Upozornění pro čtenáře a uživatele této knihy
Všechna práva vyhrazena. Žádná část této tištěné či elektronické knihy nesmí být reprodukována ani šířena v papírové, elektronické či jiné podobě bez předchozího písemného souhlasu nakladatele. Neoprávněné užití této knihy bude trestně stíháno.
Automatizovaná analýza textů nebo dat ve smyslu čl. 4 směrnice 2019/790/EU a použití této knihy k trénování AI jsou bez souhlasu nositele práv zakázány.

Petr Hauschwitz a kolektiv

Bc. Adam Čala
Ing. Adam Čermák, Ph.D.
Ing. Petr Hauschwitz, Ph.D., MBA
Ing. Vojtěch Jelen
Ing. Jan Kaufman, Ph.D.
Ing. Jiří Krutina
doc. RNDr. Libor Mrňa, Ph.D.
doc. Ing. Stanislav Němeček, PhD., IWE
RNDr. Jan Pala, Ph.D.
doc. Ing. Pavel Pořízka, Ph.D.
Ing. Tomáš Primus, Ph.D.
Jan Řeřucha
Mgr. Helena Vohníková

Praktický průvodce laserovou technologií
Příručka Lasermana

Vydala Grada Publishing, a. s.
U Průhonu 22, Praha 7
obchod@grada.cz, www.grada.cz
tel.: +420 234 264 401
jako svou 9802. publikaci

Odpovědný redaktor Petr Somogyi
Grafická úprava a sazba Jaroslav Kolman
Počet stran 320
První vydání, Praha 2024
Vytiskly Tiskárny Havlíčkův Brod, a. s.

© Grada Publishing, a. s., 2024
Cover Photo © Depositphotos/cookelma, Pixel_B, jukai5

ISBN 978–80–271–7645–8 (ePub)
ISBN 978–80–271–7644–1 (pdf)
ISBN 978–80–271–5410–4 (print)

Úvodní slovo

Vážení čtenáři,

vítejte u knihy, kterou jsme nazvali Příručka Lasermana a která se má stát vaším společníkem na cestě k pochopení světa laserů. Naším záměrem bylo, aby tato kniha sloužila jako praktický průvodce laserovými technologiemi. Je navržena tak, aby byla přístupná začátečníkům, inspirativní pro studenty a neocenitelná pro profesionály, kteří chtějí prohloubit své porozumění základním i pokročilým principům laserové technologie.

Za publikací stojí tým odborníků z akademického světa i ze světa průmyslu, kteří spojili své síly, aby vám přinesli bohatý soubor znalostí, zkušeností a praktických rad. Díky jejich expertíze nabízí Příručka Lasermana jak pevný teoretický základ, tak praktické návody aplikovatelné přímo ve vašem povolání nebo při studiu.

Vědomě jsme se vyhnuli přílišné teorii a zaměřili se na praktické vysvětlení principů a aplikací laserové technologie. Nenajdete zde tedy složité rovnice ani detailní rozbory z kvantové fyziky. Naším cílem je, abyste po přečtení knihy měli jasnou představu o tom, jak laserové technologie fungují v praxi a jak je můžete efektivně využívat.

Příručka Lasermana vás povede od základů až po konkrétní aplikace přes všechny klíčové aspekty laserové technologie, poskytne vám potřebné znalosti a otevře dveře k dalšímu prohloubení vašich odborných kompetencí.

Pokračujte tedy ve čtení a nechte se vtáhnout do fascinujícího světa laserů. Jsme přesvědčeni, že tato kniha se pro vás stane cenným zdrojem informací a inspirací na cestě za pochopením a aplikací laserové technologie ve vašem profesním životě.

Vítejte v našem světě laserů – světě plném světla a inovací!

Poděkování

Rád bych na tomto místě vyjádřil hlubokou vděčnost všem spoluautorům, kteří k vytvoření této knihy přispěli svými cennými teoretickými poznatky a zejména praktickými zkušenostmi. Vaše odbornost a nasazení umožnily, aby se Příručka Lasermana stala komplexním zdrojem informací pro každého, kdo se chce dozvědět o světě laserové technologie něco více.

Speciální poděkování patří prof. Heleně Jelínkové a dr. Janu Šulcovi z Fakulty jaderné a fyzikálně inženýrské Českého vysokého učení technického, kteří si uprostřed svých náročných akademických povinností našli čas na to, abychom společně posunuli kapitolu o základech laserové technologie na ještě vyšší úroveň. Vaše odborné rady a připomínky byly neocenitelné a výrazně přispěly k obohacení obsahu této knihy.

Velký dík patří rovněž Centru HiLASE, jeho vedení a zaměstnancům, kteří mi umožnili se věnovat oblasti laserové technologie a jejích aplikací do průmyslu.

Zvláštní poděkování patří Majce Thunové, která mi pomohla s přípravou knihy k vydání. Její podpora a angažovanost byly pro úspěšné dokončení tohoto projektu klíčové.

Dále bych chtěl poděkovat všem ostatním, kteří se na tvorbě knihy podíleli, ať už přímým příspěvkem, konzultacemi, nebo podporou v průběhu celého procesu. Vaše práce a odhodlání jsou důkazem toho, že spolupráce a sdílení znalostí mohou vést k výjimečným výsledkům.

Příručka Lasermana by bez naší společné práce a vašeho přínosu nikdy nevznikla. Děkuji vám za vaši neúnavnou podporu a za to, že jste se rozhodli být součástí tohoto projektu.

S hlubokým uznáním,

Petr Hauschwitz

Část I
Základy laserové
technologie

1Co je to laser

Ing. Petr Hauschwitz, Ph.D., MBA
Centrum HiLASE, Fyzikální ústav AVČR

Zkratka LASER znamená Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, což lze do češtiny přeložit jako „zesilování světla stimulovanou emisí záření“. Ale tato definice nám neříká celý příběh. Laser není pouze zesilovač, ale také generátor. Pokud se tedy pokusíme o výstižnější definici, můžeme laser charakterizovat jako kvantový generátor koherentního záření, který je založený na jevu stimulované emise záření.

Pokud bychom chtěli být ještě preciznější, můžeme tento koncept rozšířit a říci, že laser je kvantový generátor koherentního záření založený na jevu stimulované emise záření, který se vyznačuje následujícími vlastnostmi:

1.Vysokou hustotou generovaného výkonu nebo energie.

2.Nízkou divergencí svazku: všechny fotony se pohybují stejným směrem.¹

3.Kontrolovaným spektrálním rozsahem generovaného záření: fotony jsou generovány v určitém kontrolovaném rozsahu frekvenci.²

4.Koherencí: fotony jsou ve fázi jak časově, tak prostorově.³

Řečeno tedy jinými slovy, laser je přístroj konstruovaný na principech kvantové mechaniky, který využívá stimulované emise pro generování záření s unikátními vlastnostmi.

V tomto kontextu se setkáme s řadou klíčových pojmů, jako jsou koherence, stimulovaná emise záření, monochromatičnost, divergence a hustota výkonu. Všechny uvedené pojmy budeme na stránkách této knihy postupně vysvětlovat.

K základním prvkům laseru patří:

1.Aktivní prostředí: Systém kvantových soustav schopných pod vlivem budicí energie přejít do excitovaného stavu a setrvat v něm dostatečně dlouhou dobu, aby mohlo dojít ke stimulované emisi.

2.Buzení: Zajišťuje přísun energie do aktivního prostředí, což vede k vzniku inverze populace hladin v aktivním prostředí. Jinými slovy: buzení zajišťuje, aby pravděpodobnost stimulované emise byla vyšší než absorpce.

3.Laserový rezonátor: Zajišťuje kladnou zpětnou vazbu mezi zářením a aktivním prostředím, což vede ke vzniku laserových oscilací. Rezonátor je obvykle tvořen soustavou minimálně dvou zrcadel – jedno z nich je vysoce odrazné a druhé částečně propustné.

