Hana Lapšanská Laserové technologie v praxi Laser je zdrojem zvláštního druhu světla, které se v přírodě nikde nevyskytuje. Je monochromatické a má podobu úzkého směrovaného paprsku s velmi nízkou rozbíhavostí a díky svým jedinečným vlastnostem jej lze zaostřit na velmi malý průměr. Od sestrojení prvního funkčního laseru uplynulo 50 let. V souvislosti s touto událostí byla v letošním roce uspořádána řada vědeckých a oborových konferencí s cílem transferu poznatků jak v oblasti vývoje moderních typů laserů, tak zkušeností z různých oblastí jejich aplikací. Rozmanitost dostupných laserů odpovídá širokému poli jejich možného využití. Každá aplikace má svá specifika a je pro ni vhodný určitý typ laseru. Laser se postupem času stal nepostradatelným nástrojem nejen vědy a výzkumu, ale především řady odvětví průmyslu, medicíny, ale i běžného života většiny členů moderní společnosti. Pravděpodobně jen málokdo se nesetkal se žádným zařízením využívající laserové záření nebo naopak produktem vyrobeným za použití laseru. Tento text přináší přehled běžných aplikací laserů se zaměřením na jejich průmyslové využití a je určen především studentům nefyzikálních oborů. SPOLE NÁ LABORATO OPTIKY UNIVERZITA PALACKÉHO V OLOMOUCI Obsah 1. Laser, jeho fyzikální podstata a vlastnosti 2 1.1. Stimulovaná emise záření....................................... 2 1.2. Vlastnosti a kvalita laserového svazku................................ 3 2. Konstrukce laseru. Základní součásti laserových systémů 4 3. Klasifikace laserů 5 4. Současné využití laserů 5 4.1. Lasery v domácnostech a kancelářích................................ 5 4.2. Lasery ve výzkumu i praxi....................................... 6 4.3. Průmyslové aplikace výkonových laserových systémů...................... 7 4.4. Laserové zbraně............................................. 10 5. Bezpečnost práce s lasery 10 5.1. Třídy bezpečnosti laserů........................................ 11 5.2. Ochranné prostředky a bezpečnostní opatření pro práci s laserem.............. 12 6. Trendy v oblasti laserových systémů 12 6.1. Diodové (polovodičové) lasery..................................... 12 6.2. Diodou čerpané lasery......................................... 13 6.3. Deskové (slab) CO₂ lasery....................................... 16 7. Závěr 16 8. Literatura 17 verze z 13. prosince 2010 volně šířitelný text Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky v rámci projektu Moderní technologie ve studiu aplikované fyziky (CZ.1.07/2.2.00/07.0018).
1. Laser, jeho fyzikální podstata a vlastnosti Slovo LASER je akronymem anglického Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, tedy zesílení světla stimulovanou emisí záření. K zesílení světla dochází opakovanými průchody fotonů médiem se specifickými vlastnostmi. První funkční laser (obr. 1) byl sestrojen v roce 1960 americkým fyzikem T. H. MAIMANEM. Šlo o rubínový laser s vlnovou délkou 694,3 nm. Ve srovnání s dnešními lasery byl velmi nedokonalý a zdaleka ne tak efektivní. Využíval jen tři energetické hladiny krystalu rubínu, a proto mohl pracovat pouze v pulsním režimu. Tento nedostatek odstranili fyzici N. G. BASOV, A. M. PROCHOROV a CH. H. TOWNES použitím více energetických hladin, čímž bylo umožněno ustavení populační inverze, a tím i souvislé činnosti laseru. Za svůj objev společně obdrželi v roce 1964 Nobelovu cenu.... Obrázek 1: Schéma a fotografie prvního rubínového laseru Brzy se začaly objevovat další typy laserů. Lišily se vlnovou délkou generovaného záření, konstrukčním uspořádáním, a také výkonem a účinností. Každý laser našel své uplatnění v jiné oblasti lidské činnosti, protože ne každý laser se hodí pro každý účel a neexistuje univerzální laser, který by vyhovoval všem podmínkám a požadavkům. V současnosti se vyrábí lasery pokrývající širokou část spektra od mikrovlnné, přes infračervenou, viditelnou a ultrafialovou až po rentgenovou. Vlnové délky těchto laserů jsou v rozmezí od stovek mikrometrů až po jednotky nanometrů. To odpovídá širokému okruhu jejich možného využití. 1.1. Stimulovaná emise záření Základem každého laseru je aktivní prostředí. Jde o medium schopné zesilovat jím procházející záření díky stimulované emisi. Jde o jev, který může nastat při interakci fotonu s atomem nebo molekulou. Obecně jsou možné tři základní typy interakcí. Jejich schémata znázorňuje obr. 2.... Obrázek 2: Schéma a) absorpce, b) spontánní emise, c) stimulované emise záření. Uvažujme dvě energetické hladiny 1 a 2 některého atomu daného materiálu s energiemi E 1 a E 2 (E 1 < E 2 ). Mohou to být jeho libovolné dvě hladiny, ale pro jednoduchost je vhodné hladinu 1 považovat za hladinu základní, tj. kvantový stav s minimální energií. Nechť nejdříve leží atom na hladině 1. Atom má tendenci na základní hladině setrvat, dokud mu není nějakým způsobem dodána energie. Tímto stimulem ke změně jeho energetického stavu může být dopadající elektromagnetická vlna reprezentovaná fotony. Je-li energie jejích fotonů rovna rozdílu E 2 E 1, absorbuje atom tuto energii a s konečnou pravděpodobností přejde na hladinu 2. Tento jev je nazývá absorpce záření (obr. 2a). Dále předpokládejme, že se atom již nachází na hladině 2. Do tohoto stavu se mohl dostat například výše popsanou absorpcí záření. Vzhledem k tomu, že E 2 > E 1, má atom tendenci přejít do energeticky výhodnějšího stavu, tj. na hladinu 1. Současně musí snížit svoji energii o rozdíl E 2 E 1. Je-li energie vyzářena v podobě elektromagnetického záření, nazývá se tento děj spontánní emise (obr. 2b). Frekvence uvolněného vlnění ν splňuje vztah ν = E 2 E 1, (1) h kde h je Planckova konstanta. Spontánní emise je tedy charakterizována vyzářením fotonu s energií hν = E 2 E 1. 2
V případě, že se atom nachází na hladině 2 a současně na něj dopadá elektromagnetická vlna s frekvencí ν, tedy frekvencí spontánně emitované vlny, existuje nenulová pravděpodobnost, že dopadající vlna donutí atom přejít do stavu 1 za současné emise záření s energií hν. Dopadající a emitované vlnění mají stejný směr, jsou ve fázi, skládají se a tím dochází k zesílení původního vlnění. Došlo ke stimulované emisi záření (obr. 2c). Stimulovanou emisi předpověděl už v roce 1917 ALBERT EINSTEIN, ale poprvé byla pozorována až v roce 1928 RUDOLFEM LADENBURGEM a HANSEM KOPFERMANNEM. Nutným předpokladem nepřetržité stimulované emise je přítomnost inverzní populace (populační inverze), tedy přebytku částic na vyšších energetických hladinách vůči počtu částic na hladinách nižších. V opačné případě by došlo k opětovné absorpci uvolněné energie částicemi z nižších hladin. 