Lasery na Fakultě jaderné a fyzikálně inženýrské ČVUT Antonín Novotný, Helena Jelínková , Václav Kubeček, Miroslav Čech, Ivan Procházka, Josef Blažej České vysoké učení technické, Fakulta jaderná a fyzikálně inženýrská, Břehová 7, 115 19 Praha 1 Abstrakt. Článek podává přehled o vývoji a aplikacích pevnolátkových laserů na Fakultě jaderné a fyzikálně inženýrské ČVUT. První rubínový laser na světě byl spuštěn do provozu v květnu 1960 a na FTJF (FJFI) v roce 1964. Postupně byly navrženy a zkonstruovány lasery s aktivními materiály Nd:sklo, Nd:YAG, Nd:YAP a další. Vyvinuté lasery byly použity v průmyslových aplikacích, v laserových družicových radarech, v měření znečištění ovzduší a v mnoha oborech medicíny. Dosažené výsledky jsou celosvětově uznávány.
Lasers at the Faculty of Nuclear Sciences and Physical Engineering of CTU Abstract. The paper presents the survey of the development and applications of solid state lasers at the Faculty of Nuclear Sciences and Physical Engineering of CTU (FJFI). The first ruby laser in the world was put into operation in May 1960 and at FJFI in 1964. Stepwise, lasers with active materials Nd:glass rod, Nd:YAG, Nd:YAP and others were designed and constructed. Developed lasers were used in industrial applications, in laser satellite radars, in measuring pollution of the air and in many domains of medicine. Achieved results are worldwidely recognized. V letošním roce uplynulo 50 let od uvedení prvního laserového systému do provozu. Rubínový laser poprvé generoval záření, natolik odlišné svými vlastnostmi od všech doposud známých světelných zdrojů, v květnu roku 1960. Na Fakultě jaderné a fyzikálně inženýrské ČVUT (FJFI) (do roku 1967 Fakultě technické a jaderné fyziky – FTJF), na katedře fyzikální elektroniky (KFE), vedené profesorem Bohumilem Kvasilem, byli pracovníci, kteří rozpoznali, že laserové záření má naději být v budoucnu úžasným nástrojem vhodným pro další výzkumné i aplikační účely. Karel Hamal a Václav Sochor formovali skupinu, která už v roce 1963 začala s návrhem a stavbou laboratorního rubínového laseru.
Obr. 1. Originální kulová čerpací dutina rubínového laseru FTJF, zdroj vysokého napětí (1966) a oscilografický záznam časového rozvoje laserových impulsů (délka impulsu na polovině maximální amplitudy ~ 600 µs) Patřili do ní tehdejší studenti katedry Tomáš Daříček a Antonín Novotný. Většina součástí byla z domácích zdrojů. Aktivní prostředí – rubínový krystal byl vypěstován ve Spolku pro chemickou a hutní výrobu v Ústí nad Labem pod vedením Vítězslava Kmenta. Zrcadla rezonátoru byla objednána
v Meoptě Přerov. Odrazná dutina, ve které byl rubínový krystal a čerpací světelný zdroj – výbojka umístěn, a také zdroj vysokého napětí, byly vyrobeny na KFE FTJF (obr. 1). Pouze výbojka byla dovezena od firmy Preisler. První laserový systém na FTJF byl úspěšně odzkoušen v roce 1964, tedy pouze 4 roky po uvedení prvního rubínového laseru na světě do provozu. V roce 1964 objevil Robert W. Helwarth, že zásahem do dějů probíhajících v době vzniku stimulované emise (zvýšením ztrát v optickém laserovém rezonátoru), může zvýšit populaci horní laserové hladiny a následným odstraněním těchto ztrát získat záření s novými kvalitami – tzv. gigantický impuls. Generace gigantického impulsu na KFE pomocí mechanicko‐optické uzávěrky – rotujícího zrcadla rezonátoru (metoda Q‐spínání) byla hlavním výsledkem diplomových prací A. Novotného a T. Daříčka (1965) [1, 2]. Délka impulsu byla 30 ns a jeho výkon byl o několik řádů větší než výkon původního 600 µs dlouhého impulsu generovaného při provozu laseru v tzv. „volně běžícím režimu“ (bez Q‐spínání). Použitím dalšího spínače umístěného do rezonátoru laseru – pasivního saturovatelného absorbéru – bylo dosaženo dalšího zkrácení generovaného impulsu až na 15 ns [3, 4]. Výkon tohoto systému už byl takový, že stačil k ionizaci vzduchu a vytvoření plasmy [5]. (Ve světové literatuře byla generace jiskry publikována v roce 1963.) Ve spolupráci s Vývojovými dílnami ČVUT bylo v dalších letech vyrobeno několik prototypů rubínových laserů. Jeden z nich byl vystaven ve stánku Meopty Přerov na Mezinárodním strojírenském veletrhu v Brně v roce 1967 (obr. 2).
