SERIÁL NA TÉMA LASERY - ZÁKLADNÍ PRINCIP LASERU A JEJICH DĚLENÍ
Úvod - objev laseru a jeho význam
V roce 2010 laser oslavil 50 let své existence. Od té doby laser pronikl do všech možných odvětví lidské činnosti. Hlavní využití nalézá v průmyslu, medicíně, vědě a výzkumu, elektronice, zábavním průmyslu jakožto i ve zcela „běžných“ věcech jako jsou laserová ukazovátka, počítačové CD-ROM apod. V tomto seriálu bychom proto rádi postupně zasvětili čtenáře do tématiky laserů a jejich využití s důrazem na průmyslové laserové aplikace .
Základní princip laseru
Slovo LASER je zkratka pro „zesilování světla stimulovanou emisí záření“ z anglického L ight A mplification by S timulated E mission of R adiation . Laser tak obecně označuje optický zesilovač, který generuje elektromagnetické záření (světlo) pomocí procesu stimulované emise fotonů, který vychází ze zákonů kvantové fyziky a termodynamiky.
Obecné schéma laseru je zobrazeno na obrázku níže. Základem laseru je aktivní prostředí, které je nějakým způsobem buzeno (opticky, elektricky apod.). Buzením dodáváme do laseru energii, která je potom právě pomocí procesu stimulované emise vyzářena v podobě laserového svazku. K tomu je zapotřebí ještě vytvořit tzv. optický rezonátor, který je nejčastěji tvořen odraznými zrcadly.
Jak se tedy dodaná energie do rezonátoru přemění na laserový svazek?
Obecně můžeme říci, že aktivní prostředí vždy obsahuje element , který se může nacházet v základním stavu s nižší energií nebo v excitovaném (vybuzeném) stavu s vyšší energií. Tímto elementem je nejčastěji atom, ale není tomu tak vždy (může to být např. vibrační stav molekuly, chemická vazba apod.). Pro tuto chvíli je důležité, že při přechodu z vyššího do nižšího energetického stavu tento element vyzáří foton ( kvantum elektromagnetického záření ). Tento zářivý přechod se děje spontánně sám od sebe a prostředí má vždy snahu být ve stavu s co nejnižší energií – ve stavu termodynamické rovnováhy. Právě díky buzení tento stav porušíme a převedeme aktivní prostředí do excitovaného stavu, kdy je většina našich elementů ve stavu s vyšší energií (tento stav se nazývá inverze populace ).
Teprve v tuto chvíli můžeme energii dodanou aktivnímu prostředí přeměnit na laserový svazek (proud fotonů) pomocí procesu stimulované emise, který je zobrazen na obrázku níže. Jedná se v podstatě o lavinovitý efekt, kdy nám foton dopadající na excitovaný atom způsobí (stimuluje) jeho přechod z horní na dolní energetickou hladinu a při tom dojde k emisi dalšího fotonu.
Jak fotony putují rezonátorem od jednoho zrcadla k druhému jejich počet rapidně narůstá a dochází k lavinovitému efektu a uvolnění energie v podobě proudu fotonů (svazek laseru) - viz obrázek níže:
Unikátní vlastnosti laserového svazku
Co dělá laserový svazek tak unikátním ? Důležité je, že při procesu stimulované emise má dopadající a emitovaný foton stejnou energii (frekvenci), stejný směr, polarizaci a fázi. Z toho plynou základní tři vlastnosti laseru, které ho odlišují od jiných zdrojů záření. Svazek laseru je:
- Kolimovaný (tj. nerozbíhá se)
- Monochromatický („jednobarevný“, tj. generované fotony mají stejnou frekvenci resp. vlnovou délku)
- Koherentní (generované fotony jsou tzv. ve fázi jak časové tak prostorové)
Opakem je např. klasická žárovka, která generuje záření zcela „chaoticky“ a generuje fotony rozbíhající se do všech směrů, různých vlnových délek a s náhodnou fází.
Právě díky těmto vlastnostem se stal laser tak cenným pomocníkem v tolika různých aplikacích. U průmyslových aplikací se využívá zejména možnosti fokusovat svazek laseru do malého bodu a dosáhnout tak vysoké plošné hustoty energie, která je potřebná pro opracování daného materiálu (řezání, svařování, značení, kalení apod.). V jiných aplikacích jako je např. holografie je zapotřebí hlavně vlastnosti koherence, atd.