4.Chlazení: Nezbytná součást pro odvod přebytečného tepla a zajištění stabilních podmínek pro inverzi populace.

Obr. 1.1: Schematické znázornění základních prvků laseru

1.1Stručná historie laseru v českých zemích

Laserová technologie má své kořeny v teoretických pracích Alberta Einsteina, který v roce 1917 představil koncept stimulované emise záření. Až o několik desetiletí později, v roce 1960, sestrojil Theodor Maiman úspěšně první rubínový laser, který představoval průlom v oblasti laserových technologií. O tři roky později, v roce 1963, se Česká republika – tehdy Československo – stala třetí zemí na světě (po USA a SSSR), které se podařilo sestrojit vlastní laserový systém. V průběhu roku 1963 bylo v Československu zprovozněno několik různých laserových systémů:

■Karel Pátek (únor 1963): laser s neodymovým sklem (Nd:Sklo).

■Jan Blabla a Alena Jelínková (únor 1963): první československý rubínový laser.

■J. Pachman (březen 1963): rubínový laser.

■Tomislav Šimeček (říjen 1963): první československý polovodičový laser.

■František Petrů (1963): první československý plynový laser (He-Ne).

Díky těmto počátečním úspěchům se tehdejší Československo stalo důležitým hráčem v oblasti laserových technologií.

Jakmile byly položeny základy laserové technologie, začaly československé výzkumné týmy a lékaři zkoumat možnosti jejího využití v medicíně:

■Oftalmologie (1963): Dr. Otakar Procházka z Fakultní nemocnice Motol v Praze poprvé použil rubínový laser na sítnici oka. Cílem bylo léčit retinální defekty, jako je například diabetická retinopatie. Tato technika se stala základem moderní laserové terapie sítnice.

■Dermatologie (1964): Dr. Karel Pátek z Fyzikálního ústavu Československé akademie věd experimentoval s použitím Nd:sklo laseru pro léčbu kůže, například pro odstranění bradavic a jiných kožních lézí.

■Chirurgie (1965): Dr. Jan Blabla z Ústavu přístrojové techniky Československé akademie věd provedl první laserovou operaci – resekci nádoru v plicích pacienta. Použil CO2 laser, který se později stal jedním z nejrozšířenějších laserů používaných v chirurgii.

■Onkologie (1968): Dr. Alena Jelínková z Fakultní nemocnice Motol zahájila první klinické zkoušky fotodynamické terapie (PDT) s použitím laserů. Tato metoda kombinuje laserové záření a fotosenzitivní látky k léčbě nádorů.

Tyto průkopnické aplikace položily základ pro současnou širokou škálu laserových léčebných metod v medicíně v České republice, které zahrnují chirurgii, dermatologii, oftalmologii, urologii, neurochirurgii, onkologii, estetickou medicínu, neurochirurgii a mnoho dalších oborů.

1 Zatímco nízká divergence svazku je charakteristickým rysem mnoha laserů, existují aplikace, kde jsou vyžadovány laserové diody s vyšší divergencí.

2 Tradiční definice laseru klade důraz na monochromatičnost, tedy generování záření s jednou specifickou vlnovou délkou. V moderních aplikacích však najdeme lasery s širším spektrálním výstupem. Místo striktní monochromatičnosti je tak vhodnější hovořit o „úzkém spektrálním pásmu“ nebo „kontrolovaném spektrálním rozsahu“. Odráží to schopnost laserů generovat světlo v určitém rozsahu vlnových délek, což je zásadní pro generování ultrakrátkých pulzů nebo pro superkontinuální lasery.

3 S rostoucím spektrálním rozsahem se časová koherence snižuje.

2Jak laser funguje – základní pohled kvantové mechaniky

Ing. Petr Hauschwitz, Ph.D., MBA
Centrum HiLASE, Fyzikální ústav AVČR

Atomy⁴ jsou základní stavební jednotky látkové hmoty. Tvoří kvantové soustavy, které se skládají z vázaných elektronů, protonů a neutronů. Významnou roli zde hraje kvantová teorie, která poskytuje důležité poznatky o izolovaných kvantových soustavách. Z té vyplývá:

■Izolované soustavě, která je ve stacionárním stavu, přísluší přesně definovaná vnitřní energie.

■Tato energie je kvantována – nabývá pouze diskrétních hodnot (Ei = 0, 1, 2, …).⁵

■Energetické hladině s nejnižší energií E0 říkáme klidová, ostatním excitované. Energie, při které dojde k rozpadu soustavy, se nazývá disociační.

■Pokud si kvantová soustava vyměňuje energii s okolím, musí se tato přijatá nebo odevzdaná energie rovnat rozdílu mezi energetickými hladinami počátečního a koncového stacionárního stavu kvantové soustavy. Toto je v souladu se zákonem zachování energie. Změna jednoho stacionárního stavu kvantové soustavy na jiný se označuje jako kvantový přechod. Pokud soustava energii vydává, jedná se o emisi, pokud naopak energii přijímá, hovoříme o absorpci.

■Přechody mezi energetickými hladinami mohou být nezářivé, kdy dochází k výměně kinetické energie například při srážce, nebo zářivé. Při zářivých přechodech kvantová soustava vyměňuje energii s okolím prostřednictvím elektromagnetického pole, tedy ve formě fotonů. Podle zákona zachování energie musí frekvence fotonu vmn přesně odpovídat rozdílu energie energetických hladin.⁶

Obr. 2.1: Schematické znázornění procesu absorpce a spontánní emise

■V látce složené z mnoha kvantových soustav se stejné kvantové soustavy mohou nacházet v různých stavech – na různých energetických hladinách. Počet kvantových soustav na i-té hladině se nazývá populace i-té hladiny.

■Pro látku (prostředí, hmotu) v termodynamické rovnováze platí, že rozdělení počtu soustav mezi jednotlivé energetické hladiny se řídí Boltzmanovým rozdělením, což znamená, že v termodynamické rovnováze je na vyšších energetických hladinách méně soustav než na těch nižších (viz obrázek 2.2).

■Pokud látce dodáme energii vnějším působením, například buzením (absorpce fotonu), může dojít k inverzi populace. Je to nerovnovážný stav, kdy je populace některé vyšší hladiny větší než populace hladiny s nižší energií.

■Stimulovaná emise záření je proces, při kterém excitovaná kvantová soustava vyzáří foton po interakci s vnějším stimulujícím fotonem. Foton vzniklý stimulovanou emisí má stejné parametry jako budicí foton (směr šíření, fáze, frekvence, polarizace). Pro efektivní laserovou operaci je obvykle vyžadována inverze populace, která zajišťuje převahu stimulované emise nad absorpcí pro daný energetický přechod.

Obr. 2.2: Znázornění energetických hladin v základním a vybuzeném stavu

Podmínky pro stimulovanou emisi:

1.Inverze populace.

2.Horní metastabilní hladina.

3.Foton stimulujícího záření.

Obr. 2.3: Schematické znázornění spontánní a stimulované emise

Z toho vyplývá, že pro generování laserového záření je potřeba vhodné prostředí, v němž budou excitované soustavy schopné setrvat na vyšších energetických hladinách dostatečně dlouhou dobu, aby je bylo možné „sklidit“ formou stimulované emise záření. Takovým hladinám se říká metastabilní nebo horní laserové hladiny a takové prostředí se označuje jako „aktivní“. Je jedním ze základních prvků laseru. Definovat jej můžeme následovně:

Aktivní prostředí je systém kvantových soustav schopných pod vlivem buzení přejít do excitovaného stavu a setrvat v něm dostatečně dlouhou dobu, aby bylo možné tuto energii uvolnit prostřednictvím stimulované emise záření.

