Co je to laser?

Laser je zařízení, které vyzařuje světlo pomocí procesu optického zesílení založeného na principu stimulované emise elektromagnetického záření. Samotné slovo LASER vzniklo jako zkratka anglického slovního spojení Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, což v překladu znamená „zesilování světla stimulovanou emisí záření“. Díky tomuto principu dokáže laser vydávat úzký svazek světla s výjimečnými vlastnostmi, který se výrazně liší od světla běžných žárovek či lamp.

První funkční laser s rubínovým krystalem, který v roce 1960 sestavil Theodore Maiman. Tento historický přístroj otevřel éru laserové technologie.

Ačkoli dnes lasery nacházíme v mnoha zařízeních každodenního života, jedná se ve skutečnosti o poměrně nový vynález. První laser byl sestrojen v roce 1960 americkým fyzikem Theodorem Maimanem na bázi rubínového krystalu. Již o rok později našel praktické uplatnění v medicíně – lékaři jej úspěšně použili k přivaření odchlípnuté sítnice v oku. Od té doby se laserová technologie prudce rozvíjela a dnes jsou k dispozici stovky různých typů laserů pro nejrozmanitější účely.

Princip fungování laseru

Každý laser se zpravidla skládá ze tří základních částí: aktivního prostředí, zdroje energie a rezonátoru. Aktivní prostředí (tzv. laserové médium) je látka, ve které dochází k zesílení světla – může jím být pevný krystal, plyn, kapalina nebo polovodič. Zdrojem energie (často nazývaným čerpadlo) může být například elektrický výboj, silná záblesková lampa nebo jiný laser; jeho úkolem je dodat aktivnímu prostředí energii a vybudit atomy nebo molekuly do vyššího energetického stavu. Tím se vytvoří tzv. inverze populace, kdy většina atomů v prostředí je excitována (nabita energií) a připravena emitovat fotony. Rezonátor pak obvykle tvoří dvojice zrcadel okolo aktivního prostředí – jedno zrcadlo je plně odrazivé a druhé částečně propustné. Rezonátor zajišťuje, že světlo z aktivního prostředí se odráží sem a tam skrz médium a zesiluje se, než část tohoto světla unikne ven skrze částečně propustné zrcadlo jako výsledný laserový paprsek.

Klíčovým fyzikálním jevem, na kterém laser funguje, je stimulovaná emise záření. Jak to funguje? Když je atom v excitovaném stavu (má nadbytečnou energii), může samovolně uvolnit foton a přejít do základního stavu – tomu říkáme spontánní emise (obdobně jako světlo z běžné žárovky vzniká náhodnými přechody atomů). Pokud však kolem takového excitovaného atomu proletí jiný foton o správné energii (frekvenci), může vyvolat předčasný přechod excitovaného atomu do nižšího stavu. Při tomto přechodu atom vypustí nový foton, který má stejné vlastnosti jako původní foton – stejnou frekvenci (tedy barvu) i stejnou fázi neboli je synchronizovaný. Této řízené kopii fotonu se říká nucená (stimulovaná) emise. Nově vzniklý foton putuje prostorem spolu s tím původním a může vyvolat další emise u dalších excitovaných atomů. V aktivním prostředí laseru se tak rozbíhá lavina fotonů – každý nový foton indukuje vznik dalších. Díky zrcadlům rezonátoru se fotony opakovaně vracejí do aktivního média a řetězová reakce pokračuje, což vede k exponenciálnímu zesílení světla. Výsledkem je intenzivní svazek fotonů mířící jedním směrem ven z laseru.

Aby laser správně fungoval, je nezbytné dosažení zmíněné inverze populace – tedy stavu, kdy je v aktivním médiu více atomů v excitovaném stavu než v základním. Za normálních okolností většina atomů setrvává v nejnižší energii, ale energetické čerpání (například silným elektrickým výbojem či jiným zdrojem) dokáže převrátit tuto rovnováhu. Inverze populace je nutná k tomu, aby stimulovaná emise převládla nad absorpcí (kdy by fotony byly naopak pohlcovány) – jedině tak se světlo zesílí místo toho, aby zanikalo. Když je splněna tato podmínka a aktivní prostředí dosáhne prahového zisku, laser se rozeběhne a začne emitovat koherentní svazek světla.

