Laser - od objevu k průmyslovým aplikacím

Laser - od objevu k průmyslovým aplikacím

prof. Václav Černý, CSc.

Laser (z angl. Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) je optický kvantový generátor využívající jevu zesílení světla nucenou emisí záření. Laser je tedy zdroj koherentního (uspořádaného, s minimální rozbíhavostí), vysoce směrovaného světelného paprsku. (Maser - z angl. Microvave Amplification by Stimulated Emission of Radiation - je pouze poněkud uměle oddělován od laseru).
Podle prostředí, v němž ke generaci záření dochází, se lasery dělí na pevnolátkové, plynové, polovodičové, kapalinové a zvláštní skupinu tvoří i lasery s volnými elektrony. Podle režimu činnosti se lasery dělí na kontinuální a impulsní.
Lasery našly za čtyřicet let od svého objevu uplatnění v mnoha oborech lidské činnosti: v průmyslu a vědě, lékařství, kosmetice, ale i v umění apod. Například ve strojírenství se lasery používají k řezání nebo k povrchovým úpravám kovových součástek (povrchové kalení, žíhání, legování atd.). Laserové záření stimuluje chemické reakce, vytváří nové chemické látky. Pomocí laseru je možné detekovat jednotlivé atomy, rozdělovat izotopy. V lékařství se lasery jako „nekrvavé skalpely„ využívají pro složitější operace očí a množství dalších chirurgických výkonů. Vznikly dokonce nové obory, jako je laserová medicína nebo holografie. V elektrotechnice se lasery používají například pro výrobu termočlánků.

1. Historie a objev laseru

První laser byl postaven již v roce 1960, avšak až v roce 1964 se o Nobelovu cenu za jeho objev podělili americký fyzik Charles Hard Townes se dvěma ruskými fyziky - Nikolajem Gennadijevičem Bassovem a Alexandrem Nikolajevičem Prochorovem^*).

Čím bylo způsobeno toto zpoždění? Základní myšlenky, z nichž lasery a masery vycházejí, totiž neobsahovaly žádné vědecké zákony, které by byly neznámé alespoň některým vědcům již o 30, nebo i více, let dříve. Jako první poznal a stimulovanou emisi totiž popsal již v roce 1917 Albert Einstein. (V roce 1917 A. Einstein teoreticky zdůvodnil existenci elementárního procesu, při kterém přítomné záření rezonanční frekvence f vyvolává kvantový přechod, při němž je uvolněno kvantum /foton/ se stejnou frekvencí f. Směr šíření a polarizace vlny jsou stejné jako směr šíření a polarizace vlny, která kvantový přechod vyvolala. Tento proces bývá označován jako stimulovaná emise.)

Obr. 1. Celkový pohled na terawattový jódový pulsní laser PALS (Prague Asterix Laser System) v Akademii věd ČR v Praze

Koncem 30. let minulého století byly publikovány ještě alespoň další dva texty týkající se možného zesílení pomocí stimulované emise záření. Vědecká a technická veřejnost tomu však v té době nevěnovala téměř žádnou pozornost - základy objevení laseru se totiž odehrávaly v té nejabstraktnější části fyziky – kvantové mechanice.

Ta pravá myšlenka objevu laseru dokonce nazrála v evidentně velmi nepravděpodobné oblasti výzkumu, ze které mohl být superintenzivní světelný zdroj generován – v mikrovlnné spektroskopii molekul.

A přestože zákony kvantové mechaniky jsou pro většinu lidské populace doposud nesrozumitelné a nepochopitelné, vzniklo podle jejích zákonů něco tak mimořádně užitečného a praktického – laser. Jeho objev lze navíc významově srovnávat s největšími objevy v historii lidstva. Jak tomu však už u takových objevů bývá, dokonce i největší autority z oboru fyziky se ve své době k myšlence laseru stavěly s nečekanou nedůvěrou, nebo dokonce odmítavě. A tak tedy byl laser dříve postaven a funkční, nežli byl „objeven„.

Od udělení Nobelovy ceny v roce 1964 bylo uděleno dvanáct dalších Nobelových cen výzkumníkům, kteří použili masery nebo lasery jako důležité nástroje pro nové vědecké objevy.

