4. LASER
Princip činnosti laseru lze vysvětlit na základě pojmů kvantové fyziky. Planetární model atomu tvoří kladně nabité jádro (protony a neutrony), kolem kterého krouží po uzavřených drahách elektrony podléhající přitažlivým elektrostatickým silám. Každé dráze patří přesně určené množství energie, nazývané energetická hladina. Vzdálenější dráha elektronu má větší množství energie, protože na překonání přitažlivé síly protonů bylo zapotřebí vykonat větší práci.
Při běžných podmínkách se atom nachází ve stavu s nejmenší energií, tedy v základním stavu, ve kterém všechny elektrony mají nejbližší energetické hladiny patřící drahám s nejmenšími poloměry.
Kvantový charakter modelu atomu je v tom, že energie elektronu může dosahovat jen určité hodnoty, tedy elektron se může nacházet pouze na vymezených energetických hladinách. To znamená, že změny energie elektronu nemohou probíhat plynule, ale jen po skocích odpovídajících drahám, na kterých se elektron může nacházet.
Přechod elektronu ze základní energetické hladiny E0 na vyšší energetickou hladinu E doprovází absorpce a přechod z vyšší hladiny na základní emisi s přesně určenou hodnotou energie. Tato hodnota energie se rovná rozdílu energie mezi sousedními hladinami (kvantová energie) a ve své podstatě znamená elektromagnetické záření určité frekvence.
Atom, který pohltí zvenku kvantovou energii, tedy elektromagnetickou vlnu s frekvencí patřící této energii a následkem toho přejde do stavu s vyšší energií, se nazývá vybuzený atom. Vybuzený atom se může vrátit do základního stavu (na nejnižší energetickou hladinu) odevzdáním nadbytečné energie. Jedním ze způsobů odevzdání nadbytečné energie je spontánní emise ve formě elektromagnetického záření.
Podle kvantové teorie světla je velikost kvantové energie E úměrná rezonanční frekvenci záření f
E = h . f (4.1)
kde h je Planckova konstanta (6,62 . 10-34 J . s).
Obr. 4-1: Schéma vzniku záření (a - energetické hladiny, b - absorpce a emise, c - stimulovaná emise)
|
Jestliže označíme základní energetický stav E1 a vybuzený stav E2, potom z Bohrova zákona
E2 - E1 = h . f (4.2)
lze určit rezonanční frekvenci f emitovaného záření.
Z uvedeného vyplývá, že atom je možné přinutit k emisi elektromagnetického záření vybuzením jeho elektronů do stavu s vyšší energií než je základní stav. Dodání příslušné energie na dosažení vybuzeného stavu se nazývá čerpání.
Vzniklý stav je nestabilní a atom po určitém (relaxačním) čase přechází samovolně (spontánně) do základního energetického stavu a vyzařuje získanou energii ve formě kvanta elektromagnetického záření (fotonu).
Hustotu výkonu emitovaného záření Pfnm s danou frekvencí fnm určuje vztah
Pfnm = Nn (En - Em) . Anm (4.3)
kde Anm je pravděpodobnost spontánního přechodu z hladiny n na hladinu m za sekundu, Nn je počet elektronů vybuzených na hladinu n, přičemž index n označuje hladinu s vyšší energií než má hladina m.
Elektromagnetické pole vyvolávající nucenou (stimulovanou) emisi a dodání fotonu se stejnou frekvencí neztrácí energii, ale vybuzený elektron, vracející se na nižší energetickou hladinu, odevzdá energii h . f, a tím se energie zesílí.
Obr. 4-2: Schéma rezonance laserových paprsků
|
Charakteristickým znakem vynucené emise je shodnost frekvence, fáze a směru vynuceného záření se stimulujícím zářením. Jev stimulované emise tvoří základ činnosti laseru.
Aby paprsek vynuceného světla nabral energii z co možná největšího počtu vybuzených atomů, musí být co nejdéle v aktivním prostředí. Konstruovat tak dlouhé lasery je nevýhodné, proto stačí krátké aktivní prostředí obklopit zrcadly, které podporují mnohonásobnou rezonanci paprsku. Jestliže se ale zrcadla nastaví nesprávně, paprsky se rozptýlí.
A. Dělení a třídění laserů
V průběhu několika let se vytvořila celá škála laserů, lišících se typem aktivního materiálu, funkčním mechanizmem, výkonem stimulovaného záření, účinností, provozními podmínkami a také velkým počtem vlnových délek. Typickou vlastností těchto zdrojů je dokonalá koherence, monochromatičnost a nepatrná divergence vystupujícího světelného svazku.
a. Podle aktivního prostředí
Podle aktivního prostředí rozlišujeme tři základní typy laserů - plynové, pevnolátkové a polovodičové, známější jako laserové diody.
Plynové lasery
U plynových laserů vzniká paprsek v plynném prostředí, kterým je nejčastěji argon, helium nebo neon. Světelná emise vzniká po přivedení dostatečně vysokého napětí na elektrody, umístěné uvnitř trubice s plynem. Plynové lasery pro průmyslové využití mohou dosahovat i velmi vysokých výkonů, jejich nevýhodou je nutnost složitého chlazení i relativní nákladnost.
