Lasery

Jak lasery vytvářejí světlo?

Pokud je to tolik podrobností, kolik chcete o laserech vědět, můžete přestat číst nebo přeskočit dále na stránku s typy laserů.Tato část probírá stejné body z předchozího rámečku trochu podrobněji a trochu „teoretičtěji“.

Často se v knihách dočtete, že „laser“ znamená zesílení světla stimulovanou emisí záření. To je složité a matoucí sousto, ale když si ho pomalu rozeberete, je to vlastně velmi jasné vysvětlení toho, jak lasery vytvářejí své supervýkonné paprsky světla.

Spontánní emise

Začněme s písmenem „R“ ve slově laser: záření.Záření, které lasery vytvářejí, nemá nic společného s nebezpečnou radioaktivitou, s tím, co způsobuje cvakání Geigerových čítačů, které atomy chrlí, když se rozbíjejí nebo rozpadají. Lasery vytvářejí elektromagnetické záření, stejně jako běžné světlo, rádiové vlny, rentgenové a infračervené záření. Ačkoli je stále produkováno atomy, vytvářejí („emitují“) ho zcela jiným způsobem, když v nich elektrony skáčou nahoru a dolů. Můžeme si představit, že elektrony v atomech sedí na energetických hladinách, které jsou trochu podobné příčkám na žebříku. Za normálních okolností se elektrony nacházejí na nejnižšímožné hladině, která se nazývá základní stav atomu. Pokud vystřelíte správné množství energie, můžete elektron posunout o úroveň výš, na další příčku „žebříku“. Tomu se říká absorpce a v novém stavu říkáme, že je atom excitovaný – ale také nestabilní. Velmi rychle se vrátí do základního stavu tím, že energii, kterou absorboval, odevzdá jako foton (částice světla). Tomuto procesu říkáme spontánní emise záření: atom vydává světlo (emituje záření) zcela sám od sebe (spontánně).

Foto: Od svíček přes žárovky a světlušky až po svítilny – všechny běžné formy světla fungují na základě procesu spontánní emise. Ve svíčce hoření (chemická reakce mezi kyslíkem a palivem, v tomto případě voskem) excituje atomy a činí je nestabilními. Když se vrátí do původního (základního) stavu, vyzařují světlo. Každý foton vzniklý spontánní emisí uvnitř plamene této svíčky je jiný než každý jiný foton, a proto vzniká směs různých vlnových délek (a barev), která vytváří „bílé“ světlo. Fotony vznikají v náhodných směrech, s vlnami, které jsou navzájem rozhozené („mimo fázi“), což je důvod, proč je světlo svíčky mnohem slabší než laserové světlo.

Stimulovaná emise

Normálně by typická skupina atomů měla více elektronů v základních stavech než v excitovaných stavech, což je jeden z důvodů, proč atomy spontánně nevyzařují světlo.Ale co kdybychom tyto atomy excitovali – napumpovali je energií – jejich elektrony by byly v excitovaných stavech. V takovém případě by „populace“ excitovaných elektronů byla větší než „populace“ v jejich základních stavech, takže by zde byla spousta elektronů připravených a ochotných vytvořit fotony světla. Tuto situaci nazýváme populační inverze, protože obvyklé stavy v atomech jsou vyměněny (invertovány). Nyní předpokládejme, že bychom mohli naše atomy v tomto stavu nějakou dobu udržet, aby automaticky neskočily zpět do základního stavu (dočasně excitovaný stav známý jako metastabilní stav). Pak bychom zjistili něco opravdu zajímavého. Kdybychom vypálili foton se správnou energií skrz náš svazek atomů, způsobili bychom, že jeden z excitovaných elektronů by skočil zpět do svého základního stavu a vydal by jak foton, který jsme vypálili, tak foton vzniklý změnou stavu elektronu. Protože stimulujeme atomy, abychom z nich dostali záření, nazývá se tento proces stimulovaná emise. Po vložení jednoho fotonu získáme dva fotony, čímž se naše světlo efektivně zdvojnásobí a zesílí (zvětší). Tyto dva fotony mohou stimulovat další atomy, aby vyzařovaly další fotony, takže brzy vznikne kaskáda fotonů -achainová reakce -, která vrhá zářivý paprsek čistého, koherentního laserového světla. To, co jsme zde udělali, je zesílení světla pomocí stimulované emise záření – a odtud pochází název laseru.

