Laser a laserové technológie

Obsah: História Princíp činnosti lasera Vlastnosti laserového žiarenia Typy laserov Laserové technológie

História: STIMULOVANÁ EMISIA: Všetko to začalo teóriou Alberta Einsteina. V roku 1917 publikoval prácu "Ku kvantovej mechanike žiarenia", v ktorej hovoril o stimulovanej (vynútenej alebo indukovanej) emisii. Práve tá je základom dnešného laseru. MASER: V 40. a 50. rokoch chcel fyzik Charles Townes zostrojiť zariadenie, pomocou ktorého by mohol vytvoriť čo najkratšie vlny, aby mohol študovať molekulárne štruktúry. Podarilo sa mu vytvoriť predchodcu laseru, maser. Slovo maser pochádza z anglického "microwave amplification by stimulated emission of radiation", čo v preklade znamená kvantový generátor mikrovĺn. Technológia je podobná laseru, nevyužíva však viditeľné svetlo.

PRVÝ LASER: Townes a iní inžinieri verili, že je možné zostrojiť aj optický maser, zariadenie na vytváranie silných lúčov svetla. Arthura Schawlowa, fyzika spolupracujúceho s Townesom, napadlo postaviť oproti sebe dve zrkadlá, každé z nich na koniec oblasti s atómmi v excitovanom (vzbudenom) stave, tak aby sa medzi nimi svetlo pohybovalo sem a tam. Vznikol by tak jednotný, usmernený lúč svetla. Na jeseň v roku 1957 začali obaja pracovať na princípoch zariadenia, ktoré by dokázalo poskytnúť takéto krátke vlnové dĺžky. Prvý skutočný laser, ktorý dokázal vytvoriť lúč koherentného (majúceho rovnakú frekvenciu a smer kmitania) svetla, sa však podarilo zostrojiť až Theodorovi Mainmanovi v roku 1960. Použil na to syntetický rubín tvaru tehličky s oboma koncami postriebrenými. Tento jednoduchý koncept sa rokmi zdokonalil a dnešné lasery sú už oveľa výkonnejšie a presnejšie.

PRINCÍP: Obyčajné svetlo, napríklad z obyčajnej žiarovky, sa skladá z rôznych farieb, pričom každá má inú vlnovú dĺžku. Tieto vlny sa rozširujú všetkými smermi. Laserové svetlo sa naopak skladá len z jednej farby (jednej vlnovej dĺžky). Všetky vlny tej istej vlnovej dĺžky idú jedným smerom a sú navzájom v súlade.

Elektróny v atómoch môžu prechádzať z nižšej energetickej úrovne do vyššej prijatím energie. Atóm s elektrónom vo vyššej energetickej úrovni nazývame vzbudený alebo excitovaný. Takýto excitovaný atóm môže vzniknúť, ak prijme fotón, ktorý má energiu rovnú rozdielu dvoch energetických hladín. Energia, farba, frekvencia a vlnová dĺžka fotónu spolu priamo súvisia, takže fotóny s rovnakou energiou majú rovnakú farbu, frekvenciu a vlnovú dĺžku. Ak atómom dodávame energiu, dostanú sa do excitovaného stavu. Keď sa potom rôzne elektróny vracajú na svoju pôvodnú energetickú úroveň, vyžarujú fotóny. Tieto fotóny zasiahnu ďalšie excitované atómy, čím spôsobia, že sa z nich uvoľní identický fotón (s rovnakou energiou, a teda aj vlnovou dĺžkou, frekvenciou a farbou). Tieto fotóny zasiahnu ďalšie excitované atómy, ktoré uvoľnia ďalšie rovnaké fotóny. Práve vďaka tomuto je laserové svetlo koherentné.

RUBÍNOVÝ LASER: Theodore Mainman vytvoril svoj prvý laser z tyče syntetického rubínu Al2O3 s prímesou chrómu, na koncoch ktorej umiestnil zrkadlá.