Vlastnosti laserového světla

Laserové světlo má několik unikátních vlastností, jimiž se odlišuje od světla běžných zdrojů:

• Monochromatičnost – Laser typicky vyzařuje světlo o jedné dominantní vlnové délce, takže jeho paprsek je jednobarevný. Na rozdíl od žárovky, která září najednou mnoha různými barvami (vlnovými délkami), laser může produkovat například čistě červený paprsek o přesné vlnové délce 632,8 nm (helium-neonový laser) nebo zelený paprsek 532 nm (dvojitě frekvenčně násobený Nd:YAG laser) atd. Monochromatické světlo lze lépe zaměřit a využít tam, kde je třeba přesně definovaná barva či energie fotonů.

• Koherence – Světlo z laseru je koherentní, což znamená, že jeho světelné vlny jsou fázově sladěné (synchronní). Všechny fotony v laserovém paprsku „pochodují ve stejném rytmu“. Díky této vlastnosti může být laserový svazek velmi stabilní a lze jej zaostřit do velice malého bodu či udržet nerozbíhavý na velkou vzdálenost. Koherence také umožňuje vznik interferenčních obrazců, čehož se využívá například v holografii nebo v precizních měřicích metodách.

• Směrovost – Laserový paprsek je vysoce směrovaný (kolimovaný). Světlo z laseru vychází v úzkém svazku, který se na rozdíl od světla baterky či žárovky téměř neroztahuje do stran. To znamená, že laser může na velkou vzdálenost ozařovat velmi malou plochu. Tato vlastnost je důležitá pro aplikace, jako je laserové ukazovátko (paprsek zůstává viditelný jako tenká „čára“) nebo řezání materiálů laserem, kde je třeba soustředit energii na malou plochu.

Různobarevné paprsky několika laserů v laboratorním experimentu. Každý jednotlivý laser obvykle emituje úzký svazek monochromatického (jednobarevného) světla. Různé typy laserových médií však mohou produkovat různou barvu (vlnovou délku) paprsku.

Díky kombinaci výše uvedených vlastností může laserový paprsek přenášet vysoké množství energie na velkou dálku s minimálním rozptylem. To je důvod, proč jsou lasery tak užitečné v řadě aplikací – dokáží řezat a tavit materiály, přesně zaměřovat malé objekty, přenášet informace optickými vlákny a mnoho dalšího, co by běžné nesouvislé světlo nedokázalo.

Druhy laserů

Existuje mnoho různých druhů laserů, které se liší zejména druhem aktivního prostředí a způsobem čerpání energie. Mezi hlavní kategorie patří polovodičové lasery, plynové lasery a pevnolátkové (pevné) lasery. Kromě nich existují také speciální typy jako kapalné (barvivové) lasery s organickými barvivy či exotické lasery na volných elektronech, avšak ty se využívají spíše ve výzkumu. Níže se zaměříme na tři nejběžnější typy a jejich základní charakteristiky.

Polovodičové lasery (diodové)

Polovodičový laser je v podstatě dioda (přechod p-n) vyrobená ze speciálního polovodičového materiálu, která při průchodu elektrického proudu emituje laserové světlo. Jedná se o nejrozšířenější typ laseru v běžných zařízeních – je malý, levný a energeticky úsporný. Polovodičové lasery vyzařují obvykle ve viditelné nebo blízké infračervené oblasti světla. Příkladem je laserová dioda z arsenidu galia (GaAs), která emituje červené nebo infračervené světlo (typicky okolo 650–840 nm) a používá se v laserových ukazovátkách či laserových tiskárnách. Jiným příkladem jsou laserové diody GaAlAs (gallium-aluminium arsenid), které mohou pracovat v červené až infračervené oblasti a nacházejí uplatnění např. v telekomunikacích pro přenos signálů optickými vlákny.