1.2. Vlastnosti a kvalita laserového svazku Jak již bylo uvedeno, laser je zdrojem záření unikátních vlastností. Stimulovaně emitované fotony (záření) mají všechny stejnou vlnovou délku¹, a tím i energii. Vlnová délka záření definuje jeho barvu. Laserové záření je proto monochromatické. Fotony laserového záření jsou navíc ve fázi a postupují stejným směrem (koherence záření). Srovnání emise záření běžného tepelného zdroje (žárovka, výbojka apod.) a laseru uvádí obr. 3. Vysoká koherence a nízká rozbíhavost laserového svazku umožňují jeho fokusaci (soustředění) na velmi malý průměr, a tím dosažení vysoké hustoty výkonu laserového záření.... Obrázek 3: Srovnání emise záření běžného tepelného zdroje a laseru. Důležitým parametrem při volbě laseru pro konkrétní aplikaci je kvalita jeho svazku. Mírou kvality laserového svazku je jeho schopnost být fokusován. Pro kruhově symetrické svazky ji kvantitativně definuje veličina Beam Parameter Product BPP, kterou je možné vyjádřit BPP = w 0 Θ, (2) kde w 0 je poloměr pasu svazku a Θ je polovina divergence (rozbíhavost) svazku (obr.4). Divergence svazku je úměrná jeho vlnové délce λ Θ = M 2 λ, (3) πw 0 kde M 2 je faktor kvality svazku. Pro gaussovské svazky M 2 = 1, pro ostatní M 2 > 1. M 2 vyjadřuje kvalitu svazku jako poměr BPP tohoto svazku a BPP gaussovského svazku stejné vlnové délky, tedy M = BPP λ π = π λ BPP nebo BPP = λ π M2. (4) Čím větší je vlnová délka záření, tím obtížnější je jeho fokusace, dosahuje vyššího BPP a tedy nižší kvality.... Obrázek 4: Schéma pasu svazku s vyznačením poloměru svazku w 0, jeho divergence Θ a dalších parametrů. ¹Pro srovnání záření tepelného zdroje (např. klasická žárovka) obsahuje fotony s vlnovými délkami pokrývající celou viditelnou (380 nm až 760 nm) a část infračervené oblasti. 3
2. Konstrukce laseru. Základní součásti laserových systémů Kromě již zmiňovaného aktivní prostředí, ve kterém dochází ke stimulované emisi jsou nezbytnými základními součástmi laserových systémů čerpací zařízení, optický rezonátor, vedení svazku, chlazení, manipulační zařízení a řídící počítač. Čerpací (budicí) systém dodává energii aktivnímu prostředí a zajišťuje přebytek částic ve vyšším energetickém stavu, tedy inverzní populaci nutnou pro zajištění stimulované emise. Pro dosažení vyššího počtu stimulovaných přechodů oproti spontánním musí být zařazen optický rezonátor. Jde o dvě zrcadla, mezi nimiž je umístěno aktivní prostředí (obr. 5). Záření vystupující z aktivního prostředí se odráží od zrcadla zpět do aktivního prostředí, kde funguje jako podnět k další stimulované emisi. Opakovanými odrazy se laserové záření zesiluje. Po dosažení požadované intenzity opouští svazek rezonátor jedním ze zrcadel, které je částečně propustné.... Obrázek 5: Schéma optického rezonátoru. V případě průmyslových laserů je svazek opouštějící rezonátor dál upravován systémem čoček a clon, který zvyšuje kvalitu a upravuje průměr výstupního svazku. Tento systém se nazývá expander a slouží především ke snížení divergence svazku. V expanderu dochází k velkým energetickým ztrátám, což vždy snižuje výslednou účinnost laserového systému. Kvalita svazku je však v řadě aplikací preferována před jeho výkonem. Filtrovaný svazek je dále soustavou zrcadel a čoček veden do pracovní hlavy laseru (laserové hlavice), případně do optického vlákna a jejich prostřednictvím k místu určení. Materiál, ze kterého jsou optické komponenty vyrobeny, závisí na vlnové délce generovaného záření a nesmí toto záření pohlcovat. Nejvíce se používá dielektrické sklo nebo leštěné kovy. Vyžaduje-li konkrétní aplikace vzájemný pohyb svazku a ovlivňovaného materiálu používají je pracovní stoly s přesnými motorizovanými posuvy, případně pohyblivé laserové hlavy. Pro přesný 3D pohyb se využívá robotů a manipulátorů. Vzhledem k velkým energetickým ztrátám při buzení aktivního prostředí, dalším ztrátám v rezonátoru i na optických prvcích, kterými svazek prochází, dochází k významnému ohřevu mnoha součástí během činnosti laseru. Je-li aktivním prostředím krystal, může docházet i ke změnám jeho rozměrů, a tím i vlastností a při určité teplotě přestává laser fungovat. Každý výkonový laserový systém proto musí být vybaven chladícím zařízením. Tradičně se využívá především chlazení založené na proudění kapaliny, nejčastěji demineralizované vody. Na závěr uveďme velmi významnou součást laserového systému, kterou je řídící počítač, který je často již zabudován do opláštění systému. Obsahuje software pro nastavení všech volitelných parametrů laseru a je jím ovládáno otvírání a zavírání laserové závěrky i vzájemný pohyb pracovního stolu a laserové pracovní hlavy. Jednoduché pohyby mohou být definovány například přímo v G-kódu, kterým lze řídit start a stop laseru, ale pro složitější geometrie je vhodné využít některý z 3D CAD programů a jeho data importovat do řídícího programu. 4
3. Klasifikace laserů Lasery je možné dělit podle typu aktivního prostředí, vlnové délky, pracovního režimu, způsobu buzení, výkonu, účelu a dalších parametrů. Přehled tří základních způsobů klasifikace laserů uvádí tabulka 1. Podle typu aktivního prostředí: plynové Podle vlnové délky: Podle režimu práce: pevnolátkové diodové kapalinové atomární: He-Ne, He-Cd, Cu, I iontové: Ar, Kr molekulární: CO₂, N₂, H₂ excimerové: XeBr, KrO, ArO Nd:YAG, Nd:sklo, Er:YAG, Yb:YAG, Ti:safír, rubínový GaAs, GaN, PbSnSe, InAsSb na bázi organických barviv: coumarin, fluorescein, cyanin, rhodamin, oxazine infračervené (780 nm 1 mm) emitující ve viditelné oblasti (360 780 nm) ultrafialové (10 360 nm) kontinuální (nepřetržitá generace záření) pulsní (ns, ps, fs pulsy s vysokou opakovací frekvencí) impulsní (vysoce energetické pulsy s nízkou opakovací frekvencí)... Tabulka 1: Základní klasifikace laserů. 4. Současné využití laserů Lasery své uplatnění nacházejí v nejrůznějších oborech. Tato kapitola přináší příklady jejich možného využití. Jistě nepostihne všechny aplikace laserů. Jejím cílem je informovat o pestrosti použití laserů a upozornit také na fakt, že s lasery a s nimi souvisejícími produkty se setkáváme takřka na každém kroku. 