Laser

Helium-neonový laser

Červený (660 & 635 nm), zelený (532 & 520 nm) a modrofialový (445 & 405 nm) laser

Laser (akronym z anglického Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, tj. „zesilování světla stimulovanou emisí záření“) je optický zdroj elektromagnetického záření tj. světla v širším smyslu. Světlo je z laseru vyzařováno ve formě úzkého svazku; na rozdíl od světla přirozených zdrojů je koherentní a monochromatické, z toho tedy vyplývá, že laser je optický zdroj emitující fotony v koherentní paprsek. Princip laseru využívá zákonů kvantové mechaniky a termodynamiky.

Princip laseru

Laser je tvořen aktivním prostředím (1), rezonátorem (3,4) a zdrojem energie (2).

Zdrojem energie, který může představovat například výbojka, je do aktivního média dodávána („pumpována“) energie. Ta energeticky vybudí elektrony aktivního prostředí ze základní energetické hladiny do vyšší energetické hladiny, dojde k tzv. excitaci. Takto je do vyšších energetických stavů vybuzena většina elektronů aktivního prostředí a vzniká tak tzv. inverze populace.

Při opětném přestupu elektronu na nižší energetickou hladinu dojde k vyzáření (emisi) kvanta energie ve formě fotonů. Tyto fotony následně interagují s dalšími elektrony inverzní populace, čímž spouštějí tzv. stimulovanou emisi fotonů, se stejnou frekvencí a fází, i u nich.

Díky umístění aktivní části laseru do rezonátoru, tvořeného například zrcadly, dochází k odrazu paprsku fotonů a jeho opětovnému průchodu prostředím. To dále podporuje stimulovanou emisi, a tím dochází k exponenciálnímu zesilování toku fotonů. Výsledný světelný svazek pak opouští rezonátor průchodem skrze výstupní polopropustné zrcadlo.

Ke vzniku oscilací a generování laserového výstupu však musí být splněna tzv. prahová podmínka minimálního zisku, která říká, že během periody oběhu fotonu rezonátorem musí být hustota fotonů v rezonátoru rovna, nebo větší, než počáteční stav (jinak by nebylo možné z rezonátoru odvádět energii).

$R_{1}R_{2}\exp {(\alpha -\beta )2l}\geq 1$

Kde R₁ a R₂ jsou reflektivity zrcadel rezonátoru, α je koeficient zesílení, β je souhrnný koeficient ztrát a l je délka rezonátoru.

Historie

Princip laseru fyzikálně popsal už v roce 1917 Albert Einstein, ale první laser vznikl až v roce 1960.

Předchůdcem laseru byl maser, zařízení které pracuje na stejném principu (stimulovaná emise), avšak generuje mikrovlnné záření. První maser sestavil Charles Townes, J. P. Gordon a H. J. Zeiger v roce 1953. Tento prototyp však nebyl schopný fungovat nepřetržitě.

V roce 1960 Theodore H. Maiman v USA poprvé předvedl funkční laser. Jako aktivní prostředí použil krystal rubínu s využitím tří energetických hladin; laser proto mohl pracovat pouze v pulsním režimu. V roce 1963 C. Kumar N. Patel vynalezl plynový CO₂ laser.

Sovětští fyzici Nikolaj Basov a Alexandr Prochorov pracovali nezávisle na problému kvantového oscilátoru a vyřešili problém nepřetržitého výstupu záření tím, že použili více než dvě energetické hladiny a umožnili tím ustanovení populační inverze. V roce 1964 obdrželi Charles Townes, Nikolaj Basov a Alexandr Prochorov společně Nobelovu cenu za fyziku „za zásadní výzkum v oboru kvantové elektroniky, který vedl ke konstrukci oscilátorů a zesilovačů založených na principu maserů a laserů“.

Součásti laseru

Konstrukce laseru:
1. Aktivní prostředí
2. Čerpání aktivního prostředí
3. Odrazné zrcadlo
4. Polopropustné zrcadlo
5. Laserový paprsek

Video s animací funkce laseru

Rezonátor

Ve většině laserů světlo opakovaně prochází tzv. rezonátorem – optickou dutinou vymezenou zrcadly. V nejobvyklejších případech je rezonátor tvořen dvěma zrcadly, z nichž je jedno zcela odrazivé a druhé částečně propustné (aby světlo vznikající v laseru mohlo unikat ven a laser tak svítil). Existují také kruhové rezonátory.