Artwork: Jak lasery teoreticky fungují: Vlevo: Absorpce: Vstřelte do atomu energii (zelená) a můžete posunout elektron (modrá) ze základního stavu do stavu excitovaného, což obvykle znamená, že ho posunete dále od jádra (šedá). Uprostřed: Spontánní emise: Přirozený skok excitovaného elektronu zpět do základního stavu způsobí, že se kvantum (balík energie) vyzáří jako foton (zelené kmitání). Vpravo: Stimulovaná emise: Vypusťte foton do blízkosti skupiny excitovaných atomů a můžete spustit kaskádu stejných fotonů. Jeden foton světla jich spustí mnoho, takže tu máme zesílení světla (výrobu dalšího světla) stimulovanou emisí (elektromagnetického) záření – LASER!.

Čím se laserové světlo tak liší?

Pokud takto lasery vytvářejí světlo, proč vytvářejí jedinou barvu a koherentní paprsek? Vychází to z myšlenky, že energie může existovat pouze v pevných balíčcích, z nichž každý se nazývá kvantum. Je to trochu jako s penězi. Peníze můžete mít pouze v násobcích nejzákladnější jednotky vaší měny, což může být cent, penny, rupie nebo cokoli jiného. Nemůžete mít desetinu centu nebo dvacetinu rupie, ale můžete mít 10 centů nebo 20 rupií. Totéž platí pro energii a je to zvláště patrné uvnitř atomů.

Stejně jako příčky na žebříku jsou i energetické hladiny v atomech na pevných místech a mezi nimi jsou mezery. Na žebříku nemůžete dát nohu kamkoli, pouze na příčky; a přesně stejným způsobem můžete přesouvat elektrony v atomech pouze mezi pevnými energetickými hladinami. Aby elektron přeskočil z nižší hladiny na vyšší, musíte dodat přesné množství (kvantum) energie, které se rovná rozdílu mezi oběma energetickými hladinami. Když se elektrony vrátí z excitovaného do základního stavu, odevzdají stejné přesné množství energie, které má podobu fotonu světla určité barvy. Stimulovaná emise v laserech způsobuje, že elektrony produkují kaskádu identických fotonů – identických co do energie, frekvence a vlnové délky – a proto je laserové světlo monochromatické. Vzniklé fotony jsou ekvivalentem světelných vln, jejichž hřebeny a dna jsou v jedné linii (jinými slovy, jsou „ve fázi“) – a to je to, co činí laserové světlo koherentním.

Typy laserů

Foto: Lasery – jak je většina z nás zná: Jedná se o laser a čočku, která snímá disky uvnitř přehrávače CD nebo DVD. Malé kolečko vpravo dole je polovodičová laserová dioda, zatímco větší modré kolečko je čočka, která čte světlo laseru poté, co se odrazí od lesklého povrchu disku.

Protože můžeme excitovat mnoho různých druhů atomů mnoha různými způsoby, můžeme (teoreticky) vyrobit mnoho různých druhů laserů.V praxi existuje pouze několik běžných druhů, z nichž pět nejznámějších je pevná látka, plyn, kapalné barvivo, polovodič a vlákno.