4.1. Lasery v domácnostech a kancelářích S lasery se můžeme setkat v řadě domácností nebo kanceláří. Součástí osobních počítačů či notebooků jsou často optické mechaniky (CD, DVD, Blu-ray). Tato zařízení fungují na principu zápisu a čtení dat pomocí laserového svazku. Nepočítačovými optickými mechanikami jsou CD přehrávače, DVD přehrávače a rekordéry. Nejdůležitější částí optické mechaniky je polovodičový laser (780 nm pro CD, 650 nm pro DVD a 405 nm pro Blu-ray). Čočkou usměrněný laserový paprsek (225 mw v pulsu pro DVD) dopadá na povrch zapisovatelného disku, který na vrstvě zlata či hliníku obsahuje organickou vrstvu krytou vrstvou polykarbonátu. Laserový paprsek projde vrstvou polykarbonátu, propálí organickou vrstvu až k vrstvě zlata, a tím vytvoří důlek (pit). Série důlků pak reprezentuje konkrétní informaci. Rychlost vypalování je úměrná výkonu použitého laseru. Čtecí laser (do 5 mw) pak vysílá paprsek na otáčející se disk. Místa s odpařenou organickou vrstvou odráží svazek s různou intenzitou než místa neovlivněná. Změny intenzity zaznamenává fotodioda, která je převádí na elektrický signál, který se dál zpracovává. Dostupné jsou dnes také laserové tiskárny, v nichž laserový paprsek vykresluje na světlocitlivý válec text nebo obrázek. Povrchovou vrstvu válce tvoří polovodič, jehož elektrický náboj v místě dopadu laserového svazku významně poklesne. Na povrch válce je pak nanesen toner, který přilne pouze na místech, která byla ovlivněna laserovým paprskem a mají opačný náboj. Ostatní části válce jsou stejně nabity jako částice toneru, a proto jej odpuzují. Uchycený toner se otiskne na papír a proběhne jeho tepelná fixace. Mechanický stěrač pak setře zbytky toneru z válce a odvede se i jeho náboj. Válec je připraven pro vykreslení dalších obrazů. Přednostmi laserové tiskárny jsou vyšší kvalita tisku a nižší náklady na tisk, její nevýhodou je vyšší pořizovací cena ve srovnání s inkoustovou tiskárnou. Laserová myš s vyšší přesností pohybu nebo laserová ukazovátka jsou dnes také běžné. Laserová ukazovátka bývají často používána téměř jako hračka. Nesmíme však zapomínat, že i jejich záření může vést k poškození zraku. 5
4.2. Lasery ve výzkumu i praxi 4.2.1. Laserová interferometrie a holografie Laserové interferometrické měřící systémy využívají interference dvou a více laserových vln k přesnému odměřování. Využívají se k měření polohy trojosých polohovacích stolků, ke kalibraci snímačů délky nebo měření indexu lomu plynných prostředí. Nanometrologie je založena na zobrazování vzorků technikami sondové mikroskopie (např. mikroskopie atomárních sil). Polohování sondy mikroskopu musí být odměřováno interferometricky s přímou návazností na základní etalon délky (stabilizovaný laser). Sestava pro měření polohy vzorku vychází z nanopolohovacího souřadnicového stolu a systému šesti interferometrů monitorujících polohu stolu ve všech stupních volnosti. Sondový mikroskop je umístěn nad vzorkem. Limity nejistoty měření jsou dané mechanickou tuhostí sestavy a vlivem změn indexu lomu vzduchu. Rozlišení interferometrů je pod 1 nm. Další oblastí využívající laser je holografie. Holografie je způsob optického zobrazování, založený na interferenci a ohybu světelných svazků. Svazek monochromatického koherentního světla odražený od předmětu se skládá s pomocným svazkem stejných vlastností v rovině fotografické desky. Snímek (hologram) osvětlený původním pomocným svazkem působí jako ohybová mřížka a pozorovatel v propuštěném nebo odraženém světle vidí trojrozměrný obraz původního předmětu. 4.2.2. Laserová spektrometrie Laserová spektrometrie slouží ke studiu chemického složení látek. Laser je využíván k vyvolání kvantových přechodů ve zkoumané látce. Uvolněné záření má charakteristické spektrum a jeho rozborem lze získat informace o zastoupení chemických prvků ve zkoumané látce. Vysoká směrovost laserového záření umožňuje spektroskopická měření provádět i na dálku, čehož se využívá například při detekci znečištění ovzduší nebo analýze složení hvězd. V infračervené oblasti se používají molekulární plynové lasery a polovodičové lasery, ve viditelné oblasti barvivové lasery a v ultrafialové oblasti lasery excimerové. 4.2.3. Laserová bezdrátová komunikace Laserová komunikace je založena na přenosu signálu laserovým svazkem. Kvalita přeneseného signálu i dosah přenosu jsou velmi vysoké. Laserový vysílač generuje světelné paprsky s nízkou rozbíhavostí (do 6 mrad). Paprsek nesoucí informaci se šíří prostředím k přijímači, prochází jeho aperturou a je promítán na detekční prvek pro dekódování přenášené informace. Intenzita používaných laserů je tak nízká, že nehrozí žádné ohrožení zdraví či majetku. K přenosu se používají lasery v rozsahu optických vlnových délek, a proto nedochází k znečišťování životního prostředí vyzařováním. Přenos probíhá téměř rychlostí světla. Laserový svazek je velmi úzký, jeho rušení či odposlouchávání velmi obtížné, a proto může být použit k přenosu šifrovaných zpráv. Výhody oproti rádiové komunikaci spočívají ve vyšší přenosové rychlosti (až 2,5 Gbit.s 1 ), nemožnosti vzájemného rušení, možnosti vysílání bez kmitočtové licence (používané vlnové délky leží mimo regulované spektrum) a také příznivý poměr cena/výkon. Možná je nejen komunikace mezi stacionárními pozemními objekty, ale uplatňují se i satelitní optické spoje pro komunikaci mezi Zemí a družicemi či družicemi a letouny, což se poprvé podařilo v roce 2006. Nedostatkem laserové komunikace je potřeba přímé viditelnosti vysílače a přijímače a značný útlum záření v atmosféře. To se obvykle řeší použitím více svazků pro přenos téže informace. 4.2.4. Lasery pro měření vzdáleností K měření a kontrole přesnosti rozměrů miniaturních součástí, ale také vzdálenosti velkých objektů je rovněž možné využít laser. Brzy po svém objevení byl laser použit v radarovém systému jako vysílač záření. Laserový radar umožnil měřit vzdálenosti objektů, které odrážejí dopadající záření zpět do směru dopadajícího svazku. Určení vzdálenosti je založeno na měření času, který uplyne od vyslání světelného impulsu (rubínový, Nd:YAG laser) k jeho detekci po odrazu od měřeného objektu. Dosah laserového radaru je menší než 20 km při měření pozemních objektů, letadel či lodí s přesností několika decimetrů. Při měření vzdálenosti umělých družic Země bylo dosaženo vzdálenosti 10 000 km a nejvzdálenějším měřeným objektem byl Měsíc (384 400 km). Na povrchu družic i Měsíce jsou upevněny laserové odražeče pro zajištění vyšší intenzity odraženého svazku umožňující měření vzdálenějších objektů s přesností až několik milimetrů. Laserové radary se uplatňují při studiu dynamiky zemských družic, v geodézii (zde navíc He-Ne laser pro vytyčováni tras) i geofyzice (pohyb kontinentů, až 5 cm za rok) a můžete se s nimi setkat při měření rychlosti motorových vozidel. Měření vzdáleností laserem se používá i ve stavebnictví. 6
