LASER

LASER – Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation – zesílení světla stimulovanou emisí záření. Jde o zdroj úzkého svazku elektromagnetického záření. Toto záření je monochromatické a koherentní.

Historie

Fyzikální princip laseru popsal Albert Einstein už v roce 1917, ale vyroben byl až v roce 1960 americkým fyzikem Theodorem Maimanem.[1] Ten ozařoval rubínovou tyčinku pomocí pulzní výbojky. Rubín (korund s příměsí chromitých iontů) má schopnost absorbovat velkou část dopadajícího světla a vykazuje luminiscenci o vlnové délce 694 nm.

Vývoj laserů se zaměřuje na zvyšování výkonu a samozřejmě i účinnost a snižování ekonomických nároků. Zvyšování výkonu popisuje obrázek dole.

Zvyšování intenzity laseru v letech 1960-2010. Zdroj: commons

Princip

Spontánní emise fotonu

Při deexcitaci systému dojde k uvolnění fotonu, jeho energie je dána energetickým rozdílem hladin, ale další vlastnosti, jako jsou směr šíření, fáze a polarizace nabývají náhodných hodnot.

Stimulovaná emise fotonu

K deexcitaci systému dojde vlivem interakce s vnějším fotonem. Aby k tomu mohlo dojít musí být energie vnějšího fotonu rovna rovna rozdílu energií excitované a základní hladiny. Rozdíl oproti spontánní emisi je v tom, že všechny charakteristiky emitovaného fotonu odpovídají stimulujícímu fotonu. Tak dochází k zesílení stimulujícího záření.[2]

Stimulované emise fotonu. Zdroj: Kimbar/Commons

Pěkné video je na commons.

Monochromatické záření

Záření obsahující pouze fotony se stejnou energií, nebo z vlnového pohledu obsahující pouze vlny o stejné vlnové délce.

Koherentní záření

Záření z klasických zdrojů obsahuje vlny o různé amplitudě a fázi, toto záření (na obrázku červeně). Koherentní záření (na obrázku černě) vykazuje na velkém úseku časovou a prostorovou vazbu mezi fází jednotlivých vln.

Konstrukce laseru

Laser se skládá ze tří základních součástí:

  1. Rezonátor – dutina vymezená zrcadly, jedno ze zrcadel je nepropustné, druhé je polopropustné, aby paprsek laseru mohl opustit rezonátor.
  2. Aktivní prostředí – zde probíhá zesilování signálu
    1. Plyny, např. HeNe laser
    2. Monokrystal, např. Nd:YAG – yttritohlinitý granát dopovaný neodymem.
    3. Polovodič – GaAs, GaN.
  3. Zdroj energie (čerpání) – elektrický výboj, oblouk, záření z jiného laseru, chemická reakce, atd. Typ zdroje energie závisí na aktivním prostředí, dodaná energie způsobuje excitaci (inverzi) systému.
Příklad konstrukce laseru. 1 – aktivní prostředí; 2 – zdroj energie; 3 – nepropustné zrcadlo; 4 – polopropustné zrcadlo; 5 – laserový paprsek. Zdroj: Tatoute/Commons

Zdroj energie zajišťuje přítomnost systémů v excitovaném stavu. Jakmile se spontánní emisí uvolní foton, vyvolá stimulovanou emisi dalších fotonů. Tyto fotony mohou být zpětně absorbovány, ale pokud bude v aktivním prostředí dostatek excitovaných stavů (inverze populace hladin) bude se získané záření zesilovat a primárním mechanismem vzniku fotonů bude stimulovaná emise.

HeNe laser používaný v FT-IR spektrometrech

Literatura

  1. The first laser
  2. Stimulated emission