Lasery

Lasery
Úvod a história
Lasery sú prespektívnou zložkou, rýchlo sa rozvíjajúcou zložkou elektroniky, núkajúcou stále nové možnosti využitia.
Prípravným časom na nastúpenie laserov bolo obdobie maserov. Maser je skratka Microwave amplification by emision of radiation. Znamená to, že to je mikrovlné zosilovanie simulovanou emisiou žiarenia. Teda nieje to zdroj svetla, ale iba zosilňovačom na mikrovlných pásmach. Fyzikálny princíp je podobný ako pri laseroch. Pre lasery sa používa názov kvantové zdroje kohertného svetla. Sú návrhy označovať lasery ja masery spoločným názvom ESERY. Na rozdiel od iných zdrojov žiarenia vyžarujú lasery svetlo s presne vymedzenou vlnovou dĺžkou , ktoré sa šíri v úzkom zväzku a všetky lúče majú rovnaký fázový stav, čo spôsobuje vysokú intenzitu. Lasery rozdeľujeme na: a) plynové
b) kvapalinové
c) tuhé
pričom tuhé delíme na 1. kryštálové, 2. polovodičové.
Na výskum nových a silnejších laserov sa vynakladajú veľké finančné čiastky. Rýchly rozvoj spôsobil, že lasery sa stali všeobecne dostupnou komoditou. Pre vývoj laserov bolo dôležitý pokrok vo fyzike, za čo sa pričinili najmä M. Planck, N. Bohr, A. Einsten. Vo vývoji boli dôležité hlavne tieto roky. 1917-1952 Naznačil Einstein základné koncepcie kvantových
generátorov.
1923 Toldman preskúmal možnosti využitia simul. emisie na účely zosilovania vĺn.
1940 V. A. Fabrikant analyzoval negatívnej absorbcie.
1953 J. Weber uverejnil článok o zosilňovacích dvojhladinových atómových prostrediach.
1958 prvá práca o zosilovaní svetla pomocou simulovanej emisie
1961 Objav uvolnenia energie v rezonátore v podobe obrovitých pulzov. 1962-1965 Nástup polovodičových laserov.
1962 Prvé použitie laseru v kozmickom priestore
1964 Objav iontového lasera vydávajúceho viditeľné svetlo.
1967 Zostrojenie mnohovlnný kvapalný laser s farbami, od červenej po žltú.
1970 Skonštruovanie laseru pracujúceho pri izbových teplotách

Konštrukčné riešenie a výroba laserov
Pri konštrukčnom návrhu je dôležité: a) dať súčiastke vhodnú geometriu, vychádzajúc z jej funkčného určenia.
b) v súvislosti s geometriou prihliadať na podmienky naladenia.
c) musíme pamätať na prívod elektrického prúdu.
d) postarať sa o odvod tepla.

Polovodičové lasery majú zväčša tvar štvorbokého a trojbokého hranola, alebo valcový tvar. Pri štvorbokom hranoly vychádza svetlo z jednej strany, pri trojbokom z jednej, dvoch, alebo troch stien. Valcová geometria sa používa na vyžarovanie všetkými smermi.

Teleso kryštálu je tvorené stenami R1 a R2, ktoré majú funkciu zrkadiel, reflektorov. Aby mohlo svetlo vychádzať do priestoru, musí byť aspoň jedna z obrazných stien polopriepustná. To znamená, že 30% až 60% svetla opúšťa rezonátor. Pri konštrukčnom riešení je dôležité dbať na rovinnosť, planparalénnosť, odrazivosť reflektorov a ich kolmosť na rovinu priechodu. Základne hranola sú pokovené a slúžia na kontaktovanie prívodov elektrického prúdu. jednou z nich sa odvádza vznikajúce teplo z Joulových strát. Teplo sa odvádza pomocou medených, alebo diamantových blokov. Pri výbere materiálu pre výrobu priechodových polovodičových laserov zohľadňujeme tri aspekty:
1. Vybrané polovodiče musia byť schopné vysokej dotovateľnosti donórmi aj akceptormi
2. Medzi vodivostnými oblasťami sa vyžaduje vznik priechodu.
Týmto požiadavkám vyhovuje GaAs. Tieto lasery emitujú v infračervenej oblasti spektra. Neviditeľné spektrum má prednosti v dorozumievacej technike, telemetrii a iných aplikáciách.