Dnes jsou již běžné nivelační lasery pro vytyčování vodorovné, svislé a skloněné roviny a pravých úhlů a dostupnými se staly i kompaktní laserové dálkoměry. Pomocí laseru je možné určit rovněž míru znečištění ovzduší či vody na základě měření rozptylu svazku v těchto prostředích. Pro kontrolu rozměrů součástí s přísnými rozměrovými tolerancemi je možné použít laserové mikroskopy. Příkladem takového mikroskopu může být laserový konfokální rastrovací mikroskop, pomocí něhož lze provést 3D rekonstrukci povrchu součásti, a vytvořit tak topografickou mapu s vysokým rozlišením. Díky tomu lze měřit rozměry součástí nejen v rovině kolmé na dopadající svazek, ale především jsou dostupné také výškové charakteristiky součásti. Můžeme tak určovat například hloubku místních prohlubní či defektů nebo naopak výšku výstupků na povrchu rozměrnějších součástí, které by byly jinými metodami s požadovanou přesností jen obtížně zjistitelné. 4.2.5. Laserové závory a alarmy Laserová závora je jednoduché zařízení složené ze zdroje laserového záření a senzoru. Laserový paprsek se namíří na senzor, který detekuje maximální intenzitu záření. Při přerušení paprsku (osobou nebo předmětem) zaznamená senzor významný pokles intenzity, neboť v tu chvíli detekuje pouze okolní světlo. Taková změna může být podnětem k reakci, např. ke spuštění zvukového alarmu. 4.2.6. Restaurování památek a laserové dekorace Lasery (excimerové, vláknové) se používají k restaurování soch a obrazů. Jedním pulsem lze odstranit několik desítek mikrometrů tlustou nežádoucí vrstvu starého laku nebo nánosů prachu nebo sazí a postupně tak odhalit původní barevnost těchto uměleckých děl. Trendem posledních let se stalo laserové dekorování skla, při kterém v místě dopadu fokusovaného svazku dojde k částečnému odpaření skloviny a jejímu povrchovému popraskání. Vzniklé prasklinky rozptylují dopadající světlo, a tím vzniká efekt zářivého dekoru. K dekoraci skla se používají CO₂ lasery, jejichž záření je sklem dobře absorbováno. Podobně lze vytvářet efektní trojrozměrné objekty uvnitř skleněných bloků. V takových případech se používají Nd:YAG lasery, jejichž záření prochází sklem a vytváří pouze malou stopu v místě, na které je fokusováno. 4.2.7. Lasery v medicíně Již rok po sestrojení vůbec prvního laseru byl rubínový laser použit k přivaření odchlípnuté sítnice lidského oka, a nahradil tak do té doby používaný fotagulátor s xenonovou lampou. Ve stejné době bylo vyzkoušeno působení laseru na kůži při odstraňování červených skvrn na kůži (oheň, naevus flammeus) a kožních nádorů. V roce 1965 proběhly první pokusy laserových operací duhovky, ve stejném roce byl představen Nd:sklo laser jako chirurgický nůž a v roce 1964 první chirurgický CO₂ laser. Laserové operace očí jsou rychlé, méně bolestivé a obvykle se provádí ambulantně. Rubínový laser byl postupně nahrazen argonovým laserem, pulsním Nd:YAG laserem a diodovými lasery. Kromě oftalmologie (korekce krátkozrakosti, dalekozrakosti, astigmatismu) a dermatologie se v dnešní době používá také v plastické a estetické chirurgii (laserové omlazení pleti, korekce vrásek, odstranění žilek či tetování, laserová liposukce), kardiovaskulární chirurgii (rozbití krevních sraženin, operace cév), neurochirurgii, gynekologii (odstranění nádorů, labioplastika), urologii a řadě dalších medicínských oborů. Hlavní předností použití laserového svazku jsou jeho unikátní vlastnosti, které umožňují vysokou přesnost zásahu a také intenzivnější účinek daný vysokou hustotou výkonu laserového svazku. Laser se v medicíně nevyužívá pouze k operacím či léčení, ale je i součástí v dnes nepostradatelných diagnostických zařízení, kterými jsou například optický koherentní tomograf nebo skenovací laserový oftalmoskop. 4.3. Průmyslové aplikace výkonových laserových systémů Díky schopnosti laserového svazku být fokusován na velmi malý průměr je laser zdrojem záření s vysokou plošnou hustotou výkonu. Interakce tohoto záření s látkou se začalo využívat již v druhé polovině šedesátých let, tedy krátce po sestrojení vůbec prvního laseru. Laser se postupem času stal nepostradatelným nástrojem v oblasti vrtání, řezání, svařování nebo úpravy povrchů součástí díky vysoké kvalitě opracování bez mechanického kontaktu, schopnosti zpracovávat materiály, které jsou konvenčními technologiemi jen obtížně zpracovatelné, navíc s možností automatizace a s vysokou opakovatelností, větší flexibilitou umožňující kusovou výrobu a v řadě případů i s nižšími náklady. 7
4.3.1. Laserové vrtání Vrtání laserem bylo poprvé provedeno již v roce 1965 pro přípravu otvorů v diamantových průvlacích pro tažení drátů (rubínový laser). Laserové vrtání je založeno na odpařování materiálu, a vyžaduje tedy vysokou hustotu výkonu dopadajícího laserového svazku. Po dopadu fokusovaného svazku se materiál lokálně ohřeje na teplotu varu a dojde k jeho částečnému odpaření. Vytvoří se dutina, podle charakteristického tvaru nazývaná keyhole (obr. 6). Uvnitř dutiny dochází k mnohonásobným odrazům záření, což má za následek náhlý vzrůst absorpce, a tím i prohloubení otvoru.... Obrázek 6: Schéma laserového vrtání. K vrtání se používají především pulsní lasery. Při dostatečném výkonu pulsů a malé tloušťce materiálu může dojít k úplné penetraci po dopadu jediného pulsu. Obvykle se však využívá opakování řady pulsů v definovaných sériích. Vrtat laserem lze nejen kovy, ale také plasty, dřevo, sklo, keramiku a další materiály. 4.3.2. Laserové řezání Při laserovém řezání je dosahuje velmi úzkých, přesných a hladkých řezů bez okují. Hrany jsou kolmé i při větších tloušťkách materiálu a zpravidla nejsou nutné jejich žádné další úpravy. Hloubka řezu závisí na výkonu laserového systému a na druhu řezaného materiálu. Například 20 mm tlustý ocelový plech vyžaduje pro své dělení svazek s průměrným výkonem 5 kw. Existuje řada technologií laserového dělení materiálů. Mezi základní a nejčastěji používané patří odpařovací a tavné řezání, a dále laserové orýsování, studené řezání a kontrolovaný lom, LASOX proces a další. Podrobněji budou popsány pouze některé. Odpařovací řezání je prakticky vrtáním řady otvorů jeden vedle druhého. Této metody se využívá především pro dělení netavitelných materiálů, jakými jsou dřevo, uhlík nebo některé plasty. Pro dělení kovů by byl zbytečně energeticky náročný, neboť vyžaduje velmi vysokou hustotu výkonu svazku. Nejčastěji využívané je tavné řezání. Jeho princip spočívá v místním natavení materiálu po dopadu laserového svazku a následném odstranění taveniny ze vznikající spáry proudem vysokotlakého plynu přiváděného koaxiálně s laserovým svazkem, který současně ochlazuje dělený materiál (obr. 7).... Obrázek 7: Schéma laserového řezání. Objem odstraněného materiálu za jednotku času odpovídá průměrnému výkonu laserového systému, tloušťce materiálu, jeho tepelným vlastnostem, velikosti pracovní rychlosti systému a dalším parametrům. Ve srovnání s odpařovacím řezáním je pro řezání stejné tloušťky potřebná jen desetina výkonu. Je-li navíc použit plyn, který exotermicky reaguje s materiálem, získáváme další zdroj tepla a energie svazku pak může být nižší nebo při její stejné hodnotě je možné použít vyšší pracovní rychlost pro dosažení ekvivalentních výsledků. Tento způsob se označuje jako reaktivní tavné řezání a jako pracovní plyn se používá kyslík nebo směs plynů s obsahem kyslíku. Další metodou je laserové orýsování, které spočívá ve vytvoření zářezů nebo řady otvorů pomocí svazku s nízkou energií a vysokou plošnou hustotou výkonu. Zpravidla nedochází k úplné penetraci 8