Jako nepropustné zrcadlo se obvykle používá dielektrické zrcadlo, zvláště ale pro delší vlnové délky (μm) není ale dielektrická struktura realizovatelná a proto se používá leštěný kov, např. zlato nebo měď. V některých případech (laserová dioda) má dostatečnou odrazivost samotné rozhraní aktivního prostředí se vzduchem, neboť reflexivita rozhraní závisí na indexu lomu materiálu podle Fresnelových vzorců.

Některé lasery s dostatečně velkým ziskem v aktivním prostředí rezonátor nepotřebují a pracují v režimu zesílené spontánní emise – to znamená, že záření stačí jediný průchod k získání dostatečné intenzity. Patří mezi ně např. dusíkový nebo měděný laser. Rezonátor se samozřejmě také běžně nepoužívá u laserových zesilovačů, které slouží jen k průchodovému zesilování vstupujícího koherentního svazku.

Zrcadla v rezonátoru zdaleka nemusí být rovinná. Naopak, v řadě případů je výhodné použít nejen konkávní, ale i konvexní zrcadla. Stabilita záření v rezonátoru závisí na poloměrech křivosti zrcadel a délce rezonátoru.

Stabilita

Pro klasifikaci stability rezonátoru jsou pak zaváděny dva bezrozměrné parametry g₁ a g₂

$g_{1}=1-{\frac {L}{r_{1}}},\qquad g_{2}=1-{\frac {L}{r_{2}}}$

Rezonátor je stabilní v případě že splňuje podmínku $0<g_{1}\cdot g_{2}<1$. r₁ a r₂ jsou poloměry křivosti zrcadel rezonátoru a L je vzájemná vzdálenost zrcadel.

Doba života fotonu v rezonátoru

Časový pokles celkové energie záření uvnitř rezonátoru může být zpravidla popsán exponenciálním zákonem:

$U(t)=U_{0}\cdot \exp {\left(-{\frac {t}{\tau _{c}}}\right)}$

Kde τ_c je doba života fotonu v rezonátoru. Ta obecně závisí na ztrátách v rezonátoru. V ideálním případě je ji možné exaktně vyjádřit na základě reflektivity zrcadel rezonátoru R₁, R₂.

$\tau _{c}={\frac {2L}{c\cdot \ln \left({\frac {1}{R_{1}R_{2}}}\right)}}$

Činitel jakosti rezonátoru

Vyjadřuje míru schopnosti rezonátoru uchovat energii. Čím menší jsou ztráty rezonátoru, tím větší je doba života fotonu v rezonátoru (foton se v rezonátoru déle „udrží“) a tím je také větší činitel jakosti rezonátoru Q (schopnost uchovat energii je větší).

$Q={\frac {U(0)}{U(0)-U\left({\frac {T_{0}}{2\pi }}\right)}}=2\pi \left[1-\exp {\frac {-T_{0}}{\tau _{c}}}\right]^{-1}$

Ztrátové mechanismy kromě toho, že omezují dobu života fotonu v rezonátoru, zmenšují intenzitu oscilací a omezují dobu oscilací, tak způsobují také rozšíření rezonanční frekvenční čáry. Šířka spektrální čáry laseru ∆ν (definovaná jako šířka, na které intenzita záření klesne na 1/2 maximální hodnoty) je dána:

$\Delta \nu =\left(2\pi \tau _{c}\right)^{-1}$

Vztah mezi dobou života fotonu v rezonátoru a činitelem jakosti je potom následující

$Q={\frac {1}{\Delta \nu T_{0}}}$

Aktivní prostředí

Aktivní prostředí je látka obsahující oddělené kvantové energetické hladiny elektronů; může se jednat o:

• plyn nebo směs plynů, hovoříme pak o plynových laserech
• monokrystal kde hladiny vznikají dopováním; takové lasery se nazývají pevnolátkové
• polovodič s p-n přechodem v případě diodových laserů
• organická barviva
• polovodičové multivrstvy – jsou základem kvantových kaskádních laserů (QCL)
• volné elektrony v případě laserů na volných elektronech

Elektrony mohou přecházet z vyššího do nižšího stavu, při současném vyzáření fotonu, jedním z dvou mechanismů:

• spontánní emise (foton se vyzáří samovolně)
• stimulovaná emise (okopíruje se jiný foton procházející atomem).