Polovodičové lasery mají relativně nižší výkon (řádově miliwatty až jednotky wattů u běžných diod), ale vynikají rychlou modulovatelností – lze je velmi rychle zapínat a vypínat či měnit intenzitu. To je ideální pro přenos dat (například blikáním laserové diody lze přenášet informace po optickém vláknu). V každodenním životě se s polovodičovými lasery setkáváme v CD/DVD/Blu-ray přehrávačích (červené a modrofialové laserové diody čtou data z disků), v barcode čtečkách v obchodech, v laserových ukazovátkách a také v již zmíněných optických komunikacích. Díky pokroku v technologii dnes existují i vysoce výkonné polovodičové laserové moduly (a jejich matrice), které se využívají například k čerpání pevnolátkových laserů nebo přímo pro průmyslové řezání a sváření tenkých materiálů.

Plynové lasery

U plynových laserů je aktivním prostředím plyn nebo směs plynů uzavřená v trubici (rezonátoru) typicky s zrcadly na koncích. Energii plynovým laserům dodává nejčastěji elektrický výboj procházející plynem. Tím dochází k excitaci atomů či molekul plynu a k inverzi populace potřebné pro laserový efekt. V plynových laserech se podařilo realizovat laserové záření v oblasti ultrafialové, viditelné i infračervené – záleží na druhu plynu.

Klasickým příkladem plynového laseru je helium-neonový laser (He-Ne), vynalezený v roce 1961. Jako medium používá směs helia a neonu a vyzařuje typicky červené světlo o vlnové délce 632,8 nm (některé He-Ne lasery i zelené 543 nm). He-Ne lasery mají relativně nízký výkon (několik mW), ale velice dobrou stabilitu a kvalitu paprsku. Proto se dlouho používaly v vědeckých laboratořích pro zarovnávání optických systémů, v měřicích přístrojích a také například v starších typech laserových ukazovátek. Dnes byly v mnoha aplikacích nahrazeny polovodičovými diodami (které jsou menší a nevyžadují vysoké napětí), přesto helium-neonový laser zůstává ikonickým představitelem plynových laserů.

Dalším velmi rozšířeným plynovým laserem je CO₂ laser, využívající směs oxidu uhličitého (CO₂) a dalších pomocných plynů (např. dusíku a hélia). CO₂ laser vyzařuje infračervené záření o vlnové délce 10,6 µm, které je neviditelné okem, ale výjimečně dobře pohlcované mnoha materiály. CO₂ lasery mohou dosahovat vysokých výkonů (desítky až stovky wattů i více) a staly se nepostradatelnými v průmyslu pro řezání a svařování kovů, plastů, dřeva a dalších materiálů. Rovněž se používají v medicíně jako tzv. chirurgické lasery pro odpařování tkáně (např. odstranění kožních výrůstků) – díky infračervenému paprsku, který silně absorbuje voda v tkáních, dokáží velmi účinně řezat měkké tkáně s minimálním krvácením.

Existují i další plynové lasery: například argonový laser (iontový laser na argon, vyzařuje modrozelené světlo ~488 nm a 514 nm) používaný dříve v oftalmologii k ošetření sítnice a v laserových show, nebo excimerové lasery, kde medium tvoří excimerové plyny (např. směs argonu a fluoru pro ArF laser, 193 nm v UV oblasti) – tyto našly uplatnění třeba v oční chirurgii (LASIK) a v polovodičovém průmyslu pro litografii čipů díky jejich krátkým vlnovým délkám v UV oblasti. Každý plynový laser má své specifické využití dané vlnovou délkou a dosažitelným výkonem.