materiálu, ale pouze k jeho zeslabení. Následným mechanickým působením dojde k lomu podél laserem připravených vrypů. Metoda se používá především pro dělení křehkých a tepelně citlivých materiálů a v modifikované podobě ji lze použít i pro značení materiálů. Pro dělení některých druhů plastů a především pak organických látek se uplatňuje tzv. studené řezání. Používají se k němu výkonové excimerové lasery, které vyzařují v ultrafialové spektrální oblasti. Energie fotonů emitovaného záření dosahuje hodnot 4,9 ev, což odpovídá vazebné energii řady organických látek. Působením tohoto záření dochází k narušení mezimolekulárních vazeb a k ablaci. Materiál je odstraněn bez tavení a nedochází k téměř žádnému ohřevu okolí. Excimerové lasery se v průmyslu používají hlavně pro mikroaplikace a své uplatnění nalézají především v medicíně, kde se používají při operacích rohovek, odstraňování tumorů a řadě dalších chirurgických výkonů. 4.3.3. Laserové svařování Při působení laserového svazku s vysokou plošnou hustotou výkonu dochází k rychlému lokálnímu ohřevu, při kterém se nestihnou plně uplatnit mechanismy vedení a sálání tepla. Ohřev, natavení, spojení i následné ochlazení součástí při svařování laserem probíhají velmi rychle, díky čemuž získáváme úzkou tepelně ovlivněnou oblast v okolí svaru, a tím i mnohem menší deformace svarů. Dalšími přednostmi použití laseru jsou vysoká rychlost svařování, vysoká pevnost a také čistota svarů díky bezkontaktnímu přístupu nebo možnost svařovat materiály s velmi rozdílnými teplotami tavení. V závislosti na výkonu laseru a průměru fokusovaného svazku, případně poloze ohniska vůči materiálu, získáváme konkrétní velikost hustoty výkonu svazku, podle níž dělíme techniky svařování laserem na kondukční, penetrační a keyhole svařování vzhledem k dosahovanému poměru hloubky k šířce svaru (obr. 8a). Schéma svařování uvádí obr. 8b.... Obrázek 8: Schéma laserového svařování. Svařování laserem postupně vytlačuje obloukové svařování. Aby bylo použití laseru ekonomicky výhodné, je nutná produkce velkých sérií. Ke svařování se nejčastěji používají CO₂ lasery, Nd:YAG lasery a nově především diodové lasery. Laserem se svařují hermetická pouzdra miniaturních relé, tranzistory, kardiostimulátory, mikroelektronické součástky, rámy jízdních kol, ale také plechy v automobilovém průmyslu. 4.3.4. Laserové zpracování povrchů Vůbec nejčastěji je laser v průmyslu využíván ke značení kovových součástek. Popisovací laser, nejčastěji diodový, bývá obvykle zařazován přímo do výrobních linek, což urychluje výrobu finálního produktu. Laser je možné využít také k popisu nekovových materiálů. Známé je například značení skel automobilů nebo popis plastových součástí klávesnic. Dále je možné značit také kompozity, keramiku či pryže a plasty. Značení materiálů laserem má řadu předností. Je stálé, má vysoký kontrast a je možné provést popis do libovolné hloubky. Lze popisovat také nepravidelné nebo zakřivené povrchy a vytvářet složitou grafiku nebo texty, případně čárové kódy. Obraz se vytváří nejčastěji rozmítáním svazku po povrchu materiálu. Interakce svazku s materiálem vede k jeho místnímu odpaření nebo změně barvy. Popis se provádí vysokou rychlostí a je to bezkontaktní metoda, která neohrožuje popisovaný materiál. K popisu se používají kontinuální diodou čerpané Nd:YAG lasery s hustotou výkonu 2,5 kw.mm 2 a vysokou kvalitou svazku. Popisovací rychlost dosahuje v závislosti na druhu materiálu až 4 000 mm.s 1 s rozlišením 0,002 mm. Významnou aplikací laserů při úpravách povrchů materiálů je laserové zpevňování, kalení. Díky dodání vysoce koncentrované energie a následnému rychlému ochlazení, se vytváří tenká vrstva, která může mít významně lepší mechanické vlastnosti než základní materiál, například vyšší tvrdost, pevnost nebo odolnost proti opotřebení. Používá se rozostřený svazek, případně rozmítaný svazek, pro pokrytí co největší plochy povrchu. Hloubka ovlivněné vrstvy závisí na hustotě výkonu svazku a na době jeho interakce s materiálem. Při vyšší hustotě výkonu svazku dochází navíc k natavení povrchu materiálu. Je-li do taveniny současně dodáván jiný materiál, hovoříme o laserovém legování. Vznikající povrchová struktura je homogenní 9
směsí dodávaného a základního materiálu. Její tloušťka může být od 1 µm až 2 mm a její vlastnosti závisí na vlastnostech podkladu a přidávaného materiálu. Tímto způsobem bývá sycen povrch ocelí chrómem, niklem nebo molybdenem, hliník křemíkem, uhlíkem, dusíkem nebo niklem a další materiály pro získání požadovaných vlastností povrchu. Výhodou oproti konvenčním způsobům legování povrchů je dosažení malé hloubky ovlivněné vrstvy a díky nízké dodávané energii i malá tepelně ovlivněná oblast, což umožňuje lokální legování bez ovlivnění okolního povrchu. Je-li přídavný materiál přiváděn rovnou do svazku, nikoli až do nataveného povrchu, nebo je připraven na povrchu zpracovávaného materiálu před jeho tepelným ovlivněním, dochází k laserovému plátování, povlakování (obr. 9). Vzniklé vrstvy mají obvykle větší tloušťku než při legování a připravují se především pro zvýšení mechanické a korozní odolnosti povrchu.... Obrázek 9: Schéma laserového povlakování. Dalším příkladem tepelného zpracování laserem je texturování, kdy se laserovým svazkem vytváří pravidelný vzor na povrchu materiálu. Tímto způsobem je možné ovlivňovat drsnost povrchu nebo jeho odrazivost, což se využívá například při výrobě fotovoltaických článků. Existuje řada dalších odvětví, které bychom mohli zařadit do této kategorie, např. laserové gravírování, glazování, leštění nebo čištění, ale také laserové mikroobrábění pro výrobu vysoce přesných součástek nebo modelů. Trendem dnešní doby je řešení problematiky kombinace laserů s obráběcími stroji pro komplexní obrobení součásti na jedno upnutí. 4.4. Laserové zbraně Laserové zbraně již dávno nepatří jen do vědecko-fantastických povídek. Ve většině vyspělých zemí probíhá vývoj výkonných laserů, které mají fungovat jako zbraně (pozemní laserové zbraně, laserové pušky, lasery vyzbrojená letadla nebo dokonce družice), příp. jako ochrana před jinými zbraněmi (k ničení nepřátelských raket, granátů a min). Mezi nejvýznamnější přednosti laserových zbraní patří jejich vysoká hustota výkonu. Díky vysoké rychlosti šíření laserového svazku (300 000 km.s 1 ) navíc není nutné počítat s pohybem cíle vůči zbrani. Laserové paprsky jsou obvykle okem neviditelné, jsou neslyšitelné, a nehrozí tak prozrazení pozice zbraně. Hlavním nedostatkem je energetická náročnost laserů z důvodu jejich nízké účinnosti, což značně omezuje vývoj přenosných laserových zbraní. Nevýhodou je také nutnost přímé viditelnosti cíle a silná absorpce záření některých vlnových délek atmosférou, což vede k omezení dosahu laserových zbraní. Výkony laserových zbraní dosahují od stovek wattů (zbraně pro oslnění osob nebo optických senzorů běžná součást výzbroje armády i bezpečnostních sborů, oslepující pušky) přes desítky killowattů (zbraně pro likvidaci přístrojů nebo osob) a stovky kilowattů (zbraně pro sestřelování vzdušných cílů) až megawattů (zbraně určení k ničení balistických raket, těžké dělostřelecké munice, družic či odolných pozemních cílů). 5. Bezpečnost práce s lasery Zdroje laserového záření představují nebezpečí pro živé tkáně i životní prostředí. Jejich účinky lze dělit na tepelné, netepelné a vedlejší. Tepelné účinky způsobené absorpcí energie záření a její přeměnou na teplo mohou vyvolat podráždění nebo devastaci tkání. Mezi netepelné účinky řadíme akustický tlak velmi krátkých pulsů, vysoce intenzivní elektrické pole nebo fotochemické účinky. Také vedlejší účinky mohou představovat vážné nebezpečí, které může vést k poškození zdraví nebo destrukci okolního prostředí. 10
