vytvářena uvnitř chladnoucího plazmatu. U těchto laserů se používají ionty argonu s vlnovou délkou 747 nm, ionty kadmia s vlnovou délkou 537,8 nm a ionty rtuti s vlnovou délkou 567 nm. Plazmatické lasery s aktivním prostředím vytvořeným mnohonásobně nabitými ionty jsou jednou z cest k vytvoření rentgenového laseru. Rentgenový laser je zdrojem koherentního rentgenového záření. U rentgenových laserů jsou ještě mnohé konstrukční problémy. Jedním z těchto problémů je že potřebná zrcadla s vysokou odrazivostí v oblasti vlnových délek 10 nm prakticky neexistují.
3.1.1.5. Polovodičový laser
Funkce polovodičového laseru je založena na vzniku stimulované emise záření v aktivním polovodičovém materiálu při kvantových přechodech elektronů z vodivostního do valenčního energetického pásu a na existenci zářivé rekombinace nosičů náboje (elektronů a děr). Aktivním prostředím polovodičových laserů je polovodičový materiál, ve které jsou aktivními částicemi nerovnovážné elektrony a díry, tj. volné nosiče náboje, které mohou být injektovány. V polovodičovém aktivním prostředí je možno dosáhnout velkého optického zesílení (až 104 cm-1). Vzhledem k tomu jsou rozměry aktivního elementu polovodičového laseru mnohem menší než u ostatních laserů (délka rezonátoru je cca 50 μm až 1 mm). Inverze populace se dosahuje nejčastěji injekcí nosičů náboje přechodem P-N (injekční laser), obecně lze však použít i jiných prostředků buzení, jako např. optického, elektronového svazku, lavinového jevu v polovodičích.
Hlavní předností polovodičových laserů je jejich kompaktnost, velká účinnost (až 50%), možnost spektrálního přeladění v širokém spektrálním pásmu a pomocí výběru aktivního prostředí generace záření vlnových délek od λ = 0,3 μm až po λ = 30 μm. Nevýhodou je rozbíhavost generovaného záření a velká závislost parametrů generovaného záření na teplotě aktivního polovodičového materiálu. Chlazení je jedním z vážných problémů polovodičových laserů. Velká rozbíhavost a vějířovitý svazek je charakteristický pro všechny polovodičové lasery a je spolu s velkou teplotní závislostí hlavní nevýhodou polovodičových laserů.
Polovodičový laser buzený svazkem elektronů – aktivní prostředí je tvořeno vlastním polovodičem. Laser může být buzen fotony. Mnohem častěji je místo fotonů užito k buzení svazku elektronů. Rychlé elektrony procházejí polovodičovým vzorkem a iniciují přechody z pásu valenčního do pásu vodivostního. Mezi takto buzené aktivní materiály patří galium arsenidový (GaAs) polovodičový laser, kadmium sulfidový (CdS) a kadmium selenidový (CdSe) polovodičový laser. Teplotní závislost je natolik velká, že tyto polovodičové lasery generují záření pouze při nízkých teplotách, např. GaAs lasery se chladí na 80 K a některé systémy CdS a CdSe pracují pouze při teplotě kapalného helia (4,2 K).
Injekční polovodičové lasery – ve většině případů je aktivní materiál složen z polovodiče typu P a N. Polovodiče vytvářejí tzv. P-N přechod. Buzení je v tomto případě prováděno přiložením elektrického pole k polovodičovému přechodu. Rezonátor je tvořen vybroušenými stranami polovodičového materiálu. V P-N přechodu elektrony a díry rekombinují při současné emisi záření. Odrazem od zrcadel otevřeného rezonátoru a mnohonásobným přechodem oblastí přechodu vzniká laserové záření. Nejznámější je GaAs polovodičový laser. Laser generuje záření v blízké infračervené oblasti na vlnové délce v okolí λ = 0,82 až 0,9 μm. Celkový laser je velmi malý, jeho rozměry jsou pouze 1 mm. Tloušťka P-N přechodu je 2 μm. Výstupní výkon kontinuálního provozu je kolem 10 mW, v impulsním provozu je dosaženo 100 W. Polovodičové lasery s injekčním buzením jsou nejlevnější a nejmenší lasery. Velký komerční význam mají především pro aplikace v počítačové technice a v samotné technice laserů, protože jsou využívány jako zdroje záření pro buzení pevnolátkových laserů. Účinnost polovodičových laserů dosahuje 50 až 60 %.
