Laser

Laser – kvantový generátor svetla
Slovo laser je skratka vytvorená z prvých písmen anglického výrazu Light Amplification by Stimulated Emession of Radiation čiže : zosilnenie svetla vynútenou emisiou žiarenia.
Podľa použitého materiálu sa lasery delia na plynové, kvapalinové, chemické, polovodičové a lasery na tuhej báze.

Základnou podmienkou pre činnosť laseru je stimulovaná alebo vynútená emisia svetla. Atómy a molekuly po absorpcii kvanta energie prechádzajú zo základného stavu s najnižšou možnou energiou do excitovaného (vzbudeného) stavu, energia ktorého je vyššia o absorbované kvantum. Na rozdiel od základného stavu excitovaný stav nie je stabilný. Atóm alebo molekula môže však atóm alebo molekula prejsť aj bez vyžiarenia energie vo forme svetla – napríklad odovzdaním tepla okoliu. Takéto prechody sa nazývajú nežiarivé. Atómy a molekuly majú nie jeden, ale veľa excitovaných stavov, opísané prechody môžu preto vznikať i medzi týmito stavmi.

Albert Einstein ukázal, že popri spontánnej emisii existuje aj vynútená, stimulovaná emisia. Vynútená emisia nastáva, keď s kvantom žiarenia interaguje atóm alebo molekula v excitovanom stave; toto kvantum však musí mať energiu rovnú rozdielu medzi energetickými hladinami, medzi ktorými nastáva prechod. Pri vynútenej emisii zo sústavy atómov preto vystupuje viac kvánt svetla, ako do nej vstupovalo. Vynútené žiarenie má rovnakú frekvenciu, polarizáciu, smer šírenia i fázu ako žiarenie, ktoré ho vyvolalo.

Pri ustálených podmienkach v tepelnej rovnováhe v sústave s mnohými atómami alebo molekulami je najviac atómov (molekúl) v základnom energetickom stave, ale niektoré sú aj vo vyšších energetických stavoch. Počet atómov (molekúl), ktoré obsadzujú jednotlivé energetické stavy, je daný Boltzmanovým rozdelením. Keď táto sústava absorbuje energiu, rozdelenie sa naruší a medzi príslušnou dvojicou energetických stavov, kde prebieha absorbcia, nastane tzv., inverzia obsadenia – vo vyššom energetickom stave bude viac atómov (molekúl) ako pri rovnováhe a v nižšom menej. Po dosiahnutí inverzie obsadenia možno vyvolať indukovanú emisiu v malom množstve atómov (molekúl) a pri vhodnom experimentálnom usporiadaní emitované žiarenie indukuje emisiu u ďalších atómov (molekúl) atď., čím sa dosiahne zosilnenie intenzity dopadajúceho svetla. Obvykle sa aktívna látka laseru vkladá do optického rezonátora vytvoreného dvom paralelnými zrkadlami. Zrkadlá sú umiestnené vo vzdialenosti väčšej, ako je vlnová dĺžka svetla.

Takto sa šíri indukované žiarenie pozdĺž osi rezonátora. Vhodnou úpravou tvaru a priepustnosti zrkadiel možno indukované žiarenie smerovať a koncentrovať. Pri použití vhodnej uzávierky možno dosiahnuť sústredenie energie indukovaného žiarenia do krátkeho okamihu. Tým sa dosiahne veľmi vysoký výkon lasera.