Patří sem možný úraz elektrickým proudem z vysokonapěťového výboje, požár od plamene, který vzniká při zpracování některých materiálů, výbuch při nevhodné manipulaci s plynovými lahvemi apod. Při práci s laserem je nezbytné chránit nejen kůži a zrak, ale v některých případech také sluch nebo dýchací ústrojí. Zaměřujeme se především na ochranu přímým zasažením samotným svazkem. Při používání některých typů laserů je nezbytná také ochrana před difúzně rozptýleným zářením, které rovněž může poškodit naše zdraví. Největší pozornost je obvykle věnována ochraně zraku. Jednotlivé anatomické části oka jsou citlivé na různé vlnové délky vstupujícího záření (obr. 10). Sklivec je transparentní, ale může být poškozen tlakovými účinky.... Obrázek 10: Ohrožení zraku laserovým zářením. 5.1. Třídy bezpečnosti laserů Podle výkonu, vlnové délky a účinků na lidský organismus se lasery na základě mezinárodních a národních norem zařazují do několika tříd bezpečnosti. V České republice toto upravuje Nařízení vlády č. 480/2000 Sb., část 139 ze dne 22. 11. 2000 a Zákon o ochraně veřejného zdraví a o změně některých souvisejících zákonů č. 258/2000 ze dne 14. 7. 2000. Třída I: Lasery všech vlnových délek o výkonu menším než 0,4 µw nebo všechny laserové systémy s libovolným výkonem, které mají zcela zakrytou dráhu svazku a pracovní plochu, všechna víka, kryty a dveře jsou zabezpečena proti neoprávněnému otevření během činnosti laseru. K práci s laserem této kategorie není třeba žádných dalších ochranných pomůcek. Třída II: Kontinuální lasery emitující záření ve viditelné oblasti s výkonem menším než 1 mw, před kterými je oko schopno se dostatečně chránit vrozenými reflexy, poškození však může způsobit přímý pohled po delší dobu, stejně jako do konvenčních světelných zdrojů. Oko fokusuje dopadající laserový svazek na plochu 3 10 6 cm², což pro kontinuální výkon 1 mw představuje hustotu energie 333 W.cm 2. To je přibližně 30 více než při přímém pohledu do poledního letního slunce. Do této třídy patří i laserové ukazovátko, jehož běžná dostupnost dětem představuje značné nebezpečí. Třída IIIa: Kontinuální lasery s výkonem menším než 5 mw, jejichž plošná hustota výkonu po fokusaci není větší než 2,5 10 3 W.cm 2. Oko není poškozeno, pokud okamžitě zareaguje a svazku se intuitivně vyhne. Nelze však používat pro pozorování svazku spojnou optiku. Tyto lasery musí být označeny nálepkou CAUTION nebo DANGER. Třída IIIb: Kontinuální lasery s výkonem 5 500 mw nebo pulsní lasery s plošnou hustotou energie do 10 J.cm 2, které poškozují tkáň při přímém vystavení, difúzní odraz není nebezpečný. Třída IV: Všechny lasery s výkonem od 500 mw nebo energií nad 10 J.cm 2, jejichž difusní odraz poškodí živou tkáň. Pro prácí s touto třídou laserů je bezpodmínečně nutné používat ochranné pracovní pomůcky a dodržovat předepsaný provozní řád. 11
5.2. Ochranné prostředky a bezpečnostní opatření pro práci s laserem Základní ochranné prostředky jsou obvykle dodávány již se samotným laserem. Pokud se tak nestane, je provozovatel povinen jimi pracoviště vybavit. V současné době je na trhu řada firem specializovaných na výrobu a distribuci ochranných prostředků pro práci s laserem. Mezi základní ochranné prostředky patří brýle se speciálními filtry, které nepropustí záření vlnové délky používaného laseru. Lasery různých vlnových délek tedy vyžadují různé druhy ochranných brýlí. Například při práci s CO₂ laserem jsou dostatečné brýle s obyčejnými skly doplněné bočním stíněním, neboť záření tohoto laseru o vlnové délce 10 600 nm sklem neprochází. Kůži chráníme rukavicemi a kombinézami ze speciálních materiálů, odrážejících záření dané vlnové délky. Při chodu průmyslových vysoko výkonových systémů je nezbytné chránit i sluch, neboť hluk, který produkuje současně mnoho zdrojů (elektrický zdroj, chlazení, odsávání, kompresory, případně i samotná interakce záření s materiálem aj.), může vést k jeho nevratnému poškození. Používání ochranných sluchadel nebo jiných prostředků ochrany sluch je proto v takových případech nezbytné. Laserové pracoviště musí být u vstupu vždy označeno výstražnými tabulkami (obr. 11), které jednak informují o nebezpečí laserového záření, ale také vyzývají k použití ochranných brýlí nebo ochrany kůže a upozorňují i na možnou přítomnost tlakových lahví s plyny. O chodu laseru informuje nad vchodem rozsvícené žluté světlo s nápisem: NEVSTUPOVAT LASEROVÉ ZÁŘENÍ! Současně může chod laseru signalizovat oranžová nebo červená kontrolka na laserové hlavici, kterou lze doplnit akustickým signálem, informujícím o otevření závěrky. V místnosti může být laserový systém ještě ohrazen ochrannými závěsy. Dále jsou na laseru u každé apertury, ze které může vystupovat laserové záření, umístěny výstražné štítky. Jejich vzhled je dán mezinárodní normou. Tyto štítky vždy obsahují informaci o třídě bezpečnosti laseru a možném nebezpečí. Rovněž všechny spínače a připojení vnějších kabelů s životu nebezpečným napětím musí být označeny.... Obrázek 11: Ukázky výstražných štítků používaných na laserových pracovištích. K nezbytným bezpečnostním opatřením patří také řádné proškolení obsluhy, kontrola a údržba laseru, preventivní lékařské prohlídky pracovníků a hygienické kontroly pracoviště. 6. Trendy v oblasti laserových systémů Za padesát let od sestavení prvního modelu prošly lasery velkým vývojem. Podstatně se zvýšila jejich účinnost a kvalita svazku. Dostupné jsou lasery s výkony od desetin miliwattů po desítky kilowattů, ale existují i systémy o výkonech několika desítek megawattů určené pro výzkum. Tomu odpovídá široké spektrum vlnových délek laserů. Snad všechny vyvinuté lasery našli své uplatnění a neustále se vyvíjí nové. Okruh jejich využití se tak neustále rozšiřuje. Moderní typy pevnolátkových laserových systémů disponují vyšší účinností a v závislosti na jejich plánovaném použití dosahují potřebných vlastností svazku. Trendem dnešní doby jsou diodové a diodou čerpané lasery, ať už s tyčinkovým nebo deskovým krystalem nebo diskové a vláknové lasery. 6.1. Diodové (polovodičové) lasery V případě, že je aktivním prostředím silně dopovaný polovodič, hovoříme o laserové diodě. Krystal obsahující PN přechod je opracován do tvaru hranolu tak, aby jeho čelní stěny byly kolmé na tento přechod, čímž se vytvoří Fabry-Perotův rezonátor. Aktivní prostředí je čerpáno elektrickým proudem. Z PN přechodu o ploše řádově 10 6 mm² je emitováno záření ve viditelné červené a blízké IČ oblasti, které se šíří v rovině přechodu a opakovanými odrazy se zesiluje. Jeho výkon dosahuje pouze několika miliwattů. Schéma laserové diody prezentuje obr. 12. Spřažením řady laserových diod (délka řady několik mm pro dosažení výkonu 5 W až 20 W) do sloupců (až 600 W) a bloků (obr. 13a) pak získáme diodový (nazývaný též polovodičový) laser požadovaného výkonu (až několik kw). 12
