Laser... inter eximia naturae dona numeratum plurimis compositionibus inseritur. (Laser... jeden z nejvzácnějších darů přírody mající rozmanité použití.) Plinius St.: Naturalis Historia XXII, 49 (1.stol.n.l.) 50 LET LASERU Miroslava VRBOVÁ Abstrakt: V příspěvku je připomenuta konstrukce prvního rubínového Maimanova laseru a je popsána historie jeho vynálezu. Zmíněn je obecný princip činnosti laserů a přehled vlnových délek, které známé lasery generují. Je uvedeno třídění laserů podle použitého aktivního prostředí a způsobu buzení. Komentovány jsou aplikace laserů a stručně zmíněny extrémní lasery pro vybrané aplikace. V závěru je uveden výčet 7 Nobelových cen, udělených za lasery a jejich aplikace do r. 2005. Úvodem LASER je zkratkou anglického termínu Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, což označuje proces zesilování světla pomocí stimulované emise záření. Toto slovo se současně používá pro označení zdroje optického záření, založeného na principu zesilování záření využitím stimulované emise. První laser -rubínový- byl sestrojen Američanem T.H.Maimanem a uveden v činnost 15. května 1960. Když o realizaci prvního laseru referoval na tiskové konferenci pořádané 7. července v Hughes Research Laboratories uvedl hned pět oblastí, kde by mohl být laser s výhodou využíván: pro zesilování světla, pro zkoumání podstaty látky, pro komunikace ve vesmíru, zvýšení kapacity pozemských komunikačních kanálů a protože se jeho záření dá fokusovat, je možné zvyšovat hustotu výkonu potřebnou pro aplikace v chemii, průmyslu a medicíně. Uvedené aplikace vyplývaly bezprostředně z poznání nové kvality světla generovaného laserem z koherence. V následujícím půlstoletí se ukázalo, že aplikací laseru je ještě mnohem více. Slovo LASER nebylo poprvé objeveno v roce 1960. Stejná pětice písmen LASER (n. Laserpitium) byla o více než tisíciletí dříve používána pro označení vzácné rostliny, rostoucí na území dnešní Libye. Měla mnohostranné použití. Římané ji používali k léčení řady nemocí, při uštknutí hadem nebo škorpiónem, při zranění otráveným šípem i jako koření, neboť měla velmi výraznou chuť. S velkým úspěchem byla vyvážena do Řecka i Říma. Římané se ji pokoušeli pěstovat ve své zemi, ale bez úspěchu. Asi ve druhém století našeho letopočtu však tato rostlina prý zcela vymizela [1]. Zajímavou paralelu mezi dřívějším laserem-rostlinou i novodobým laserem- přístrojem vidíme ve výjimečné kvalitě a široké možnosti použití. Během padesáti let, která téměř uplynula od realizace prvního laseru, bylo sestrojeno mnoho typů laserů, vysílající záření v širokém pásmu optických vlnových délek od rentgenové až po vzdálenou infračervenou oblast. Bylo objeveno, odzkoušeno a je vyžíváno nesmírné množství aplikací. Rozvoj laserů a jejich aplikací není ještě zdaleka uzavřen. 1
První laser Základním stavebním prvkem prvního (Maimanova) laseru bylo aktivní prostředí ve tvaru vybroušeného válce krystalu rubínu (viz obr. č. 1). Rubín je polodrahokam, krystal oxidu hlinitého dopovaný chromem. Trojmocné ionty chromu, nahrazující v krystalografické mříži některé atomy hliníku, dodávají tomuto krystalu zářivě růžovou barvu. Na koncích rubínového válce byla vytvořena rovnoběžná zrcadla. Na jednom konci bylo zrcadlo plně odrazné, na druhém polopropustné. Výbojka ve tvaru spirály, obklopující rubínový výbrus, vysílala impulsy intenzivního bílého světla. Za polopropustným zrcadlem byl pozorován záblesk červeného světla laserový svazek. Obr.1: Sestava prvního rubínového laseru (převzato z http://www.laserfest.org/lasers/how/ruby.cfm) V tomto opticky buzeném pevnolátkovém laseru ionty chromu absorbují modré a