Ke spontánní emisi dochází při nízkém stupni obsazení vyšší hladiny; pro spuštění stimulované emise ve větším měřítku (generace laserového záření) je třeba čerpáním dosáhnout tzv. populační inverze, kdy vyšší hladina je obsazena více elektrony, než nižší.

Příslušenství

• Součásti pro optické čerpání aktivního prostředí (např. pomocí elektrického proudu, výbojky, chemické reakce aj.)
• Chladič
• Měření výkonu, kalibrace zařízení
• Případně nelineární krystal měnící vlnovou délku

Typy laserů

Následující tabulka shrnuje základní vlastnosti některých běžných typů laserů.

Typ laseru	Aktivní prostředí	Vlnová délka	Spektrální oblast	Příklady použití
Pevnolátkové
Rubínový laser	Rubín	694,3 nm	červená	holografie, odstraňování tetování
Nd:YAG laser	Neodym, YAG	1064 nm	IR	litografie, chirurgie, strojírenství, spektroskopie
Ho:YAG laser	Ho:YAG	2,1 μm	IR	chirurgie, stomatologie
Er:YAG laser	Erbium, YAG	2,94 μm	IR	chirurgie, stomatologie
Titan-safírový laser	titan, safír	690–1000 nm	červená, IR	spektroskopie, fs pulsy
Alexandritový laser	Alexandrit	700–800 nm	červená, IR	žíhání, řezání
Barvivové
Rhodamin 6G laser	Rhodamin 6G	570–650 nm	žlutá, oranžová, červená	dermatologie
Kumarin C30 laser	Kumarin C30	504 nm	zelená	oftalmologie, chirurgie
Plynové – Atomární
He-Ne laser	helium, neon	543 nm, 633 nm	zelená, červená	zaměřování polohy, spektroskopie
Měděný laser	měď	510 nm, 578 nm	zelená	podmořská komunikace a lokace
Jodový laser	jód	342 nm, 612 nm, 1315 nm	viditelné, IR	věda, termojaderná fúze
Xenonový laser	xenon, neon, helium	140 vlnových délek	viditelné, IR
Plynové – Iontové
Argonový laser	argon	488 nm, 514 nm	modrá, zelená	oftalmologie, spektroskopie
Hélium-kadmiový laser	helium, kadmium	325 nm, 442 nm	UV, modrá	spektroskopie
Plynové – Molekulární
Vodíkový laser	vodík	100–120 nm, 140–165 nm	UV
CO2 laser	Oxid uhličitý	10,6 μm	IR	sváření, řezání, stomatologie, gravírování
CO laser	Oxid uhelnatý	5–6,5 μm	IR
Excimerové lasery	ArF, KrCl, KrF, XeCl, XeF	193–351 nm	UV	oftalmologie, laserová ablace, fotolitografie
Dusíkový laser	dusík	337 nm	UV
Polovodičové
GaAs laser	GaAs	650 nm, 840 nm	červená, IR	laserová ukazovátka, laserová tiskárna
GaAlAs laser	GaAlAs	670–830 nm	červená	telekomunikace, přehrávače CD, displeje
AlGaInP laser	AlGaInP	650 nm	červená	přehrávače DVD
GaN laser	GaN	405 nm	modrá	Blu-ray disky
InGaAlP laser	InGaAlP	630–685 nm	červená	lékařství

poznámka: UV ~ ultraviolet (ultrafialová), IR ~ infrared (infračervená)

Použití laserů

Využití laserů je široké, zejména se jedná o následující obory:

• průmysl – řezání, vrtání, sváření a čištění (vysoké koherenci a monochromatičnosti laserového paprsku lze laserovým paprskem soustředit na malé ploše velké množství energie)
• medicína – zejména v dermatologii (akné, vyšetření pigmentových znamínek), stomatologii, oftalmologii, chirurgii a gynekologii
• vojenství – vojenské lasery (zbraňové systémy) pro pozemní vojsko, námořnictvo a letectvo s výkonem až 100 kW, označování cílů, navádění raket a munice ap.
• spotřební elektronika – tiskárny, záznamová média ap.
• datové přenosy prostřednictvím optických vláken
• výzkum
• kosmetika

Použití laserového paprsku v dermatologii

Laser je zařízení používané pro neinvazivní laserovou terapii (LLLT, Low Level Laser Therapy). Lasery fungují na principu biostimulace – stimulují mitochondrie v buňkách k výrobě ATP (adenosintrifosfátu). ATP energizuje buňku a tak probíhá rychlejší reprodukce, což vede k větší produkci kolagenu. Softlaser rovněž podporuje výměnu přes buněčnou stěnu. Oba tyto efekty vedou ke zdravější kůži a snížení léčebné doby. Neinvazivní terapie nezpůsobuje bolest, poranění či zarudnutí.^[zdroj⁠?!]

Použití argonového laseru v oftalmologii

Průkopníkem v této oblasti byl Francis L’Esperance. V roce 1963 začal používat rubínového laseru při pokusech o léčení diabetické retinopatie.
L’Esperance odhalil, že krví je absorbováno jen zhruba 6–7% výkonu rubínového laseru, a v důsledku toho je potřeba minimálně 10 působení k vypálení poškozených cév sítnice.
Na základě těchto poznatků se začalo s pokusy s argonovým laserem, který byl vyvinut krátce před jejich uveřejněním. Po několika experimentech se prvně v roce 1968 podařilo za pomoci 10wattového argonového laseru vyléčit pacienta s diabetickou retinopatií. Do konce 60. let se metoda výrazně rozšířila a jen v roce 1970 vyléčil dr. Arnall Patz 285 pacientů za použití tohoto přístupu. Nejvíce efektivním způsobem v průběhu let se stala metoda zvaná pan-retinalní ablace. Metoda používá kvazikontinuálního argonového laseru k odejmutí, nebo odpaření částí sítnice namísto přímé koagulace krevních cév. V současnosti je aplikace laseru k odstranění potíží s diabetickou retinopatií vedoucí disciplínou oftalmologie.

Další vadou, která se dá léčit za pomoci argonového laseru je zelený zákal. Léčba je často označována zkratkou ALT – Argon Laser Trabeculoplasty a úspěšně se provádí již řadu let, zvláště na pacientech, u kterých se nedaří kontrolovat oční tlak a zpomalit vývoj zákalu léky, nebo kteří, z jakéhokoliv důvodu, nemohou používat oční kapky nebo mají kontraindikace na používané medikamenty. Při léčbě zaměří lékař laserový paprsek do Schlemova kanálku (Trabe culoplasty), což je hlavní odvodný kanálek komorové vody z oka v záhybu mezi duhovkou a rohovkou. Ten pomocí 40–80 zásahů upraví tak, aby odváděl dostatek tekutiny a tím se docílí snížení očního tlaku. Zákrok se provádí v podstatě ambulantně, znecitlivěno pomocí očních kapek a na rohovku je přiložena speciální čočka, která umožňuje zahnutí paprsku.

Interakce laserového záření s tkání

Během interakce laserového záření s látkou dochází k fyzikálním procesům: absorpce, reflexe, rozptyl a transmitance. V případě biologické tkáně se pro lasery v VIS a IR spektru nejvíce uplatňuje absorpce. Ve srovnání s tímto esenciálním jevem můžeme procesy reflexe a rozptylu zanedbat. Fyzikálně lze tento jev v jistém přiblížení popsat Lambertovým–Beerovým zákonem pro monochromatické záření

$I=I_{0}e^{-\mu _{A}l}$

kde I₀ je vstupní intenzita záření, $\mu _{A}$ je koeficient absorpce a l je tloušťka vrstvy. Hloubka průniku $\sigma$ las. záření do tkáně je definována jako vzdálenost, na které je intenzita laserového záření zeslabena na $e^{-1}$ své původní hodnoty.