Obr. 2. Rubínový laser FTJF na MSV Brno 1967 Ve světě zatím laserový výzkum pokročil a kromě objevu dalších laserových aktivních materiálů byly do provozu uvedeny nové lasery (listopad 1960 – U:CaF2 laser, prosinec 1960 – helium‐neonový (He‐ Ne) laser, 1961 –vláknový Nd:skleněný laser, 1962 – GaAsP laser, 1964 – Ar laser, CO2 laser a Nd:YAG laser a postupně další). Na základě generovaného vysokovýkonového impulsu bylo možné studovat i nelineární jevy. V roce 1969 bylo pomocí Q‐spínaného rubínového laser a nelineárního krystalu KDP dosaženo generace tzv. druhé harmonické frekvence. Zdvojnásobení frekvence generovaného záření 694,3 nm znamenalo získání poloviční vlnové délky 347,1 nm – tzn. záření v modré spektrální oblasti (H. Jelínková, V. Sochor) [6]. Dále byly experimentálně zkoušeny i nové druhy Q‐spínačů, tzv. saturovatelné absorbéry pro generaci gigantických impulsů [7, 8]. Dalším důležitým objevem, kromě generace těchto impulsů, jejichž délka se pohybovala v oblasti nanosekund (10‐9 s), byl objev tzv. synchronizace módů (1963 – L.E. Hargrove, R.L. Fork, M.A. Pollack),
který ve svém důsledku umožnil generaci impulsů v oblasti pikosekund (10‐12 s). V laserové laboratoři na KFE byl uveden do provozu Nd:skleněný laser s pasivní synchronizací módů v roce 1969. Velkým problémem bylo měření délky takto krátkých impulsů a byly proto studovány techniky pro jejich detekci – např. dvoufotonová (P. Knápek, K. Hamal [9]) a třífotonová fluorescence (V. Kubeček, K. Hamal, M. Vrbová) [10 – 12]. Později byla tato měření ověřována pomocí elektrooptické rychlé kamery [13]. Vývoj laserové techniky na FJFI pokračoval i v následujících letech. V roce 1972 byl vyvinut kontinuálně běžící Nd:YAG laser [14 – 15]. Rozvíjela se součástková laserová základna, kterou tvořily podniky a především pracovníci Monokrystalů Turnov (Jiří Kvapil, Josef Kvapil a Josef Perner), již výše zmíněný Spolek pro chemickou a hutní výrobu v Ústí nad Labem (Vítězslav Kment) a dále Meopta Přerov a Dioptra Turnov, kde byla zajišťována laserová optika (zrcadla rezonátoru, fokusační čočky, odrazné hranoly atd). Od 70. let minulého století se činnost laserové laboratoře rozrůstala jak po vědecké, tak i po aplikační stránce. Byly konstruovány a uvedeny do provozu nové lasery – z pevnolátkových Nd:YAP, Er:YAG a Ti:safír [16 – 18], z plynových CO2 (M. Vrbová, Mohamed I. Shedeed, Pavel Onheiser, Marie Pospíšilová, později Alexandr Jančárek, Petr Gavrilov) [19 – 22] (obr. 3) a barvivové Rhodamin (Pavel Bakule). Rovněž byly lasery užity pro generaci plasmatu (Petr Schmiedberger, Petr Hříbek, Ranko Dragila, později Jiří Limpouch, Ladislav Pína – dnes RTG lasery), pro rozvoj holografie (Gojko Lončar, Jan Vávra, Pavel Fiala, Jaroslav Křepelka) a pro spektroskopická měření atmosféry pomocí Ramanova jevu (Miroslav Jelínek, Milan Kálal) [23, 24] (obr. 4). Některé z těchto směrů výzkumu zůstaly zachovány až do dnešní doby a vyrostly v samostatná oddělení na KFE – plasma, holografie, pevnolátkové lasery, plynové lasery).
Obr. 3. První CO2 laser na KFE FJFI Obr. 4. Rubínový laser pro monitorování atmosféry pomocí spontálníhoRamanova rozptylu
Obr. 5. Komplet kontinuálního Nd:YAG laseru FJFI pro aplikace Obr. 6. Anemolaser FJFI Aplikační část práce laboratoře byla také rozsáhlá. Kromě technologických laserů ‐ Nd:YAG (obr. 5), rubínového laseru testování krystalů, Q‐rubínového spínaného laseru pro žíhání polovodičů [25] nebo Anemolaseru pro aerodynamické zkoušky (obr. 6) se skupina zapojila do dvou velkých aplikačních projektů – laserového měření vzdálenosti umělých družic Země a laserů v medicíně. Vyvinutý kontinuální Nd:YAG laser s vláknovou optikou byl použit v roce 1984 pro znančkování ryb ve Výzkumném ústavu rybářském ve Vodňanech a při ozařování vzorků tkání pro IKEM Praha. V roce 1968 se na KFE obrátil pracovník Výzkumného ústavu geodetického Pavel Navara, zda by bylo možné využít laserového přístroje generujícího gigantický impuls k radarovým účelům – k měření vzdálenosti umělých družic emě. První taková družice byla vypuštěna na oběžnou dráhu v roce 1964. Tato družice nesla na svém povrchu laserové tzv. koutové odražeče (obr. 7) , které umožňují odraz dopadajících kvant ve stejném směru zpět k vysílači. Princip laserového radaru je založen na měření času, který uplyne mezi vysláním krátkého světelného (laserového) impulsu z pozemní stanice a přijetím (detekcí) odraženého impulsu od družice (obr. 8).
Obr. 7. Koutový odražeč Obr. 8. Schéma laserového družicového radaru Smyslem těchto měření bylo pomocí zpřesněných vzdáleností umělé družice Země vytvořit triangulační síť (kde družice tvoří jeden bod v triangulačním trojúhelníku), s jejichž pomocí bude možné upřesnit třetí „neznámou nebo jen nepřesně určenou” vzdálenost na Zemi.
První laserový družicový vysílač byl instalován skupinou K. Hamala v létě roku 1970 na observatoři Výzkumného ústavu geodetického, topografického a kartografického na vrchu Pecný, nedaleko astronomické observatoře Akademie věd na Ondřejově (obr. 9a) [26, 27]. Základem laserového vysílače byl rubínový laser – oscilátor, zesilovač a teleskop (Obr. 9b). Oscilátor pracoval v Q‐spínaném režimu (režim generace gigantických impulsů) a generoval záření s energií 2 J v jednom impulsu dlouhém 30 ns.