zelené záření výbojky. Excitované ionty chromu vysílají následně charakteristické rubínové záření. Zrcadla na konci krystalu odrážejí část vysílaného záření tam a zpět. Záření procházející krystalem vyvolává stimulovanou emisi excitovaných iontů úměrnou intenzitě záření, takže intenzita záření při opakovaných průchodech krystalem uvnitř optického rezonátoru vzrůstá až dosáhne takovou úroveň, že odvede podstatnou část energie, kterou výbojky vložily do iontů chromu v krystalu. Co předcházelo vynálezu laseru Sestrojení prvního laseru nebylo objevem náhodným [2]. Předcházelo mu dlouhé období cíleného úsilí řady vědců v různých místech světa. Přímým předchůdcem laseru byl maser (zkratka pro Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation) tedy generátor mikrovlnného záření, realizovaný Američanem C. H. Townesem. Sovětský vědec V. A. Fabrikant podal v roce 1951 patentovou přihlášku na zesilování elektromagnetického záření v široké oblasti spektra od ultrafialového záření až k radiovým vlnám, tedy princip laseru. V roce 1954 R.H. Dicke navrhl optické buzení k dosažení inverze populace hladin (vytvoření 2
zesilujícího prostředí) a také v r. 1956 patentoval myšlenku využít Fabryův-Perotův interferometr jako optický rezonátor. První detailní návrh laseru, který byl v té době nazýván optickým maserem byl publikován C. H. Townesem and A.L. Schawlowem v časopise Physical Review v prosinci 1958 s názvem Infrared and Optical Masers. Tento článek odstartoval velkou soutěž o realizaci prvního laseru. Autoři článku nebyli jedinými zúčastněnými v této soutěži. Lasery se navrhovaly a stavěly na několika pracovištích, při čemž se vycházelo z různé profesionální zkušenosti výzkumníků. Townes, Maiman a Bloembergen pracovali dříve na mikrovlnných maserech, jiní např. P.P. Sorokin, R. Hall and N. Patel v jiných oblastech fyziky. Zpočátku bylo úsilí soustředěno na spektroskopické studie. A. Javan pracoval na helium-neonovém laseru v Bell laboratories již před zveřejněním článku Townse a Schawlowa. C.H. Townes se svými studenty se věnoval s parám draslíku, N. Basov v Moskvě studoval se svými studenty polovodiče. Veškerý výzkum směřující k laseru byl většinou jen skromně financován. Výjimkou byl Pentagon, který štědře financoval výzkum soukromé firmy G.Goulda (Townesova studenta), který se soustředil na páry alkalických kovů. A.L.Schawlow v Bell Laboratories se zabýval rubínem, jehož spektroskopické vlastnosti byly dobře známy z výzkumu maserů. Naneštěstí došel v roce 1959 k závěru, že je pro optickou oblast nevhodný. Theodor Maiman však pokračoval s rubínem, snažíc se využít své předchozí zkušenosti z maserů. Došel k závěru, že kvantové přechody na rubínu nelze využít ke kontinuální generaci, a že k demonstraci postačí impulsní provoz. Podařilo se. O publikaci a uznání objevu rubínového laseru T. Maiman neprodleně připravil článek pro Physical Review Letters, v němž pro svůj vynález laseru použil termín optical maser. Redakce příspěvek odmítla s tím, že není dostatečně aktuální, že jde zase o jiný maser. Maiman se nevzdal a připravil krátké sdělení pro britský týdeník Nature. Vynález laseru byl tedy poprvé publikován 6. srpna 1960 v Nature. Později pak byly detailní popis a pozorování zveřejněny v obsáhlejším článku ve Physical Review. Brzo po Maimanovi byly postaveny rubínové lasery v řadě dalších laboratořích. Schawlowův tým byl mezi prvními následovníky. I když T. Maiman zvítězil v soutěži o první konstrukci laseru, nebyl tím, kdo dostal Nobelovu cenu za tento vynález. Nobelova cena byla udělena společně C.H. Townesovi, L.N. Basovovi a A.N. Prokhorovovi v roce 1964 za teoretické