Princip laseru: stimulovaná emise fotonů

Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation - zesilování světla stimulovanou emisí záření) je zdroj vysoce koherentního elektromagnetického záření nejčastěji ve viditelné, ultrafialové nebo infračervené oblasti spektra, který vzniká díky stimulované emisi záření aktivních částic (atomů, molekul, iontů, elektronů) buzených vnějším zdrojem energie.

Laser je založen na principu stimulované (vynucené) emise záření. Elektrony v atomech látky aktivního prostředí jsou nejprve excitovány na horní energetickou hladinu, kde se však neudrží, a v miliontině sekundy přeskočí na hladinu pracovní (metastabilní dráha). Díky slabému impulzu ve formě stimulujícího fotonu dochází k deexcitaci spojené s emisí stejného fotonu, jakým byl stimulující. V důsledku toho lavinovitě vznikají identické fotony, které jsou vyzařovány stejným směrem.

Světlo má určité vlastnosti, mezi které patří vysoká koherence, vysoká monochromatičnost a nízká divergence. Čerpací (budící) záření vyvolává emisi v aktivní látce, která je ohraničena rovnoběžnými zrcadly. Po vybuzení stimulované emise dochází k odrazu světla mezi zrcadly a k mnohonásobnému průchodu záření aktivní látkou, čímž se navyšuje jeho intenzita. Po dosažení dostatečné intenzity rovnoběžný koherentní paprsek uniká přes polopropustné zrcadlo ven.

Aktivní prostředí je tvořeno látkou, která obsahuje oddělené kvantové energetické hladiny elektronů. Laser využívá rezonátor k zesilování světla. Rezonátor jsou dvě vzájemně rovnoběžné zrcadla a zároveň kolmé na osu laseru. Jedno z nich je nepropustné a druhé je polopropustné. Zdroj záření slouží k dodávání energie elektronům v aktivním prostředí, aby se mohly přesouvat z nižší energetické hladiny na vyšší energetickou hladinu. Zdroj záření může být např. elektrický proud, výbojka, chemická reakce nebo jiné lasery. Laserový paprsek vycházející z aktivního prostředí přes polopropustné zrcadlo je koherentní (nerozbíhavý) a monochromatický (jednobarevný).

Základní procesy interakce fotonů a atomů

Nejprve než začneme s laserem, bylo by dobré říct si něco o interakci fotonu a elektronu. Tím pádem nám foton zanikne. Tentokrát si vezmeme 2 fotony o stejné vlnové délce rychle letící ve velmi malé vzdálenosti od sebe. První foton vletí do elektronu, elektron se excituje, foton zanikne. Tento druhý foton donutí elektron přesunout se na základní hladinu, čímž elektron vypustí první foton a první foton letí na rozdíl od prvního případu stejným směrem jako druhý foton. Dva fotony letící stejným směrem o stejné vlnové délce s nulovým posunutím nemůžou udělat nic jiného, než se spojit.

Čtěte také: Princip měření emisí

Fotony mají jak částicový, tak vlnový charakter. Zpět k laseru. Laser využívá aktivní prostředí, ve kterém se tvoří paprsek. Aktivní prostředí nemůžou tvořit ledajaké prvky či molekuly. Aktivní prostředí musí obsahovat prvky, které obsahují tzv. metastabilní hladinu. Narazí-li foton do elektronu takového atomu, elektron se excituje na vyšší energetickou hladinu a spadne na metastabilní hladinu. Avšak rozdíl mezi metastabilní hladinou a ostatními vyššími hladinami je ten, že elektron na metastabilní hladině vydrží až 100 000 x déle. Tím pádem máme zajištěno, že elektron počká na další foton, který ho stimuluje a vypustí foton, se kterým se poté spojí.

Další krok je tzv. Princip laseru by také nemohl fungovat bez inverze populace. K inverzi populace dochází tehdy, je-li více elektronů atomu na metastabilní hladině než na základní hladině. Jelikož zdroj nám neustále dodává energii např. v podobě fotonů, každý foton nám excituje jeden elektron na vyšší a následně na metastabilní hladinu. Takhle se naskládá většina elektronů na metastabilní hladinu a počká, až přiletí stimulující foton.