Dlouhodobé udržení inverze populace (termodynamicky nerovnovážný stav) zajišťuje buzení a chlazení. Kladnou zpětnou vazbu a vznik laserových oscilací pak zajišťuje laserový rezonátor.

4 Pro zjednodušení zde budeme jako atomy označovat i ionty a molekuly.

5 Pokud je soustava ve stavu s energií Ei, říkáme pro zjednodušení, že se nachází na i-té energetické hladině.

6 Energie fotonu se rovná jeho frekvenci v vynásobené Planckovou konstantou h.

3Otevřený rezonátor

Ing. Petr Hauschwitz, Ph.D., MBA
Centrum HiLASE, Fyzikální ústav AVČR

Otevřený rezonátor hraje v generování laserového záření klíčovou roli tím, že zajišťuje kladnou zpětnou vazbu a umožňuje vznik laserových oscilací. V nejjednodušší formě se jedná o soustavu dvou zrcadel – jedno je 100% odrazné, zatímco druhé je částečně propustné, což umožňuje vyvázání energie z rezonátoru.

Generaci laserového záření můžeme popsat následovně:

Obr. 3.1: Princip generace laserového záření (pokračování na další straně)

Obr. 3.1: Princip generace laserového záření⁷

Pro generaci laserového záření je potřeba překonat tzv. prahovou podmínku: inverze populace musí být dostatečně vysoká na to, aby překonala všechny ztráty v rezonátoru (spontánní emise, difrakční a rozptylové ztráty rezonátoru, ztráty dané polopropustným zrcadlem). Nemůžeme tak například odvádět příliš mnoho energie polopropustným zrcadlem.

Laserový rezonátor může ovlivnit vlastnosti laserového záření, jako je:

A.Divergence (rozbíhavost) svazku.

B.Spektrální vlastnosti záření (módová struktura).

C.Délka (dobu) pulzu.

D.Polarizace.

E.Míra koherence.

V rezonátoru může oscilovat pouze elektromagnetické vlnění, které splňuje určité podmínky pro fázi a frekvenci. Jednou z nich je, že fázový posuv, který elektromagnetická vlna získá za dvojnásobný průchod rezonátorem, musí být násobkem 2π:

kde:

ω – frekvence EM vlnění,

q – celé číslo,

c – rychlost světla,

L – délka rezonátoru.

V praxi to znamená, že v rezonátoru oscilují pouze vlny o určitých frekvencích, které nazýváme podélné módy otevřeného rezonátoru. Frekvence sousedních podélných módů jsou od sebe odděleny konstantním frekvenčním intervalem, který závisí na délce rezonátoru.

Obr. 3.2: Frekvenční rozložení módů rezonátoru a součinitele zesílení aktivního prostředí [11]

Aktivní prostředí umožňuje zesilovat pouze určité spektrum frekvencí, což znamená, že zesíleny mohou být jen některé módy. Vhodnou konstrukcí rezonátoru⁸ je pak možné generovat jen jeden (žádoucí) mód – nejčastěji gaussovský svazek.

Kromě podélných módů existují také příčné módy. Ty představují ustálené konfigurace elektromagnetického pole v rezonátoru, které se po průchodu rezonátorem nemění. Znamená to, že rozložení intenzity v příčném směru se nemění. Základním módem rezonátoru je gaussovský svazek (TEM00), který má symetrické rozložení energie kolem osy – gaussovský průběh v prostorové rovině.

Obr. 3.3: Příklad příčných módů rezonátoru

7 Jak se dozvíme dále v knize, buzení se nemusí vždy realizovat pouze pomocí záření.

8 Δω = c/2L, tedy změnou délky rezonátoru lze od sebe frekvenčně vzdálit módy, které mohou obíhat rezonátorem a docílit tak toho, že nad prahovým součinitelem zesílení bude jediný mód.

4Gaussovský svazek

Ing. Petr Hauschwitz, Ph.D., MBA
Centrum HiLASE, Fyzikální ústav AVČR

Gaussovský svazek, který představuje základní mód rezonátoru, je charakterizován svým specifickým příčným rozložením pole, jež má tvar Gaussovy křivky (zvonovitý tvar). Tato charakteristika umožňuje efektivní manipulaci se svazkem v aplikacích, jako je jeho zobrazování, kde se mění jeho průměr pomocí teleskopů, nebo při fokusaci. Gaussovské svazky se také často využívají v simulacích interakcí laserového svazku s materiálem a při navrhování optických prvků a soustav, díky jejich předvídatelnému a dobře definovanému rozložení energie.

Obr. 4.1: Základní parametry gaussovského svazku

Intenzitní profil svazku má gaussovský průběh, jak je vidět na obrázku 4.1. Divergence svazku neboli rozbíhavost je definována jeho poloměrem. Svazek s menším poloměrem se více rozbíhá, zatímco pro dobře kolimovaný svazek je potřeba velký poloměr.

Rayleigho vzdálenost či hloubka ostrosti představují teoretickou vzdálenost, na které je svazek stále „ostrý“ – dobře fokusovaný.

Rayleigho vzdálenost:

Hloubka ostrosti:

zr – Vzdálenost od středu svazku, na níž se plocha svazku zdvojnásobí.

V praxi je ale potřeba tuto vzdálenost určit experimentálně podle konkrétní aplikace. Je třeba zmínit, že skutečný svazek se ideálnímu gaussovskému může pouze přibližovat. Kvalitu gaussovského svazku – to, jak blízko je skutečný svazek k ideálnímu gaussovskému svazku – měříme pomocí parametru Beam Parameter Product (BPP).

BPP je dán parametrem M2. Tento parametr udává, jak kvalitní svazek laserový systém generuje. Ideální gaussovský svazek má M2 = 1, skutečné systémy se mu pouze přibližují (M2 > 1). Parametr M2 také ovlivňuje, na jak malý bod jsme schopni svazek zaostřit.

kde:

f – ohnisková vzdálenost čočky,

D0 – průměr vstupního svazku,

D – průměr svazku ve fokusu.

Obr. 4.2: Příklady svazků s různým M2 (převzato z [1])

V praxi se hodnota průměru svazku udává dvěma způsoby: jako FWHM, nebo jako 1/e2. Obě hodnoty jsou odvozeny z intenzitního profilu svazku, jak je patrné z obrázku 4.3. Hodnota 1/e2 označuje průměr svazku v místě, kde je intenzita rovna hodnotě 1/e2 maxima, což je přibližně 13,5 % maximální intenzity. FWHM (Full Width Half Maximum) pak představuje hodnotu průměru v místě s poloviční intenzitou. Je důležité si uvědomit, že v praxi často dochází k zaměňování těchto hodnot, neboť často není jasně uvedeno, jakým způsobem byl průměr svazku měřen.

Otisk laserové stopy na konkrétním materiálu je však v praxi od těchto naměřených hodnot průměrů svazku odlišný. Skutečnou velikost otisku v konkrétním materiálu (například formou kráteru) ovlivňuje mnoho faktorů, jako je hustota energie dopadajícího záření, doba expozice, vlastnosti materiálu a další podmínky laserového zpracování. Toto pochopení je zásadní pro přesnou aplikaci laseru v průmyslových procesech, jako je řezání, vrtání, nebo povrchová úprava.

Například se stejnými laserovými i procesními parametry bude kráter v kovu odlišný od kráteru v plastu nebo skle. Důvodem jsou odlišné prahové hodnoty plošné hustoty energie (fluence) pro jednotlivé materiály (viz obrázek 4.3).