Nejvýkonnějšími z plynových laserů se staly laser s oxidem uhličitým (CO2 laser) a lasery chemické. Laser s oxidem uhličitým generuje infračervené záření. CO2 laser nachází uplatnění v technologii, ve vojenské a kosmické technice a ve vědeckém výzkumu. Chemické lasery využívají k čerpání energie do aktivního prostředí energie exotermických řetězových chemických reakcí.
Pevnolátkové lasery
Druhou skupinu laserů tvoří pevnolátkové lasery. Zde je aktivním prostředím pečlivě vypěstovaný homogenní krystal s příměsí cizorodé látky.
Nejrozšířenější jsou lasery s neodymovým sklem, kde jsou ionty neodymu rozptýleny ve skleněné matrici a lasery YAG s krystalem yttrio-hlinitého granátu dotovaného neodymem. Neodymové sklo může být vyráběno v prakticky neomezených rozměrech a dosahováno tak velkých laserových energií. Atomy neodymu pracují jako čtyřhladinový systém. Laser vyzařuje infračervený paprsek o velké energii. Pokud jde o YAG laser, vyznačuje se vysokou účinností, stačí jej osvětlit pouhou žárovkou a může vydávat spojité světlo o výkonu stovky wattů. V poslední době se osvědčují i takzvané YAP lasery s krystalem yttrio - hlinitého perovskitu.
Polovodičové lasery
Poslední a nejnovější skupinou laserů jsou polovodičové lasery, obecně známé jako laserové diody. Zde světelná emise vzniká v tenké přechodové vrstvě na hranici mezi polovodiči typu P a N. Atomy v přechodové vrstvě jsou schopny absorbovat energii z elektrického proudu procházejícího diodou a přecházet tak do vyšších energetických hladin. Při sestupu na své původní hladiny nadbytečnou energii vyzáří, obecně v podobě tepla a světla.
Obr. 4-3: Výkonnost laserů
|
b. Podle způsobu činnosti
Impulsní lasery
Impulsní lasery jsou zdrojem mohutných světelných záblesků, trvajících někdy jen stomiliontinu sekundy.
Kontinuální lasery (spojité)
Získání kontinuálního provozu laseru s tuhou fází s optickým vybuzením je velmi náročné. Způsobuje to nevyhnutelnost používat dostatečně silný kontinuální zdroj budícího světla a je třeba odvádět velké množství tepla, které v laseru vzniká.
U laserů rozeznáváme tři základní parametry. Tím prvním je vlnová délka (udávaná v nanometrech). Vlnová délka určuje, v jaké části spektra se bude laserový paprsek pohybovat. Jak víme, vlnová délka je navíc důležitá i pro velikost stopy laseru. Podle vlnové délky se také dělí lasery na termální (IR), u kterých je vlnová délka vyšší než 630 nm, lasery pracující ve viditelném světle (380 - 630 nm) a lasery pracující v UV oblasti (pod 380 nm). Dalšími dvěma parametry určujícími kvalitu laseru jsou pak výkon a v neposlední řadě životnost.
B. Lasery Nd:YAG a CO2
V průmyslové výrobě jsou v podstatě užívány především dva základní typy laseru ke zpracování materiálů - Nd:YAG laser a CO2 laser. Nd:YAG laser je pevnolátkový laser, přičemž médium tvoří krystal z yttrio-hlinitého granátu dotovaného neodymem (chemický symbol - Nd). CO2 laser je typem plynového laseru, ve kterém je aktivním médiem oxid uhličitý (CO2).
Nd:YAG lasery nabízí výstup o výkonu až 5 kW ke svařování, značení, vrtání, etc. Jednou z výhod radiace Nd:YAG laseru je potenciál přenosu laserového paprsku via optická vlákna, což mohou jednoduše zabezpečit roboti.
Obr. 4-4: Schéma CO2 laseru (1 - laserová trubice naplněná plynem, 2 - zdroj elektrické energie, 3 - tlumící odpor, 4 - tok plynu, 5 - laserový paprsek, 6 - zrcadlo, 7 - polopropustné zrcadlo, 8 - čočka, 9 - obrobek, 10 - výfukový plyn, 11 - plynový válec, 12 - odsávací čerpadlo, 13 - chladící voda)
|
CO2 lasery nabízí mnohem vyšší stupeň výkonu - do 50 kW. Systémy s výkonem přibližně do 4 kW jsou běžně užívány u řezání laserem s fokusačními čočkami. Protože čočky nevydrží vyšší výkony laserového paprsku, používají se na řezání, svařování a povrchové opracovávání vodou chlazená zrcadla.
U CO2 laseru je proces generování laserového paprsku založen na plynech CO2, dusíku a heliu. Tyto plyny musí být často a pravidelně obnovovány, musí splňovat velmi přísné požadavky na kvalitu vlastního CO2 plynu a také zásobovacího systému tohoto plynu.
Oba typy laseru generují světlo v infračerveném pásmu spektra, což znamená, že jejich laserové paprsky jsou lidskému oku neviditelné. Obsluha proto musí dbát na patřičná preventivní opatření a používat především bezpečnostní brýle, diváci a ostatní pracovníci musí být chráněni kryty stroje. Při výměně obrobků se laser pravidelně přepíná do režimu s nízkým výkonem a viditelným spektrem.
Kvantum jiných typů laserů dokáže produkovat širokou škálu vlnových délek, která pokrývá celé spektrum od infračervené přes viditelné světlo po ultrafialové pásmo. Všechny nabízejí jisté výhody pro různé aplikace.
| 