2. Stručně fyzikální princip laseru

Laser je kvantový zdroj monochromatického intenzivního svazku světelných paprsků v oblasti viditelného a přilehlého neviditelného spektra elektromagnetického záření.

Spontánní emise světla vzniká v důsledku přechodu atomu z vybuzeného stavu do stavu základního. Stimulovaná (indukovaná) emise je v laseru způsobena interakcí atomů s elektromagnetickým zářením (fotonem).

Obr. 2. Dvanáctisvazkový laserový systém GEKKO XII, pracující na principu neodymového skla v Institute of laser engineering v Japonsku

Jestliže nějaká látka obsahuje v jisté koncentraci vybuzené atomy schopné emise na určité vlnové délce, potom po vstupu záření stejné vlnové délky dojde indukcí k přechodu elektronů na nižší hladinu, což je provázeno emisí fotonů stejné energie.

Způsob, kterým se elektrony atomu vybudí na excitovanou hladinu se nazývá čerpání. Vybuzené atomy představují aktivní částice. Aby došlo k zesílení emise stimulovaného záření, musí být v aktivním prostředí vyroben přebytek aktivních částic. Protože u všech laserů jsou aktivní částice rovnoměrně rozptýleny v aktivním prostředí, musí být dráha, kterou proběhnou fotony způsobující stimulovanou emisi v aktivním prostředí co nejdelší (obr. 1 a 2).

Elektromagnetické pole, složené z vln s optickými frekvencemi, má vliv zejména na stav a strukturu elektronového obalu atomů. Dochází ke změnám doprovázeným přenosem energie mezi podsystémy, tj. atomy, molekulami nebo ionty a elektromagnetickým polem.

Světelné vlny jsou totiž zesilovány v procesu stimulace atomů nebo molekul, které mají přebytečnou energii, již mohou vyslat v podobě fotonů stejné frekvence a fáze, jako má světelná vlna.

Elektromagnetické vlny delší než 1mm se nazývají mikrovlny, zatímco vlny kratší než 1 mm se označují jako infračervené a jsou považovány za „světlo“, přestože toto záření je viditelné pouze při vlnových délkách více než 10³krát kratších než vlnová délka 1 mm, která je považována za začátek infračervené oblasti.

Obr. 3. Svaření termočlánku

Základní principy pro fungování stimulovaného zesilování jsou v podstatě tytéž v celém rozsahu elektromagnetického spektra, avšak lasery, poskytující infračervené záření, viditelné světlo a ultrafialové záření, jsou dosud nejlépe známy a nejvíce používány.

Mnohé masery a lasery byly nedávno objeveny ve vesmíru – ale tam existovaly a byly neobjeveny miliardy let. Dnes je známo více než 100 různých maserů a některé lasery s vlnovými délkami až asi jeden mikron, které se vyskytují v přirozeném stavu v mezihvězdném prostoru a v oblacích obklopujících hvězdy.

3. Praktická konstrukční řešení laseru

Je známo mnoho konstrukčních řešení laseru: jejich rozměr se mění od mikroskopického (např. nanotrubicový laser), až po rozměr velké budovy.

Výkony těchto laserů se pohybují od hodnot menších než mikrowatt až do petawattů (10¹⁵ W). Výkon o petawattových hodnotách byl dosažen laserem v Lawrence Livermore Laboratory v USA. Je to výkon větší než veškerá spotřeba populace USA a z důvodů omezených zdrojů se tudíž omezuje na krátkou dobu - vyskytuje se v pulsech trvajících řádově 10^–12 s.

Obr. 4. Uzavření pouzdra termočlánku

Tento výkon může být soustředěn na malou plochu, ne o moc větší, než je vlnová délka viditelného světla, přičemž hustota výkonu je asi 10²³W/cm², což je nová oblast zkoumání vysokých hustot výkonu. Odhady ukazují, že jsou možné výkony dokonce 10⁶krát větší, což by znamenalo posunutí laseru do oblasti zetterwattů (10²¹).

Naopak na druhou stranu lasery mohou být tak jemné, že jimi lze uchopit jednotlivý mikroorganismus a jedinou buňku, aniž jim ublíží (laserové tweezery).

