Co je to laser?

 Lasery dosáhly v poměrně krátké době širokého využití v nejrůznějších oborech lidské činnosti. Laserový paprsek dovede vrtat, řezat a obrušovat nejrůznější materiály. V lékařství slouží laser jako přesný sklapel a velmi přispěl k popularizaci a rozvoji refrakční chirurgie v očním lékařství.

 Na myšlenku, že některé látky jsou schopné zesilovat elektromagnetické záření, přišli již v roce 1951 Townes, Weber, Bassow a Prochorow. O dva roky později sestrojili Gordon a Zeiger mikrovlnný zářič. V roce 1958 předvedli Shawlow a Townes, jak lze tohoto principu využít i pro světlo, za což později dostali Nobelovu cenu. Tím byla zahájena éra experimentálních prací na realizaci laseru - Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, tedy zesílení světla pomocí stimulované emise záření. Jako první uvedl laser do provozu Theodor Maiman dne 15. května 1960. Byl to rubínový váleček o rozměru 2x1 cm s postříbřenými konci v hliníkovém pouzdře, který po osvícení xenonovou lampou emitoval laserový paprsek o vlnové délce 694,3 nm.

 Podle dualistické teorie se světlo šíří ve vlnách o různé vlnové délce nebo ve světelných kvantech - fotonech. Schopnost světla šířit se v kvantech vysvětluje účinek světla na různé látky. Elektrony obklopují jádro atomu na kruhových drahách - orbitách, které mají určitou energetickou hladinu. Při přechodu elektronu na nižší dráhu je energetický rozdíl vyzařován jako elektromagnetické záření v emisních liniích ve formě fotonu, kterému odpovídá určitá vlnová délka. Energie nutná k přechodu elektronu musí být dodána zvenčí, např. elektromagnetickým zářením.

 Podrážděný atom přechází ve velmi krátkém čase do původního, základního stavu. Tento proces je označován jako spontánní emise. Za určitých okolností může dojít k absorpci, kdy se atom dostává na vyšší energetickou úroveň, nebo ke stimulované emisi, kdy se atom dostává do nižšího energetického stavu - rezonanční efekt. Vedle dopadajícího fotonu vzniká i druhý foton, který je s dopadající vlnou koherentně zesilován. Laserový efekt je založen na zesílení světla, kdy musí převažovat podrážděné atomy nad atomy, které jsou v klidovém stavu. K dosažení tohoto stavu jsou nejčastěji užívány tzv. optické pumpy, jejichž působením jsou elektrony posunovány do vyšších úrovní absorpcí světla. Optické rezonátory tvořené sestavou zrcadel umožňují zachování zesíleného světla.

 Laserové světlo je monochromatické a prostorově koherentní. U trvalých laserů je záření plynule kontinuální. Jejich výkon je 1-100 W. U pulzních laserů dosahuje výkon až gigawatů, ale jen po dobu několika nanosekund. Metodou mode locking je možné dosáhnout výrazně kratších impulzů s odpovídajícím špičkovým výkonem.

 Existují čtyři typy laserů - plynový, pevný, polovodičový a prakticky nepoužitelný kapalinový. Plynové lasery se dělí podle druhu použitého plynu na neutrálně atomové (např. HeNe-laser), ionové (např. Ar-laser), molekulární laser (např. CO₂-laser) a excimerový laser (např. ArF-laser).

HeNe-laser byl vyvinut již v roce 1961 (Javan, Herriot a Bennett). Vlnová délka tohoto laseru byla 1 153 nm. Argonový laser má řadu linií od zelené k ultrafialové a výkon asi 10 W. Z molekulárních laserů je nejužívanější CO₂-laser, který produkuje asi 70 laserových linií mezi 9-11 µm.

 Prvním laserem na světě byl rubínový laser, který vyvinul Maiman v roce 1960. V současnosti je nejčastěji používán Nd:YAG-laser. Laseraktivním materiálem jsou iony neodymu zapracované v ytrium-aluminium-granátovém krystalu. Laserová vlnová délka je 1 064 µm. Nejmenší dnes vyráběné Nd:YAG-lasery dosahují velikosti palce ruky. Nd:YAG-lasery mohou být jak pulzní, tak kontinuální.

 Polovodičové lasery jsou polovodičové diody uspořádané stejně jako světelné diody. Používají však větší napětí, jsou na svých koncích postříbřené a slouží současně jako optické rezonátory. Velikost polovodičového krystalu je asi 1 cm³. Ve výrobě existuje velké množství různých typů, které využívají různé laserové materiály. Spektrální rozsah polovodičových laserů bývá 0,5-30 µm.

Vývoj laserů i možnosti jejich využití se neustále rozšiřují. V budoucnosti nás čekají mnohé další objevy.

Podrobnější informace najdete v časopise Česká oční optika, únor 2005.

Zdroje, ze kterých autor čerpal, naleznete také v časopise.