Lasery – historie Stručná historie laserů 1897 – Vývoj Fabry-Perotova interefrometru, který se užívá jako optický rezonátor ve většině laserů. 1916 – Albert Einstein na základě termodynamických a statistických úvah předpovídá možnost stimulované emise. 1950 - A. Kastler objevil možnost optického čerpání (vyvolání excitovaných stavů atomů optickou cestou). 1956 – Townes a Schawlow uvedli do provozu první maser – kvantový zesilovač pracující v parách čpavku a s využitím stimulované emise zesilující záření v oboru mikrovln. Jako rezonátor používá uzavřenou vodivou dutinu. Maser má vynikající frekvenční stabilitu, slouží jako časový normál, ale jiné použití v praxi nenašel.
Lasery – historie 1958 - Townes a Schawlow dokazují možnost rozšířit frekvenční pásmo maseru do oblasti světla, ale s otevřeným (FabryPerotovým) rezonátorem. 16.5.1960 – T. Mainman poprvé získává emisi laserového světla a to z umělého rubínového krystalu (Al2O3 dopovaný chromem). podzim 1960 – Ali Javan konstruuje plynový He-Ne laser s kontinuálním provozem. 1962 - Výkonový CO2 laser s kontinuálním provozem, polovodičový laser A dále následuje exponenciální nárůst nejrůznějších druhů laserů trvající do dneška – nejnověji laserů v oblasti nanotechnologií (kvantové tečky). Frekvenční rozsah laserů dosahuje od vzdáleného IR až k tvrdému ultrafialovému záření.
Lasery – historie Dosahované výkony jsou od zlomků mW (kontinuální lasery) až do oblasti petawatů (1015 W - výkon v pulzech o trvání femtosekund). Je důležité připomenout, že až do roku 1960 probíhal vývoj laseru v oblasti základního výzkumu, cílem nebyl nový zdroj světla, ale spíše důkaz „že to jde“. Po spuštění laserů nebylo zpočátku vůbec zřejmé, k čemu může být laser užitečný. Až v rukou techniků a technologů se proměnil v nástroj, který zásadním způsobem ovlivnil a ovlivňuje nejen techniku, ale prakticky všechny vědní obory. Mimořádně rozšířil také komunikační možnosti a pomohl k vytvoření nových záznamových medií. Vynález laseru tak způsobil celosvětovou integraci technologické společnosti s ohromným dopadem i do oblasti ekonomicko-sociální.
Lasery – princip Tři hlavní části laserů - aktivní prostředí - pevná, kapalná látka nebo plyn, v nichž může docházet k inverzní populaci energetických stavů a tím k zesilování světla cestou stimulované emise . - optický rezonátor - Optickým rezonátorem se rozumí dutina obklopená odrazovými plochami, v níž je pasivní dielektrické prostředí. Odrazy záření v rezonátoru se využívají k dosažení inverzní populace. Nejjednodušším příkladem optického rezonátoru je soustava dvou rovnoběžných rovinných zrcadel. - zdroj energie – zdroj napájející výboj v plynových laserech, výbojka nebo LED pro napájení pevnolátkových laserů, zdroj proudu pro polovodičové lasery.
Lasery – princip Základní pojmy atomové a molekulové fyziky Laserové záření pochází buď z přechodů elektronů v elektronovém obalu atomu nebo ze změn energetického stavu molekul. Energie elektronů je kvantována, určují ji kvantová čísla n, l, m, s. Na obrázku je základní schéma energie elektronu v atomu vodíku, tj. v závislosti na hlavním kvantovém čísle n. Všimněte si, že energie je záporná - jde o vazební energii, s rostoucím n energie roste. V dalších úvahách půjde vždy jen o změny energetického stavu a pro jednoduchost volíme nejnižší energii jako nulovou hladinu energie, tj. energie excitovaných stavů jsou kladné.