3.1.1.6. Nové druhy laserů
Prudký rozvoj zaznamenávají diodami čerpané pevnolátkové lasery. Jedná se především o Nd:YAG lasery, u kterých jsou pro čerpání energie z krystalu dosud používané výbojky nahrazeny laserovými diodami, příp. diodovými lasery.
Výhody těchto laserů:
vyšší účinnost
menší spotřeba elektrické energie
menší celkové rozměry
delší trvanlivost diod oproti výbojkám (životnost diod je cca 10.000 hodin)
menší provozní náklady
Dalším vývojovým stádiem diodami čerpaných pevnolátkových laserů jsou kotoučové lasery. U tohoto typu laserů je krystal používaný dosud ve tvaru válce nebo desky nahrazen kotoučem o tloušťce 0,3 mm a průměru 7 mm. U kotoučových laserů lze kotouč vyrobit z krystalu Yb:YAG, čímž se oproti krystalu z Nd:YAG zvýší účinnost čerpání ze 76 % na 91 %. Současné výkony kotoučových laserů jsou do 350 W, ale do budoucna bude možné vyrobit kotoučové lasery o výkonu řádově kW (skládáním několika kotoučů) a tím umožnit jejich použití pro obrábění a integraci do obráběcích strojů a center.
Nového vývojového stádia dosáhly vysoce výkonové diodové lasery, u kterých je funkce založena na vzniku stimulované emise záření v aktivním polovodičovém materiálu. Na rozdíl od ostatních druhů laserů se děje přechod elektronů mezi dovolenými energetickými pásy a ne mezi energetickými hladinami. Buzení je realizováno fotony, svazkem elektronů nebo elektrickým polem. Polovodičové lasery generují záření o vlnové délce v rozsahu 808 až 940 nm. Mohou být postaveny lasery o výstupním výkonu 30 W až 8 kW. Výhodou těchto laserů je především kompaktní konstrukce, malé rozměry, vysoká účinnost a hospodárný provoz. Účinnost je až 50 %. Hospodárnost provozu těchto laserů je dána tím, že pro svůj provoz nepoužívá ani lampy ani drahé plyny, ale diody, jejichž životnost je cca 10.000 hodin. U vysoce výkonných diodových laserů má vystupující paprsek tvar obdélníkové plochy. Laser o výstupním výkonu 150 W má po zaostření rozměr stopy 0,6 x 1,2 mm. Lze jej zaostřit i na 1,3 x 1,3 mm nebo na stopu ve tvaru kruhu o průřezu 1,5 mm. Srovnání kvality paprsku vysoce výkonných diodových laserů s CO2 a Nd:YAG lasery je na obrázku.
Obr. č. 5: Srovnání kvality paprsku vysoce výkonných diodových laserů s CO2 a Nd:YAG lasery
4. Využití laseru
Laser se za dobu čtyřiceti let od svého vzniku uplatnil v celé řadě oborů. Jako přístroj se dnes využívá v medicíně, při různých technologických operacích ve výrobě, v astronomii, geodesii, metrologii, chemii, biologii, spektroskopii, v energetice, ve výpočetní technice, v technice spojů, ve vojenské technice, v automatizaci a dálkovém řízení. Některé z těchto aplikací jsou popsány níže.
4.1. Lasery v medicíně
Léčivou moc slunečních paprsků znali lidé odedávna. Avšak teprve koncem 18. století začaly být soustavně shromažďovány údaje o vlivu slunce na lidský organismus. Podmětem k tomu byly významné objevy v oblasti optiky. Bylo zjištěno, že sluneční světlo obsahuje celý soubor viditelných barev. Brzy na to se ukázalo, že ve slunečním spektru jsou obsaženy i neviditelné barvy – infračervená a ultrafialová.
Před medicínou vyvstal úkol objasnit, jak všechny tyto druhy viditelného i neviditelného záření působí na člověka. V roce 1940 německý oftalmolog Gerd Meyer-Schwicherath ukázal, že světlo (směrované a koncentrované sluneční záření) může být užito k léčení odtržené části sítnice lidského oko. V roce 1949 byla provedena první úspěšná operace a o několik let později Zeiss sestrojil první fotoagulátor s výkonovou xenonovou lampou. Tento přístroj byl vytlačen až laserovými přístroji. V roce 1961 byl rubínový laser použit k přivaření odchlípnuté sítnice a bylo vyzkoušeno působení laseru na kůži a kožní nádory. V téže době byl použit laser k odstranění „ohně“ (červených skvrn na kůži). V roce 1965 Hugh Beckman ukázal, že laserem lze provádět i operace duhovky. V témže roce G.J.Jako demonstroval využití Nd skleněného laseru jako chirurgického nože.