Obr. 9. SBG kamera a laserový vysílač na observatoři VÚGTK – Pecný (vlevo), detail laserového vysílače – rubínový oscilátor, zesilovač a teleskop (vpravo nahoře), prověření výkonu laserového vysílače pomocí generace jiskry (vpravo dole) – Laserový družicový radar AÚ ČSAV Ondřejov (zleva K. Hamal, P. Navara, T. Daříček) (c) Výkon laseru v systému byl tak velký, že po soustředění laserového svazku spojnou čočkou došlo v ohnisku čočky k ionizaci vzduchu a vytvoření plazmové jiskry. Tímto způsobem bylo v „poli”, tj. mimo laboratoř, testováno, zda intenzita výstupní energie laserového vysílače neklesla pod požadovanou hodnotu (obr. 9). Jak je patrné z výše uvedeného vysvětlení principu měření vzdáleností na zemském povrchu, aby měření získalo požadovanou přesnost (v roce 1968 to byla přesnost 1 m) bylo potřeba na zeměkouli rozmístit několik stanic laserových družicových radarů [28]. Z tohoto důvodu byla vytvořena celosvětová síť laserových radarů, která už v té době propojila vědce ze západního i východního bloku. Po úspěšném odzkoušení prvního českého laserového vysílače byly postupně tyto laserové vysílače instalovány na mezinárodních stanicích Interkosmos v Egyptě (Helwan – 1974), v Bolivii (Altiplana – 1975), v Polsku (Borowiec – 1976), v Indii (Kavalur – 1976), na Kubě (Santiago de Kuba – 1977), v Ekvadoru (Quito – 1978), v SSSR (Simejz – 1975, Zvenigorod – 1976), v Bulharsku (Plana –
1982), ve Vietnamu (NaThang – 1984) [29 – 31]. Další laserové vysílače pracovaly také na observatořích v Hradci Králové a v Dobrušce. Naměřená data byla vyhodnocována v SAO Cambridge, Mass., USA a zařazována do výsledkové databáze NASA. Skupina se zařadila mezi v té době pět nejúspěšnějších institucí na světě v této oblasti (viz obr. 10). Původní skupina K. Hamala (Antonín Novotný, Tomáš Daříček†, Helena Jelínková, Václav Kubeček) se dále rozrostla (Petr Hiršl, Miroslav Jelínek, Vlastimil Krajíček, Miroslav Čech, Ivan Procházka, Josef Blažej a Jan Stoklasa).
Obr. 10. Mapa stanic pro laserové měření vzdáleností družic, na které KFE dodávala laserové vysílače, detektory, pikosekundový měřič intervalů nebo se podílela na tvorbě jejich kalibračních procedur. Zeleně jsou označeny stanice v rámci sítě Interkosmos, červeně stanice sítě ILRS. Kombinovaně jsou označeny stanice, které přešly po skončení programu Interkosmos pod síť ILRS. Podle radarové rovnice je přesnost dána mnoha faktory, z nichž jedním z nejdůležitějších je délka vysílaného impulsu. Při velmi slabých odražených signálech (na úrovni jednotlivých fotonů) je přesnost tím větší, čím kratší je impuls (až do určitého limitu). Pro zvýšení přesnosti měření bylo proto pokračováno ve výzkumu laserových systémů s cílem navrhnout a realizovat systém generující impulsy v oblasti nejdříve jednotek nanosekund (2. generace) a později desítek pikosekund (3. generace laserových vysílačů). Také bylo žádoucí zvýšit opakovací frekvenci vysílaných impulsů, aby výtěžnost měření byla větší. Během let 1970 – 1980 byly na KFE FJFI vytvořeny laserové systémy 1. až 3. generace, jejichž schémata a popisy jsou uvedeny v tab. 1. [32 – 37]. Na obr. 11 je fotografie vysílaného laserového paprsku při měření vzdálenosti družic na observatoři Helwan v Egyptě (a) a laserového vysílače 3. generace na téže stanici (b) [36].
Obr. 11. Fotografie vysílaného laserového paprsku při měření vzdálenosti družic na observatoři Helwan v Egyptě (a) a laserového vysílače 3. generace na téže stanici (b). Vlnová délka generovaného záření = 530 nm, energie 30 mJ, délka impulsu 17 ps. Všechny laserové vysílače byly vyrobeny na FJFI z tuzemských zdrojů už i včetně čerpací výbojky, která se od roku 1970 vyráběla podle návrhu T. Daříčka ve Výzkumném ústavu vakuové elektrotechniky Praha a v Ústavu fyziky plazmatu Akademie věd (A. Černý a F. Kouba a později J. Frič).