Nejprve musí stimulující foton přiletět odkudkoliv, poté už se budou fotony stimulovat navzájem. V obyčejném světle se nachází všechny vlnové délky světla, tedy i potřebný stimulující foton, takže se nemusíme bát, že se reakce nespustí. Jakmile přiletí stimulující foton, donutí všechny elektrony sestoupit na základní hladinu a donutí všechny vypustit jeden foton. Všechny tyto fotony, včetně toho stimulujícího se spojí v jednu vlnu s mnohem větší amplitudou. Tím dojde k zesílení světla stimulovanou emisí záření. Ovšem tato vlna nemá zatím potřebný směr, směr je stejný, jakým směrem letěl stimulující foton.

Tudíž foton může letět v požadovaném směru laserového paprsku, avšak i někam jinam. Prozatím tohle všechno proběhlo na jednom atomu. Vezmeme-li tedy v úvahu, že letící zesílený foton nemá směr, zjistíme, že laser zatím nemůže ještě fungovat. Nyní zmnohonásobíme počet atomů, třeba miliónkrát. V každém atomu proběhne ta samá interakce, všechny elektrony jsou nyní přesunuté na metastabilní hladině a čekají. K jednomu přiletí stimulující foton, k druhému taky, klidně ke stům zároveň. Všech těchto sto atomů vypustí zesílené fotony, avšak každý jiným směrem.

Letící fotony působí pro ostatní jako stimulující fotony, tudíž donutí ostatní elektrony přesunout se zpět a vypustit fotony, které se přidají ke stimulujícím fotonům. Tyto fotony se opět mnohonásobně zesílí a tímto dochází k zesilování světla. Ale laser pořád nefunguje. Na řadu přichází rezonátor. Rezonátor je soustava dvou zrcadel, z nichž je jedno odrazivé až z 99,9%, druhé zrcadlo je polopropustné. Obě tato zrcadla jsou rovnoběžné vůči sobě.

Čtěte také: Pochopení Emise Elektronů

Buď foton vyletí ihned z laseru, nebo se párkrát odrazí mezi zrcadly a vyletí. Avšak s největší pravděpodobností tu bude i foton letící rovnoběžně s osou laseru, a nebude jediný. Těchto fotonů bude v laseru exponenciálně narůstat, protože jakmile jich tam bude čím dál tím víc, budou rovnoběžné fotony stimulovat další atomy a špatně letící fotony už to nebudou stíhat. Tudíž nejen že špatně letících fotonů bude málo, ale začnou ubývat, jelikož než se samovolně uvolní z nabitého atomu, strhne ho nějaký rovnoběžně letící foton stejným směrem.

Proto je nutná již zmíněná metastabilní hladina, aby se nám fotony tak rychle samovolně neuvolňovaly špatným směrem a počkaly, až je strhne foton letící správným směrem. Teď už nám laser funguje.

Základní principy

Velký podíl na vynálezu laseru patří A. Einsteinovi. Ten již v r. 1917 publikoval, že při odvozování Planckova vzorce pro spektrální hustotu záření černého tělesa z bilance jím postulovaných fotonů se neobejde bez předpokladu existence procesu „záporné absorpce“, tj. stimulované emise, kdy pole záření nutí atomy či molekuly nacházející se na horní energetické hladině vyzářit svoji energii ve formě dalších fotonů, a tak zvyšuje energii dopadající stimulující vlny.

Tyto nové fotony, pokud se vrátíme k vlnovému popisu dopadajícího světla, se navíc „zařazují“ do dopadající světelné vlny v rytmu její fáze čili nejen zvyšují její amplitudu, ale i způsobují její koherenci. Tento proces se pro názornost často přirovnává k pochodujícímu vojsku. Koherentní světelnou vlnu generovanou stimulovanou emisí lze přirovnat k chůzi vojenským krokem, nekoherentní stav k situaci po povelu „zrušit krok“.

Hustota fotonů v zářivém poli je pak dána bilancí mezi stimulovanou emisí, spontánní emisí (samovolným vyzařováním) a absorpcí. Einstein zároveň odvodil, že mezi konkurujícími si procesy spontánní emise, stimulované emise a absorpce musí platit určité vztahy (dodnes nazývané po něm). V případě černého tělesa v termodynamické rovnováze jsou horní energetické hladiny obsazeny vždy méně než dolní, a tak se lze při dané teplotě dobrat k stacionárnímu stavu popsanému Planckovým vzorcem.

