LASERY Lasery se staly jedním ze základních nástrojů moderních strojírenských technologií. Optimální využití laserových technologií předpokládá znalosti o jejich principech a o vlastnostech laserového záření.
Lasery – základy optiky Porozumění vlastnostem laserů a jejich záření předpokládá některé znalosti z optiky, molekulové fyziky a fyziky pevných látek. Úvodem se stručně seznámíme s potřebnými partiemi aplikované optiky : 1. Opakování základů optiky – geometrická a vlnová optika. 2. Vláknová optika 3. Interakce záření s látkou – absorpční spektra
Lasery – základy optiky Geometrická (paprsková) optika je založena na dvou principech : Huygensův princip říká, že od
zdroje vlnění se světlo šíří ve vlnoplochách. Každý bod, kam světlo dospěje, se stává elementárním zdrojem vlnění a obálka jednotlivých malých vlnoploch je výsledná vlnoplocha, šířící se od zdroje.
Fermatův princip určuje, že světlo se v prostoru šíří od jednoho bodu
k druhému tak, aby čas potřebný k proběhnutí dané dráhy nabýval extrémní hodnoty (prakticky – aby byl co nejkratší).
Z těchto principů mj. vyplývá zákon přímočarého šíření
světla v homogenním prostředí, zákon odrazu a Snellův zákon lomu.
Lasery – základy optiky Základním pojmem je index lomu. Je-li v rychlost světla v prostředí a c rychlost světla ve vakuu, má toto prostředí index lomu
c n v Zákon odrazu :Velikost úhlu odrazu ´ se rovná velikosti úhlu dopadu . Odražený paprsek leží v rovině dopadu. Zobrazování odrazem docílíme pomocí zrcadel. k p1
p2
v1 v2
Lasery – základy optiky Zákon lomu – lom světla může nastat když světelný paprsek prochází do jiného optického prostředí. Lomený paprsek směřuje z bodu dopadu druhým prostředím pod úhlem a leží v rovině dopadu. Úhel lomu se měří rovněž od kolmice dopadu. Mezi úhlem dopadu α úhlem lomu β platí vztah označovaný jako Snellův zákon lomu : k p1
sin v1 n2 sin v2 n1
p2
v1 v2
p3
Lasery – základy optiky Totální odraz Podle zákona lomu nastává při přechodu světla z prostředí opticky řidšího do opticky hustšího (platí v1 v2 ) lom světla ke kolmici a při přechodu z opticky hustšího prostředí do opticky řidšího prostředí nastává lom od kolmice. Je-li v tomto případě úhel dopadu větší než mezní úhel αm, dochází k úplnému (totálnímu) odrazu, kdy žádná část dopadajícího světla neproniká do druhého optického prostředí.
sin m
n2 n1
Lasery – základy optiky Vlnová optika Vlnová optika je obor optiky, který studuje vlastnosti světla na základě jeho vlnové podstaty jako elektromagnetického vlnění. Toto vlnění jsou periodické změny elektrického a magnetického pole, přičemž vektory B a E kmitají v navzájem kolmých rovinách.
Lasery – základy optiky
Lasery – základy optiky Elektromagnetické záření využívané ve strojírenských technologiích : - vzdálené infračervené záření …. 1010 – 1014 Hz … 1 mm – 1 μm
(far infra red , far IR) - blízké infračervené záření ……….. 1014 Hz
….. 1 μm – 780 nm
(near infra red, near IR) - viditelné světlo ……………………. 5. 1014 Hz …. 360 - 780 nm (visible radiation , VIS) - blízké ultrafialové záření ……. 5.1014 – 1015 Hz …. 100 – 360 nm (near ultraviolet, near UV) - vzdálené ultrafialové záření ……… 1015 – 1016 Hz .. 10 – 100 nm (far ultraviolet, far UV)
Lasery – základy optiky Blízké ultrafialové záření se pro některé účely dělí na intervaly : UVA o vlnových délkách 315 - 400 nm, UVB o vlnových délkách 280 - 315 nm, UVC o vlnových délkách 200 - 280 nm. Povšimněte si vysokých frekvencích kmitů elektrického pole ve všech uvedených rozsazích. Tyto frekvence významně ovlivňují absorpci či reflexi jednotlivých typů záření při dopadu na pevné látky. V řadě aplikací se významně uplatňuje interference světla. Rozumíme tím skládání (superpozici, překrývání) dvou nebo více světelných svazků. Výsledkem interference je svazek, jehož intenzita není prostým součtem intenzit interferujících svazků, ale jehož intenzita závisí na rozdílech fází interferujících svazků.
