Laser

Z Wikipedie, otevřené encyklopedie

Laser (z anglického Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, tj. 'zesilování světla pomocí stimulované emise záření') je optický zdroj elektromagnetického záření tj. světla v širším smyslu. Světlo je z laseru vyzařováno ve formě úzkého svazku; na rozdíl od světla přirozených zdrojů je polarizované, koherentní a monochromatické. Princip laseru využívá zákonů kvantové mechaniky a termodynamiky.

Obsah 1 Fyzikální podstata 2 Historie 3 Typy laserů 4 Použití laserů 4.1 Použití argonového laseru v oftalmologii 5 Bezpečnostní rizika

[editovat] Fyzikální podstata

Hlavní součásti laseru jsou:

• rezonátor, který tvoří dvě zrcadla:
  • koncové zrcadlo s odrazivostí 100%
  • výstupní zrcadlo s odrazivostí o málo nižší, tj. částečně propustné a umožňující vyzařování světla.

Pozn.: Dusíkový laser pracuje superradiačně - to znamená, že rezonátor nepotřebuje.

• aktivní prostředí
• součásti pro optické čerpání aktivního prostředí (např. pomocí elektrického proudu).

Aktivní prostředí je látka obsahující oddělené kvantové energetické hladiny elektronů; může se jednat o:

• plyn nebo směs plynů, hovoříme pak o plynových laserech
• monokrystal kde hladiny vznikají dopováním; takové lasery se nazývají pevnolátkové
• polovodič s p-n přechodem v případě diodových laserů
• polovodičové multivrstvy – jsou základem kvantových kaskádních laserů
• volné elektrony v případě laserů na volných elektronech

Elektrony mohou přecházet z vyššího do nižšího stavu, při současném vyzáření fotonu, jedním z dvou mechanismů:

• spontánní emise
• stimulovaná emise.

Ke spontánní emisi dochází při nízkém stupni obsazení vyšší hladiny; pro spuštění stimulované emise (generace laserového záření) je třeba čerpáním dosáhnout tzv. populační inverze, kdy vyšší hladina je obsazena více elektrony než nižší.

[editovat] Historie

Předchůdcem laseru byl maser, zařízení které pracuje na stejném principu, avšak generuje mikrovlnné záření. První maser sestavil Charles Townes, J. P. Gordon a H. J. Zeiger v roce 1953. Tento prototyp však nebyl schopný fungovat nepřetržitě.

V roce 1960 Theodore H. Maiman v USA poprvé předvedl funkční laser. Jako aktivní prostředí použil krystal rubínu s využitím tří energetických hladin; laser proto mohl pracovat pouze v pulsním režimu.

Sovětští fyzici Nikolaj Basov a Alexandr Prochorov pracovali nezávisle na problému kvantového oscilátoru a vyřešili problém nepřetržitého výstupu záření tím, že použili více než dvě energetické hladiny a umožnili tím ustanovení populační inverze. V roce 1964 obdrželi Charles Townes, Nikolaj Basov and Alexandr Prochorov společně Nobelovu cenu za fyziku za „za zásadní výzkum v oboru kvantové elektroniky, který vedl ke konstrukci oscilátorů a zesilovačů založených na principu maserů a laserů“.

[editovat] Typy laserů

Následující tabulka shrnuje základní vlastnosti některých běžných typů laserů.