poznání předcházející konstrukci laseru. Z historie dalších laserů Sestrojení rubínového laseru bylo bezprostředním stimulem objevů dalších typů laserů, vyzařující jiné vlnové délky a využívající jiná laserová prostředí. V r.1961 byl realizován první plynový helium-neonový laser, vysílající záření v blízké infračervené oblasti. O rok později pak helium-neonový laser s výstupním svazkem ve viditelné oblasti. V té době byl a také realizován první polovodičový laser. V r. 1964 zazářil poprvé CO 2, který generoval infračervené záření (s vlnovou délkou 10,6 µm) o výkonu 1 mw. V roce 1965 byl sestrojen CO 2 laser s výkonem 50 W a také první chemicky buzený laser. V roce 1967 pak byl realizován laditelný laser s aktivním prostředím v kapalném stavu, tj. s roztokem organického barviva. První excimerový laser, vysílající ultrafialové záření, byl realizován v roce 1970. Laser s volnými elektrony pak píše svou historii od r. 1977. 3
V Československu byly první lasery realizovány v r. 1963 a to neodymový skleněný ve Fyzikálním ústavu ČSAV, rubínový ve Vojenském výzkumném ústavu Praha a heliumneonové lasery v Ústavu přístrojové techniky ČSAV v Brně a v Tesla VÚST A.S. Popova v Praze. Česká vědecká veřejnost se v průběhu celých padesáti let podílela nezanedbatelnou měrou na výzkumu laserů a jejich aplikací. Princip činnosti laseru Laser je zdroj koherentního infračerveného viditelného nebo ultrafialového záření, založený na rezonanční interakci mezi souborem kvantových soustav (u rubínu soubor trojmocných iontů chromu v krystalografické mříži) a elektromagnetickým zářením definované frekvence (např. rezonanční frekvence optického Fabryova-Perotova rezonátoru) [1,3]. Základními stavebními prvky laseru jsou zesilující (aktivní) prostředí A (obr. 2) a optický rezonátor, tvořený zpravidla dvěma zrcadly Z 1 Z 2, z nichž jedno bývá vysoce odrazné a druhé polopropustné a slouží k vyvázání laserového záření z rezonátoru. Obr.2: Základní prvky laseru; A- Zesilující (aktivní) prostředí, Z 1 Z 2 Zrcadla Aktivní prostředí A je soubor kvantových soustav (tj. atomů, iontů nebo molekul), umístěný v jisté konečné části prostoru. Kvantové soustavy mají obecně diskrétní spektrum vázaných stavů a jim přísluší diskrétní spektrum energetických hladin, např. E 1 a E 2. Při zářivých přechodech mezi dvěma vybranými stavy dochází k výměně energie s rezonančním elektromagnetickým zářením, tj. se zářením, jehož kruhová frekvence ω, se rovná frekvenci kvantového přechodu ω 21 = (E 2 -E 1 )/h. O tom, jestli bude aktivní prostředí zesilovat nebo zeslabovat záření rozhodují tzv. populace energetických hladin N i,, tj. počty kvantových soustav nacházející se na příslušné hladině E i. Aktivní prostředí zesiluje, je-li N 2 > N 1. Takový stav se označuje jako stav souboru s inverzí populace hladin. K tomu, aby se v aktivním E prostředí ustavila inverze, musí být vnější činidlem (buzením) 2 - N 2 dodávána energie a přednostně zaplňovány horní hladiny E 2 a E 1 - N 1 populace spodní hladiny N 1 snižována prostřednictvím interakce s jinou složkou okolního prostředí (tlumením). Čím větší je rozdíl populací hladin N 2 N 1 tím účinněji je rezonanční záření zesilováno. Když zesílení záření při průchodu aktivním prostředím kompenzuje ztráty při odrazu na polopropustném zrcadle, je překročen práh a systém se stává generátorem optického záření. Frekvence ω 21 vystupujícího záření je dána Obr.3: Eenergetické hladiny energetickými hladinami kvantových soustav (atomů, iontů nebo molekul). Generovat je možné jen záření těch vlnových délek (resp. frekvencí), u kterých se nám podaří nalézt kvantovou soustavu s odpovídající frekvencí 4