Lasery – základy optiky Aby mohlo k interferenci světla dojít, musí být splněny následující požadavky: 1. Zdroje světelných svazků musí být monochromatické nebo alespoň kvazimonochromatické, tj. musí vyzařovat světlo buď shodné vlnové délky nebo v úzkých vlnových rozsazích, které se navzájem překrývají. 2. Interferující svazky se musí překrývat tak, aby bylo umožněno vektorové sčítání elektrických a magnetických složek těchto světelných svazků (např. při rovnoběžném nebo téměř rovnoběžném šíření svazků). 3. Zdroje světelných svazků musí být koherentní, tj. musí vyzařovat světlo s konstantním fázovým rozdílem.
Lasery – základy optiky Krajní případy interference: výsledek závisí na dráhovém rozdílu interferujících vln
1) d 2k 1 ; k 0,1, 2, ... 2 dráhový rozdíl je lichým násobkem poloviny vlnové délky – vlnění se ruší
2) d 2 k
2
; k 0,1, 2, ...
dráhový rozdíl je sudým násobkem vlnění se zesilují
Lasery – základy optiky Polarizace světla U přirozeného světla (např. sluneční světlo, světlo výbojek nebo žárovek) pozorujeme, že směr kmitání vektorů elektrického a magnetického pole se náhodně mění a každý směr je stejně pravděpodobný – světlo není polarizované. Této stav se ale může změnit – např. odrazem, průchodem polarizačním filtrem, průchodem dvojlomným krystalem nebo lomem. Jestliže dosáhneme stavu, kdy se rovina kmitů zachovává, je světlo lineárně polarizované. Pokud se rovina kmitů otáčí okolo přímky ve směru šíření a velikost vektorů se nemění, je světlo kruhově polarizované. Dochází-li přitom k pravidelné změně velikostí vektorů, jde o světlo elipticky polarizované.
Lasery – základy optiky
Lasery – základy optiky Ve fotografii se běžně využívá polarizačních filtrů k potlačení nebo zvýraznění některých jevů.
Bez polarizačního filtru
S filtrem
Lasery – základy optiky Funkce displejů s tekutými krystaly Tekuté krystaly jsou látky, které působením elektrického pole stáčí polarizační rovinu procházejícího světla. Na schématu LCD displeje prochází z podsvětlení displeje přirozené světlo 1. polarizérem a polarizované prochází tekutým krystalem mezi vodivými transparentními elektrodami. Pokud je na elektrodách napětí, polarizační rovina se otočí o 90°, světlo projde 2. polarizérem a je pozorovatelné na displeji. Elektrody bez napětí nepůsobí otočení polarizační roviny a světlo 2. polarizérem neprojde.
Lasery – základy optiky Brewsterův úhel V optice laserů má významnou roli polarizace odrazem při určitém úhlu dopadu, který se nazývá Brewsterův. Podle obrázku je odražený paprsek úplně polarizován tak, že elektrický vektor kmitá kolmo k rovině nákresu, lomený je polarizován jen částečně.
Lasery – základy optiky Správná funkce plynového laseru vyžaduje vyloučení odrazu polarizovaného světla a proto je trubice uzavřena planparalelními okénky skloněnými pod Brewsterovým úhlem.
Lasery – vláknová optika Vláknová optika Vynález optických vláken v dnešní podobě byl zveřejněn v roce 1966, ale jeho širší použití bylo možné až vyvinutím technologie výroby vláken s nízkým útlumem. Od té doby vlákna fascinujícím způsobem změnila nejen komunikační techniku, ale výrazně ovlivnila i vývoj laserů a jejich aplikace. Optická vlákna využívají jev totální reflexe na optických rozhraních v případě, kdy paprsek dopadá v prostředí opticky hustším na rozhraní s prostředím opticky řidším.
Lasery – vláknová optika Optická vlákna jsou koaxiální optické systémy sestávající z jádra, obalu a ochranné vrstvy. Index lomu jádra je asi o 1 % vyšší než index lomu obalu. Světelný paprsek vstupuje do jádra a v důsledku totálních odrazů se šíří jádrem. Pro přenos energie bez ohledu na zkreslení (např. lasery) se používají vlákna se stupňovitě proměnným indexem lomu a „velkým“ průměrem jádra. Vlákna pro přenos signálu na kratší vzdálenosti mají plynule proměnný index lomu a tzv. jednomódová vlákna se stupňovitou změnou indexu lomu se používají pro komunikace na dlouhé vzdálenosti.