$\sigma ={\frac {1}{\mu }}_{A}$

Interakci laserového záření s tkání lze rovněž popsat pomocí mechanismů, jež jsou závislé na $\lambda$, intenzitě, expoziční době a druhu tkáně. Interakční mechanismy můžeme obecně rozdělit na:

Fotochemický mechanismus se uplatňuje při nízkých intenzitách 0,1–10 W/cm² las. záření. Dochází zde k chemickým reakcím na makromolekulární úrovni. Využití nachází při fotodynamické terapii a biostimulaci.

Fototermální mechanismus je typický pro kontinuální lasery o intenzitách las. záření v rozsahu 10¹−10⁶ W/cm². Různou kombinací expoziční doby a intenzity lze docílit tkáňových efektů jako např. koagulace, karbonizace a odpaření.

Fotoablativní mechanismus je proces, při kterém dochází k přímému rozpadu molekulárních vazeb pomocí vysoce energetických fotonů UV záření např. u pulsních excimerových laserů. Intenzity se pohybují v řádech10⁷−10¹⁰ W/cm².

Fotoplazmatický mechanismus se uplatňuje při intenzitách nad 10¹¹ W/cm², při nichž vzniká plazma, která sama absorbuje záření, a dochází tak k expanzi a kolapsu plazmatického obláčku a k následným rázovým vlnám.

Laser ve stomatologii

Ošetření laserem představuje jednu z modernějších a zároveň šetrných alternativ klasické vrtačky, kyret nebo ultrazvuků k odstranění zubního kamene a v neposlední řadě chirurgického skalpelu. Použití laseru ve stomatologii přináší mnohé léčebné výhody a možnosti pro lékaře a velmi široké spektrum bezbolestných zákroků pro pacienta. Nejdůležitější fyzikální veličinou, která úzce souvisí s funkcí laseru a hlavně s jeho využitím v jednotlivých lékařských oborech, je vlnová délka. Právě vlnová délka přesně určuje, na jaké tkáně bude konkrétní laserový paprsek nejúčinnější, neboli v jakém prostředí se bude nejvíce vstřebávat. Ve stomatologii se nejčastěji používají 2 typy laserů.

Typy laserů pro stomatologii

Diodový laser

Nejlépe se vstřebává v tkáních, kde je přítomno červené krevní barvivo – hemoglobin. Proto je tento laser nejúčinnější při ošetření měkkých tkání jako je dáseň, sliznice nebo kůže. S tímto laserem však stomatolog nedokáže odstranit („odvrtat“) zubní kaz nebo zubní kámen.

Erbiový laser

Na rozdíl od diodového laseru se nejlépe vstřebává v tkáních obsahujících vodu. Protože voda je v určitém procentuálním zastoupení přítomna i v zubech, kostech, zubním kameni, atd., je erbiový laser pro zubního lékaře užitečným pomocníkem.

1. Záchovná stomatologie (léčba zubního kazu) – V záchovné stomatologii se laser používá k bezkontaktnímu (žádné vibrace, žádný tlak, žádný nepříjemný zvuk) odstranění zubního kazu, ke sterilizaci povrchu zubu před pečetěním žvýkacích plošek a k ošetření citlivých zubních krčků. Stejnou koncovku používá zubní lékař k léčbě oparů a aft.
2. Endodoncie (ošetření kořenového kanálku) – V endodoncii je používán laser ke sterilizaci kořenového kanálku při zánětu zubní dřeně. Touto laserovou koncovkou je rovněž možné proniknout přes kořenový hrot, pokud již zánět pronikl až do oblasti kolem kořenového hrotu.
3. Parodontologie (léčba zánětu dásní a přilehlé kosti) a implantologie – V parodontologii je používán laser k odstranění zubního kamene a sterilizaci zánětlivého okolí. Laserová koncovka nejprve vyhledá zubní kámen, přístroj vyhodnotí jeho velikost a vypočítá přesnou dávku pro jeho odstranění. Velikost dávky a přítomnost zubního kamene je zobrazena na displeji přístroje pro lepší orientaci zubního lékaře i pacienta. Díky diagnostice laserové sondy přístroj vysílá laserový paprsek pouze do míst, kde je přítomen zubní kámen, samotný povrch zubu zůstává nedotčený, což je velmi podstatné pro následnou regeneraci. Stejný efekt má laser i u zánětu dásně v okolí implantátů.
4. Chirurgie – V chirurgii se laser používá jako dokonalý chirurgický nůž. Výhodou je, že místo v okolí řezu nekrvácí, je sterilní a hojí se téměř bez jizvy.