Základní dělení laserů
Nejčastěji se setkáte s dělením laserů podle typu aktivního prostředí:
Plynové lasery
Aktivním prostředím je zde plyn, který lze budit různými způsoby – elektricky, radio-frekvenčními vlnami, opticky atd. Typickým představitelem je např. HeHe (helium neonový) a CO 2 laser, který je v průmyslu velmi dobře známý v řezacích aplikacích.
Pevnolátkové lasery
Aktivní prostředí je pevná látka, nejčastěji monokrystal. Buzení je nejčastěji optické a to buď výbojkami nebo laserovými diodami. Typickým představitelem je Nd:YAG (prostředí je monokrystal ytrium aluminium granátu dopovaného atomy neodymu). Nd:YAG se v průmyslu používá hlavně pro laserové řezání, značení a svařování.
Vláknové lasery
Speciální typ pevnolátkových laserů, kde aktivní prostředí tvoří optické vlákno dopované nejčastěji atomy erbia (Er) nebo yterbia (Yr). Buzení je pomocí laserových diod, jejich záření je do aktivního vlákna přivedeno opět optickým vláknem. Jedná se o tzv. vlákno-vlákno architekturu a laser díky tomu neobsahuje žádné opto-mechanické prvky jako zrcadla apod. Výkony dnes dosahují až 40kW. V dnešní době se jedná o nejmodernější technologii pro průmyslové řezání, svařování a značení a podíl vláknových laseru na trhu neustále stoupá.
Polovodičové (Diodové) lasery
Aktivním prostředím je elektricky čerpaná polovodičová dioda. Diodové laser se pohybují od výkonu mW až do kW. Tyto lasery mají vysokou účinnost, ale trpí nízkou kvalitou výstupního svazku. Mohou být miniaturních rozměrů (nízké výkony) a používají se v CD/DVD přehrávačích, laserových tiskárnách apod. Diodové lasery s vysokým výkonem se v průmyslu používají zejména na svařování (kovů i plastů) a kalení.
Chemické lasery
Tyto lasery jsou buzeny chemickou reakcí a jsou schopny dodat ohromné množství energie v krátkém čase. Zájem o ně má především armáda pro vojenské účely.
Excimer lasery
Speciální třída plynových laserů buzených elektrickým výbojem. Aktivní elementem, který generuje záření je tzv. excimer (speciální molekula, kde je jedna z jejích složek v excitované stavu). Tyto lasery pracují v ultrafialové oblasti (UV) oblasti a jejich hlavní použití je ve fotolitografii v polovodičovém průmyslu a jiných aplikacích, kde je zapotřebí vlnové délky z UV oblasti a vysokých energií v pulsu.
Barvičkové lasery
Jako aktivní prostředí je použito organického barviva. Výhodou těchto laserů je jejich laditelnost – mohou zářit na více vlnových délkách. Jejich použití je zejména ve vědě a výzkumu.
Další možná dělení laserů
Dalším možné dělení laserů je podle typu výstupního svazku. Zde je základní dělení na kontinuální (CW) a pulsní lasery . CW laser generuje souvislý výstupní výkon (zejména řezání, kalení,…), pulsní laser naopak generuje laserové pulsy. Pulsní lasery se dále dělí podle typu jakým je puls generován. V průmyslu je nejčastěji používáno tzv. Q-spínání, kdy laser generuje pulsy s délkou v řádu ns (zejména pro značení, gravírování) nebo pomocí pulsního buzení (např. výbojkami) s pulsy v řádech ms (pro laserové svařování).
Speciální třídou jsou pak tzv. ultra-rychlé ( ultrafast ) lasery , které generují pulsy v řádech ps a fs (až 10 -15 s!), které nejsou v průmyslu zatím příliš rozšířeny kvůli jejich ceně, nicméně jsou do budoucna ideální pro mikro-obráběcí aplikace.
Závěr
Doufáme, že pro pochopení základního principu laseru a jejich hlavní dělení jsou tyto informace prozatím dostatečné a v dalším díle seriálu se budeme detailněji věnovat hlavním typům průmyslových laserů a jejich aplikacím.