Tab. 1. Přehled laserových vysílačů FJFI pro měření vzdálenosti k umělým družicím Země 1. generace
2. generace
2(1/2). generace
Rubínový laser
Rubínový laser
Q‐spínaný režim, dvojité spínání (rotující hranol a saturovatelný absorbér)
PTM režim PFM režim (systém Pockelsových cel)
=0,6943 µm E=1J t=20‐30 ns
=0,6943 µm E=0,2 J/ns + zesílení 3x t=4 ns (PTM) t=2‐5 ns (PFM)
3. generace
Nd:YAG laser s generátorem 2. harmonické frekvence Režim synchronizace Režim módů (saturovatelné synchronizace módů barvivo) (saturovatelné barvivo +Pockelsova cela) =0,532 µm =0,532 µm E= 20 mJ (5 pulsů) E=30 mJ (1 puls) t=17 ps t=17 ps Nd:YAG laser s generátorem 2. harmonické frekvence
2.5
Uosc [V]
1.5
0.5
-0.5 -7 -0.5x10
-7
0
0.5x10
-7
1.0x10
t [s]
Přesnost měření: 50 cm na vzdálenost 2500 km
30 cm
20 cm
3 cm
Data získaná pomocí SLR byla využita pro mnoho dalších vědních disciplín a aplikací, např. pro studium systému Země‐atmosféra‐oceán, pro studium dynamiky Země, gravitačního pole Země, rotace Země, pro seizmologii, fyziku, přenos přesného času atd. Přesnost laserových měření je závislá na možnostech laserového sledovacího systému a také na kvalitě návrhu rozmístění odražečů na družici, neboť obyčejně bývá na družici umístěno odražečů více. Speciálně navržené, tzv. geodetické družice přispívají k celkové chybě měření řádově milimetry. V roce 1990 dosáhla přesnost měření limitu daného délkou impulsu. Další zkracování impulsu nemělo význam, protože chyba zaváděná do výpočtu vlivem měnících se atmosférických podmínek, vlivem uspořádání retroreflektorů na družici, jejich počtu a také vlivem koutového odražeče byla větší, než chyba daná délkou impulsu. Pro ověření a zpřesnění modelů vertikálního profilu indexu lomu atmosféry je výhodné realizovat laserové měření vzdáleností družic na dvou nebo více vlnových
délkách současně. Základním problémem při konstrukci laserového vysílače pro tento experiment je nemožnost synchronizace dvou nezávislých laserových oscilátorů s pikosekundovou přesností. Skupina úspěšně navázala na spolupráci se skupinou z fyzikálního ústavu ve Vilniusu v oblasti parametrické generace [38] a nelineární komprese laserových impulsů [39], na laboratorní experimenty (obr. 12) a experimenty s Jeanem Gaignebetem z poloviny 80. let [40] a podílela se na konstrukci a testování laserových vysílačů využívajících stimulovaný Ramanův rozptyl v plynech (metanu, vodíku, deutériu) pro generování synchronizovaných pikosekundových impulsů na více vlnových délkách současně [41]. Tyto vysílače pracovaly na SLR stanicích v Číně (Šanghaj) a Japonsku (Koganei).
Obr. 12. Fotografie laserového svazku za disperzním hranolem po stimulovaném Ramanově rozptylu v metanu. Různě rozbíhavé, ale časově synchronní a dostatečně energetické impulsy o vlnových délkách (zleva) 406, 461, 532 a 630 nm Od roku 1980 se laserová část skupiny K. Hamala věnovala také aplikacím laserů v medicíně. Během let 1980 – 2000 bylo navrženo, zkonstruováno, charakterizováno a po testech na zvířatech uvedeno do praxe několik lékařských laserových přístrojů. Byl to nejdříve laserový skalpel MEDICALAS FJFI – kontinuálně běžící Nd:YAG laser s navedením záření pomocí optického vlákna používaný pro účely obecné chirurgie (K. Hamal, V. Kubeček, J. Marek, P. Valach ve spolupráci s 3. Chirurgickou klinikou FN UK ‐ L. Horák, J. Fanta a IKEM Praha ‐ Z. Náprstek) [42]. V pozdějších letech byl tento přístroj dopracován tak, že nabízel výběr dvou vlnových délek 1.06 μm a 1.3 μm, které působí jiným způsobem na lidskou tkáň [43]. Dalším byl laser pro oftalmologii OFTALAS FJFI (K. Hamal, H. Jelínková, I. Procházka, M. Čech, P. Vaněk, F. Šatava, ÚVN Praha ‐ J. Pašta) – unikátní Nd:YAG pulsní laser‐oscilátor/zesilovač umožňující generaci buď sledu pikosekundových impulsů, nebo jednoho impulsu s délkou desítek nanosekund. Tento přístroj byl určen pro operaci sekundární katarakty oka a byl použit v praxi v ÚVN v Praze [44, 45]. Pro dermatologii byl určen Q‐spínaný rubínový laser DERMATOLAS FJFI (K. Hamal, H. Jelínková, I. Procházka Ústav kosmetiky – D. Adámková) [46]. V době, kdy ještě v Československu nebyly žádné kosmetické salóny s laserovými přístroji, tak Dermatolas vyrobený na FJFI pracoval a úspěšně odstraňoval névy a tetováže v tehdejším Ústavu kosmetiky v Praze. Pulsní Nd:YAG laser opět s vláknovým vedením záření pracující ve volně běžícím režimu ANGIOLAS FJFI (K. Hamal, V. Kubeček, 2. Interní klinika FVL UK Praha – F. Boudík, J. Kvasnička, F. Staněk) byl úspěšně používán na II. Interní klinice FVL UK Praha pro angioplastiku – zprůchodňování cév se sklerotickými pláty [47]. Er:YAG laserová zubní vrtačka DENTALAS FJFI (K. Hamal, H. Jelínková, I. Procházka, F. Šatava, Stomatologický ústav – Praha – T. Dostálová) byla dalším pokusem přispět výzkumem k rozvoji zdravotnictví. Tento laser byl zkonstruován, uveden do provozu a testován jako jeden z prvních v Evropě. Vytvořená klinická studie je proto citována