... Obrázek 12: Schéma laserové diody.... Obrázek 13: Ukázka řady laserových diod (a) a profil vystupujícího svazku (b). Svazek vystupující z rezonátoru má v horizontálním a vertikálním směru různý profil i divergenci (obr. 13b). V ose kolmé na PN přechod dosahuje divergence až 90 stupňů. Proto se na stěnu bloku umisťují válcové mikročočky, ze kterých již vystupují rovnoběžné svazky. Přesto je kvalita svazku ve srovnání s jinými typy laserů výrazně nižší, a používá se proto především v aplikacích, kdy není požadován úzký svazek s výrazným centrálním maximem intenzity a není nutné svazek fokusovat na malou plochu a naopak je žádoucí jeho větší průměr (povrchové úpravy materiálů, svařování, dermatologie). Záření laserových diod je rovněž vhodné pro navázání do optického vlákna, kterým může být vedeno na místo určení.vlnová délka diodových laserů je dána koncentrací legujících prvků v polovodiči. Nejobvyklejším typem je GaAs laser generující záření s vlnovou délkou 808 nm, které se často využívá pro buzení Nd:YAG laserů. Dále jsou používány GaN, PbSnSe, AlGaInP, InAsSb lasery a řada dalších (tabulka 2). vlnová délka [nm] výkon [mw] typické použití GaAs 840 5 CD přehrávače, buzení pevnolátkových laserů AlGaAs 760 50 laserové tiskárny GaInAsP 1 300 20 vláknové komunikace... Tabulka 2: Vlnové délky a výkony vybraných laserových diod. Hlavními přednostmi diodových laserových systémů jsou jejich nízká hmotnost, vysoká kompaktnost a především vysoká účinnost. Běžně se dosahuje účinnosti až 40 %. Kompaktní rozměry diodových laserů umožňují jejich umístění na rameno robota, čehož se často využívá při svařování tvarově náročných součástí v automobilovém průmyslu. Díky tomu odpadá často problematické vedení záření od zdroje k obrobku. Vzhledem k širokému rozsahu možných výkonů nachází diodové lasery svoje uplatnění v nejrůznějších oborech (laserové zpracování povrchů, svařování či popis, kontrola nečistot a vad při výrobě polovodičů, výroba tištěných obvodů, stereolitografie, medicínské aplikace, optické čerpání pevnolátkových laserů atd.). 6.2. Diodou čerpané lasery Prvním krokem k zefektivnění činnosti klasických pevnolátkových laserů s ionty dopovanými krystaly (YAG, YLF, YVO, sklo) byla změna způsobu buzení jejich aktivního prostředí. Dříve používané buzení (čerpání) pomocí kryptonové výbojky bylo nahrazeno buzením bloky laserových diod. V případě Nd:YAG laseru se používá čerpání diodami s emisní čárou na vlnové délce 808 nm, která odpovídá absorpčnímu pásu krystalu aktivního prostředí těchto laserů (obr. 14). Nahrazením širokospektrální výbojky se dosahuje podstatně nižších ztrát díky vyšší účinnosti čerpání aktivního prostředí, která dosahuje až 45 %. Čerpání pomocí laserových diod umožňuje pulsní i kontinuální režim pevnolátkových laserů. Nezanedbatelnou předností laserových diod i jejich delší životnost. Schéma diodou čerpaného Nd:YAG laseru je na obr. 15. Dalším významným nedostatkem těchto pevnolátkových laserů je tzv. thermal lensing effect. Jde o jev způsobený vznikem radiálních teplotních gradientů mezi zahřívajícím se středem krystalu a jeho 13
... Obrázek 14: Absorpční pás Nd:YAG krystalu (a) a srovnání emisních spekter kryptonové výbojky a laserové diody pro jeho čerpání (b).... Obrázek 15: Schéma diodou čerpaného vysoko výkonového kontinuálního Nd:YAG laseru. intenzivně ochlazovaným povrchem. Následkem teplotní roztažnosti krystalu dochází k jeho deformaci a původně válcový krystal se začne chovat jako tlustá čočka, což vede k významnému poklesu kvality svazku. Tento jev lze potlačit nebo alespoň významně omezit vhodnou geometrií aktivního prostředí. Aktivní prostředí ve tvaru desky, tenkého disku nebo optického vlákna umožňuje nejen rovnoměrné ochlazování, ale také maximální využití budící energie, což vede k vyšší účinnosti těchto laserů. 6.2.1. Deskové lasery Desková (slab) geometrie aktivního prostředí zvyšuje energetický zisk a snižuje tepelné deformace (obr. 16). Svazek se aktivním prostředím šíří prostřednictvím vnitřních totálních odrazů od stěn krystalu (obr. 17). Pokud je vyžadována lineární polarizace svazku, je zajištěna seříznutím konců krystalu pod Brewsterovým úhlem. Čerpání probíhá příčně horní a dolní stěnou krystalu nebo bočními stěnami, což je vhodnější pro čerpání diodami. Slab lasery se využívají pro speciální aplikace přesného řezání nebo vrtání s vysokým poměrem hloubky otvoru k jeho průměru.... Obrázek 16: Schéma deskového Yb:YAG laseru. 6.2.2. Diskové lasery Aktivní prostředí diskových Yb:YAG (vlnová délka 1 030 nm, 515 nm) laserů je formováno do tvaru válce o výšce několika desetin milimetru a průměru obvykle do 10 mm. Geometrie diskového laseru téměř odstraňuje thermal leasing effect a svazek má gaussovské rozdělení intenzity s vysokou zaručenou kvalitou M 2 1 až 1,1 při výkonech do 100 W. Stěna diskového krystalu aktivního prostředí je současně zadním zrcadlem optického rezonátoru. Krystal je uchycen na chladícím prstu, který udržuje stálou 14
... Obrázek 17: Schéma šíření laserového svazku aktivním prostředím deskového laseru. teplotu (obr. 18). Absorpční spektrum krystalu Yb:YAG v rozsahu 850 1 050 nm s výraznými maximy na 914 nm, 941 nm a 968 nm umožňuje vysoce účinné čerpání řadou InGaAs diod, emitujících záření v rozsahu 940 nm až 970 nm, které je přiváděno do rezonátoru optickým vláknem. Tento materiál má řadu výhod proti běžně používanému krystalu Nd:YAG. Dosahuje se lepší kvality svazku, vyšší účinnosti čerpání, možnosti vyšších výkonů až několik kilowatů, úzkého výstupu do vlákna (0,2 mm), menších rozměrů optiky atd.... Obrázek 18: Schéma konstrukce diskového laseru. 