kvantového přechodu a současně nalézt metodu vytvoření inverze populace na tomto přechodu, tj. nalézt metodu buzení. Přehled známých typů laserů Vlnové délky záření, které mohou být generovány dosud známými lasery, leží v širokém pásmu od měkké rentgenové oblasti (1 nm) až po submilimetrové vlny (100 µm). Pro generaci laserového rentgenového záření se využívají kvantové přechody mezi elektronickými stavy mnohonásobně nabitých iontů. Ultrafialové a viditelné záření je generováno prostřednictvím elektronických přechodů atomů kovů, iontů v plynu a iontových příměsí v pevných látkách. Pro generaci záření ve střední (resp. daleké) infračervené oblasti se využívá kvantových přechodů mezi vibračními (resp. rotačními) stavy molekul. Rentgenové lasery využívají kvantových přechodů mnohonásobně ionizovaných iontů v plazmatu. Přehled vlnových délek záření vysílaného nejvíce používanými lasery je patrný z grafu na obr. 4. 5
obr. 4: Přehled vlnových délek generovaných lasery 6
Principy i techniky buzení laserů mají řadu různých podob a závisejí na zvoleném kvantovém přechodu a na fyzikálním stavu aktivního prostředí. Plynové lasery (např. argonový laser, helium-neonový, CO 2,) bývají buzeny elektrickým výbojem. Pro buzení pevnolátkových laserů (např. rubín, Nd:YAG, Ti:safír) se používá optické záření výbojek, polovodičových luminiscenčních diod apod. Různé principy buzení pro různé druhy aktivního prostředí jsou uvedeny v přehledové tabulce č. 1. Tabulka 1: Třídění laserů podle aktivního prostředí a buzení Aktivní prostředí Označení Buzení Dielektrické krystaly Skla Pevné Vlastní látky Polovodiče Příměsové Kapaliny organická barviva Plyny Elektrický výboj Plazma Laserové plazma Pevnolátkové Polovodičové Barvivové Fotodisociační Elektroionizační Atomové Iontové Plynové Molekulární Excimerové Dynamické plynové Chemické Plazmatické Optické Elektrickým proudem Elektronovým svazkem Optické Optické Elektronovým svazkem Elektrickým výbojem Expanzí plynu Chemickou reakcí Rekombinační Srážkové Jednotlivé lasery se navzájem liší nejen vlnovou délkou záření a principem buzení, ale také režimem generace. Některé lasery pracují kontinuálně a jejich základním parametrem je výstupní výkon, který bývá podle typu laseru v rozmezí několika mikrowattů až stovek kilowattů. Neméně důležitým parametrem je divergence (rozbíhavost) svazku, která předurčuje míru fokuzovatelnosti svazku. U kvalitních laserů bývá divergence rovna zlomkům miliradiánu a minimální dosažitelný rozměr ohniska dosahuje několikanásobku vlnové délky záření. U laserů impulsních je důležitým parametrem doba trvání impulsu. Ta je pro různé typy laserů a 7
různé metody generace různá a pohybuje se v intervalu od několika femtosekund (10-15 s) až do několika milisekund. Lasery, u nichž je výstup tvořen dlouhým sledem impulsů označujeme jako lasery pulsní. Důležitými parametry pulsních laserů jsou opakovací frekvence a střední výkon. Aplikace laserů Lasery se využívají v nejrůznějších oborech lidské činnosti. Ve strojírenství pro sváření, řezání, vrtání, kalení, v mikroelektronice pro litografii, v elektronice pro dostavování a nařezávání odporů. V astronomii a geodézii jsou základním prvkem v systémech měření velkých vzdáleností s vysokou přesností, sloužící například ke zpřesňování údajů o Zemi a Měsíci. Široké pole uplatnění mají lasery i v technice spojů, vojenské technice restaurátorství i v medicíně. Pro každou aplikaci je potřebné pochopit princip interakce záření s látkou, který má být využit a potom optimálním způsobem zvolit vlnovou délku záření (nalézt laserové prostředí), zvolit režim generace (např. délku impulsu), získat