Pevnolátkové (pevnolátkové) lasery využívají jako aktivní prostředí pevný materiál, nejčastěji krystal nebo sklo, které je dopovánomalými množstvími vhodných iontů. Typickým příkladem je Nd:YAG laser – krystal yttrium-hlinitého granátu (YAG) dopovaný ionty neodymu (Nd³⁺). Nd:YAG laser emituje infračervené světlo o vlnové délce 1064 nm a může pracovat v pulzním i kontinuálním režimu. Díky vysoké kvalitě paprsku a možnostem dosáhnout velkého výkonu (od jednotek wattů až po kilowatty) patří Nd:YAG k nejrozšířenějším průmyslovým laserům – používá se pro řezání a svařování kovů, v chirurgii (např. laserové skalpely a odstranění tetování) i ve vědeckých aplikacích jako spektroskopie. Kromě toho lze frekvenci Nd:YAG laseru násobit v nelineárních krystalech – například zdvojením frekvence vzniká zelený laser 532 nm, což je využíváno v některých lékařských přístrojích i laserových ukazovátkách s vyšším výkonem.

Historicky prvním pevnolátkovým laserem byl již zmíněný rubínový laser (krystal korundu Al₂O₃ dopovaný chromem), který generuje pulzy červeného světla 694 nm. Rubínový laser pracuje v pulzním režimu (nelze jím dosáhnout kontinuálního svícení) a našel uplatnění např. ve vybíjení kvantových přístrojů a dříve také při vytváření hologramů. Dnes rubínové lasery ustoupily modernějším médiím, ale mají historický význam jako průkopníci laserové éry.

Další významnou skupinou jsou vláknové lasery, které lze řadit mezi pevnolátkové. Aktivním médiem je v tomto případě optické vlákno (skleněné), dopované například ytterbiem nebo erbien. Vláknové lasery se proslavily v posledních dvou dekádách díky schopnosti dosahovat velmi vysokých výkonů při zachování vynikající kvality paprsku a účinnosti. V průmyslu stále častěji nahrazují klasické CO₂ a Nd:YAG lasery při řezání, značení a svařování, protože jsou kompaktnější a efektivnější.

Je třeba zmínit, že různé pevnolátkové lasery pokrývají široké spektrum vlnových délek – například titan-safírový laser (Ti:Al₂O₃) je laditelný v rozmezí zhruba 650–1100 nm a umí generovat i ultrakrátké femtosekundové pulsy, erbiový YAG laser (Er:YAG) pracuje na 2940 nm a využívá se v dermatologii pro odpařování tkáně, atd. Pevnolátkové lasery často vyžadují externí čerpání (typicky silnou zábleskovou výbojkou nebo jiným laserem, např. diodovým polem) k dosažení inverze populace. Jejich konstrukce bývá robustnější, ale umožňují dosahovat velmi vysokých výstupních energií – některé výkonné pulzní lasery tohoto typu (např. laserové systémy pro výzkum jaderné fúze) mají špičkový výkon i v řádu terawattů.

Využití laserů v praxi

Laserové technologie pronikly do nesčetných oblastí lidské činnosti. Díky své univerzálnosti – od nepatrných laserových diod v elektronice až po obří průmyslové a vědecké lasery – nacházejí lasery uplatnění v medicíně, průmyslu, každodenním životě, vědeckém výzkumu i vojenské technice. Níže je přehled hlavních oblastí využití:

V lékařství

V medicíně sehrály lasery zásadní roli při vývoji nových, šetrnějších léčebných metod. Chirurgické lasery dokáží velmi přesně řezat nebo odpařovat tkáň, což se využívá například při operacích očí (známá laserová korekce zraku LASIK využívá excimerový laser k opracování rohovky) nebo při odstranění nádorů a nežádoucích útvarů na kůži (CO₂ laser či erbium YAG laser odstraňuje bradavice, mateřská znaménka, tetování apod.). Velmi jemné lasery se používají v oftalmologii – zelené argonové nebo diodové lasery se aplikují při operacích sítnice (fotokoagulace sítnice u pacientů s cukrovkou či poškozením cév). V dermatologii se lasery využívají pro odstranění tetování, pigmentových skvrn nebo trvalou depilaci chloupků, protože umožňují zničit cíleně pigment či vlasové folikuly bez poškození okolní kůže. V zubním lékařství umožňují dentalní lasery vrtat a ošetřovat zuby s menší bolestivostí než mechanická vrtačka.