Po objevu CO2 laseru v roce 1964 C.K.N.Patelem byl ověřen první chirurgický CO2 laser. Laserového světla se užívá v očním lékařství pro velmi složité operace. Operace jsou rychlé, méně bolestivé a lze je provádět i ambulantně. Následovala řada dalších objevů – začal rozvoj nového odvětví vědy i aplikací tzv. laserová medicína. Prvně použitý rubínový laser byl při operacích sítnice nahrazen kvazikontinuálním argonovým laserem, pro operace předního pouzdra čočky se používá nejvíce ND:YAG pulzní laser. Laser pronikal a proniká postupně do mnoha odvětví: oftalmologie, dermatologie, plastické chirurgie, neurochirurgie, otolaryngologie, urologie, gynekologie a dalších. Zájem lékařů o tento nový druh světelného záření je pochopitelný a plyne z unikátních vlastností laserového záření, kterými jsou: mnohochromatičnost, koherence, kolimovanost, vlastnosti, které umožňují oproti původním zdrojům světla lepší přesnost zásahu a větší účinek daný mnohonásobným výkonem laserového světla.
4.2. Laser v mikroelektronice
Od počátku sedmdesátých let se začaly objevovat technologie jako dolaďování jmenovitých hodnot odporů, kondenzátorů a elektrických filtrů.
Laserové dolaďování spočívá ve vyřezávání korigující drážky v odporové vrstvě, což změní hodnotu elektrického odporu. Soustředěný laserový svazek dopadající na vrstvu způsobí její místní odpaření. Nejčastěji je používán Nd:YAG laser s kontinuálním buzením v režimu periodické modulace jakosti rezonátoru. Špičkový výkon je obvykle v rozmezí 2 až 20 kW při délce impulsu 0,1 až 1s a opakovací frekvencí 1 Hz až 100 kHz. Intenzita laserového záření na povrchu odporového materiálu dosahuje hodnot 106 až 107 Wcm-2. Minimální šířka drážky je 5 až 10m. Pro laserové dolaďování umožňuje dosahovat vysokých rychlostí a přesností justáže a konstruovat odpory menších rozměrů.
Laserového rýhování se dnes běžně používá pro dělení podložek z keramiky, křemíku nebo arsenidu galia. Laserové rýhování se provádí zejména pro docílení snadného a definovaného dělení základního substrátu integrovaných obvodů. Pro laserové rýhování podložek z křemíku a arsenidu galia se používá nejčastěji kontinuálního Nd:YAG laseru s periodickou modulací jakosti resonátoru, se špičkovým výkonem 1 až 40 kW, délkou impulsu 0,15 až 0,3 s s opakovací frekvencí 1 až 40 kHz. Laserový svazek intenzity 1012 až 1013 Wm-2 taví a odpařuje substrát a takto vytvořené rýhování definuje tvar elementů, jež získáme po rozlámání podložky. Pro dosažení optimálních pnutí v podložce, a tím minimálního poškození elementů dělením, se volí hloubka rýh asi 25 až 30% tloušťky podložky. Laserovým rýhováním lze získat elementy o délce strany 0,35 mm. Pro rýhování keramických podložek, safíru i skla se kromě Nd:YAG laseru používá i pulzní CO2 laser. Výhodou laserového rýhování je rychlé tvoření dělicí čáry s malou šířkou řezu a vysoká výtěžnost nepoškozených elementů z podložky.
Další aplikací, při které dochází ke změně struktury materiálu v důsledku místního ohřevu, je laserové žíhání. Používá se zejména pro rekrystalizaci krystalické mřížky substrátu mikroelektronických obvodů poškozených při iontové implantaci. Laserové záření je obvykle absorbováno v tenké povrchové vrstvě, jejíž hloubka je asi 40 až 450 nm.Po dopadu laserového záření dochází k rekrystalizaci materiálu.Lasery používané pro tuto aplikaci jsou pulzní rubín, Nd:YAG, alexandrit nebo kontinuálně běžící argon. Pro žíhání se tradičně užívalo ohřevu podložky v elektrické peci při teplotě zhruba 1000°C po dobu asi půl hodiny. Dlouhodobé působení tepla na podložku tloušťky asi 1 mm a průměru 10 až 15 cm má následek nejen změny ve vytvořených strukturách, ale i vznik mechanického pnutí a poškození podložky. Laserové žíhání tyto problémy odstraňuje, má však konkurenci v žíhání koherentními zdroji světla, které jsou zatím levnější. S postupující miniaturizace však význam laserového žíhání poroste.