ve světovém odborném tisku. Zubní vrtačka byla po testech předána i do průmyslové výroby [48]. Souhrn všech výše uvedených lékařských laserových systémů je uveden v tab. 2. Tab. 2. Přehled laserových systémů pro medicínu Medicalas Dermatolas Oftalas Dentalas Angiolas Nd:YAG laser Rubínový laser Nd:YAG laser Er:YAG laser Nd:YAG laser Kontinuální , volně‐běžící režim (verze 1987)
Q‐spínaný režim
Q‐spínaný režim + režim synchronizace módů
Volně‐běžící režim
Volně‐běžící režim
=1,064 µm a 1,32 µm Výkon nastavitelný do 120 W (1064 nm), výkon přenesený vláknem do 80 W (do 30 W na vln. délce 1320 nm
=0,6943 µm E=1J t=25 ns
=1,064 µm E=1 – 70 mJ t=4 ns/25 ps
=2,94 µm E=600 mJ t=250 µs
=1,064 µm E=1 J t=250 µs
1000 mV
800 mV
600 mV
400 mV
200 mV
0 mV 4 ns
8 ns
12 ns
16 ns
X axis title
000 mV
800 mV
600 mV
400 mV
200 mV
0 mV
4 ns
8 ns
12 ns
16 ns
X axis title
Optické vlákno
artikulační rameno
Systém navedení záření ‐– žádný
artikulační rameno
Optické vlákno
Od začátku devadesátých let do současné doby je na KFE FJFI prováděn další výzkum interakce laserového záření s tkání (v oftalmologii, stomatologii, urologii a kardiologii [49 – 51] a kromě toho se laboratoř zaměřila na základní výzkum. Jsou studovány a ve spolupráci s renomovanými zahraničními pracovišti byly navrženy nové metody generace pikosekundových impulsů pomocí metod nelineární optiky jako je dvoufotonová absorpce v polovodičích [52], nelineární zrcadlo s generací druhé harmonické frekvence [53] a synchronně buzené parametrické oscilátory [54]. Postupně se od výbojkového buzení přechází na diodové a tím jsou systémy podstatně účinnější [55 – 57]. Jsou zkoumány nové aktivní materiály (především pevnolátkové), prověřovány délky impulsu, generované vlnové délky a prostorová struktura svazku. Je rozvíjena také technologie detekce se zaměřením na pikosekundovou oblast [58]. V současné době je v laboratořích pevnolátkových laserů KFE FJFI v provozu celá řada laserů generujících záření s vlnovými délkami od viditelného spektra až do střední infračervené oblasti, viz tab. 3. Kromě nekoherentního čerpání výbojkami je prováděn také výzkum čerpání koherentními zdroji (lasery nebo diodovými lasery). Jako nejzajímavější lasery lze uvést mikročipy (Nd:YAG/V:YAG, Tm:YAP, Pr:YAP) vynikající kromě svých malých rozměrů jednoduchostí a hlavně velkou stabilitou generovaného záření [59, 60], a dále lasery ve střední infračervené oblasti spektra od 2 μm až do 5 μm (Cr:ZnSe, Dy:PbGaS, Fe:ZnSe [61 – 64]). Za svou více než 40‐letou existenci laboratoř vychovala celou řadu laserových odborníků, kteří dnes pracují v daném oboru nebo alespoň mají přehled o laserové technice. Jako spin‐off vznikla v 90. letech minulého století firma Medicom s r.o., složená z absolventů laboratoře, jako podnik vyrábějící laserové medikální přístroje a dnes už i průmyslové lasery. V současné době laserové laboratoře na KFE vychovávají odborníky pro ELI a HYPER. Tab. 3. Přehled laserů pracujících v laboratoři pevnolátkových laserů KFE FJFI Výbojkově čerpané lasery
Diodově čerpané lasery
Generované vlnové délky získané pomocí využití nelineárních jevů v pevných látkách
Je možné konstatovat, že výzkum laserů na KFE FJFI má velmi dlouhou tradici a začal velmi brzy po uvedení prvního laseru do provozu. Lasery mají dnes na KFE výborné laboratorní zázemí vybudované generacemi pracovníků i vynikající personální zabezpečení tvořené jak velmi zkušenými vědeckými pracovníky, tak perspektivními mladými vědeckými pracovníky a studenty. LITERATURA [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8]