Lasery – vláknová optika Vláknová optika : Paprsky, které dopadají na rozhraní pláště a jádra pod úhlem menším než je mezní úhel, se totálně odrážejí a jsou jádrem vedeny, aniž by na rozhraní docházelo k jejich lomu. Paprsky svírající s osou vlákna větší úhly než mezní se na rozhraní lámou. Část přenášeného výkonu se po každém odrazu ztrácí do obalu. Tyto paprsky nejsou jádrem vedeny. Je-li poloměr jádra dostatečně malý, může se jím šířit pouze jediný mód a hovoříme o jednovidovém vlákně. Vlákna s větším poloměrem jsou mnohovidová.
Lasery – vláknová optika Vlákna vedou paprsky, které svírají s osou úhel a splňující
podmínku
2
a arcsin NA
kde NA n1 n2 je numerická apertura vlákna. Tím je určen kužel, ve kterém leží vnější dopadající paprsky, jež budou vláknem vedeny. Numerická apertura tedy vyjadřuje schopnost vlákna přijímat a vést světlo. Vlákno s větší aperturou má větší schopnost přijímat světlo. Hodnota příjmového úhlu (numerická apertura) je rozhodujícím parametrem při návrhu systémů pro vstupní navázání záření. 2
Lasery – vláknová optika Výroba optických vláken Materiálem jádra je germaniové sklo (SiO2+GeO2) a obalem SiO2, ochranný obal je vyráběn z polymerů. Vlákna se vyrábějí tažením. Na kvalitu i čistotu materiálů i na technologii jsou kladeny mimořádné požadavky. Přesto je cena vláken ve srovnání s kovovými vodiči řádově nižší. Dnes se dosahuje útlum optického signálu řádově 0,1 dB/km.
Lasery – vláknová optika Proč vlákna způsobila revoluci v komunikační technice? Přenos elektromagnetických vln vzduchem – frekvence max. 10 GHz, přenos kabelem frekvence řádově nižší. Telefonní hovor vyžaduje asi 20 kHz, rozhlas 100 MHz, televize 1 GHz. Světlo má frekvenci řádově 1014 Hz = 100 000 GHz. Maximální počet současně vedených telefonních hovorů kovovým kabelem byl asi 30 (podmořský kabel Evropa –Amerika koncem 50. let), prvním podmořským optickým kabelem (1978) šlo současně 40 000 hovorů, v současnosti lze několik miliónů. Vlákno může teoreticky převést 100 Gbitů.s-1, v praxi asi 40 Gbitů.s-1. Novou etapu ve vývoji znamenalo zavedení vláknových optických zesilovačů na principu laseru – sklo je dopováno erbiem. Tento princip byl převzat do konstrukce výkonových vláknových laserů.
Lasery – vláknová optika Využití optických vláken k měření - teploty: Využívá se změny optických vlastností, deformace nebo změn délky vlákna (Braggova mřížka) v důsledku teplotní roztažnosti - tlaku : deformace vlákna vyvolává změny optických vlastností - mechanické napětí : deformace vlákna - chemické senzory : část vlákna má odhalené jádro, změna indexu lomu prostředí - vlákno se využívá pro přenos optického signálu: IR záření – teplota), fosforescence – chemické složení, biologické procesy
Lasery – vláknová optika Využití optických vláken ve strojírenské technologii Optická vlákna se uplatňují jako vodiče laserových světelných svazků k místu svařování nebo dělení materiálu. Je přitom třeba rozlišovat dva odlišné principy : - laserový svazek je vyvíjen v laseru (obvykle pevnolátkový laser, např. YAG), který není součástí vlákna, ale je na vlákno opticky navázán a konec vlákna se pohybuje v místě technologického procesu (fiber guided beam = vláknem vedený svazek), - přímo v části vlákna je vytvořen optický rezonátor tzv. Braggovou mřížkou a v tomto rezonátoru je vytvořeno aktivní prostředí vhodnou příměsí ve skle vlákna (fiber laser = vláknový laser). Blíže se tímto tématem budeme zabývat v příští přednášce.