Lasery – princip Význam kvantových čísel Kvantové název číslo
hodnoty
význam
n
hlavní
n = 1, 2, …
určuje energii a velikost orbitalu
l
vedlejší
l = 0, 1, 2, …, n – 1
určuje tvar orbitalu
m
magnetic ké
m = 0, ±1, …, ±l
určuje orientaci orbitalu v prostoru
s
spinové
s=±½
určuje moment hybnosti elektronu
Lasery – princip Kromě hlavního čísla určují energetické stavy elektronů i ostatní kvantová čísla – energetické hladiny jsou rozštěpeny do jemnějších struktur. Uvažujme soustavu atomů nebo molekul: Pouze při teplotách blížících se k nule mají elektrony energii základního stavu – říkáme, že je obsazena pouze nulová hladina. Při teplotách vyšších se v izolované soustavě elektrony budí do vyšších energetických stavů v důsledků tepelných kmitů mřížky v pevných látkách či nárazy molekul v plynném prostředí. Kvantitativně se obsazení hladin řídí Boltzmannovou statistikou. Jestliže porovnáváme okamžité počty elektronů Nm a Nn na hladinách s energií s energií Em a En , platí Nm e Nn
Em En kT
Lasery – princip Jestliže za vztažnou hladinu bereme základní stav, tj. Em = 0 , řídí se obsazení vyšších hladin vztahem
Nn e
En kT
.
Tento stav je ovšem dynamický, neustále dochází k sestupu elektronů na nižší energetické hladiny a současně jsou jiné elektrony excitovány do vyšších hladin. Tyto změny se řídí pravidly kvantové mechaniky, změny energie jsou kvantovány. Při změnách energetických stavů se mění kvantová čísla popisující stav elektronů. Kvantová mechanika ale stanovila pravidla, kterými se řídí změny kvantových čísel. Z nich vyplývá, že zatímco většina změn je dovolená, existují kombinace změn kvantových čísel, které jsou zakázány. Těmto výrokům ale musíme rozumět v řeči kvantové mechaniky: Pravděpodobnost dovolených změn se blíží jistotě, zakázané přechody mají pravděpodobnost podstatně nižší, tj. dojde k nim za podstatně delší čas.
Lasery – princip V soustavě která má energetické stavy takové, že všechny přechody mezi nimi jsou dovolené, se obsazení hladin řídí Boltzmannovou statistikou. V soustavě, v níž jsou některé přechody zakázané, je obsazení hladin odlišné. Na hladinách s dovolenými přechody setrvávají elektrony jen několik nanosekund (říkáme, že doba života na hladině je řádově 10-8 sekundy), zatímco doba života na hladinách se zakázaným přechodem je podstatně delší – od milisekund až po několik minut. Jestliže je např. přechod mezi ( Ej > Ek ) zakázaný, platí hladinami Ej a Ek
Nj Nk
e
E j Ek
.k T
Pak říkáme, že došlo k inverzní populaci stavů nebo ke stavu se zápornou termodynamickou teplotou. Tyto stavy se také nazývají metastabilní.
Lasery – princip Není-li soustava atomů nebo molekul izolovaná, mohou být excitované stavy elektronů vyvolávané nejen tepelnými účinky, ale i dalšími vlivy, např. světlem, dopadem nabitých částic, ultrazvukem, mechanickým namáháním nebo chemickými reakcemi. Jako příklad z praxe uveďme světlo zářivek. Zářivky jsou trubice naplněné plynem pod takovým tlakem, aby v něm bylo možné vyvolat doutnavý výboj. Vnitřní stěny zářivky jsou pokryty luminofory. Tento typ látek obsahuje molekuly s dovolenými i zakázanými přechody, jejichž energie jsou v intervalu 2 – 4 eV, což odpovídá viditelnému světlu. Je-li zářivka v provozu, hoří v ní doutnavý výboj, elektrony a ionty z ionizovaného plynu dopadají na luminofor, excitují jej a luminofor září světlem vyvolaným převážně dovolenými přechody elektronů. Vypneme-li zdroj výboje, zářivka téměř okamžitě zhasne (skončí dovolené přechody), ale ve tmě můžeme ještě několik minut pozorovat slabé světélkování luminoforu způsobené právě přeskoky elektronů ze zakázaných přechodů.