A. Novotný: Modulace činitele jakosti Fabry‐Perrotova rezonátoru I. [Diplomová práce.] Praha, FTJF ČVUT, 1965. T. Daříček: Modulace činitele jakosti Fabry‐Perrotova rezonátoru II. [Diplomová práce.] Praha, FTJF ČVUT, 1965. T. Daříček, K. Hamal, A. Novotný, V. Sochor: Ruby Laser Using Rotating Mirror and Liquid Bleacher between Quartz Plates Ruby Laser. Czech. J. Phys., B15, 1965, No. 12. s. 933. K. Hamal, V. Sochor, T. Daříček, A. Novotný: Comparison of Rotating Mirror and Liquid Bleacher as a Q‐Switch for a Ruby Laser. J. Sci. Instrum., 1967, vol. 44, s. 548. V. Sochor, A. Novotný: Ionizace plynného prostředí intensivním laserovým svazkem. Čs. čas. fyz., 18, 1968, s. 673. H. Špetlová (Jelínková): Spektrální charakteristiky rubínového laseru. [Diplomová práce.] Praha, FTJF ČVUT, 1969. H. Jelínková, K. Hamal, A. Novotný, M. Vrbová: Passive Mode Locker and Q‐Switch for Ruby Laser. Optical and Quantum Electronics, 7, 1975, s. 420. K. Hamal, H. Jelínková, A. Novotný, M. Vrbová: Picosecond relaxation time measurement from the
[9] [10] [11]
[12]
[13]
[14] [15] [16]
[17] [18] [19]
[20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29]
[30]
[31]
Q‐switched threshold. IEEE Journal of Quantum Electronics, August 1976. P. Knápek: Interakce pikosekundových pulzů s plynným a pevným prostředím. [Diplomová práce.] Praha, FJFI ČVUT, 1970. V. Kubeček: Ionizace pikosekundovými impulsy. [Diplomová práce.] Praha, FJFI ČVUT, 1971. K. Hamal, M. Vrbová, A. Novotný, V. Kubeček, T. Daříček: Measurement of picosecond pulse shape by 3‐photon fluorescence. IEEE Journal of Quantum Electronics. 1972, vol. 8, no. 6, s. 600. A. Novotný: Vyhodnocování tvaru a délky pikosekundových impulsů z třífotonové fluorescence pomocí stolních počítačů HP 9100 B a HP 9820. Sborník druhého semináře uživatelů kalkulátorů Hewlett‐Packard. Brno, ČVTS, 1972. K. Hamal, V. Krajíček, V. Kubeček, A. Novotný, M. Vrbová, M. Y. Schelev, J. N. Serduchenko, N. S. Vorobjov: Nearly online picosecond streak camera diagnostics of the cw mode‐locked YAG laser‐radiation. Review of Scientific Instruments, 1979, vol. 50, no. 3, s. 337‐339. T. Daříček, V. Kubeček: YAG laser, Acta Polytechnika IV, 1973, 4, Praha, ČVUT, s. 11‐15. V. Kubeček: Nd:YAG lasery s kontinuálním čerpáním, Jemná mechanika a optika, 11, 1980, s. 317‐318. H. Jelínková, J. Marek, P. Valach, K. Hamal, G. C. Realli, G. Gabetta: Generation of powerful picosecond pulses using a modified self‐filtering unstable resonator with Nd:YAG & Nd:YAP rods. Optics Communications, vol. 75, No. 5, 6, 15, March 1990, s. 447‐450. H. Jelínková, P. Vaněk, P. Valach, K. Hamal, J. Kubelka, V. Škoda, M. Jelínek: Pumping of titanium sapphire laser, Czech J. Phys. B, 1993, vol. 43, No. 2, s. 131‐138. P. Bakule: Titan safírový laser. [Diplomová práce.] Praha, FJFI ČVUT, 1992. Pavel Onheiser: Holografická diagnostika laserové jiskry. [Diplomová práce.] Praha, FJFI ČVUT, 1972. M. Pospíšilová‐Barabasová: Dynamika CO2 laseru. [Diplomová práce.] Praha, FJFI ČVUT, 1973. M. I. Shedeed: Dynamics of the CO2 laser with analysis of electronic processes in the discharge. [Kandidátská disertační práce.] Praha, FJFI ČVUT, 1975. M. Pospíšilová: Laditelný TEA CO2 laser s UV‐předionizací. [Kandidátská disertační práce.] Praha, FJFI ČVUT, 1979. M. Jelínek: Využití vlastností Ramanova jevu pro dálkovou detekci atmosférických nečistot. [Kandidátská disertační práce.] Praha, FJFI ČVUT, 1978. M. Kálal: Experimentální stanovení diferenciálních účinných průřezů pro Ramanův zpětný rozptyl u některých plynů. [Diplomová práce.] Praha, FJFI ČVUT, 1976. V. Prochocký: Laser pro žíhání polovodičů. [Diplomová práce.] Praha, FJFI ČVUT, 1983. K. Hamal, T. Daříček, P. Navara, A. Novotný: Experimental Satellite Laser Radar at Ondřejov Observatory. Czech. J. Phys., B21, 1971, s. 1118. T. Daříček, K. Hamal, P. Navara, A. Novotný: Laserové měření vzdálenosti umělých družic Země na observatoři Ondřejov. Jemná mechanika a optika, 7, 1971, s. 186. A. Novotný: Laserová lokace družic a Měsíce. Sborník Lasery ve vědě a technice. Praha, ČVTS 1971. T. Daříček, K. Hamal, P. Navara, A. Novotný, A. G. Masevitch, M. Abelle, J. Almar, V. Kielek, R. Stächer: Interkosmos Mobil Laser Ranging Observatory. Proceedings COSPAR Int. Science Symp. Athens, Řecko, 1973. K. Hamal, H. Jelínková, A. Novotný, I. Procházka, M. Čech: INTERKOSMOS Second Generation Satellite Laser Radar. The Fourth International Workshop on Laser Radar Instrumentation, Austin, USA, 1981. B. Kvasil, K. Hamal, H. Jelínková, A. Novotný, I. Procházka, M. Čech, V. Kubeček, A. Asaad, M. Fahim, A. G. Masevitch, S. K. Tatevian: Interkosmos Laser Radar, Version Mode Locked Train. Proceedings of Naučnaja konferencija Ispolzovanije lazernych nabljudenij v geodeziji a geodynamike. Suzdal, 1982.