potřebný výkon nebo energii a doladit plošnou hustotu výkonu (energie) záření v místě interakce (např. vhodnou fokuzací) atd. Jako příklad uvedeme použití laserů v medicíně. Při interakci s biologickými materiály dochází k různým účinkům záření na tkáň v závislosti na tom, jakou vlnovou délku a jaký výkon má dopadající laserové záření. Účinky lze charakterizovat následujícím výčtem Tepelné efekty se uplatňují, když dochází ke zvyšování teploty prostřednictvím absorpce pigmentů v tkáni. Důsledkem může být např. fotokoagulace Ho:YAG laserem. Fotochemické procesy dominují, když ultrafialové a viditelné záření vyvolává destrukci chemických vazeb. To se využívá např. při fotodynamické terapii zlatým laserem nebo při úpravě rohovky excimerovými lasery. Mechanické účinky vznikají při vytváření plazmatu zejm. při optickém průrazu v látce, který vede k vytvoření tlakové vlny a k roztržení tkáně, tj. fotodestrukci impulsním Nd:YAG laserem. Odpaření a mikroexploze, která nastává v důsledku náhlého vzrůstu teploty nad bod varu v důsledku absorpce ve vodě (např. při ozáření Er: YAG). Jedním z mnoha způsobů použití laseru v medicíně je léčení diabetické retinopatie. Tam se využívá fotokoagulace na sítnici lidského oka, tedy mírného ohřátí sítnice v důsledku absorpce záření v místě, kam dopadá záření fokusované vlastní čočkou. Vhodná vlnová délka laserového záření je dána podmínkou, aby záření ve tkáni sítnice bylo dobře absorbováno a současně nebylo absorbováno a nepoškozovalo ostatními části oka, kterými musí projít než dopadne na sítnici. Této podmínce dobře vyhovují vlnové délky v okolí 500 nm (zelené světlo). Nejčastěji se pro danou aplikaci využívá argonový iontový laser. V úvahu však připadají i jiné pulsní lasery vysílající zelené světlo, mj. i druhá harmonická záření Nd:YAG. Extrémní lasery pro vybrané aplikace Aplikace laserů se rozšířili a stále rozšiřují do nejrůznějších oborů lidské činnosti vedou k tomu, že jsou vyráběny jednak velké série laserů pro širokou spotřebu např. pro čtečky čárových kódů, pro záznam a čtení DVD, pro laserovou show, jednak se vyvíjejí stále nové speciální i velmi extrémní typy laserů pro nové velmi náročné aplikace. Níže uvádíme výběr 8
extrémních laserů z roku 2007 [4], přesněji přehled nejznámějších reprezentantů ve vybraných extrémních kategoriích. Největší energie laserového impulsu: 150 kj v jediném 10 ns impulsu bylo dosaženo na laserovém systému National Ignition Facility (NIF) v Lawrence Livermore National Laboratory in Livermore v r. 2005. Energie obsažená v takovém impulsu odpovídá kinetické energii tumového automobilu pohybujícího se rychlostí asi 90 km/s. NIF má v plánu dosáhnout energie až 1 MJ. Všechna tato energie má být namířena na maličkou kuličku obsahující deuterium. Cílem je dosáhnout lasere iniciace termojaderného slučování, které bude základem řešení budoucího energetického zdroje. Nejkratší laserový impuls: Impuls kratší než 1 femtosekunda (10-15 s) byl vytvořen v Max Planck Institute for Quantum Optics v Garchingu. Délka impulsu je kratší než jedna perioda kmitu optického záření. Takový impuls obsahuje velmi široké spektrum frekvencí od viditelných do ultrafialových a je generován prostřednictvím kontinua. Podle frekvenčního spektra se tak velmi liší od představy jednofrekvenčního spektra obvyklých laserů. Takto krátký impuls má umožnit nahlédnout do rychlých procesů na molekulární úrovni. Největší okamžitý výkon: Výkon vyšší než 1 PW (10 15 W) byl poprvé dosažen v Lawrence Livermore National Laboratory v roce 1996. Tento výkon převyšuje tisíckrát výkon všech amerických elektráren. Trvá však jen po dobu 440 fs, čemuž odpovídá celková energie jen 680 J. Vzhledem k tomu, že optický výkon může být fokusován do malého objemu, odpovídá jeho fokuzovatelná energie hustotu 3. 