Obr. 4.3: Příklad gaussovského svazku s vyznačeným FWHM a průměrem v 1/e2 a příkladem změny průměru stopy svazku na povrchu různých materiálů

V řadě aplikací však nemusí být kulatý gaussovský svazek tím nejlepším řešením. V případě gravírování a strukturování může být výhodnější tzv. top-hat svazek (viz obrázek 4.4). Ten se vyznačuje pravoúhlým profilem intenzity, což minimalizuje okrajové části svazku, které jsou pod prahovou hodnotou pro odpaření (ablaci) materiálu – minimalizujeme tím nežádoucí tepelné jevy. Pokud takový svazek navíc vytvarujeme do čtverce, výrazně si tím usnadníme navazování svazku pro homogenní ozáření větší plochy a můžeme minimalizovat nutné překryvy svazku (viz obrázek 4.4).

Obr. 4.4: Porovnání gaussovského svazku a čtvercového top-hat svazku

Na druhou stranu má top-hat svazek nevýhodu ve špatné manipulaci se svazkem, jako je zobrazování, změna poloměru, fokusace a vedení. Zároveň je většina optických prvků navržena pro práci s gaussovskými svazky.

Za zmínku stojí také besselovský svazek, který nachází uplatnění v případě obrábění transparentních materiálů jako sklo, plasty nebo keramika. Besselovský svazek představuje unikátní formu laserového svazku, který je charakterizován specifickým rozložením energie. Besselovský svazek je tvořen středovým svazkem obklopeným koncentrickými prstenci. Tento svazek je pojmenován podle Besselových funkcí, jež popisují jeho tvar a intenzitní profil. Besselovské svazky jsou zvláště užitečné pro aplikace vyžadující precizní interakci se světlem, jako je mikroskopie nebo obrábění transparentních materiálů, kde se využívá dlouhá hloubka ostrosti a malé průměry středového svazku.

Obr. 4.5: Příklad Besselova svazku za axikonem

5Režimy generace laseru

Ing. Petr Hauschwitz, Ph.D., MBA
Centrum HiLASE, Fyzikální ústav AVČR

5.1Volně běžící režim

Volně běžící režim je jednou z nejčastěji používaných metod pro generaci laserových svazků, především díky své relativní cenové dostupnosti. Režim generace laseru ve volně běžícím režimu lze popsat následovně:

Obr. 5.1: Volně běžící režim laseru (pokračování na další straně)

Obr. 5.1: Volně běžící režim laseru

Pro volně běžící režim jsou typické pulzy o délce mikrosekund až milisekund. Každý pulz se skládá z neuspořádaných peaků, tzv. relaxačních oscilací, které vznikají v důsledku vyčerpávání inverze populace během generace záření. Pokud parametry buzení odpovídají prahu generace, dochází ke kontinuálnímu režimu generace.

Obr. 5.2: Oscilace generované intenzity výstupního záření v případě kontinuálně běžícího laseru

5.2Q-spínání

Q-spínání je režim generace laseru, díky kterému můžeme generovat intenzivní nanosekundové pulzy s vysokým špičkovým výkonem (typicky 1–100 ns, 1 MW – 1 GW). Oproti volně běžícímu režimu jsou generovány o několik řádů kratší délky pulzů, které jsou výhodnější pro aplikace, kde je potřeba minimalizovat tepelné působení záření (napříkad gravírování, mikroobrábění, vrtání).

Obr. 5.3: Porovnání pulzu volně běžícího laseru a Q-spínaného pulzu

Q-spínání můžeme definovat jako metodu, při níž se ovlivňuje kvalita rezonátoru (ztráty) za účelem dosažení maximální inverze populace. Princip můžeme vysvětlit následovně:

1.Skokově zvýším ztráty rezonátoru (nedochází ke generaci laserového záření, a tím ke snižování inverze populace).

2.Intenzivně čerpám AP – díky bodu 1  jsem schopný dosáhnout vyšší inverze populace.

3.Skokově snížím ztráty rezonátoru (v bodě maximální inverze populace).

4.Nahromaděná inverze populace je rychle vyčerpána v podobě intenzivního pulzu s délkou ~ns.

Obr. 5.4: Q-spínaný režim generace laseru

Ztráty v rezonátoru mohou být řízeny následujícími způsoby:

■Elektro-optické spínače (Pockelsovy cely): odklon záření mimo rezonátor.

■Akusto-optické spínače (například fotoelastický jev): rozptyl záření v rezonátoru.

■Pasivní spínání: saturovatelný absorbér, průhledný pouze od určité intenzity dopadajícího záření.

■Dříve se využívala například i rotující zrcadla (či hranoly) rezonátoru – rozladění rezonátoru.

Při generaci Q-spínaných pulzů je důležité si uvědomit, že výstupní energie těchto pulzů je inherentně menší než u laserů pracujících ve volně běžícím režimu. Tato základní charakteristika Q-spínání omezuje maximální dostupnou energii pulzu, což může být limitujícím faktorem pro některé aplikace, jež vyžadují vyšší energii nebo jiné specifické vlastnosti pulzu. V praxi se proto při využití krátkých impulsů často setkáváme nejen s Q-spínáním, ale také s technologií MOPA (Master Oscillator Power Amplifier), která přináší další flexibilitu a možnosti řízení vlastností laserových pulzů.

MOPA: V praxi se při generaci nanosekundových pulzů setkáváme vedle Q-spínání také s technologií MOPA (Master Oscillator Power Amplifier). Systém MOPA se skládá ze dvou částí: oscilátoru (MO) a zesilovače (PA). Oscilátor je často konfigurován s Q-spínáním nebo jinými modulačními technikami, jako je amplitudová nebo frekvenční modulace, aby generoval pulzy s velmi specifickými charakteristikami. Zesilovač pak zachovává původní charakteristiky pulzu.

S architekturou MOPA se můžeme běžně setkávat v případě značících vláknových laserů. Zde MOPA architektura nabízí oproti klasickému Q-spínání obvykle širší možnosti ladění laserových parametrů, jako je délka pulzu nebo opakovací frekvence generovaného záření, a možnost přizpůsobit je tak dané aplikaci. Rozsahy se mohou pohybovat například od 2 ns do 500 ns pro délku pulzu a 10 kHz do 4 MHz pro opakovací frekvenci. Na rozdíl od klasického Q-spínání, kdy máme délku pulzu obvykle fixní a opakovací frekvenci obvykle do 500 KHz, nabízí MOPA při výběru laserových parametrů větší svobodu. V případě vláknových laserů MOPA systémy také často dosahují větších průměrných výkonů.

5.3Synchronizace módů (mode-locking)

Mode-locking je svázání (synchronizace) mnoha podélných módů uvnitř laserového rezonátoru.

Synchronizace módů neboli mode-locking je pokročilý režim generace záření, který umožňuje získávat ultrakrátké laserové pulzy (UKP) v řádu pico- až femtosekund. Takové pulzy se vyznačují velmi vysokou intenzitou (což je výhodné například pro nelineární jevy⁹) a minimální tepelnou zátěží materiálu (viz kapitolu 10, Ablace). Uplatnění nachází například při opracování skla a dalších transparentních materiálů nebo při velmi detailním mikro- a nanoobrábění.

Při mode-lockingu dochází k synchronizaci (či svázání) mnoha podélných módů uvnitř laserového rezonátoru, přičemž z příčných módů je generován pouze základní mód (ostatní módy jsou eliminovány obvykle umístěním clony do rezonátoru). Jak jsme si řekli v kapitole 3, věnované otevřenému rezonátoru, v rezonátoru mohou oscilovat pouze vlny o daných frekvencích (= podélné módy). Pokud máme rezonátor a vhodné aktivní prostředí, může být zesilováno mnoho podélných módů.

Obr. 5.5 Opakování – podélné módy nad prahem generace

Fáze a intenzity takových módů jsou za normálních podmínek náhodné, s pomocí mode-lockingu tyto módy vzájemně synchronizujeme.