Pevné látky, kapaliny a plyny jsou tři hlavní stavy hmoty – a dávají nám tři různé druhy laserů. Pevnolátkové lasery jsoujako ty, které jsem ilustroval výše. Médiem je něco jako dubová tyčinka nebo jiný pevný krystalický materiál a záblesková trubice, která je kolem něj omotaná, pumpuje jeho atomy plné energie. Aby tato pevná látka fungovala efektivně, musí být dopována, což je proces, při kterém se některé atomy pevné látky nahradí ionty nečistot, čímž se získá ta správná úroveň energie pro produkci laserového světla o určité přesné frekvenci. Pevnolátkové lasery produkují vysoce výkonné paprsky, obvykle ve velmi krátkých impulsech. Plynové lasery naproti tomu vytvářejí nepřetržité jasné paprsky pomocí sloučenin vzácných plynů (v tzv. excimerových laserech) nebo oxidu uhličitého (CO2) jako média a jsou čerpány elektřinou. CO2lasery jsou výkonné, účinné a obvykle se používají při průmyslovém řezání a svařování. Kapalné barvivové lasery používají jako médium roztok molekul organických barviv, které jsou čerpány něčím podobným jako oblouková lampa, záblesková lampa nebo jiný laser. Jejich velkou výhodou je, že mohou být použity k produkci širšího pásma světelných frekvencí než pevnolátkové a plynové lasery, a dokonce mohou být „naladěny“ k produkci různých frekvencí.

Zatímco pevnolátkové, kapalinové a plynové lasery bývají velké, výkonné a drahé, polovodičové lasery jsou levná, malá, čipům podobná zařízení, která se používají například v přehrávačích CD, laserových tiskárnách a snímačích čárových kódů. Fungují jako kříženec mezi běžnou světelnou diodou (LED) a tradičním laserem. Stejně jako LED vytvářejí světlo, když elektrony a „díry“ (ve skutečnosti „chybějící elektrony“) poskakují a spojují se; stejně jako laser generují koherentní, monochromatické světlo. Proto se někdy označují jako laserové diody (nebo diodové lasery). Více se o nich dočtete v našem samostatném článku o polovodičových laserových diodách.

Nakonec vláknové lasery pracují uvnitř optických vláken; v podstatě se z dopovaného optického kabelu stává zesilovací médium. Jsou výkonná, účinná, spolehlivá ausnadňují vedení laserového světla tam, kde je potřeba.

K čemu se lasery používají?

Když Theodore Maiman vyvinul první praktický laser, málokdo si uvědomoval, jak důležité se tyto přístroje nakonec stanou. Goldfinger, film s Jamesem Bondem z roku 1964,nabízel dráždivý pohled do budoucnosti, kde průmyslové lasery jako kouzlem proříznou vše, co jim stojí v cestě – dokonce i tajné agenty! Později téhož roku deník The New YorkTimes ve zprávě o udělení Nobelovy ceny za fyziku průkopníkovi laseru Charlesi Townesovi uvedl, že „laserový paprsek by například mohl přenášet všechny rozhlasové a televizní programy na světě a několik set tisíc telefonních hovorů současně. Je hojně využíván k určování vzdálenosti a sledování raket.“ O více než půlstoletí později patří podobné aplikace – přesné nástroje, digitální komunikace a obrana – stále mezi nejdůležitější využití laserů.

Foto: Při každém tisku dokumentu laserová tiskárna na vašem stole usilovně stimuluje miliony atomů! Laser v ní slouží k vykreslení velmi přesného obrazu stránky, kterou chcete vytisknout, na velký buben, který zachytí napájenou barvu (toner) a přenese ji na papír.

Nástroje

Řezné nástroje založené na CO2 laserech se hojně využívají v průmyslu: jsou přesné, snadno se automatizují a na rozdíl od nožů je není třeba brousit. Tam, kde se kdysi kusy látky stříhaly ručně a vyráběly se z nich například džíny, se nyní látky sekají pomocí laserů řízených roboty. Jsou rychlejší a přesnější než lidé a mohou řezat více tlouštěk látky najednou, což zvyšuje efektivitu a produktivitu. Stejná přesnost je stejně důležitá i v medicíně: lékaři běžně používají lasery na tělech svých pacientů.pro vše od odstřelování rakovinných nádorů a vyžíhání cév až po odstraňování problémů s lidským zrakem (laserová operace očí, oprava odchlípené sítnice a léčba šedého zákalu, to vše zahrnuje lasery).