4. Aplikace a užití laseru

V dnešní době se stále více používá laseru jako výrobního nástroje. Předností laserového zpracování materiálu je jeho vysoká flexibilita, malé tepelné ovlivnění materiálu, různorodost materiálu, který se dá laserem zpracovávat a možnost inovace četných technologických systémů.

Lasery (a masery) se v mnoha aplikacích uplatňují v nejrůznějších výzkumných a průmyslových odvětvích:

• Poskytují vynikající etalony času a délky. Důležitou součástí systému globálního indikátoru polohy (GPI) jsou vodíkové maserové hodiny. Vodíkový maser umožňuje vyrobit hodiny s přesností asi 10–15 s, ve srovnání s hodinami na principu svazku cesiových atomů.

• Lasery dokázaly změřit Rydbergovu konstantu^**) s přesností 5·10^–15.

• Díky laserům není už mezinárodním standardem délky standardní metrová tyč, ale vlnová délka určité spektrální linie. Lasery jsou rovněž skvělým zaměřovacím nástrojem, který snadno poskytuje přímky i přesné měření vzdálenosti. Například laserové pulsy vyslané na Měsíc a odražené zpět na Zemi změřily vzdálenost Měsíce s přesností přibližně jeden palec (palec, angl. inch = 25,396 mm, střední vzdál. Země-Měsíc = 384 000 km).

• LIGO, experimentální aparatura v California Institute of Technology (USA) k měření gravitačních vln, používá laser k měření konstantnosti asi čtyřkilometrové vzdálenosti s přesností 10^–21 km nebo 4·10^–16 cm, což je asi 10^–8 velikosti atomu.

• Velmi krátké časy, až několik násobků 10^–15 s, se také měří pomocí laserových pulsů a umožňují tak vědcům pozorovat procesy chemických reakcí.

• Masery a lasery poskytují nejcitlivější zesilovače elektromagnetických vln s citlivostí blízkou jednomu fotonu na jednotku šířky pásu.

• Vysoký výkon laseru dovoluje vytvořit širokou škálu nelineárních optických jevů, přičemž poskytuje první, druhé a třetí harmonické frekvence světla, stejně jako směsi frekvencí. Lasery mohou s pomocí pulsů dát velké množství nelineárních efektů bez přehřívání optického média, a tím poskytují nové fyzikální jevy a nové metody pro analýzu materiálů.

• Lasery také mohou materiály ochlazovat; umožňují dosahovat teplot až 10^–6 K a otevírají tak další nové a široké pole fyzikálních jevů.

• Vysoká frekvence viditelného světla představuje obrovský potenciál šířky pásu pro komunikaci a přenos laserového záření pomocí optických vláken, se šířkami pásu 10^–11 Hz přenášenými jedním optickým vláknem, je dnes důležitou součástí komunikační techniky. Lasery jsou proto běžným a důležitým nástrojem při záznamu a čtení informace.

• Koncentrovaná energie krátkých laserových pulsů může řezat nebo odpařovat materiál. To činí lasery užitečnými pro operace v medicíně, ale i pro jiné způsoby využití v lékařství.

• Vysoce koncentrovaný výkon laserového svazku se široce využívá při řezání a svařování a v široké škále průmyslových výrobních postupů.

5. Průmyslové využití laserového ohřevu

V průmyslu se pro tento účel nejčastěji používají lasery CO₂ a Nd:YAG, v poslední době i diodové lasery, (viz tab. 1) a lasery rubínové.

Tab. 1. Rozdělení typů laserů se základními technickými parametry

CO₂ laser je plynový laser s aktivním prostředím CO₂, který generuje stimulované záření o vlnové délce 10,6 µm nebo 9,6 µm s účinností až 25 %. Záření je usměrňováno odrazovými zrcadly s vysoce precizními naváděcími systémy, což zaručuje stálou kvalitu. V kontinuálním provozu dosahuje CO₂ laser výkonu až několika desítek kW, v pulsním až několika set MW.

Neodymový laser je kvantový generátor infračerveného záření o vlnové délce 1,06 µm. Je založen na využití zářivých přechodů v energetickém spektru Nd³⁺ v aktivním prostředí monokrystalu yttrito–hlinitého granátu (YAG).