Obr. 5.6: Rozdíl mezi náhodnými a synchronizovanými módy

Synchronizace může probíhat podle následujících kroků:

1.Zavedeme definované ztráty do laserového rezonátoru (akusto-optický spínač / saturovatelný absorbér).

2.Ztráty budou řízeny tak, aby se v rezonátoru zesiloval pouze jeden laserový pulz, který je výsledkem interference (sfázování/synchronizace) módů.¹⁰

3.Tento pulz se bude postupně po několika průchodech na úkor ostatních zesilovat.

4.Na závěr v rezonátoru obíhá pouze jeden pulz, fáze všech módů jsou synchronizovány. Na výstupu z laseru jsou jednotlivé pulzy vzdáleny o dobu dvojnásobného oběhu pulzu v rezonátoru.

Obr. 5.7: Přechod od náhodných módů k synchronizovaným

Pro generované záření platí následující:

■Délka pulzu je primárně ovlivněna spektrální šířkou pokrytou synchronizovanými módy, nikoliv pouze počtem módů. Čím širší je spektrum, tím kratšího pulzu lze dosáhnout.

■Platí, že čím je kratší pulz, tím širší má spektrum.

■Jak jsme si ukázali v kapitole 3, aktivní prostředí dokáže zesilovat jen určitý rozsah vlnových délek, tedy pouze omezenou šířku spektra.

Pro dosažení kratších pulzů je důležitá šířka spektra, které módy pokrývají, a ne pouze jejich počet. Širší spektrum umožňuje vytvořit kratší pulzy. Nicméně existuje limit, jak široké může spektrum být, protože aktivní prostředí laseru nemusí být schopné zesílit všechny módy, pokud je spektrum příliš široké. Minimální možná délka pulzu tedy závisí na tom, jak široké spektrum módů může aktivní prostředí zesílit.

S využitím mode-lockingu je možné generovat velmi krátké femtosekundové pulzy, typická délka pulzu se pohybuje v rozmezí 30 fs až 30 ps.

Pulzy, které budou v délce nanosekund až desítek pikosekund, budeme označovat jako krátké. Pulzy kratší než 10 ps budeme označovat jako ultrakrátké.

9 Multi-fotonová absorpce pro ablaci transparentních materiálů, generace vyšších harmonických frekvencí apod.

10 Podélné módy v mode-locked laseru mají různé frekvence, ale jsou sfázované (koherentní), což umožňuje jejich interferenci. Tato koherentní interference módů vede k vzniku zázněje v podobě ultra-krátkého pulzu. Tento jev je základem pro generování velmi krátkých pulzů typických pro mode-locked lasery.

6Generace ultrakrátkých pulzů

Ing. Petr Hauschwitz, Ph.D., MBA
Centrum HiLASE, Fyzikální ústav AVČR

Generování a zesilování ultrakrátkých pulzů (UKP) představuje technologickou výzvu, která vyžaduje využití řady sofistikovaných technik a postupů. Kromě již zmíněné synchronizace pulzů je důležité zajistit také efektivní kompenzaci disperze a čerpované zesilování pulzů (uváděno také jako zesilování rozmítnutých pulzů).

Nejdříve malé opakování:

■Volně běžící režim – dlouhé pulzy (často ms až µs).

■Q-spínání – krátké pulzy (~ns).

■Mode-locking – ultrakrátké pulzy (~ps, fs).

Jak víme, UKP mají široké spektrum v důsledku mnoha synchronizovaných módů s různou frekvencí. Každá část spektra se však v prostředí šíří jinou rychlostí – index lomu prostředí (míra rychlosti šíření světla v daném médiu) je závislá na vlnové délce (říká se tomu disperze), viz obrázek 6.1.

Prakticky se to projevuje tak, jak je zobrazeno na obrázku 6.1. Pokud do média s pozitivní disperzí (D > 0) vstoupí tři různé vlnové délky (RGB), projdou médiem nejrychleji ty s nejdelší vlnovou délkou (R) a krátké vlnové délky se budou opožďovat. U média s negativní disperzí (D < 0) je situace přesně opačná.

Obr. 6.1: Ultrakrátký pulz po průchodu médiem s kladnou disperzí

Pokud budeme nyní uvažovat UKP se širokým spektrem, po průchodu médiem se pulz v čase rozšíří (čerpovaný pulz, někdy také označován jako rozmítnutý). K dosažení úspěšné generace UKP je nezbytné mít v laserovém systému prvky, které dokážou tuto disperzi kompenzovat. I vzduch má disperzi, která je obvykle pozitivní, a tu lze kompenzovat prvky s negativní disperzí, jako jsou čerpovaná zrcadla, soustavy hranolů nebo difrakční mřížky (viz obrázek 6.2).

Obr. 6.2: Metody kompenzace disperze

Zesilování ultrakrátkých pulzů představuje další výzvu, protože jejich vysoká intenzita může poškodit optické komponenty. Tento problém limitoval výkon UKP laserových systémů až do vynálezu technologie zesilování čerpovaných (rozmítnutých) pulzů, známé jako Chirped Pulsed Amplification (CPA), za kterou byla v roce 2018 udělena Nobelova cena. Princip této techniky je zobrazen na obrázku 6.3 a můžeme ho popsat následovně:

1.UKP pulz generovaný laserovým systémem je čerpován – délka pulzu je prodloužena až 100 000krát na tzv. stretcheru (nejčastěji za použití difrakční mřížky), čímž se převádí z femtosekundového pulzu na pulz nanosekundový. Tím se sníží intenzita svazku na úroveň bezpečnou pro průchod aktivním prostředím. Využívá se zde výše zmíněného jevu disperze, kdy se různé vlnové délky šíří různou rychlostí, což prodlužuje délku pulzu.

2.Tento čerpovaný nanosekundový pulz je poté zesílen v zesilovači.

3.Zesílený pulz je na kompresoru (mřížka s opačnou disperzí ke stretcheru) zkrácen na původní délku.

Obr. 6.3: Schematické znázornění metody čerpovaného zesilování pulzů (převzato z [2])

Metoda zesilování rozmítnutých pulzů (CPA) umožnila dramatický nárůst intenzity laserového záření až o sedm řádů. Tato technika nejen umožnila dosáhnout vyšších intenzit, ale také minimalizovala riziko poškození optických komponent v důsledku vysoké intenzity pulzů.

7Generace nových vlnových délek

Ing. Petr Hauschwitz, Ph.D., MBA
Centrum HiLASE, Fyzikální ústav AVČR

Různé materiály mají rozdílné optické vlastnosti, jako je absorpce, reflexe (odraz), refrakce (rozptyl) a transmise (průchod). Mnoho materiálů má své optimální absorpční křivky mimo nejběžnější oblasti vlnových délek kolem 1 µm a 10 µm.¹¹

Obr. 7.1: Absorpce vybraných materiálů vzhledem k vlnové délce

Podle grafu na obrázku 7.1 je patrné, že ocel má vysokou absorpci pro záření na vlnové délce 1 µm, ale měď a zlato záření s touto vlnovou délkou na 1 µm absorbují velmi málo. Na druhou stranu v oblasti kolem 0.5 µm tyto kovy absorbují výrazně lépe. Podobně to platí pro některé plasty, jako je polyetylen nebo polymetylmetakrylát (PMMA), které jsou pro záření s vlnovou délkou 1 µm transparentní, ale v UV oblasti a kolem vlnové délky 3 µm záření absorbují.

Laserové systémy pracující v oblasti s vlnovými délkami ~1 µm jsou technologicky vyspělé a nabízejí vysoký výkon a intenzitu, což je nezbytné pro nelineární jevy. Proto jsou často využívány právě pro generaci nových vlnových délek, ať už v oblasti viditelného světla (generace vyšších harmonických frekvencí), nebo v oblasti středních vln (optická parametrická generace).