Lasery – princip
Již v roce 1912 prokázal A. Einstein, že přechod elektronů z metastabilních stavů lze vyvolat interakcí látky s fotony s energií odpovídající zakázanému přechodu. Na obr a) je schéma spontánní (samovolné) emise. Elektron excitovaný interakcí s fotonem z hladiny E1 na E2 – obr.b) – nesetrvá na vyšší metastabilní hladině po celou dobu života, ale je průchodem fotonu vhodné energie přinucen k seskoku na nižší hladinu. Došlo tak ke stimulované emisi. Oba fotony mají stejnou frekvenci, fázi, polarizaci i směr. Záření s těmito vlastnostmi se nazývá koherentní.
Lasery – princip Aktivní prostředí – jako základní součást laseru – je plyn, kapalina nebo pevná látka obsahující atomy nebo molekuly s metastabilními energetickými hladinami. Aktivní prostředí získává energii z vnějšího zdroje (světlo, chemická reakce, elektrický proud apod.). Jednoduchý dvouhladinový systém podle předchozího obrázku je nepoužitelný – emitované koherentní záření by se absorbovalo tím, že by excitovalo elektrony do vyšší hladiny a neudržovala by se nezbytná inverzní populace stavů. Lasery proto používají tříhladinové nebo čtyřhladinové systémy.
Lasery – princip Absorbovaná energie převádí elektrony na nejvyšší hladinu E3 , z níž nezářivým přechodem (srážkami) sestupují na metastabilní hladinu E2 . Laserovým přechodem (stimulovanou emisí) přechází na hladinu E1. Tříhladinový systém je méně účinný, protože část energie ze stimulované emise se spotřebuje na absorpci vyvolávající zpětný přechod na vyšší hladinu. Velká většina laserů proto pracuje se čtyřhladinovým aktivním prostředím. Po laserovém přechodu z metastabilní hladiny E2 na nestabilní hladinu E1 dochází k rychlému vyprázdnění této hladiny na hladinu E0 a tak se udržuje nezbytná vysoká úroveň degenerace mezi E2 a E1. Protože hladina E1 je prakticky prázdná, nemůže docházet k narušení degenerace absorpcí stimulovaného záření přechodem E1→E2.
Lasery – princip Požadavky na aktivní prostředí - opticky průzračné pro budící záření i pro generované laserové záření, - opticky homogenní, - chemicky stabilní v podmínkách provozu laserů, - tepelná odolnost a stabilita, - technologicky vyrobitelné, - přijatelná ekonomická náročnost.
Lasery – princip Plynové lasery Jako příklad uvedeme HeNe laser. Jeho aktivní prostředí je tvořeno směsí helia a neonu v poměru asi 1:10. Inverzní populace stavů je dosaženo u atomů neonu tímto způsobem: V doutnavém výboji se atomy He excitují srážkami s elektrony na hladiny 2S0 a 2S1 a energie těchto hladin se srážkami předává na téměř stejně vysoké metastabilní hladiny 2s a 3s atomů Ne. Stimulovaná emise vyvolává přechody na nestabilní hladiny 3p a 2p. Ty se rychle vyprazdňují spontánními přechody na 1s, ze které se energie předává stěnám trubice.
Lasery – princip Schéma HeNe laseru
Lasery – princip Pevnolátkové lasery U pevnolátkových iontových krystalů je základním materiálem matrice, která musí splňovat dříve uvedené požadavky na optické vlastnosti a dále musí být opracovatelná, leštitelná do vysoké optické kvality a mechanicky pevná. Těmto požadavkům vyhovují : krystaly, skla a keramika. Nejčastěji užívané materiály : Krystalické materiály : - oxidy – nejčastěji užívaný je safír Al2O3 s ionty chromu Cr+3 nebo Ti+3 - granáty – sloučeniny typu A3B5O12 nebo A3B2(BO4)3, kde A : yttrium nebo některý lanthanid B: Al, Ga, Fe, In, Cr nejznámější je yttritohlinitý granát Y3Al5O12 (YAG) používaný s aktivními ionty neodymu …. Nd: Y3Al5O12, dále ytrittogalitý granát YGAG nebo gadolinitogalitý granát (GdGaG).