ND:YAG lasery mají ve srovnání s CO₂ lasery vyšší absorpci záření u vysoce odrazivých materiálů, např. mědi nebo hliníku. S flexibilními světlovody lze záření ND:YAG laserů přenášet téměř beze ztrát, takže lze realizovat obrábění velmi malých objektů. Pro průmyslové použití se vyrábějí ND:YAG lasery s trvalým výkonem až 6 kW. S pulsně řízenými ND:YAG lasery může být dosaženo pulsního výkonu až 10 kW, takže mohou být použity pro řezání a sváření materiálů tloušťky až 40 mm.

Polovodičový laser je kvantový generátor koherentního záření, jehož aktivním prostředím je polovodičový krystal obvykle menší než 1 mm. Polovodičový laser má pro své nepatrné rozměry uplatnění zejména ve sdělovací technice.

Rubínový laser je kvantový generátor koherentního záření o vlnové délce 0,69 µm. Využívá luminiscence rubínového monokrystalu (Al₂O₃ : Cr³⁺). V kombinaci se zesilovačem má při délce pulsu několik ns nebo ps výkon až několik tisíc MW. V kontinuálním režimu může generovat výkon několik W.

Rubínový laser se v technologii používá při řezání, vrtání a svařování, v astronomii pro lokaci družic a vesmírných objektů a v očním lékařství pro některé speciální zákroky.

Diodové lasery se vyrábějí pro výkony několika W až 6 kW. Tyto lasery mají vysokou účinnost (až 55 %), avšak ve srovnání s CO₂ a ND:YAG lasery mají nižší kvalitu sváření.

Pro aplikaci vhodného laseru je důležitá hlavně absorpce záření u opracovávaného materiálu. U krátkovlnných ND:YAG laserů je stupeň absorpce 3 až 5kráte vyšší nežli u dlouhovlnného CO₂ laseru, který je zase vhodný pro většinu umělých hmot.

Ve srovnání s konvenčními metodami se při laserovém opracovávání materiálů neopotřebovává žádný obráběcí nástroj, obráběný materiál je celkově minimálně namáhán a pracovní rychlost je vysoká.

Laserový ohřev lze automaticky a flexibilně řídit, kvalita opracování je výborná a stabilní. V metalurgickém průmyslu se laserový ohřev používá na řezání, vrtání, svařování, letování a povrchové vytvrzování. Laserový ohřev je cenově výhodný i při velké rozmanitosti výrobků a při malých vyráběných sériích.

CO₂ laser se v průmyslu nejčastěji používá k řezání. Předností je úzký a čistý řez, který zaručuje minimální tepelný vliv na okolní materiál.

Koaxiálně s laserovým paprskem se přivádí do řezné rýhy pod vysokým tlakem plyn, který vyfukuje zbytky materiálu v řezné ploše. Obvykle je to kyslík, u ušlechtilých ocelí, hliníku a titanu se používají inertní plyny.

Laserové sváření má mnohostranné využití, od sváření drobných pružinek pro měřicí přístroje až po sváření silných plechů.

U drobných výrobků velikosti několika milimetrů a pro bodové sváření se uplatňují Nd-YAG lasery s výkonem do 1,5 kW.

Obr. 5. Přivaření terčíku na drát

Pro švové svařování plechů tloušťky nad 25 mm se používají CO₂ lasery s výkony až 40 kW. Šev je velmi úzký, vysoké kvality a okolní materiál se minimálně ohřívá.

V automobilovém průmyslu se u laserového sváření oceňuje zejména rychlost, vysoká kvalita, minimální tepelné namáhání okolního materiálu a čistota svaru, který nevyžaduje žádné další úpravy.

Laserové svařování se používá zejména tam, kde se vyžadují přesné spoje, při svařování natupo, pro koutové svary, ale i pro bodové svařování.

U svařování přeplátováním je hodnotícím kritériem vyšší pevnost a těsnost svaru.

Laserový ohřev se uplatní i při povrchových úpravách, např. při vytvrzování malých, přesně definovaných oblastí. Vytvrzovat lze i těžko přístupná místa, např. vnitřní plochy válcových vložek velkých vznětových motorů.