7.1Generace vyšších harmonických frekvencí

Generace druhé harmonické frekvence (SHG – Second Harmonics Generation) je nelineární technika, která využívá nelineární reakci optického média na intenzivní pole záření pro vytvoření nových frekvencí.¹² Generovaná frekvence je dvojnásobkem vstupního záření (vlnová délka je polovina vstupní vlnové délky).

■Interakcí intenzivního elektrického pole svazku (Q-spínaný pulz, mode-locking nebo vložení krystalu přímo do rezonátoru – viz obrázek 7.2) dochází k ovlivnění valenčních elektronů a vzniku dipólů, jejichž zářením vzniká sekundární vlna, která přesně nereprodukuje dopadající záření. Složením těchto záření pak dochází ke vzniku nového záření o jiné frekvenci.

■V praxi se nejčastěji setkáme s generací druhé harmonické frekvence pomocí nelineárního krystalu¹³ vloženého do výstupního svazku laseru. Vstupní parametry laserového svazku a natočení krystalu určují efektivitu a kvalitu generovaného záření.

Obr. 7.2: Příklady experimentálních uspořádání pro generování druhé harmonické frekvence: (a) krystal pro generaci 2. harmonické frekvence (SHG) je umístěn vně rezonátoru; (b) krystal SHG je umístěn uvnitř rezonátoru a výstupním zrcadlem procházejí obě generovaná záření podle reflektance výstupního zrcadla; (c) aktivní prostředí je zároveň i generátorem SHG. Po dosažení nutného výkonu základního záření uvnitř rezonátoru (1. harmonické) je generováno i záření SHG

Nicméně efektivita konverze (SHG/vstupní svazek) dosahuje přibližně 50–80 %, což je negativně korelováno s kvalitou svazku. Takže se vstupními 100 W v IR oblasti může být maximálně generováno 50–80 W v zelené oblasti. Existují tedy situace, kdy může být efektivnější pracovat s IR svazkem, i přes jeho sníženou absorpci.

Další používané techniky zahrnují generaci třetí a čtvrté harmonické frekvence (THG, FHG). V případě základního záření na vlnové délce 1064 nm mluvíme o záření s vlnovými délkami 355 nm a 266 nm. V těchto případech je třeba vzít v úvahu složitější uspořádání pro generování krátkých vlnových délek, zhoršenou kvalitu svazku a nízkou efektivitu konverze (například ze 100 W na 1064 nm můžeme očekávat < 15 W na 266 nm).

Obr. 7.3: Schematické znázornění principu generování čtvrté harmonické frekvence

7.2Optická parametrická generace (OPG)

Pomocí OPG můžeme rozšířit vlnovou délku na nějakou spojitě přeladitelnou oblast (například v oblasti 2–5 µm).

Obr. 7.4: Princip optické parametrické generace (převzato z [3])

■Optické parametrické generátory a oscilátory (generátory se zpětnou vazbou – zrcadly) umožňují rozšířit frekvenční pásmo laseru. Nejsou to přímo lasery (nenastává inverze populace v prostředí, dochází k okamžité výměně energie mezi světelnými vlnami).

■Princip: za splnění zákona zachování energie, hybnosti a fázového synchronizmu:14 ω3 = ω1 + ω2; k3 = k1 + k2; dojde v nelineárním krystalu ke generaci signálové a jalové vlny z původní čerpací vlny.

■Volbou čerpání, polarizace, natočení krystalu, teplotním laděním nebo mřížkou je možné zajistit splnění zákonů zachování energie a fázového synchronizmu a ladit frekvence signálové (ω1) a jalové vlny (ω2). Obecně lze dosáhnout vlnových délek od UV do MID IR pro režimy generace od CW až po fs pulzy. Přitom účinnost konverze dosahuje 50–90 %.

Okrajově můžeme zmínit i další možnosti jak dosáhnout nových vlnových délek, mezi které patří využití upkonverzních laserů nebo kvantově kaskádových laserů.

Upkonverzní lasery představují zajímavou techniku pro generaci nových vlnových délek. Principem těchto laserů je využití procesů, které umožňují převod vstupního infračerveného (IR) záření na záření s kratší vlnovou délkou, například ve viditelné nebo ultrafialové (UV) oblasti. Nejběžnějším přístupem je nelineární proces, kdy dojde k absorpci dvou (nebo více) fotonů s nižší energií a následné emisi jednoho fotonu s vyšší energií. Existují však i jiné mechanismy, jako je absorpce excitovaných stavů, která může rovněž vést k upkonverzi. Upkonverzní lasery jsou obzvláště užitečné pro generaci světla ve vlnových délkách, které jsou obtížně dosažitelné přímým laserovým výstupem (zejména v UV oblasti).

Kvantově kaskádové lasery (Quantum Cascade Lasers, QCL) představují speciální typ polovodičových diodových laserů a nabízejí unikátní řešení pro generaci vlnových délek, které jsou jinak obtížně dosažitelné. Na rozdíl od tradičních laserů, jež pracují s přechody mezi energetickými hladinami atomů nebo iontů, QCL využívají kvantové přechody mezi různými subbandy v rámci polovodičových materiálů. Ačkoliv výstupní vlnová délka QCL může být do určité míry přizpůsobena, její konkrétní hodnota je vždy do značné míry závislá na vlastnostech použitého materiálu. Tento unikátní design umožňuje QCL pokrýt široký spektrální rozsah (včetně středního a vzdáleného infračerveného spektra) a nachází tak uplatnění v řadě aplikací vyžadujících přístup k těmto spektrálním oblastem.

11 Na 1 µm vyzařuje například pevnolátkový Nd:YAG či většina výkonných vláknových laserů; 10 µm je zase oblast záření CO2 laseru, nejvyužívanějšího plynového laseru v průmyslu.

12 Je důležité poznamenat, že pro efektivní generaci vyšších harmonických frekvencí je nutné lineárně polarizované záření.

13 Nejznámější krystaly pro generování SHG zahrnují Lithium Niobate (LiNbO3), Beta Barium Borate (BBO), Potassium Dihydrogen Phosphate (KDP), Potassium Titanyl Phosphate (KTP).

14 Fázový synchronizmus je důležitý, protože pokud by byly fáze různých vln nesynchronizované, mohlo by dojít k destruktivní interferenci, a tím ke snížení efektivity generace signálové a jalové vlny.

8Druhy laserů

Ing. Petr Hauschwitz, Ph.D., MBA
Centrum HiLASE, Fyzikální ústav AVČR

Laserové systémy můžeme klasifikovat podle různých kritérií včetně typu aktivního prostředí, způsobu buzení, generové vlnové délky, délky pulzu apod. (viz obrázek 8.1). Jedno znejčastěji používaných kritérií pro klasifikaci laserů je podle aktivního prostředí, podle něhož budeme také členit následující kapitolu.

Obr. 8.1: Příklady možných klasifikací laserových zdrojů

Vpraxi se můžeme nejčastěji setkat slaserypevnolátkovými (tyčové, tenkodiskové avláknové), plynovými (CO2 laser), polovodičovými (laserové diody) aexcimerovými systémy.

8.1Pevnolátkové lasery

Pevnolátkové lasery patří kčasto využívanému typu laserů. Aktivním prostředím pevnolátkových laserů je dielektrikum – pevná, opticky transparentní látka složená zmatrice aaktivátoru.

Matrice je základní materiál, vněmž jsou rozmístěny atomy (ionty) aktivátoru. Vlastnostmi matrice jsou převážně určeny základní technické vlastnosti aktivního prostředí. Matrice musí být průzračná pro budicí agenerované záření, opticky homogenní. Matricí mohou být krystaly, skla, nebo keramika. Výhodou skel oproti krystalům je možnost výroby ve velkých rozměrech sdobrou homogenitou. Nevýhodou je horší tepelná vodivost. Keramika je pak mezistupněm – má lepší tepelnou vodivost než sklo amůže být levnější než krystaly nebo sklo.