Výhody ošetření laserem ve stomatologii

• zákroky vyžadují minimální množství anestetika nebo mohou být provedeny i bez anestezie
• nahrazuje klasickou vrtačku – žádné nepříjemné vibrace, zvuky a tlak během vrtání
• bezpečný a šetrný způsob odstranění zubního kamene včetně dokonalejší a rychlejší regenerace
• potlačuje bolest a otoky
• po chirurgickém zákroku není nutné ránu šít
• zastavuje krvácení během chirurgických zákroků
• rychlejší průběh hojení
• nepatrné tvoření jizev
• sterilizační efekt během zákroku

Lasery ve výzkumu

Laserové paprsky nacházejí též bohaté uplatnění ve vědě a výzkumu. Jsou to například výzkum stavů hmoty za extrémních teplot a tlaků, laserové chlazení atomů, používané naopak při sledování chování částic za velmi nízkých teplot , a aplikace v chemii a biologii. Například laserovým paprskem o vysoké intenzitě lze uvést hmotu do stavu, podobnému prvním sekundám po Velkém třesku . V chemii a biologii lze laserovou spektroskopií sledovat chemické reakce téměř v reálném čase díky přesnému zaměření a přesně definované frekvenci, na které laserový zdroj vyzařuje .

Bezpečnostní rizika

Bezpečnostní symbol laseru třídy 2 a vyšší

Pokud laser pracuje na určitých vlnových délkách, na které je schopno se oko soustředit a které mohou být dobře soustředěny sítnicí a rohovkou oka, pak může vysoká koherence a malý rozptyl laserového paprsku u některých typů laserů způsobit, že je přijímaný paprsek soustředěn pouze do extrémně malého bodu na sítnici. To vede k bodovému přehřátí sítnice a k trvalému poškození zraku. Lasery jsou rozděleny do bezpečnostních tříd:

• třída I: možný trvalý pohled do svazku laserového paprsku
• třída II: kontinuální a viditelné záření, přímý pohled do zdroje možný, oko ochrání mrkací reflex
• třída III:
  • a) totéž jako třída II, ale oko již může být poškozeno při pohledu do zdroje pomocí optické soustavy (např. dalekohled)
  • b) nebezpečí poškození oka, nutno používat ochranné pomůcky (i při pozorování odrazu), max. emise 0,5 W
• třída IV: totéž jako třída III b), emise překračuje výkon 0,5 W

Běžně dostupné lasery bývají maximálně ve třídě III (optické soustavy CD přehrávačů). Výkonné lasery (třídy IV) jsou schopné způsobit popáleniny, řezné nebo tržné rány, případně způsobit požár. Řada takových laserů je buzena nebezpečnými látkami nebo vysokým napětím v řádu desítek kilovoltů.

Literatura

• VRBOVÁ, Miroslava. Lasery a moderní optika. Praha: Prometheus, 1994. 474 s. ISBN 80-85849-56-9. 
• NIEMZ, Markolf H. Laser-tissue interactions : fundamentals and applications. Berlín: Springer-Verlag, 2004. 305 s. ISBN 3-540-40553-4. 

Související články

• Maser
• Zbraň se směrovanou energií
• Řezání vodním paprskem

Externí odkazy

• Obrázky, zvuky či videa k tématu laser na Wikimedia Commons
• Slovníkové heslo laser ve Wikislovníku
• Laserové zbraně: paprsky smrti ve službách velmocí
• Lasery a vše okolo nich

Autoritní data	NKC: ph122185 PSH: 2060 BNE: XX524415 BNF: cb119428293 (data) GND: 4034610-9 LCCN: sh85074788 NARA: 10665607 NDL: 00569431 NLI: 987007555606405171

Portály: Fyzika