[32] K. Hamal, H. Jelínková: Compact satellite ranging laser subsystem. IEEE Journal of Quantum Electronics, vol. QE‐14, No. 10, October 1978, s. 701. [33] K. Hamal, H. Jelínková: Pulse extraction mode technique. IEEE Journal of Quantum Electronics, vol. QE‐16, No. 10, October 1980, s. 1019. [34] H. Jelínková: Q‐spínaný laser při konstantním zisku, Jemná mechanika a optika, 1984/3, s. 59. [35] H. Jelínková: Mode‐locked train laser transmitter. Observations of Artificial Earth Satellites, Publication of Astronomical Institute of Czechoslovak Academy of Sciences, No. 53, 23, 1984, s. 57‐67. [36] H. Jelínková, K. Hamal, V. Kubeček, I. Procházka: New method of generation of ultrashort pulses for ranging. NASA Conference Publication 3214, Goddard Space Flight Center, 1993. [37] K. Hamal, H. Jelínková, A. Novotný, I. Procházka: Interkosmos laser radar mode locked train. Observations of Artificial Earth Satellites. Publication of Astronomical Institute of Czechoslovak Academy of Sciences, No. 53, 23, 1984, s. 23‐27. [38] K. Hamal, V. Kabelka, V. Kubeček: Direct measurements of the duration and shape of the picosecond pulses emitted by an optical parametric oscillator. Sov. J. Quantum Electron., 13(10), 1983, s. 1393. [39] V. Kubeček, K. Hamal, I. Procházka, P. Valach, R. Buzjalis, A. Dement’yev: Compression of the Nd:YAP Laser Pulse By Two‐Stage Stimulated Backward Scattering, Optics Communications, 73, 1989, s. 297. [40] J. Gaignebet, F. Baumount, J. L. Hatat, K. Hamal, H. Jelínková, I. Procházka: Two wavelengths ranging on ground target using second harmonic Nd:YAG and Raman 0,68 um pulses. Proceedings of the WLRI, J. Gaignebet Editor, Cerga & IFAG Special Study Group, 2.51, vol. 1, 1986, s. 35‐37. [41] Jingfu Hu, Fumin Yang, Zhongping Zhang, K. Hamal, I. Procházka, J. Blažej: A Raman Laser System for Multi‐wavelength Satellite Laser Ranging. Science, China Series G: Physics,Mechanics & Astonomy, 47, 2004, s. 737. [42] J. Marek, V. Kubeček, K. Hamal: Kontinuální Nd:YAG laser s přenosem světla optickým vláknem, Jemná mechanika a optika, 3, 1986, s. 73. [43] J. Marek: Pevnolátkový laser pro chirurgii. [Kandidátská disertační práce. Praha, FJFI ČVUT, 1990. [44] J. Pašta, H. Jelínková, K. Hamal, L. Cigánek: Nd:YAG Laser for Ophthalmology. Lasers Light. Ophthalmol., 2, 4, 1989, s. A‐29. [45] H. Jelínková, J. Pašta, M. Němec, J. Šulc, M. Miyagi, Y. Shi, Y. Matsuura, M. Jelínek: Different Influence of Long and Short Mid‐infrared Laser Pulses on Eye Tissue, Laser Physics, Laser methods in medicine and biology, vol. 13, No. 5, s. 735‐742, MAIK Nauka /Interperiodica, Russia, 2003. [46] H. Jelínková, K. Hamal, M. Čech, J. Pašta, T. Dostálová, D. Adámková: Pulsed solid state lasers in medicine. Laser Methods for Biomedical Applications, V.Pustovoy Editor, SPIE, vol. 2965, 1996, s. 140. [47] J. Kvasnička, F. Staněk, F. Boudík, V. Kubeček, I. Vítková, K. Hamal: Laser Angioplasty with Two Pulsed Nd:YAG Lasers Emitting Pulses of Different Durations. Experiments in Vitro with Bare and Modified Fibre Tips. Lasers in Medical Science, July 1988, s. 306. [48] T. Dostálová, H. Jelínková, D. Houšová, J. Šulc, M. Němec, H. Dušková, M. Miyagi, M. Krátký: Endodontic Treatment with Application of Er:YAG Laser Waveguide Radiation Disinfection. Journal of Clinical Laser Medicine & Surgery, 2002, vol. 20, no. 3, June 2002, s. 135‐139. [49] H. Jelínková, M. Němec, J. Šulc, D. Dvořáček, V. Kubeček, M. Vrbová, P. Černý, J. Kvasnička, M. Kokta, M. Miyagi: Mid‐infrared lasers for transmyocardial laser revascularization, In: Conference on Clinical Lasers and Diagnostics, SPIE BiOS Europe, 2000. [50] J. Pánek, P. Hříbek, V. Kubeček, H. Jelínková, M. Zavoral: Cr:Tm:Ho:YAG (2.1 μm) and Nd:YAG (1.444 μm) pulsed‐laser lithotripsy of bile duct stones, Czechoslovak Journal of Physics, vol. 50, No. 9, s. 1027‐1041, 2000. [51] H. Jelínková, P. Koranda, M. Němec, O. Kohler, J. Pokorný, M. Miyagi, K. Iwai: Application of Mid‐Infrared Laser Rdiation for Lithotripsy. Laser Phys., vol. 20, No. 3, 2010, s. 618‐621.