6.2.3. Vláknové lasery Aktivním prostředím vláknových laserů je křemíkové vlákno s průměrem jádra několik mikrometrů a délce několik metrů, dopované ionty Er (1 540 až 1 620 nm), Yb (1 060 nm až 1 120 nm) nebo Tm (1 720 nm až 2 000 nm), které se ve formě malých částic přimísí do jádra během výroby. Hlavní absorpční čáry těchto dopantů spadají do emisních pásů laserových diod, proto je čerpání laserovými diodami vysoce účinné. Rezonátor tvoří Braggovy mřížky² na koncích vlákna nebo vnější dichroická zrcadla. Schéma vláknového laseru uvádí obr. 19a.... Obrázek 19: Schéma rezonátoru a čerpání vláknového laseru (a) a průřez obalu obsahujícího aktivní vlákno a dvě čerpací vlákna (b). Rozbíhavý svazek z čerpací diody je fokusován na vysoce odraznou vrstvu obalu vlákna (cladding) a při každém průchodu vláknem je částečně absorbován, čímž je zajištěno buzení aktivního prostředí. U některých typů vláknových laserů je záření čerpacích diod navázáno do vlákna, které je vedeno souběžně s vláknem aktivním ve společném vnějším polymerovém obalu. Odpadá tak napojení čerpacích diod do aktivního vlákna pomocí trnu. Hlavní výhodou je možnost zavedení více čerpacích vláken a prodloužení rezonátoru, což vede ke zvýšení účinnosti čerpání a možnosti dosažení vyšších výkonů (obr. 19b). Hlavní výhodou vláknového laseru je vedení svazku z rezonátoru dalším vláknem bez nutnosti použití citlivých optických prvků. Svazek má vysokou kvalitu a může být fokusován na velmi malý průměr. Maximální výkon z jednoho vlákna je přibližně 200 W. Vyšších výkonů se dosahuje kombinací více vláken (např. 1 kw výkon poskytuje 10 vláken s výslednou kvalitou svazku M 2 10). Díky vysoké účinnosti čerpání 70 % až 80 % se aktivní látka tolik nezahřívá jako u jiných laserů. Navíc se teplo rozloží po celé délce vlákna a nehrozí jeho poškození nebo pokles kvality svazku s teplotou. Obvykle se chladí vzduchem nebo vodou. V současné době jsou z vláknových laserů nejvýkonnější ytterbiové, jejichž výkon dosahuje řádově několika desítek kilowatt. Erbiové a thuliové lasery dosahují obvykle řádově desetkrát nižších výkonů. ²Braggova mřížka je tvořená pásy s odlišným indexem lomu. Při dopadu záření na rozhraní těchto pásů se část záření odrazí. Při dostatečném počtu pásů se mřížka chová jako velmi účinné zrcadlo. 15
Vláknové lasery se využívají pro přesné řezání, vrtání, gravírování nebo bodové svařování, v chirurgii a dermatologii nebo například v telekomunikační technice. Režim může být kontinuální nebo pulsní s vysokými frekvencemi až 200 khz. Na závěr této kapitoly uveďme přehled základních sledovaných parametrů některých výše uvedených laserů. Nd:YAG laser CO₂ laser diskový laser vláknový laser celková účinnost [%] 5 10 15 30 výstupní výkon do [kw] 6 20 4 50 BPP (pro 5 kw) [mm.mrad] 25 6 8 < 2,5 životnost diod [h] 10 000 10 000 100 000 chlazení DI voda voda voda vzduch/voda provozní náklady [Kč/h] 825 520 760 460 údržba častá nutná častá žádná... Tabulka 3: Porovnání vybraných vlastností diodou čerpaných pevnolátkových laserů a CO₂ laseru. 6.3. Deskové (slab) CO₂ lasery Nejnovějším typem CO₂ laseru je difúzně chlazený deskový (slab) laser. Nepotřebuje souvisle vnější zdroj plynové směsi, neboť obsahuje zásobník, jehož obsah vydrží na rok nepřetržitého provozu. K odvodu tepla dochází jeho rozptylem na vodou chlazených vysokofrekvenčních elektrodách. Schéma takového systému prezentuje obr. 20.... Obrázek 20: Schéma deskového CO₂ laseru. 7. Závěr Použití laserů se stále více prosazuje v mnoha oblastech lidské činnosti. V dnešní době se laser stal již běžným nástrojem ve strojírenství, stavebnictví, elektrotechnice, výpočetní technice, ale také medicíně nebo zábavném průmyslu. Laser se stal nepostradatelnou součástí moderního života. Společnost Optech Consulting, která se zabývá analýzou trhu s lasery, v roce 2007 odhadovala, že světový trh laserových systémů pro zpracování materiálů stoupne z 3,9 miliard dolarů (3,7 miliard euro) v roce 2002 na 10,5 miliardy dolarů v roce 2010. Tento odhad se nenaplnil. Rostoucí tendence završená maximem 6,4 miliardy euro v roce 2008 byla vystřídána významným poklesem na 3,8 miliardy euro v roce 2009. V souvislosti s předpokládaným oživením ekonomiky se očekává celosvětový nárůst trhu se všemi druhy laserů o 11 % v roce 2010. Analytici společnosti Strategies Unlimited předpovídají, že v roce 2014 dosáhne 8,8 miliardy dolarů. Doposud nejvýkonnější laser NIF (National Ignition Facility) byl zprovozněn v roce 2009 v Kalifornii. Jeho primárním určením je výzkum možností laserem poháněné termonukleární fúze. V roce 2011 se má začít s výstavbou ještě výkonnějšího laseru ELI (Extreme Light Infrastructure), který má být schopen každou minutu vytvořit extrémně krátký (10 15 s) světelný puls s energií měřitelnou v exawattech (10 18 W)! ELI bude sloužit především ke studiu struktury materiálů a vývoji materiálů s novými vlastnostmi. Laser ELI má stát v obci Dolní Břežany u Prahy. Naopak nejmenší laser se chlubí rozměrem 44 nm. Je vyroben z částečky zlata na křemíkovém obalu a využívá oscilace elektronů vznikajících v místě kontaktu kovu a izolátoru. Tento laser generuje zelné světlo o vlnové délce 530 nm, tedy mnohem větší než je on sám. Miniaturní lasery lze využít v počítačových čipech nebo medicíně pro ničení karcinogenních buněk. 16
8. Literatura [1] Steen W. M.: Laser Material Processing (2003) Springer, London, ISBN 1-85233-698-6. [2] Silfvast W.: Laser Fundamentals (2004) Cambridge University Press, 2ⁿd edition, ISBN 0-521-83345-0. [3] Svelto O. Principles of Lasers (1998) David C. Hanna (ed.), Springer, USA, 4tʰ edition, ISBN 0-306- 45748-2. [4] Siegman A., E. Lasers (1986) Kelly A. (ed.), University Science Books, Mill Valley, ISBN 0-935702- 11-5. [5] Chmelíčková H., Lapšanská H.: Nové trendy v oblasti pevnolátkových laserů (2006) SLO UP a FZÚ AV ČR, Olomouc, Zpráva č. 287/SLO/2006. [6] Šmíd J.: Slab, Innoslab, kotoučový, nebo vláknový laser? (2007) MM Průmyslové spektrum 3 [online], http://www.mmspektrum.com/clanek/slab-innoslab-kotoucovy-nebo-vlaknovy-laser. [7] Ready J. F.: LIA Handbook of Laser Materials Processing (2001) Laser Institute of America, Orlando, ISBN 0-912035-15-3. [8] Šmíd J.: Lasery pro průmysl (2008) MM Průmyslové spektrum 7 [online], http://www.mmspektrum.com/clanek/lasery-pro-prumysl. [9] Frauenpreiss T.: Looking to higher power for laser speed? (2005) e Fabricator [online], http://www.thefabricator.com/lasercutting/lasercutting_article.cfm?id=1206. [10] Zagumennyi A. I., Mikhailov V. A., Shcherbakov I. A.: Rare earth ion lasers Nd 3+, s. 353-383, in: Handbook of Laser Technology and Applications. Vol. 2 (2004) Webb C. E., Jones J. D. C. (ed.), IOP Publishing, Bristol, ISBN 0-7503-0963-6. [11] Optech Consulting Laser Market Data [online], http://www.optech-consulting.com/laserprocessingmarkets.html. [12] http://alisi.isibrno.cz/lasery-pro-mereni-a-metrologii [13] http://www.extreme-light-infrastructure.eu/ [14] http://www.blisty.cz/art/41863.html [15] Wilfert O., Kolka Z.: Optické (laserové) bezdrátové spoje, http://www.urel.feec.vutbr.cz/web_pages/projekty/clanky/wilfert_kolka_opticke_spoje.pdf.... Autor textu Ing. Mgr. Hana Lapšanská hana.lapsanska@upol.cz tel.: 58 563 1579... Pracoviště Společná laboratoř optiky FzÚ AV ČR a UP Olomouc 17. listopadu 50, 772 07 Olomouc http://jointlab.upol.cz 17