Aktivní médium:	Vlnová délka	Barva / spektrální oblast	Příklady použití	Poznámky
Plynové excimerové lasery:
ArF	193 nm	UV	oční lékařství, fotolitografie
KrCl	222 nm	UV	oční lékařství, laserová ablace
KrF	248 nm	UV	oční lékařství
XeCl	308 nm	UV	oční lékařství
XeF	351 nm	UV	oční lékařství
Ostatní plynové lasery:
Argonový	488 nm, 514 nm	modrá, zelená	oční lékařství, spektroskopie
dusíkový	337 nm	UV		pulsní
fluorovodíkový	2,7 μm	IR	nedestruktivní testování
hélium-neonový	543 nm, 633 nm	zelená, červená	zaměřování polohy
hélium-kadmiový	325 nm, 442 nm	UV, modrá
kryptonový	476 nm, 528 nm, 568 nm, 647 nm	modrá, zelená, žlutá, červená	světelné show, oční lékařství
CO2	10,6 μm	IR	sváření, řezání, zubní lékařství	vysoký výkon
Barvivové lasery:
Rhodamin 6G	570-650 nm	žlutá, oranžová, červená	dermatologie	laditelný
Kumarin C30	504 nm	zelená	oční lékařství, chirurgie
Pevnolátkové lasery:
rubínový	694 nm	červená	holografie, odstraňování tetování	historicky první laser (1960)
Nd:YAG	1064 nm	IR	litografie, chirurgie, pájení, spektroskopie	ps pulsy, SHG
Ho:YAG	2,1 μm	IR	chirurgie, zubní lékařství	pulsní
Er:YAG	2,94 μm	IR	chirurgie, zubní lékařství	pulsní
Ti:safír	690 - 1000 nm	červená, IR	spektroskopie	fs pulsy, laditelný
Polovodičové lasery:
GaAs	650 nm, 840 nm	červená, IR	laserová ukazovátka, tiskárny
GaAlAs	670-830 nm	červená	telekomunikace, přehrávače CD, displeje	barva závisí na složení
AlGaInP	650 nm	červená	přehrávače DVD
GaN	405 nm	modrá	Blu-ray disky
InGaAlP	630-685 nm	červená	lékařství

poznámka: UV ~ ultraviolet (ultrafialová), IR ~ infrared (infračervená)

[editovat] Použití laserů

[editovat] Použití argonového laseru v oftalmologii

Průkopníkem v této oblasti byl Francis L’Esperance. V roce 1963 začal používat rubínového laseru při pokusech o léčení diabetické retinopatie.
L’Esperance odhalil, že krví je absorbováno jen zhruba 6-7% výkonu rubínového laseru, a v důsledku toho je potřeba minimálně 10 působení k vypálení poškozených cév sítnice.
Na základě těchto poznatků se začalo s pokusy s argonovým laserem, který byl vyvinut krátce před jejich uveřejněním. Po několika experimentech se prvně v roce 1968 podařilo za pomoci 10-wattového argonového laseru vyléčit pacienta s diabetickou retinopatií. Do konce 60. let se metoda výrazně rozšířila a jen v roce 1970 vyléčil dr. Arnall Patz 285 pacientů za použití tohoto přístupu. Nejvíce efektivním způsobem v průběhu let se stala metoda zvaná pan-retinalní ablace. Metoda používá kvazikontinuálního argonového laseru k odejmutí, nebo odpaření částí sítnice namísto přímé koagulace krévních cév. V současnosti je aplikace laseru k odstranění potíží s diabetickou retinopatií vedoucí disciplínou oftalmologie.

Další vadou, která se dá léčit za pomoci argonového laseru je zelený zákal. Léčba je často označována zkratkou ALT - Argon Laser Trabeculoplasty a úspěšně se provádí již řadu let, zvláště na pacientech, u kterých se nedaří kontrolovat oční tlak a zpomalit vývoj zákalu léky, nebo kteří, z jakéhokoliv důvodu, nemohou používat oční kapky nebo mají kontraindikace na používané medikamenty. Při léčbě zaměří lékař laserový paprsek do Schlemova kanálku (Trabe culoplasty), což je hlavní odvodný kanálek komorové vody z oka v záhybu mezi duhovkou a rohovku. Ten pomocí 40-80 zásahů upraví tak, aby odváděl dostatek tekutiny a tím se docílí snížení očního tlaku. Zákrok se provádí v podstatě ambulantně. Oko je znecitlivěno pomocí očních kapek a na rohovku je přiložena speciální čočka, která umožňuje zahnutí paprsku.

[editovat] Bezpečnostní rizika

Hlavní nebezpečí laserových paprsků (i neviditelných a samotným výkonem poměrně slabých) spočívá v možnosti poškodit zrak (bodovým přehřátím sítnice). Toto riziko je zejm. u laserů IIIb třídy (tj. přes 5 mW) a vyšších.

Výkonné lasery (třídy IV) jsou schopné způsobit popáleniny, řezné nebo tržné rány; případně způsobit požár.

Řada laserů je buzena nebezpečnými látkami nebo vysokým napětím v řádu desítek kilovoltů.