Laserové vypalování a gravírování
Laser je vynálezem dvacátého století
Za čtyřicet let své existence se stal nedílnou součástí našeho života. Setkáváme se s ním v mnoha oborech lidské činnosti. Předměty opracované laserem potkáváme na každém kroku a ani si někdy neuvědomujeme, že právě předmět, který držíme v ruce, má něco společného s laserem.
Slovo laser [lejzr] pochází z angličtiny. Je složené z počátečních písmen anglického názvu popisující jeho funkci : Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, což by se dalo přeložit jako zesílení světla pomocí vynucené (stimulované) emise záření. České pojmenování laseru je kvantový generátor světla, což se moc neujalo a používá se kratší název laser.. Z názvu vyplývá, že laser vydává světlo. Čím se ale liší světlo laseru od běžného světla? Laserové světlo je jednobarevné, uspořádané, a má malou rozbíhavost.
Historie a princip laseru
Cesta, která vedla k sestrojení prvního přístroje, začala už před staletími. O světelný paprsek se zajímali už staří Řekové, ovšem znalosti o podstatě světla se až do 17. století nijak podstatně nezměnily. Teprve v 17.století se podařilo Isaacu Newtonovi rozložit bílé světlo skleněným hranolem na spektrum barev a ukázal, že se bílé světlo skládá z mnoha barev. Newton si tehdy představoval, že světlo má částicový charakter. Se svou teorií dokázal vysvětlit všechny tehdy známé vlastnosti světla, jako je odraz, lom a další. Jeho součastník Christian Huyghes však podstatu světla viděl ve vlnění, které se šíří prostorem stejnou rychlostí všemi směry z každého bodu na povrchu svítícího tělesa. Měl také pravdu. Spor rozhodl až v 19. století svými pokusy s ohybem a interferencí světla Thomas Young. Interference je záležitost čistě vlnová, je to vlastně vzájemné působení dvou stejných světelných vln (se stejnou frekvencí a amplitudou) v daném okamžiku a místě. Vlnové rozruchy se vzájemně sčítají. Setkají-li se ve fázi, je výsledkem zesílení, v proti fázi zase zeslabení. Co se vlastně vlní ? Na tuto otázku odpověděl na přelomu padesátých a šedesátých let 19. století svými výpočty James Clerk Maxwell. Svou teorií překlenul propast mezi optickými a elektromagnetickými jevy. Z jeho teorie vyplynulo, že světlo není nic jiného než vlnění elektromagnetického pole.
Se senzační hypotézou přišel v roce 1900 Max Planck. Prohlásil, že záření, světlo, je tvořeno malými částečkami energie – „kvanty“. Energie každého kvanta je úměrná kmitočtu záření. Tak byli položeny základy kvantové fyziky. Podle ní má světlo dvojaký charakter vlnový a korpuskulární (částicový). Planckova kvanta energie byla později nazvána fotony. Fotony letí prostorem a při srážce s jinou částicí se chovají jako částice. Mezi sebou se však fotony interferují jako vlny. Planckova hypotéza však nevysvětlovala principy vyzařování a pohlcování záření atomy. To se povedlo v letech 1912 – 1913 dánskému fyzikovi Nielsnu Bohrovi. Ten vypracoval planetární model vodíku, podle něhož obíhají elektrony kolem jádra po vymezených drahách podobně jako planety kolem slunce. Přeskočí-li elektron z jedné dráhy na druhou, může atom získat nebo ztratit energii v podobě elektromagnetického záření. Energie atomu se změní právě o vyzářené nebo pohlcené kvantum.
Historie laseru začíná v roce 1917, kdy Albert Einstein ukázal, že kromě jevů jako jsou spontánní emise a absorpce, musí existovat ještě stimulovaná emise. Následující krok směrem k vynálezu laseru udělal ruský fyzik V.A. Fabrikant, který v roce 1939 poukázal na možnost použití stimulované emise k zesilovaní elektromagnetického záření procházejícího prostředím. Později v roce 1951, spolu s M.M.Vudynským a F.A.Butajevovou přihlásili patent na metodu zesilování elektromagnetického záření (ultrafialového, viditelného, infračerveného a pásma radiových vln) tím způsobem, že záření prochází prostředím, ve kterém je vytvořen nerovnovážný stav. Stav takového charakteru, že je preferováno obsazení horních energetických stavů atomů. popř. jiných elementů prostředí.
Poprvé byla tato idea realizována pro zesilování záření v mikrovlnné oblasti. V roce 1952 moskevští fyzikové N.G.Basov a A.M.Prochorov na konferenci o radiospektroskopii referovali o molekulárním svazkovém generátoru – MASERu pracujícím se svazkem molekulárního čpavku. Prakticky současně byla vyjádřena myšlenka použití stimulované emise k zesílení a generaci milimetrových vln americkým fyzikem Ch.H.Towenesem. V roce 1954 byl sestrojen první molekulární generátor. Realizace maseru dala vznik novému vědnímu oboru – kvantové elektronice. Basov, Prochorov a Townews dostali společně za vynález maseru Nobelovu cenu v roce 1964.
Mezi realizací prvního maseru a prvního laseru uplynulo šest let. V roce 1955 Basov a Prochrov navrhli optické buzení a prostředek pro dosažení populační inverze. V roce 1957 pak Basov uvažoval o využití polovodičových materiálů pro kvantové oscilátory a realizoval optický rezonátor leštěnými planparalelními stěnami na polovodičovém čipu. V témže roce Fabrikant a Butajevová pozorovali zesílení optického záření v experimentu s elektrickým výbojem procházejícím směsí par rtuti, vodíku a helia. V roce 1958 Prochorov, Schawlow a Townes vyslovili nezávisle na sobě ideu, že jev stimulované emise, užitý v maseru, může být použit i v infračervené a optické oblasti spektra. R.H.Dicke (Princeton University) navrhl použití otevřeného rezonátoru pro realizaci kladné zpětné vazby v optické oblasti. V roce 1960 Theodore Maiman publikoval článek o generaci záření ve viditelné oblasti světla v rubínové tyči. Bal vynalezen rubínový laser. V témže roce (1960) A.Javan, W.R.Bennett a D.R.Herriott demonstrovali laserová akci ve směsi plynů helia a neonu. V roce 1960 se podařilo zkonstruovat první vodíkový maser. Od roku 1961 začal bouřlivý vývoj různých typů laserů zároveň s vývojem laserové technologie. První polovodičový laser byl sestrojen v roce 1962. V České republice se maser objevil v roce 1962 a laser o rok později.
Využití laseru
Laser se za dobu čtyřiceti let od svého vzniku uplatnil v celé řadě oborů. Jako přístroj se dnes využívá v medicíně, při různých technologických operacích ve výrobě, v astronomii, geodesii, metrologii, chemii, biologii, spektroskopii, v energetice, ve výpočetní technice, v technice spojů, ve vojenské technice, v automatizaci a dálkovém řízení.
Galerie