Vplyv fyzikálnych veličín na činnosť polovodičového lasera
Zistilo sa že pri zvyšovaní teploty polovodičových laserov sa prudko zvyšuje prúd, čo je spôsobené nárastom voľných nosičov náboja. Prahová hodnota prúdu (ith) je funkciou teploty. Všeobecne je závislá aj od aj od koncentrácie voľných nosičov náboja, prípadne iných faktorov.
Závislosť ith od Q a ND pre GaAs je znázornená na obrázku. V intervale Q < 20K ith takmer konštantné. K znateľnému nárastu prichádza v intervale <70 – 100K> Nad 100K platí ith~Q3.
Pri nízkych teplotách je prúdová hustota a tím aj celkový prúd malý. Nadmernému zohriatiu predchá- dzame skrátením nábehového času a zostupného času pulzu, ako aj jeho trvania. Dlhšie časy nábehu vyvolajú zvýšenie teploty čipu až k bodu, v ktorom vstrekovaný prúd nestačí vynútiť laserovania príp. vyniknutú emisiu zastaví. Hovoríme o teplotnom zhášaní lasera. Čas trvania budiaceho impulzu je rádovo 20 až 50 ns.

Vlastnosti lasera sa menia mechanickým pnutím vyvolaným tlakom, ťahom, ohybom, a krutom. Napríklad jednoosové pnutie v GaAs v laserovej dióde znižuje ith a posúva emisný vrchol ku kratším vlnovým dĺžkam. Pri deformáciách sa naruší pôvodné usporiadanie atómov sa naruší pôvodné usporiadanie atómov príp. molekúl v kryštálových mriežkach. Vzdialenosti atómov v osovom smere zmenšia, pôsobením tlaku sa zväčšia.

V oboch prípadoch príma sústava deformačnú energiu, čo sa spôsobí zmenou zakázaného pásma elektrónov.


Ochrana proti žiareniu lasera
Lasery majú nepriaznivé biologické účinky, ktoré vyvolávajú:
a) Lokálne zvýšenie teploty, a tým poškodenie živého tkaniva.
b) Druhotným účinkom teploty, vznikom tlakovej vlny, ktorej intenzita tlakovej vlny, ktorej intenzita dostačuje na trhanie svalového tkaniva.
Konkrétnejšie, poškodzuje sa pigment epitelu a príp. neuroektodemálny povlak. Bezpečnosť pri práci si vyžaduje predovšetkým ochranu pokožky a očí, ktoré sú najviac ohrozované. K ohrozeniu dochádza nielen priamym stykom s laserovými zariadením, ale aj sekundárnymi účinkami, hlavne vzdušnou kontamináciou. Oči chránime bezpečnostnými filtračnými okuliarami. V priemysle sa dá predísť škodlivým účinkom pomocou riadenia za kontroly televíznymi kamerami.
K základným preventívnym opatreniam patria: dôsledné označenie miest, kde sa žiarenie vyskytuje, dodržiavanie predpisov na signalizáciu činnosti laserového zariadenia. Signalizácia musí byť optická, aj akustická.

Využitie laserov v priemysle
Pri fokusácií laserových lúčov na malú plochu sa tam koncentruje veľké množstvo energie. Teplota stúpne na vysokú hodnotu, čím dojde k lokálnemu topeniu, až vyparovaniu látky. To sa využíva najmä pri obrábaní materiálov. V mikroelektronike sa používajú pri výrobe súčiastok a integrovaných obvodov.
Je otázne ako sa budú ďalej pokračovať vývoj laserov, čo je však dôležité, lasery majú budúcnosť hlavne v oblasti informačnej techniky.

Použitá literatúra
Ing. RNDr. Pavel Mihálka: Optoelektronika. ALFA 1983
Otto Limann, Horst Pelka: Elektronik ohne Ballast. Preložil Doc. Ing. Karol Černík a Ing. Zuzana Margetinová. ALFA 1990.