Všechny uvedené technologie jsou založeny na odstranění tenké vrstvy materiálu formou jeho vypaření, k čemuž dochází následkem ozáření intensivním laserovým svazkem. Laser se používá k opravě polovodičových pamětí, kdy jsou laserem odpojeny poškozené obvody a místo nich připojeny jiné. Rozvíjejí se metody laserového dopování příměsí do substrátu: zářením je rozložen nad povrchem substrátu plyn obsahující dopující příměs, při současném místním roztavení podložky. Zářením uvolněný dopad pak difunduje do podložky.
Laserem jsou opravovány poškozené matrice pro litografii. Litografie je technologický proces, který umožňuje přenesení obrazu půdorysného uspořádání určité optické, optoelektronické nebo mikroelektronické struktury součástky popřípadě obvodu na polovodičovou nebo dielektrickou podložku. Laserová litografie používá pro exponování fotocitlivé vrstvy materiálu laserového záření. Dále jsou laserem odstraňovány nečistoty s povrchu materiálu, iniciován růst křemíku na izolační vrstvě SiO2 atd. Nové typy mikroelektronických součástek lze vytvářet laserovou dispozicí tenkých vrstev, kdy je materiál terče odpařen laserovým svazkem, přičemž páry kondenzují na podložce a vzniklá tenká vrstva je stechiometricky shodná s materiálem terče. Jsou deponovány supravodivé, feromagnetické vrstvy a vícevrstvové struktury. Z vrstev jsou zhotovovány např. nové druhy nedestruktivních pamětí, supravodivé kvantové magnetometry atd.
4.3. Laser v astronomii, geodézii, geofyzice a ekologii
Velmi brzy po uvedení laseru do provozu byl laser použit v systému radaru jako vysílač záření. Pomocí tohoto tzv. laserového radaru jsou měřeny vzdálenosti k objektům, které odrážejí laserového záření zpět do směru přicházejícího svazku. Pro zvětšení intenzity do radaru se vracejícího záření se umísťují na měřené objekty tzv. laserové odražeče, např. koutové hranoly, jejichž charakteristickou vlastností je odraz přicházejícího záření do zpětného směru. Podle využití laserového radaru se tyto odražeče umisťují na pozemní cíle, družice nebo na povrch Měsíce. Určení vzdálenosti je založeno na měření časového intervalu, který uplyne mezi vysláním impulsu optického záření n od měřeného objektu. Velikost dosahu laserového radaru plyne z energetické kalkulace přijatého signálu, která je popsána tzv. radarovou rovnicí:
k Nv Tv Tp d N - počet přijatých fotoelektronů
N = Nv - počet vyslaných fotonů
v2 R4 k - konstanta úměrnosti
- účinnost fotonásobiče
v - úhlová rozbíhavost vysílaného
svazku
Tv - transmitace vysílací optiky
Tp - transmitace přijímací optiky
d - účinný průřez družice
R - vzdálenost objektu
Je tedy zřejmé, že velikost přijímaného signálu se zmenšuje úměrně čtvrté mocnině vzdálenosti.
Dosah laserového radaru je do 20 km při měření pozemních objektů, oblačnosti, letadel,lodí apod. (tj. většinou objektů bez laserových odražečů). Vzdálenost 10.000 km byla dosažena při měření umělých družic Země a nejvzdálenější objektem měřeným laserovým radarem jsou laserové odražeče umístěné povrchu Měsíce (asi 380.000 km). Přesnost měření vzdálenosti laserovým radarem je dána dosažitelnou přesností změření časového intervalu, geometrií měřeného objektu, konstrukcí a umístění odražečů, přesností matematického modelu šíření optického záření atmosférou. Hodnota přesnosti se pohybuje od několika decimetrů při měření objektu bez odražečů, až několika milimetrů při měření umělých družic Země. Výsledky těchto měření poskytují přesné hodnoty délek stran trojúhelníků pro astronomická úhlová měření, slouží dále ke studiu dynamiky Měsíce a umělých družic Země.