Aktivátory jsou atomy nebo ionty umístěné vmatrici, které se přímo zúčastňují procesu generace laserového záření. Mezi jejich klíčové vlastnosti patří velká absorpce pro budicí záření, vhodné metastabilní hladiny arychlá možnost vyprázdnění dolní laserové hladiny. Aktivátory jsou často látky snezaplněnými vnitřními slupkami elektronového obalu (ionty vzácných zemin nebo přechodových kovů).

Mezi nejpoužívanější pevnolátkové lasery patří například Nd:YAG, Yb:YAG, titan – safír, rubínový laser, Er:YAG, Nd:Sklo, alexandrit, Nd:YAP.

Princip generace laserového záření:

1.Čerpáním vybudíme ionty na vyšší energetické hladiny (EH).

2.Ztěchto hladin ionty přecházejí nezářivými přechody na nižší EH, až dojdou na metastabilní hladinu (horní laserová hladina).

3.Na metastabilní hladině ionty setrvávají dostatečně dlouho, aby vznikla stimulovaná emise záření.

4.Při generaci záření elektrony přecházejí na dolní laserovou hladinu, ze které vpřípadě čtyřhladinového systému (4hs) přechází nezářivými přechody na základní hladinu.

Obr. 8.2: Schematické znázornění čtyřhladinového (4hs) atříhladinového (3hs) systému

Výhodou čtyřhladinového systému je snazší dosažení inverze populace – dolní laserová hladina se vyprazdňuje, není tedy potřeba tolik elektronů na horní laserové hladině pro dosažení inverze, potažmo prahu generace.

Pevnolátkové lasery můžeme dále dělit podle tvaru aktivního prostředí na tyčové, tenkodiskové, vláknové aslabové systémy.

Tyčové pevnolátkové lasery (saktivním prostředím často ve formě válce) patří mezi nejdéle používané pevnolátkové systémy vprůmyslu. Zde se často využívají systémy saktivním prostředím Nd:YAG nebo Yb:YAG, které generují záření voblasti 1064 nm, respektive 1030 nm. Tyto systémy mohou pracovat vkontinuálním ipulzním režimu aprodukovat až femtosekundové pulzy.

Tradiční konstrukce tyčových systémů má však svá omezení. Ktěm hlavním patří omezení maximálního dosažitelného průměrného výkonu vdůsledku tvorby tepelné čočky. Ta vzniká vdůsledku nerovnoměrného rozložení teploty vaktivním médiu vdůsledku jeho chlazení po obvodu krystalu. Tepelná čočka může způsobit několik problémů včetně změny efektivní ohniskové vzdálenosti, vzniku optických aberací adeformace svazku.

Pro řešení termálních omezení vpevnolátkových laserech je klíčové zvýšit efektivitu chlazení aktivního prostředí. Lze toho dosáhnout optimalizací poměru chlazené kontaktní plochy kobjemu aktivního prostředí. Existují dvě hlavní techniky. První znich spočívá ve zvětšení povrchu aktivního prostředí maximalizací jeho délky aminimalizací průměru, což je přístup typický pro vláknové lasery. Druhá technika spočívá vmaximalizaci průměru aminimalizaci délky aktivního prostředí, což je charakteristické pro tenkodiskové lasery.

Obr. 8.3: Dělení pevnolátkových laserů podle tvaru aktivního prostředí

Tenkodiskové lasery: Speciální typ pevnolátkových laserů, jejichž aktivní prostředí má tvar tenkého disku otloušťce kolem 100–200 µm, který je nalepen na chladič. Toto unikátní uspořádání umožňuje eliminovat nežádoucí tepelné jevy při generaci svazku adosáhnout tak mnohem vyšších výkonů, zatímco se zachovává kvalita svazku. Nevýhodou těchto systémů je však velmi malé zesílení záření na jeden průchod aktivním prostředím, což vyžaduje konstrukci složitých multiprůchodových oscilátorů.

Slabové (slab-waveguide) lasery: Slabový laser má aktivní prostředí ve tvaru tenké desky nebo vrstvy, kde je světlo vedené podobně jako ve vlnovodu. Slabové lasery mohou efektivně využívat vlnovodné vlastnosti pro vedení světla, což umožňuje precizní kontrolu módové struktury amůže to vést kvelmi dobré kvalitě svazku. Tyto lasery jsou často používány pro aplikace, kde je potřeba dobrá kontrola nad módovou strukturou asměrem světla, amohou být efektivně integrovány do kompaktních arobustních systémů.

Vláknové lasery představují významnou kategorii voblasti laserových zdrojů, která je často preferována pro svou kompaktnost, minimální požadavky na údržbu, snadnou integraci, stabilitu aodolnost vůči prachu. Aktivní prostředí těchto laserů tvoří optické vlákno dopované ionty vzácných zemin, jako jsou Yb3+, Er3+, Nd3+ adalší.

Vláknové lasery nabízejí řadu výhod včetně vysoké účinnosti, vynikající kvality svazku, nízkých provozních nákladů asnadné manipulace se svazkem pomocí optického vlákna. Díky specifickým rozměrům aktivního prostředí – dlouhému, tenkému vláknu – je často možné dosáhnout chlazení pouze vzduchem. Vedení svazku voptickém vlákně umožňuje jeho snadnou integraci do procesních stanic ajeho uzavřené vedení zajišťuje odolnost vůči prachu aminimální požadavky na údržbu.

Tyto systémy jsou schopné generovat vkontinuálním ipulzním režimu, včetně femtosekundových pulzů. Vkontinuálním režimu mohou výkony dosáhnout až několika kilowattů vrámci jednoho vlákna, vpřípadě multimódových vláken ivíce. Ufemtosekundových pulzů může být výkon vláken omezen na nižší stovky wattů. Generované vlnové délky se nejčastěji nacházejí voblasti IR, NIR aVIS.

Princip šíření záření ve vlákně je založen na úplném odrazu. Udostatečně malých jader se může šířit pouze základní mód, zatímco ostatní módy jsou zjádra vyvázány, což vede ke zvýšení kvality svazku. Avšak šíření vláknem je omezeno maximální intenzitou, kterou je vlákno schopné vést, což zvlášť vpřípadě ultrakrátkých pulzů omezuje energii vpulzu na několik desítek µJ.

Tab. 8.1: Typičtí zástupci pevnolátkových laserů

Označení | Typická vlnová délka | Typ generace arozsah délekpulzu | Typické výkony | Typické aplikace
Nd:YAG | 1064 nm | kontinuální ipulzní (ps – ms) | až několik kW | průmyslové řezání asvařování, medicína(chirurgie)
Yb:YAG | 1030 nm | kontinuální ipulzní (fs – ms) | až několik kW | průmyslové řezání asvařování, medicína(chirurgie)
Ti-Safír | 660–1050 nm | pulzní (fs – ns) | až stovky W | výzkum, spektroskopie, mikroskopie
Ho:YAG | 2100 nm | kontinuální ipulzní (fs – ms) | až několik kW | medicína (chirurgie), průmyslové řezání
rubínový laser | 694,3 nm | pulzní (ns – ms) | až stovky W | dermatologie, odstraňování tetování, holografie
Nd:Sklo | 1054 nm | pulzní (fs – ms) | až stovky W | výzkum, měření adetekce
alexandrit | 755 nm | pulzní (ns – ms) | až stovky W | dermatologie, odstraňování tetování, průmyslové řezání
Er:YAG | 2940 nm | pulzní (μs – ms) | desítky W | dermatologie, stomatologie

Rubínový laser: Rubínové lasery generují světlo včervené části viditelného spektra (694 nm). Typicky produkují pulzy sdélkou trvání vřádu milisekund až mikrosekund, senergií vpulzu dosahující až několik joulů. Střední výstupní výkon je vporovnání sjinými pevnolátkovými lasery obecně nižší, což omezuje jeho použití. Typické aplikace rubínových laserů zahrnují holografii, fototerapii aněkteré formy laserového řezání avrtání.