Lasery – princip - alumináty : yttritoarthoaluminát YAlO3 ( YALO nebo YAP) - fluoridy, - tungstáty, molybdáty, vanadáty a beryláty. Skla Snadnější výroba, jednodušší opracování, lze vyrábět větší rozměry. Nevýhodou menší tepelná vodivost. Obvyklý aktivant : neodym Aktivátory požadavky : - co nejužší spektrální čára na laserovém přechodu, - vysoký kvantový výtěžek buzení (= vysoká účinnost čerpání), - silné absorpční pásy zesilující buzení.
Lasery – princip Tyto požadavky vymezují používané prvky na prvky s nezaplněnými vnitřními slupkami elektronového obalu, což jsou: - tranzitní (přechodové) kovy Fe a Cr, - prvky vzácných zemin (Sm, Nd, Er atd.), - aktinidy – uran. Nejčastěji se používají prvky vzácných zemin, protože jejich spektrum v monokrystalech je velice blízké spektru osamocených atomů – tj. poloha energetických hladin jen slabě závisí na typu krystalu. Mají intenzivní pásy absorpce a velice úzké spektrální čáry. Metody výroby krystalů pro pevnolátkové lasery Krystaly se vyrábí několika technologiemi tavením základní suroviny spolu s aktivátorem. Výroba je náročná na čistotu a dodržení technologických parametrů.
Lasery – princip Lasery na bázi YAG Nejčastěji se užívá jako dopant neodym : Nd: Y3Al5O12 Čistý krystal granátu splňuje výše uvedené požadavky na optické vlastnosti prostředí. Neodymové ionty v krystalu vytvářejí aktivní prostředí díky konfiguraci hladin podle schématu. Přechod z hladiny 4F na hladinu 4I je zakázaný a při vnějším buzení se na hladině 4F vytváří inverzní populace elektronů. K buzení se dříve používaly xenonové výbojky, dnes převažuje buzení světlem diodových polí, případně laserových diod napojených na krystal otpickými vlákny.
Lasery – princip Typická vlnová délka záření emitovaného z Nd:YAG laseru
je 1064,1 nm. S menší účinností však může emitovat i záření o vlnových délkách 940, 1120, 1320 a 1440 nm. V závislosti na časovém průběhu buzení může generovat záření jak v impulsním, tak i v kontinuálním režimu. Maximální výkon v kontinuálním režimu dosahuje několika stovek wattů (problémy s chlazením). V impulsním režimu se délka impulsu může v závislosti na druhu modulace jakosti rezonátoru pohybovat v rozmezí od mikrosekund až po jednotky pikosekund.
Nd:YAG má díky vysokému výkonu a vhodné vlnové délce
řadu uplatnění. Hojně je užíván v technologii, např. pro vrtání, svařování, žíhání, řezání a značkování. Dále své uplatnění nalezl i v medicíně, vědě, biologii a ve vojenských aplikacích.
Lasery – princip Přehled materiálů používaných pro pevnolátkové lasery
Lasery – princip Polovodičové lasery Aktivním prostředím polovodičových laserů je polovodičový materiál, ve kterém jsou aktivními částicemi nerovnovážné elektrony a díry, tj. volné nosiče náboje. Zářivý přechod neexistuje mezi diskrétními hladinami, ale mezi dovolenými energetickými pásy. Obsazení pásů se rovněž řídí Boltzmannovou statistikou a pro dosažení stimulované emise je třeba dosáhnout inverzní populace stavů. Toho se dosahuje injekcí nosičů náboje přechodem P-N. Vhodným polovodičovým materiálem bohužel není křemík, ale materiály typu GaP, GaAs, InP apod. V polovodičovém aktivním prostředí lze dosáhnout velkého optického zesílení a proto mohou být rozměry laserů mnohem menší než u ostatních typů – délka rezonátoru 0,05 až 1 mm.