Komunikace

Lasery tvoří základ všech druhů digitálních technologií 21. století. Pokaždé, když projíždíte nákupem přes snímač čárového kódu v obchodě s potravinami, používáte laser k převodu vytištěného čárového kódu na číslo, kterému počítač u pokladny rozumí. Když se díváte na DVD nebo posloucháte CD, polovodičový laserový paprsek se odráží od rotujícího disku a převádí jeho vytištěný vzor dat na čísla; počítačový čip převádí tato čísla na filmy, hudbu a zvuk. Spolu s optickými kabely se lasery hojně využívají v technologii zvané fotonika – využívají fotony světla ke komunikaci, například k posílání obrovských proudů dat tam a zpět přes internet.Společnost Facebook v současné době experimentuje s využitím laserů (namísto rádiových vln) pro lepší spojení s vesmírnými satelity, což by mohlo vést k vyšší rychlosti přenosu dat a mnohem lepšímu přístupu k internetu v rozvojových zemích.

Foto: Jsou laserové zbraně budoucností? Toto je laserový zbraňový systém amerického námořnictva (LaWS),který byl testován na palubě lodi USS Ponce v roce 2014. S takovou laserovou zbraní nejsou žádné drahé náboje ani střely, jen nekonečný přísun prudce směrované energie. Foto: John F. Williams s laskavým svolením US Navy.

Obrana

Armáda je již dlouho jedním z největších uživatelů této technologie, především v laserem naváděných zbraních a střelách. navzdory popularizaci ve filmech a v televizi zůstávala sci-fi představa laserových zbraní, které mohou nepřítele rozsekat, zabít nebo oslepit, fantazií až do poloviny 80. let. V roce 1981 deník The New York Times citoval jednoho „vojenského experta na lasery“, který řekl: „Je to prostě hloupost. Na zabití jednoho člověka laserem je potřeba více energie než na zničení rakety.“ O dva roky později se laserové zbraně dlouhého dosahu staly základem kontroverzní Strategické obranné iniciativy (SDI) amerického prezidenta Ronalda Reagana, známější jako „program hvězdných válek“. Původní myšlenka spočívala v použití vesmírných rentgenových laserů (kromě jiných technologií) ke zničení přilétajících nepřátelských střel dříve, než stihnou napáchat škody, ačkoli tento plán po rozpadu Sovětského svazu a ukončení studené války postupně vyšuměl.

I přesto obranní vědci pokračovali v přeměně střel na bázi laserů ze science fiction ve skutečnost. Americké námořnictvo poprvé začalo testovat LaWS (Laser Weapon System)na palubě lodi USS Ponce v Perském zálivu v roce 2014. Pomocí polovodičových laserů čerpaných světelnými diodami byl navržen tak, aby poškozoval nebo ničil nepřátelská zařízení levněji a přesněji než konvenční střely. Testy se ukázaly jako úspěšné a námořnictvo v roce 2018 oznámilo uzavření smluv na stavbu dalších systémů LaWS. mezitím pokračuje vývoj vesmírných laserů, i když zatím žádný z nich nebyl nasazen.

Fotografie: Vědci z Lawrence Livermore National Laboratory v Kalifornii vyvinuli nejvýkonnější laser na světě, National Ignition Facility (NIF), pro jaderný výzkum. Nachází se v desetipatrové budově zabírající plochu velkou jako tři fotbalová hřiště a využívá 192 samostatných laserových paprsků, které dodávají výkon až 500 bilionů wattů (100krát více energie než jakýkoli jiný laser) a vytvářejí teplotu až 100 milionů stupňů. NIF stál celkem 3,5 miliardy dolarů a očekává se, že bude napájet špičkový jaderný výzkum po dobu příštích 30 let. Vlevo: Jeden z dvojice laserů v National Ignition Facility. Vpravo: Jak to funguje: Paprsky laseru se soustředí na malou peletu paliva v komoře a vytvářejí intenzivní teploty (jako v hlubinách hvězd). Cílem je dosáhnout jaderné fúze (spojení atomů) a uvolnit obrovské množství energie. Foto: Lawrence Livermore National Laboratory.