Čtěte také: Ulita a Matematika

Přemýšliví badatelé si však uvědomili, že pokud stav termodynamické rovnováhy opustíme a nějakým způsobem zajistíme, aby alespoň na kratičký okamžik vznikl stav se „zápornou teplotou“, kdy se na horní hladině bude nacházet více částic než na dolní (inverze hladin), tak díky procesu stimulované emise žádný stacionární stav nenastane a množství fotonů neboli amplituda dopadající vlny začne lavinovitě narůstat - dnes bychom řekli, že nastane laserový efekt.

Prvé laboratorní zesílení elektromagnetické vlny však nenastalo ve viditelném laserovém oboru vlnových délek, ale v oboru mikrovln. Předchůdcem laseru byl tedy maser, zařízení, které pracuje na stejném principu (stimulovaná emise), avšak generuje mikrovlnné záření. První maser sestavil Ch. H. Townes, J. P. Gordon a H. J. Zeiger v roce 1953.

Poté vznikla myšlenka přenést tentýž princip do viditelného oboru, tj. demonstrovat laserovou generaci. Od začátku však bylo jasné, že zkrácení vlnové délky do viditelného oboru nebude triviální. Větší energetická vzdálenost mezi vyzařujícími hladinami znamená, že i doba života horní hladiny daná samovolným vyzářením procesem spontánní emise je s ohledem na zmíněný Einsteinův vztah mezi koeficienty spontánní a stimulované emise natolik krátká, že nemělo smysl manipulovat vyzařující atomy či molekuly pomocí svazků apod.

Stav s inverzí hladin bylo třeba pokud možno připravit přímo ve vhodném optickém rezonátoru. Proces vytváření inverze hladin se nazývá „čerpání“ a dnes je známo, že ho lze uskutečnit mnoha různými způsoby. Prvý laser však využíval optické čerpání a systém tří hladin, kdy absorbované fotony vnějšího impulsního světelného zdroje převedou atomy či jiné částice v laserovém „aktivním“ prostředí na nejvyšší ze tří hladin, odkud procesem spontánní emise či jiným způsobem mohou rychle přejít na hladinu prostřední, která je zároveň horní hladinou laserového přechodu.

Pokud je spontánní emise na prostřední hladině pomalejší než její plnění z nejvyšší hladiny, nahromadí se stavy na této hladině a nastane inverze populace. Ta pak už jen čeká na rozvinutí procesu stimulované emise, při kterém by atomy hromadně přecházely z prostřední na nejnižší hladinu (laserový přechod), což je doprovázeno lavinovitým nárůstem intenzity světla - laserovým efektem.

Z toho vyplývá, že tříhladinový systém s optickým čerpáním může nejlépe pracovat v impulsním režimu (z nejspodnější hladiny je potřeba atomy nejprve rychle převést na nejvyšší hladinu a pak čekat, až se naplní prostřední horní laserová hladina), že fotony čerpacího zdroje musí být vždy energetičtější (kratší vlnová délka, poměr energií laserových a čerpacích fotonů se nazývá kvantová účinnost) než fotony laserového přechodu a také že nelze vystačit jen se systémem dvou hladin.

Museli bychom totiž pak nutně čerpat světlem na vlnové délce vlastního laserového přechodu, horní hladina by se naplnila na úroveň spodní hladiny, systém by přestal absorbovat (stal by se průhledným) a na horní hladině by se pak už nikdy nemohla vytvořit potřebná inverze populace, tudíž by nemohl nastat laserový efekt.

Od jednoduché myšlenky tříhladinového systému s optickým čerpáním však vedla dlouhá cesta k jejímu uskutečnění. Nebylo obtížné vybrat atomy mající systém tří hladin s vhodnými koeficienty spontánní emise. Stačí zvolit laserový přechod se zakázaným dipólovým přechodem, což omezí spontánní emisi, zatímco přechod z nejhořejší hladiny na prostřední by naopak měl být dipólově povolen.

Oříškem byla volba vhodného optického rezonátoru, kde měl šťastnou ruku až G. Gould, zpočátku doktorand Townesově Kolumbijské univerzitě, který navrhl použít otevřený optický rezonátor, tj. dvojici paralelních zrcadel uzavírajících laserové prostředí mezi sebou. Gould je prý i autorem slova „laser“.

Typy laserů

Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation - zesilování světla stimulovanou emisí záření) je zdroj vysoce koherentního elektromagnetického záření nejčastěji ve viditelné, ultrafialové nebo infračervené oblasti spektra, který vzniká díky stimulované emisi záření aktivních částic (atomů, molekul, iontů, elektronů) buzených vnějším zdrojem energie. Tato energie může být soustředěná ve velice krátkém čase.