V geodézii byl vyhodnocením dlouhodobých laserových družicových měření určen tvar zemského geoidu s přesností na 10 cm.
V geofyzice umožnila tato měření určit vzájemný pohyb částí pevnin (vzájemný pohyb kontinentů dosahuje rychlosti 4 až 5 cm za rok). Výsledky těchto měření jsou významné také pro seismologii. Jako laserové vysílače se v laserových radarech používají impulsní pevnolátkové lasery rubínové a Nd:YAG. V geodézii našly uplatnění také lasery helium-neonové: používají se pro vytyčování tras na Zemském povrchu i v podzemí.
V ekologii se laserové radary používají k měření znečištění ovzduší (lidary), vody apod. Lidary využívají k měření několika fyzikálních principů. Vyslaný laserový impuls je při průchodu atmosférou rozptylován přítomnými molekulami a aerosoly. Část záření rozptýleného ve zpětném směru je soustřeďována teleskopem a detekována fotodetektorem. Přijatý signál, jehož amplituda je v každém okamžiku úměrná intenzitě rozptýleného záření, je zaznamenáván jako funkce času, což umožní určit vzdálenost rozptylujícího útvaru. Lidarem je přijímán signál vzniklý díky elastickému Mieovu rozptylu nebo Rayleighovu rozptylu na atmosférických složkách. Lidar slouží k monitorování rozložení a směru pohybu dýmových vleček, měření spodní hranice oblačnosti a profilu mraků, turbulence atmosféry, rozložení a profilu výskytu různých látek v ovzduší atd.
Laseru se využívá i při analýze průběhu proudění kapalin a plynů. Využívá Dopplerův jev při sledování pohybu vypařujících částic. Při obvyklém měření se po ozáření laserem sleduje rozdíl frekvence vyslaného a zpětně rozptýleného záření, který je úměrný složce rychlosti rozptylujících částeček do směru pozorování. Firma Polytec vyvinula ke měření polovodičový laser se 2 laserovými diodami o různé vlnové délce a výkonem 30 a 100 mW. Vedle měření rychlosti proudění je vhodný i při sledování jeho turbulentního, nebo laminárního průběhu a pro analýzu rozptýlených částic.
4.4. Laser ve výpočetní technice
Pro tuto aplikaci se využívají z důvodů malých rozměrů především polovodičové lasery. Do oblasti výpočetní techniky patří např. laserová tiskárna, která se dnes součástí vybavení výpočetních center. Dále je to čtení disků a zapisování na ně. Laserová tiskárna je zařízení používající laserového záření k vytvoření obrazce, který má být tištěn, tj. přenášen z rotujícího válce na papír.
4.5. Laserová spektroskopie
Spektrum každé látky je složeno ze souboru charakteristických spektrálních čar, který studovanou látku jednoznačně určuje. Obor fyziky zaměřený na studium spektra, která vzniká v procesu interakce mezi látkou a elektromagnetickým vlněním, se nazývá spektroskopie. Prostřednictvím spektroskopie lze studovat kvantové přechody a usuzovat na energetické hladiny atomů, molekul a makroskopických soustav, a tak získat informaci o stavbě a vlastnostech látky (např. lze analyzovat prvky obsažené ve vzorku látky, získat informace o složení hvězd a galaxií atd.).
Spektroskopii lze dělit podle různých hledisek, např.:
1. Podle vlnových délek elektromagnetického záření obsažených ve studovaném spektru ji dělíme na:
radiospektroskopii
spektroskopii submilimetrovou
optickou (infračervenou,viditelného záření a ultrafialovou)
rentgenovou
spektroskopii gama záření
2. Podle studovaných látek lze spektroskopii dělit na:
atomovou
molekulovou
krystalů
3. Podle charakteru spektra lze určit spektroskopii : - emisní
absorpční
fluorescenční
ramanovskou atd.
Laserová spektroskopie využívá laserového záření pro vyvolání kvantových přechodů ve zkoumaných látkách. Velká směrovost laserového záření umožňuje provádět spektroskopické studie na délku (používá se zejména při detekci znečištění ovzduší). Podle druhu interakce dělíme laserovou spektroskopii na lineární a nelineární. V infračervené spektroskopii se využívá molekulární plynové lasery, polovodičové lasery a kapalinové lasery.Ve viditelné oblasti se používají zejména barvivové lasery, v ultrafialové oblasti lasery excimerové.
4.6. Laserová separace izotopů
Laserová separace izotopů je fotofyzikální