[52] A. Del Corno, G. Gabetta, V. Kubeček, J. Marek, G. C. Reali: Active‐passive mode‐locked Nd:YAG with passive negative feedback, Opt. Lett., 15, 1990, s. 734. [53] K. A. Stankov, V. Kubeček , K. Hamal: Mode‐locking of a Nd:YAP laser at 1.08 and 1.34 μm wavelengths using a single LiI03 crystal, IEEE J. Quantum Electron. QE‐27, 1991, s. 2135. [54] A. Agnesi, G. C. Reali, V. Kubeček, S. Kumazaki, Y. Takagi, K. Yoshihara: Beta‐barium borate and lithium triborate picossecond parametric oscillators pumped by a frequency tripled passive negative feedback mode‐locked Nd:YAG laser. J. Opt. Soc. Am. B., vol. 10, No. 11, 1993, s. 2211‐2216. [55] V. Kubeček, V. Couderc, A. Barthelemy, F. Loradour: Laser diode pumped Nd:YAG laser operating at an eye‐safe wavelength of 1.443 μm. Electronics Letters, 30, 1994, s. 2139 – 2140. [56] A. Agnesi, C. Pennachio, G. C. Reali, V. Kubeček: High‐power diode‐pumped picosecond Nd:YVO4 laser, Opt. Lett., 22, 1997, s. 1645. [57] A. Agnesi, G.C. Reali, V. Kubeček: Nonlinear mirror operation of a diode ‐pumped quasi‐cw picosecond Nd:YAG laser, Applied Physics, B66, 1998, s. 283‐285. [58] J. Blažej, K. Hamal: Photon Number Resolving in Picosecond Laser Pulses. In Semiconductor Photodetectors II. Bellingham, WA, USA, SPIE 5726, 2005, s. 109‐112. [59] J. Šulc, H. Jelínková, W. Ryba‐Romanowski, T. Lukasiewicz: 1.6 m microchip laser. Laser Phys. Lett., vol. 6, No. 3 , WILEY‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2009, s. 207‐211. [60] M. Fibrich, H. Jelínková, J. Šulc, K. Nejezchleb, V. Škoda: Pr:YAlO3 microchip laser. Optics Letters, vol. 35, No. 15, 2010, s. 2556‐2557. [61] H. Jelínková, M. Němec, J. Šulc, K. Nejezchleb, V. Škoda: 1.6 μm Er:YAP and Er:YAG Lasers Resonantly Pumped by Er:Glass Laser. Laser Phys., vol. 19, No. 8, 2009, s. 1828–1831. [62] M. E. Doroshenko, P. Koranda, H. Jelínková, J. Šulc, M. Němec, T. T. Basiev, V. K. Komar, A. S. Gerasimenko, V. M. Puzikov: Cr:ZnSe prism for broadly tunable mid‐infrared laser radiation generation. Laser Phys. Lett., vol. 4, No. 7, WILEY‐VCH Verlag GmbH & Co. KgaA, 2007, s. 503‐ 506. [63] M. E. Doroshenko, T. T. Basiev, V. V. Osiko, V. V. Badikov, D. V. Badikov, H. Jelínková, P. Koranda, J. Šulc: Oscillation properties of dysprosium‐doped lead thiogallate crystal. Optics Letters, Vol. 34, No. 5, 2009, s. 590‐592. [64] H. Jelínková, P. Koranda, M. E. Doroshenko, J. Šulc, M. Jelínek, M. Čech, T. T. Basiev, V. V. Badikov, D. V. Badikov: Room‐temperature lasing, gain‐switched bulk, tunable Fe:ZnSe laser, Solid State Lasers and Amplifiers, T. Graf, J. I. Mackenzie, H. Jelínková (Eds.). Proceedings of SPIE, vol. 7721, 2010, s. 77210R‐6. Seznam obrázků a tabulek Obr. 1. Originální kulová čerpací dutina rubínového laseru FTJF, zdroj vysokého napětí (1966) a oscilografický záznam časového rozvoje laserových impulsů (délka impulsu na polovině maximální amplitudy ~ 1 ms) Obr. 2. Rubínový laser FTJF na MSV Brno 1967 Obr. 3. První CO2 laser na KFE FJFI Obr. 4. Rubínový laser pro monitorování atmosféry pomocí spontálního Ramanova rozptylu Obr. 5. Komplet kontinuálního Nd:YAG laseru FJFI pro aplikace Obr. 6. Anemolaser FJFI
Obr. 7. Koutový odražeč Obr. 8. Schéma laserového družicového radaru Obr. 9. SBG kamera a laserový vysílač na observatoři VÚGTK – Pecný (vlevo), detail laserového vysílače ‐ rubínový oscilátor, zesilovač a teleskop (vpravo nahoře), prověření výkonu laserového vysílače pomocí generace jiskry (vpravo dole) ‐ Laserový družicový radar AÚ ČSAV Ondřejov (zleva K. Hamal, P. Navara, T. Daříček) (c) Obr. 10. Mapa stanic pro laserové měření vzdáleností družic, na které KFE dodávala laserové vysílače, detektory, pikosekundový měřič intervalů nebo se podílela na tvorbě jejich kalibračních procedur. Zeleně jsou označeny stanice v rámci sítě Interkosmos, červeně stanice sítě ILRS. Kombinovaně jsou označeny stanice, které přešly po skončení programu Interkosmos pod síť ILRS Obr. 11. Fotografie vysílaného laserového paprsku při měření vzdálenosti družic na observatoři Helwan v Egyptě (a) a laserového vysílače 3. generace na téže stanici (b). Vlnová délka generovaného záření = 530 nm, energie 30 mJ, délka impulsu 17 ps Obr. 12. Fotografie laserového svazku za disperzním hranolem po stimulovaném Ramanově rozptylu v metanu. Různě rozbíhavé, ale časově synchronní a dostatečně energetické impulsy o vlnových délkách (zleva) 406, 461, 532 a 630 nm Tab. 1. Přehled laserových vysílačů FJFI pro měření vzdálenosti k umělým družicím Země Tab. 2. Přehled laserových systémů pro medicínu Tab. 3. Přehled laserů pracujících v laboratoři pevnolátkových laserů KFE FJFI