Nd:YAG laser (neodym-dopovaný yttrium-aluminium-granátový laser): Jeden znejběžnějších typů pevnolátkových laserů. Nd:YAG lasery mohou generovat záření svlnovou délkou 1064 nm vpulzním nebo kontinuálním režimu. Pulzy mohou být vřádu nanosekund až pikosekund, senergií vpulzu dosahující až několik joulů. Vkontinuálním režimu mohou dosáhnout výkonů vřádu kilowattů. Tyto lasery se široce používají vprůmyslu pro řezání asvařování, vmedicíně pro laserovou terapii avdermatologii pro odstraňování kožních lézí atetování.

Yb:YAG laser: Tyto lasery generují záření ovlnové délce 1030 nm smalým kvantovým defektem (rozdíl mezi generovanou ačerpací vlnovou délkou). Mohou pracovat vpulzním ikontinuálním režimu, přičemž pulzy mohou být vřádu nanosekund až pikosekund. Kontinuální výkon může dosáhnout až několika kilowattů. Tato varianta YAG laseru je obzvláště výhodná pro aplikace, které vyžadují vyšší výstupní výkon alepší tepelnou stabilitu než Nd:YAG lasery. Často se využívají vprůmyslu pro precizní řezání asvařování, vmedicíně pro chirurgické zákroky avdermatologii pro ošetření pleti.

Titan-safír laser (Ti:Safír): Lasery tohoto druhu mohou generovat široké spektrum vlnových délek (650–1100 nm), ato vpulzním režimu sdélkou pulzů vřádu femtosekund až pikosekund. Tyto lasery jsou oblíbené voblasti vědeckého výzkumu, zejména voblasti spektroskopie, mikroskopie avkvantové optice.

Holmium-dopovaný yttrium-aluminium-granátový laser (Ho:YAG): Tyto lasery generují záření ovlnové délce voblasti 2,1 µm, obvykle vpulzním režimu sdélkou pulzů vřádu mikrosekund až milisekund. Díky vlnové délce dokáže efektivně interagovat svodou alidskou tkání, využívá se vmedicíně, zejména vchirurgii pro řezání akoagulaci tkání, artroskopii, urologii, ORL adalších.

Er:YAG laser neboli Erbium-YAG laser generuje voblasti 2,9 µm. Tato vlnová délka je velmi dobře absorbována vodou, což ztohoto laseru dělá ideální nástroj pro mnoho medicínských aplikací, zejména vdermatologii astomatologii (zubní vrtačky). Er:YAG lasery mohou generovat vpulzním režimu sdélkami pulzů od mikrosekund až po milisekundy, typické výkony se pohybují vřádu desítek wattů.

Obr. 8.4: Příklad laboratorního aprůmyslového pevnolátkového tyčového laseru

Při čerpání laserů mohou být použity buď laserové diody, nebo výbojky. Zatímco vláknové lasery jsou obvykle buzeny pomocí laserových diod, diskové atyčové lasery mohou být buzeny jak pomocí laserových diod, tak výbojek. Každý ztěchto dvou typů čerpání má své specifické výhody anevýhody.

Tab. 8.2: Srovnání výbojkového adiodového čerpání laserů

| Výbojkové čerpání | Diodové čerpání

Výhody

•Vysoký výkon

•Širší spektrum použitelných vlnových délek

•Nízké náklady na samotný laser

•Dobré chladicí vlastnosti

•Efektivita

•Nižší spotřeba energie

•Nižší nároky na údržbu, životnost

•Jednodušší konstrukce

•Kratší doba potřebná pro dosažení provozního stavu

Nevýhody

•Vyšší spotřeba energie

•Vyšší nároky na údržbu

•Složitější konstrukce

•Delší doba potřebná pro dosažení provozního stavu

•Užší spektrum použitelných vlnových délek

•Vysoké náklady na samotný laser

Výbojkové čerpání je někdy považováno za zastaralou technologii, zejména kvůli nízké efektivitě (přeměna elektrického proudu na optické záření vpotřebné spektrální oblasti), ale ivsoučasné době nachází aplikace zejména ulevnějších systémů nebo naopak usystémů generujících vysoké energie pulzu avýkony snízkou opakovací frekvencí.

8.2Plynové lasery

Plynové lasery můžeme rozdělit na atomární, iontové nebo molekulární, což odráží charakter kvantových soustav, ve kterých se inverze populace vytváří. Rozdíly mezi těmito typy laserů vycházejí ze specifických vlastností achování atomů, iontů amolekul, které definují jejich aktivní média aurčují energetické hladiny, mezi nimiž dochází klaserové emisi. Hlavní předností plynových laserů je homogenita aktivního prostředí, což zajišťuje vysokou kvalitu svazku, malou rozbíhavost astabilitu frekvence generovaného záření. Na druhou stranu malá objemová hustota počtu částic omezuje výstupní výkon, což vede kpotřebě větších rozměrů laserových systémů pro dosažení potřebných výkonů.

Metody buzení plynových laserů jsou různorodé azahrnují buzení elektrickým výbojem, chemické reakce, rychlou expanzi plynu aoptické buzení.

Nejznámější příklady plynových laserů jsou uvedeny vtabulce 8.3.

Tab. 8.3: Příklady plynových laserů

Příklady plynových laserů
| λ [nm] | Aktivní prostředí | Příklady využití
Atomární lasery
helium-neonový laser | 633 | excitované ionty neonu | spektroskopie, alignment
měděný laser | 510 | atomy mědi | zdravotnictví (oftalmologie)
jodový laser | 1350 | atomy jódu | výzkum
Iontové lasery
argonový laser | 515 | ionty argonu | zdravotnictví (oftalmologie)
Molekulární lasery
CO2 | 10 600 | vibračně-rotační podhladiny molekuly CO2 | opracování organických materiálů, chirurgie, dermatologie
excimer | 125–558 | excitované dimery vzácných plynů | litografie, nanášení tenkých vrstev, oftalmologie, dermatologie

Jedním znejznámějších příkladů plynového laseru je helium-neonový (He-Ne) laser. Jeho aktivní prostředí tvoří excitované atomy neonu, které jsou excitovány při srážkách satomy helia vybuzenými doutnavým výbojem. Neon je tedy zdrojem laserového záření, zatímco helium slouží jako přenašeč energie.

Obr. 8.5: He-Ne laser

Mezi nejčastěji využívané plynové lasery vprůmyslu patří CO2 laser. Jedná se plynový molekulární laser generující vlnovou délku ~10,6 µm (případně 9,6 µm), která je vhodná pro značení, řezání agravírování organických materiálů, jako jsou polymery, tkaniny, dřevo, sklo, keramika adalší dielektrika. Stimulovaná emise probíhá mezi různými vibračně-rotačními podhladinami základního elektronického stavu molekuly CO2. Buzení probíhá doutnavým elektrickým výbojem ve směsi plynů CO2, N2 aHe, kde N2 slouží jako přenašeč energie aHe pro depopulaci dolní laserové hladiny. Tento laser, vynalezený vroce 1964, generuje záření převážně vkontinuálním režimu svýkony obvykle do stovek wattů, je ale možné se setkat isvýkony vřádu kW.

Obr. 8.6: Trubice CO2 laseru aplotrový řezací systém využívající CO2 laser

Obr. 8.7: Příklad excimerového laseru od firmy Light Machinery

8.3Polovodičové lasery