5.1. Užití laseru při výrobě termočlánků

Z technického hlediska je úspěch výroby termočlánků ovlivněn konstrukcí termočlánku a vhodnou volbou materiálu. Při častém tepelném namáhání termočlánku je důležité vhodně zvolit takové materiály a technologii výroby, které zaručí nulovou četnost poruch při užívání.

Dnešní moderní metody výroby umožňují volit různorodou konstrukci a materiály. Při současné technologii jsou termočlánky pájeny a jejich pevnost je nedostatečná.

Obr. 6. „Laserová svíčka“ do automobilů

S problémem poruch termočlánků v důsledku jejich malé pevnosti a nové konstrukce se výrobce obrátil na ČVUT. V laserovém centru byl navržen nový postup spojovaní pomocí laseru. Pro spojování dvou měděných drátů Ć 1 mm a jednoho platinového drátku Ć 0,2 mm byl použit pulsní Nd:YAG laser s maximálním výkonem 550 W. Platinový drátek se vložil mezi dva měděné a jedním výstřelem došlo ke spojení všech tří drátků. Při tomto spojení vznikla dostatečná pevnost.

Další problém byl s uzavíráním pouzdra termočlánku, kdy materiál byl nerezová ocel třídy 17 348 a termočlánek byl plněn MgO (oxidem hořečnatým). Z důvodu plnění MgO se pouzdro nesmělo provařit a zároveň svar musel být hermetický. Při tomto svařování byl použit stejný postup jako při předešlém svařování. Výsledek svařování je na obr. 3 a 4 [4][5].

5.2. Výroba kontaktů na svíčky

Při používání zapalovacích svíček v automobilu se hodně opotřebovávají kontakty, proto se výrobce rozhodl, že použije jiných, více odolných materiálů (platina a nikl). Ke spojení těchto materiálů bylo třeba nalézt vhodnou technologii spojování s ohledem na rozměry spojovaných materiálů (Pt Ć 1 mm a Ni tloušťka 1,5 mm).

V laserovém centru byla navržena technologie spojování laserem. Pro spojování platinového terčíku a niklového drátu (viz. obr. 5), byl použit pulsní Nd:YAG laser s maximálním výkonem 550 W. Platinový terčík o Ć 1 mm se vložil do otvoru v niklovém drátu a přivařil. Přivaření se dělalo v ochranné atmosféře argonu. Svíčka do automobilů je na obr. 6 [4][5].

6. Užití laseru v medicíně

V současnosti se v medicíně používají Nd:YAG a CO₂ lasery, které pracují v pásmu infračerveného záření.

Obr. 7. a) řez lymfatickou tkání skalpelem, b) řez lymfatickou tkání CO2 laserem [9]

Pro klinickou praxi byl např. na ČVUT vyvinut a realizován kontinuální Nd:YAG laser s přenosem záření optickým vláknem MEDICALAS. Přístroj má řídicí počítač SAPI, který současně s regulací výkonového čerpacího zdroje a nastavení parametrů laserové akce kontroluje a řídí celou řadu čidel a akčních členů. Tím se stává obsluha zařízení jednodušší a předchází se i porušení některých bezpečnostních požadavků při práci s lasery. Byly vyvinuty aplikační koncovky pro obecnou chirurgii a endoskopii a elektronická řídicí jednotka pro laserovou likvidaci („hypertermii„) nádorů [10].

6.1. Biologické účinky laseru

Infračervený paprsek chirurgického laseru, který se používá k vedení řezu, je silně pohlcován biologickými tkáněmi, které obsahují vnitrobuněčnou a mimobuněčnou tekutinu. To způsobuje odpařování tkáně. Povrch klasického a laserového řezu se podstatně liší.

U operace provedené laserem je řez hladký a tkáň je poškozena jen tepelnou nekrózou, která zároveň slouží jako ideální kryt ranné operační plochy.

Pro porovnání uvádíme řez lymfatickou tkání skalpelem (obr. 7a) a řez lymfatickou tkání laserem (obr. 7b).

Lasery se ale uplatňují v mnoha dalších oborech, počínaje geodézií a konče zbrojní technikou.

