Po delší době pokračujeme dalším dílem našeho miniseriálu o laserech. Tentokrát Vám představíme, jak a proč laser vlastně funguje, také se podíváme na různé typy laserů.

Jak laser funguje

Minule jsme si řekli, že laserové světlo se od obyčejného liší ve třech podstatných vlastnostech:

• je koherentní - složené ze světel, které mají stejnou vlnovou délku a fázi
• je monochromatické -, obsahuje pouze jednu vlnovou délku (tj. je jednobarevné)
• je směrové - má pouze jeden směr šíření světla

Všechny lasery pracují na stejném principu, stimulované emise. Abychom z článku nedělali fyzikální skripta, popíšeme tento děj velmi zevrubně.

1. Atomy aktivního prostředí jsou pomocí nějakého externího zdroje (např. zábleskem výbojky u prvního rubínového laseru) vybuzeny (excitovány) do vyšších energetických hladin.
2. Zde jsou nějakou dobu udrženy (tuto vlastnost mají právě jenom některé látky a podle nich dělíme lasery na různe typy) až se nějaký atom navrátí do původní hladiny a tím vyzáří světlo.
3. Toto světlo stimuluje návrat dalších atomů a jejich návrat vyzáří (emituje) další světlo.

Důležitou součástí laserů je optický rezonátor. To je zařízení, které zajistí udržení počtu fotonů v aktivním prostředí k "nahromadění" dostatečné energie před její vyzářením. U původního rubínového laseru to byly dvě zrcadla kolmá na rubínovou tyčinku - jedno nepropustné a druhé částečně propustné.

Na tomto obrázku je ilustrovaný právě popsaný laser:

1. aktivní prostředí
2. vnější zdroj vybuzení
3. nepropustné zrcadlo rezonátoru
4. polopropustné zrcadlo
5. laserový paprsek

Typy laserů

V principu můžeme lasery dělit i podle dalších kriterií, jako například dle vlnové délky (viditelné, infračervené, ultrafialové, ..), nebo režimu práce (pulzní, kontinuální) a další. Nicméně prakticky lasery dělíme dle skupenství aktivního prostředí.

• Plynové lasery pracují ve velmi širokém rozsahu vlnových délek v kontinuálním nebo pulzním režimu. Jejich excitace je většinou prováděna pomocí elektrického výboje ve zředěném plynu. Plynové lasery mají homogenní aktivní prostředí, které zajišťuje jejich výborné parametry. Nevýhodou je poměrně malý výkon. K nejrozšířenějším typům patří červeně zářící helium - neonový (HeNe) laser, v průmyslu a medicíně se nejvíce používá infračervený laser CO2.
  
  1. Chemické lasery čerpají energii z chemických reakcí a mohou dosahovat kontinuální výstup až v řádech megawattů. Často se používají pro řezání či vrtání, případně ve vojenství.
  2. Excimerové lasery jsou plynové pulzní lasery, jejichž aktivní prostředí je tvořeno tzv. eximery. Jsou to molekuly, které mohou existovat jen ve vybuzeném stavu, při návratu do základního stavu se rozpadnou na jednotlivé atomy. Název „excimer“ vznikl jako zkratka slov „excited“ a „dimer“, neboli excitovaná molekula. Tyto lasery se často používají v lékařství.
• Pevnolátkové mají jako aktivní prostředí krystalické nebo amorfní izolanty s příměsí vhodných iontů, excitace je obvykle optická. Tyto lasery mohou pracovat v různých režimech a za různých provozních podmínek, jsou stabilní a mají malé nároky na údržbu. Nejznámějším představitelem je laser rubínový, dnes nejrozšířenějším je neodymový, užívaný hlavně v medicíně.
• Polovodičové dnes patří mezi nejrozšířenější. Zdrojem záření je tzv. laserová dioda. Diody mají velmi malé rozměry, což je na jedné straně jejich výhoda, na druhé straně je jejich paprsek rozbíhavější než u jiných typů laserů. Účinnost diod je vysoká (až 50 %), jejich výkon se dá snadno měnit (modulovat) změnou elektrického proudu. Proto našly laserové diody velké uplatnění zejména v telekomunikacích, ve výpočetní technice i spotřební elektronice.
• Barvivové používají roztoky různých organických barviv. Pomocí několika druhů barviv a metod tzv. nelineární optiky je možno dosáhnout prakticky všech vlnových délek od 300 nm do 1500 nm. Proto se kapalinové lasery používají např. ve spektroskopii. Jejich nevýhodou je krátká životnost aktivního prostředí, které se teplem a světlem rozkládá.
• FEL neboli Free Electron Laser - lasery založené na volných elektronech. Tyto lasery získávají energii z urychlených elektronů, které současně tvoří aktivní prostředi laseru. Jsou lehce "přeladitelné", vlnovou délku výstupu lze nastavit pouhou změnou energie elektronů. Tyto lasery také mohou dosahovat velmi vysokých intenzit záření a proto jsou často spojovány s vojenskými lasery budoucnosti.

Tím zakončíme dnešní díl miniseriálu a příště se podíváme na stavbu jednoduchého laserového ukazovátka.