10 10 J.cm -3. To je více než objemová hustota energie uvnitř hvězd. Při takových hustotách energie dosahují elektrony v plazmatu relativistických rychlostí. Největší střední výkon: Více než 1 MW kontinuálního výkonu bylo dosaženo s chemicky buzeným laserem MIRACL (Mid-Infrared Advanced Chemical Laser) na zkušebně ve White Sands Missile Range, New Mexico. Protože je jeho výkon obrovský, může pracovat po dobu jen několika sekund aby nedošlo k destrukci jeho prvků (např. zrcadel). Celková výstupní energie je pak několik MJ. Nejstrašnější laser: Blízký příbuzný MIRACL umístěný na letadle Boeing 747-400F pro vojenské účely, vysílá MW impulsy o době trvání několika sekund, jeho určením je sestřelení balistických střel apod. Nejdelší laser: 1,3 km dlouhý laser s volnými elektrony, jehož součástí je lineární urychlovač elektronů ve Standfordu. Obsluha laseru využívá golfové vozíky k překonávání vzdáleností. Nejkratší laser: Několik mikrometrů dlouhý rezonátor vertikální dutiny povrchově emitujících polovodičových laserů sestrojených v Tokyo Institute of Technology pro telekomunikační účely. Nejstabilnější laser: V National Institute of Standards and Technology (NIST) pracuje laser jehož frekvence nevykazuje žádnou změnu po dobu 13 s. T zn., že během této doby nepřibude, ani neubude ani jedna perioda kmitu. Takto stabilní laser je základem atomových hodin, např. synchronizujících GPS. Nejpřesnější měření délky pomocí laseru: 1 attometr (10-18 m). Tato změna délky je omnoho řádu menší než rozměr atomu, bylo jí dosaženo pomocí laserového interferometru (LIGO) se zrcadly vzdálenými od sebe 4 km určeného pro detekci gravitačních kmitů. 9
Nositelé Nobelových cen za lasery Laser byl a je jak objektem, tak nástrojem aktuálního výzkumu nejen ve fyzice, chemii, technice, ale i v biologii, medicíně, astronomii, geodezii a dalších. Vědecké úspěchy v této oblasti dokládá řada Nobelových cen, udělených vědcům za rozvoj poznání v oblasti laserů a jejich aplikací. Uvádíme prostý výčet v období 1964 až 2005: 1964: Američan Charles Townes spolu s ruskými fyziky Nikolajem Basovem a Aleksandrem Prokhorovem za objem maseru v r. 1958. 1981: Američan Nicolas Bloembergen spolu s Arthur Schawlowem za rozvoj laserové spektroskoppie. 1997: Francouzský vědec Claude Cohen-Tannoudji spolu s Američany Stephen Chu a William Phillips za rozvoj metod chlazení a záchyt atomů laserovým zářením. 1999: Ahmed Zewail z CalTech cenu za využití laserové techniky pro zviditelnění pohybu atomův molekule během chemické reakce. 2000: Rus Zhores Alferov a Američan Herbert Kroemer za vývoj polovodičových heterostruktur používaných v optoelektronice, umožňující práci při pokojové teplotě a za kontinuální polovodičové diodové lasery. 2001: Američané Eric Cornell, Wolfgang Ketterle, and Carl E. Wieman za dosažené výsledky Bose-Einsteinovy kondenzace ve zředěných plynech alkalických atomů. 2005: Němec Theodor Hansch a Američan John Hall za rozvoj laserové přesné spektroskopie, zahrnující techniku optických frekvenčních hřebenů. Literatura [1] O. Svelto: Principles of lasers, Plenum Press, New York, 1982 [2] J.Hecht: Laser Pioneers, ISBN 0 12-336030-7, Academic Press, 1991 [3] M. Vrbová a kol.: Lasery a moderní optika. Oborová encyklopedie. Prometheus, Praha, 1994 [4] http://laserfest.org/lasers/how/extreme.cfm Kontakt: Prof. Ing. Miroslava Vrbová, CSc. České vysoké učení technické v Praze, Fakulta biomedicínského inženýrství nám. Sítná 3105 272 01 Kladno 2 vrbovmir@fbmi.cvut.cz 10