Na rozdíl od rychlosti střely v ústí hlavně děla 1,6 km·s^–1 je rychlost laserového paprsku 300 000 km·s^–1. Již v roce 1980 byl realizován laser s výkonem 5 MW, který mohl likvidovat objekty vzdálené až 800 km. Lasery o výkonu 100 až 200 MW umístěné v kosmickém prostoru by byly schopny zničit všechny umělé družice a napadat i interkontinentální střely [11].

Je však jistě užitečnější zabývat se jen aplikacemi, které s těmito pokusy nemají nic společného.

Použitá literatura:
[1] EMMELMANN, C.: Introduction to industrial laser materials processing. ROFIN – SINAR, Hamburg, February 1997.
[2] VRBOVÁ, M., JELÍNKOVÁ, H., GAVRILOV, P.: Úvod do laserové techniky. ČVUT, Praha 1998.
[3] DUNOVSKÝ, J.: Speciální technologie. ČVUT, Praha 1984.
[4] DUNOVSKÝ, J. a kol.: Speciální metody svařování. ČSVTS, Plzeň 1985.
[5] CÍSAŘOVSKÝ, P.: Technologické aplikace pevnolátkových laserů. [Diplomová práce] ČVUT, Praha, 2001.
[6] firemní materiály firmy JSP, s. r. o. Nová Paka.
[7] firemní materiály firmy Brisk Tábor, a. s.
[8] BAAKE, E.: Laserstrahlerwärmung. Elektrowärme International 2003, Heft 2, Juni.
[9] BETKA, J.: Principy CO₂ laseru a jeho využití v chirurgii. Avicenum 1990.
[10] MAREK, J.: Pevnovláknový laser pro chirurgii. ČVUT 1990.
[11] CALLAHAM, M., TSIPIS, K.: High Energy Laser Weapons. MIT Cambridge 1980
[12] odborný časopis SVĚTLO, FCC PUBLIC s. r. o., 1/2004.

^*) Podle ruských pramenů by měla být priorita za objev laseru přiřčena spíše fyziku Valentinu Alexandroviči Fabrikantovi, který od roku 1930 pracoval ve Všesvazovém elektrotechnickém institutu (VEI). Tento vynikající vědec se v podstatě od počátku 30. let minulého století věnoval výzkumu elektrického výboje v plynech, jehož hlavním cílem bylo zdokonalování světelných výbojových zdrojů, a již ve své doktorské práci, kterou obhájil v roce 1940, ukázal na možnost existence prostředí s inverzní populací, které může zesilovat procházející záření v důsledku tzv. stimulované emise.
V roce 1951 A. V. Fabrikant přihlásil spolu se svými spolupracovníky vynález nového způsobu zesilování světla. V přihlášce bylo uvedeno, že při průchodu světla prostředím s inverzní populací jeho intenzita exponenciálně vzrůstá. Tento princip byl rozšířen na ultrafialové, infračervené i na rádiové záření. Velmi důležité bylo také to, že v přihlášce byl uveden způsob získání inverzní populace čerpáním pomocí impulsního výboje (kromě dříve uvedeného způsobu pomocí rezonance při srážkách 2. řádu mezi vybuzenými atomy a elektrony). Tím byl položen základ pro konstrukci laseru. Autorské osvědčení bylo vydáno v roce 1959 a diplom o vynálezu v roce 1964 s platností od roku 1951.
Je proto pozoruhodné, že v sovětském systému nakonec prioritu a Nobelovu cenu za objev laseru, spolu s Ch. H. Townesem, dostali N. G. Bassov a A. N. Prochorov.
[Světotěchnika, 1991, č. 5, a 1998, č. 1.]

^**) Rydbergova konstanta je jedna ze základních fyzikálních konstant, která charakterizuje optická spektra atomů. Má hodnotu 1,097·10⁷ m^-1.

prof. Václav Černý, CSc.

• narozen 1924
• Elektrotechnická fakulta ČVUT, obor silnoproud (1951),
• do roku 1971 působil jako vysokoškolský učitel,
• stáže ve Francii a Itálii,
• od roku 1987 až 1990 jako vědecký pracovník ve VÚSE Běchovice,
• autor desítek původních prací, výzkumných zpráv, několika set odborných článků a 6 patentů,
• soustavně studuje odbornou literaturu a trendy v elektrotechnice a snaží se své poznatky a životní zkušenosti předávat čtenářům časopisu ELEKTRO