Dodaním energie z bleskovej výbojky dochádza k vybudeniu atómov Dodaním energie z bleskovej výbojky dochádza k vybudeniu atómov. Elektróny sa posúvajú z nižšej energetickej hladiny do vyššej. V takomto stave však vydržia len asi 1/100 sekundy a pri návrate do pôvodnej energetickej hladiny vyžiaria energiu - fotón. Ide o samovoľnú emisiu.

Fotón putujúci prostredím zasiahne iný excitovaný atóm a tým zapríčiní prechod elektrónu naspäť do pôvodnej energetickej hladiny. Pri takejto vynútenej emisii sa uvoľní identický fotón. Laserové svetlo teda naberá na intenzite, až je dosť silné na to, aby uniklo polopriepustným zrkadlom na jednej strane rubínu.

ROZDELENIE: Pevnolátkové Kvapalinové Plynové Polovodičové

Podľa spôsobu čerpania energie Opticky (napr. výbojka) Elektricky Chemicky Termodynamicky (zahrievaním, ochladzovaním plynu) Jadrovou energiou (reaktorom, jadrovým výbuchom) Podľa vyžarovanej vlnovej dĺžky Lasery s viditeľným svetlom Infračervené Ultrafialové Röntgenové

ZDRAVOTNÍCTVO: Lasery sa pre svoju presnosť dajú využiť pri náročnejších operáciách a na horšie dostupných miestach - v mozgu, žalúdku... Dokonale nahradia bežný skalpel a navyše sú úplne sterilné. V očnom lekárstve sa používajú napríklad pri operáciách šedého a zeleného zákalu. Operácia je rýchla a dá sa urobiť bez vyňatia oka, čo zamedzí ďalším komplikáciám. V zubnom lekárstve využívaný laser je menej bolestivý ako klasická vŕtačka.

PRIEMYSEL: V priemysle sa laser používa napríklad na vŕtanie dier do diamantov, na úpravu mikroelektroniky, na rezanie vzoriek (v textilnom priemysle), na syntetizovanie nových materiálov, pri zváraní a pri pokuse o vyvolanie riadenej jadrovej reakcie. Presne smerovaný laser sa používa na určovanie polohy, napríklad v stavebníctve a pri razení tunelov.

KOMUNIKÁCIA: Laserové svetlo môže cestovať vesmírom na veľké vzdialenosti bez zhoršenia kvality signálu. Navyše môže prenášať tisíckrát viac televíznych programov ako dnešné mikrovlny. Preto je laser ideálny na vesmírnu komunikáciu.

KOMPAKTNÉ DISKY: Pri ukladaní informácií na kompaktné disky sa takisto využíva laser. CD je vlastne plastový priesvitný disk pokrytý tenkou reflexnou vrstvou. Do tej vypaľuje laser pri nahrávaní malé dierky, ktoré predstavujú dáta. Oblasti s dierkami odrážajú svetlo inak, ako oblasti bez nich. V prehrávači prechádza slabý laser týmto povrchom a striedanie odrazeného a pohlteného svetla opäť interpretuje ako dáta.

ČÍTANIE ČIAROVÉHO KÓDU: Každému výrobku vo väčších obchodoch je pridelený číselný kód. Ten v sebe zahŕňa informácie o výrobku a cene. Číslice v takomto kóde predstavuje skupina rovných rovnobežných čiar, medzi ktorými sú biele medzery. Laser prechádza po čiarovom kóde svetelným lúčom od jedného konca na druhý. Je natoľko citlivý, že môže kód čítať ako zľava doprava, tak opačne. Laserový snímač potom mení informácie na signály v dvojkovej sústave a tie odosiela do počítača.

ZDROJE: http://www.greatachievements.org/greatachievements/ga_18_2.html http://www.lasers.org.uk/laser_welding/briefhistory.htm http://fyztyd.fjfi.cvut.cz/2000/web/2000/laser.html http://www.jc-computers.org/Printers.htm http://gary.myers.net/elements.htm http://www.dermatology.org/laser/eyesafety.html http://www.referaty.sk/ http://www.google.sk

Dakujem za pozornosť Milan Janoška 3.F