Ako materiál na lasery sa používajú rôzne látky, Lasery na tuhej báze majú neaktívnu priehľadnú matricu, ktorá je dopovaná prímesnými atómami, ktoré sú vlastnou aktívnou látkou. Ako príklad možno uviesť kysličník hlinitý (Al2O3) dopovaný iónmy chrómu (Cr3+), sklo dopované neodýmom (Nd3+), chlorid vápenatý, chlorid bárnatý, volfráman vápenatý dopované iónmi lantanoidov alebo aktinidov a i. V plynových laseroch sa používajú vzácne plyny ( hélium, neón, argón, xenón, kryptón), pary kovov (cézium), molekuly (kysličník uhličitý). V kvapalinových laseroch sa ako aktívna látka požívajú anorganické kvapaliny, roztoky organických farbív, roztoky komplexných zlúčenín lantanoidov. V polovodičových laseroch je pracovnou látkou polovodivý materiál.
V závislosti od použitej pracovnej látky sa používajú rôzne metódy na dosiahnutie inverzie obsadenia. Najnázornejšou metódou je tzv. optické čerpanie, ktoré rozpracoval francúzsky fyzik A. Kastler. Túto metódu možno použiť pri aktívnej látke, ktorá má viac ako jeden excitovaný stav. Intenzívnym svetlom sa vyvoláva prechod atómov (molekúl) do málo stabilného excitovaného stavu, z ktorého spontánne žiarivým alebo nežiarivým prechodom prejdú do metastabilného excitovaného energetického stavu. Metastabilný excitovaný stav má relatívne dlhú dobu života, preto relatívne menej atómov (molekúl) prechádza z metastabilného stavu do základného stavu ako zo základného stavu do málo stabilného excitovaného stavu. Inverzia obsadenia energetických hladín sa teda týka metastabilného a základného stavu; z metastabilného stavu sa potom indukuje emisia. Ako zdroj svetla pre optické čerpanie sa používajú rôzne výbojky, prípadne tiež lasery. Na pracovný materiál laseru sa svetlo koncentruje zrkadlami reflektorov.

V plynových laseroch so vzácnymi plynmi ako pracovným materiálom sa na vyvolanie inverzie obsadenia energetických hladín používa elektrický výboj. Výboj obvykle vyvoláva inverziu vo viacerých pároch energetických hladín.

V chemických laseroch sa inverzia obsadenia dosahuje využitím chemickej reakcie, v ktorej vzniká excitovaná molekula, radikál alebo atóm.

V prípade polovodičových laserov úlohu základného stavu hrá valenčná zóna polovodiča a úlohu excitovaného stavu vodivostná zóna. V tepelnej rovnováhe je obsadenie určené nie Boltzmanovým ale Fermiho-Diracovým rozdelením. Spontánna a indukovaná emisia je dôsledkom spontánnej a indukovanej rekombinácie medzi elektrónmi, silné elektrické polia a pod.

Konštrukcia laserov vychádza zo základných výskumov kvantových generátorov, ktoré uskutočnili fyzici Basov, Prochorov, Townes. Všetci traja spoločne dostali za tieto výskumy r. 1964 Nobelovu cenu za fyziku.

Široké využitie laserov v rôznych oblastiach vedy a techniky vyplýva z ich unikátnych vlastností v porovnaní s klasickými zdrojmi svetla. Pomocou laseru sa dá získať koherentné, vysoko monochromatické svetlo, ktoré môže byť presne smerované. Lasery môžu pracovať v spojitom, aj v impulznom režime. V impulznom režime výkon laseru počas impulzu presahuje výkony najväčších elektrárni na svete – až 1013W. Tento výkon môže byť sústredený na plochu menšiu ako desatina milimetra v čase rádovo nanosekundy. V súčasnej dobe pokrývajú lasery prakticky celú oblasť optického spektra a sú možnosti zasiahnuť aj do oblasti röntgenového žiarenia.

Vo fyzike lasery boli nevyhnutnou podmienkou vzniku nelineárnej optiky, používajú sa v experimentoch zameraných na získanie termojadrovej energie na iniciovanie termojadrovej reakcie. Značne rozšírili možnosti optickej spektroskopie, predovšetkým v oblasti sledovania veľmi rýchlych dejov.

Koherencia svetla, ktorá sa dosahuje v laseroch, umožnila pristúpiť k praktickej realizácii holografie. Interferencia svetla z laserov sa široko používa v metrológii. Možnosť získať rámci jediného krátkodobého pulzu žiarenie s vysokým výkonom umožnila aplikovať lasery pri obrábaní materiálov, zváraní. Tieto vlastnosti sa využívajú aj v lekárstve – v chirurgii, predovšetkým očnej, a v stomatológii. V chémii sa lasery používajú pri selektívnej iniciácii chemických reakcií a tiež aj v chemickej analýze. Metrológia založená na využití laserov sa používa v stavebníctve, v strojárstve, v baníctve, pri razení tunelov, v textilnom priemysle. Možnosť zakódovať do jedného svetelného zväzku veľké množstvo informácie sa používa v telekomunikačnej technike aj v kozmonautike, Veľmi intenzívne sa pracuje na využívaní laserov vo vojenskej technike. Ako veľmi perspektívna možnosť v energetike sa ukazuje možnosť použitia laserov pri prenose energie z kozmického priestoru na Zem.