Laser je založen na principu stimulované (vynucené) emise záření. Elektrony v atomech látky aktivního prostředí jsou nejprve excitovány na horní energetickou hladinu, kde se však neudrží, a v miliontině sekundy přeskočí na hladinu pracovní (metastabilní dráha). Díky slabému impulzu ve formě stimulujícího fotonu dochází k deexcitaci spojené s emisí stejného fotonu, jakým byl stimulující. V důsledku toho lavinovitě vznikají identické fotony, které jsou vyzařovány stejným směrem.

• Plynové lasery: V plynových laserech pokrývá dosažené nucené elektromagnetické záření oblast ultrafialového, viditelného a infračerveného záření. Např. Helium-neonový laser vyvinul v roce 1961 Ali Javan se svými spolupracovníky. Přiložené stejnosměrné napětí způsobí, že skleněnou výbojkou naplněnou heliem a neonem v poměru 1:4 (poměr plynů rozhoduje o vyzařované vlnové délce laseru) bude procházet proud elektronů. Elektrony se sráží s heliovými atomy, heliové atomy se sráží s atomy neonovými a ty pak emitují laserové záření ve směru osy trubice. Světlo vychází průhlednými okénky na koncích trubice a odráží se od zrcadel zpět do trubice, čímž se neustále zvětšuje počet emitujících atomů neonu.
• Pevnolátkové lasery: K sestrojení pevného laseru nelze použít libovolný krystal, ani krystal tvořený jedním druhem atomů, protože energetická bilance krystalu nedovoluje vznik stimulované emise v takové míře. Proto se do krystalu přidávají ve stopovém množství atomy jiných látek, které pak vykonávají skutečnou funkci laseru. Princip funkce pevného laseru popíšeme na laseru s krystalem ze syntetického rubínu s příměsí chromu.
• Polovodičové lasery: Laserové diody (LD) - polovodičové lasery jsou nové typy zdrojů optického záření s kvalitativně novými, lepšími vlastnostmi ve srovnání s nekoherentními zdroji (např. luminiscenční diodou LED). Optické záření generované laserem je soustředěno do velmi úzkého intervalu vlnových délek, samotný laser se vyznačuje vysokou zářivostí a malou rozbíhavostí (divergencí) laserového svazku.

Využití laserů

V současné době je laserů využíváno v mnoha oborech. Nejčastěji se s ním setkáváme v medicíně (například zdroj záření v optických přístrojích), průmyslu, mikroelektronice, měřicí a výpočetní technice, ale i ve vojenství.

• Medicína: Jako první se používaly lasery v oftalmologii a v kožním lékařství. Lékaři začali používat laser v chirurgii díky jeho schopnosti seskupit světlo na malou plochu, možnost řezání tkání velmi úzkými řezy a možnost odpařování tkání. Nyní laser nachází uplatnění v dermatologii, plastické chirurgii, neurochirurgii, gynekologii, stomatologii a dalších odvětvích medicíny.
• Průmysl: (řezání, svařování, značení, kalení apod.).

Hlavním zdravotním rizikem používání laseru je možnost poškození zraku. Lasery generují světlo o vlnových délkách, které jsou okem zachycovány a vnímány. Protože je laser koherentní a má nízkou divergenci, jeho paprsek je velmi intenzivní a jeho energie je soustředěna na velmi malou plochu sítnice, čímž dochází k přehřátí určitého bodu, tedy fototermálnímu poškození, a může dojít i k trvalému poškození zraku.

Dalším zdravotním rizikem je možnost poškození kůže při použití vysokovýkonných laserů. Mezi průmyslová rizika u používání laserů se řadí riziko vzniku otevřeného ohně popřípadě poškození elektronických zařízení.

Tabulka: Třídy laserů a jejich nebezpečí

Běžně dostupné lasery bývají maximálně ve třídě III (optické soustavy CD přehrávačů). Výkonné lasery (třídy IV) jsou schopné způsobit popáleniny, řezné nebo tržné rány, případně způsobit požár.

tags: #princip #laseru #stimulovana #emise #fotonu

Oblíbené příspěvky:

• Výběr odpadkového koše s imitací ratanu v hnědé barvě
• Udržitelný rozvoj na UPOL
• Ekologická likvidace rukavic
• Strážnice: Vše o Skladce
• AVE CZ skládka Čáslav