Kromě invazivních zákroků se lasery uplatňují i v terapii a diagnostice. Nízkoenergetické laserové záření (LLLT – Low Level Laser Therapy) se zkoumá a používá pro podporu hojení ran, zmírnění bolesti či stimulaci růstu tkání – lasery zde působí biostimulačně na buňky. Ve zdravotnických přístrojích jako jsou endoskopy nebo mikroskopy se zase lasery využívají jako zdroj intenzivního světla pro osvětlení či zobrazování tkání. Celkově vzato umožnily lasery v medicíně provádět zákroky s vyšší přesností a menším poškozením okolních tkání než tradiční metody.

V průmyslu

V průmyslové sféře jsou lasery neocenitelným nástrojem zejména pro zpracování materiálů. Vysoce výkonné průmyslové lasery (například vláknové, CO₂ nebo Nd:YAG) se využívají k řezání, vrtání a svařování různých materiálů – od tenkých fólií až po silné ocelové pláty. Laserový paprsek dokáže soustředit obrovské množství energie do malého bodu, což umožňuje přesné řezy složitých tvarů či vytváření velmi jemných detailů, kterých by mechanickými nástroji nešlo dosáhnout. Například automobilový průmysl používá laserové systémy ke svařování karoserií a dílů s vysokou rychlostí a přesností. V elektronice se lasery uplatňují při mikroobrábění – umí vrtat miniaturní otvory, řezat křemíkové destičky s čipy nebo strukturovat povrch materiálů.

Další významnou oblastí je značení a gravírování: laserové gravírky umí vyřezat do materiálu text nebo obrazec, a to i do velmi tvrdých látek, jako je kov nebo sklo. Proto se lasery používají k trvalému označování výrobků (sériová čísla, loga) bez použití inkoustu nebo fyzických štítků. Ve strojírenství a stavebnictví jsou populární laserové měřicí přístroje – laserové dálkoměry a niveláky umožňují velmi přesně měřit vzdálenosti, roviny a úhly pomocí laserového paprsku. V polovodičovém průmyslu, při výrobě počítačových čipů, se využívá expozice křemíkových desek ultrafialovým laserem (technologie fotolitografie) k vytváření extrémně jemných struktur na čipech.

Je třeba zmínit, že lasery také umožnily vznik zcela nových výrobků – například 3D tisk kovů laserovým spékáním prášků (SLM/DMLS technologie) nebo laserové čištění povrchů (odstranění rzi a nečistot z materiálů bez chemie). V průmyslu jsou lasery ceněny pro rychlost, přesnost a automatizovatelnost – laserový paprsek lze snadno vést počítačem a dosahovat tak opakovatelné výsledky s vysokou kvalitou.

V každodenním životě

Mnoho lidí si ani neuvědomuje, kolik laserů je skryto v zařízeních, která denně používají. Jednou z nejrozšířenějších aplikací je optická mechanika – například CD, DVD a Blu-ray přehrávače spoléhají na polovodičové laserové diody, které čtou (a v případě vypalovaček i zapisují) data na kotoučky disků. Červený laser o vlnové délce ~780 nm čte CD, zatímco u Blu-ray je to modrofialový laser ~405 nm (kratší vlnová délka umožňuje číst menší pity a tím uložit více dat). Podobně fungují i starší optické myši (využívaly často červený laser k detekci pohybu) a laserové tiskárny, které pomocí laserového paprsku vykreslují obraz na fotocitlivý válec uvnitř tiskárny.

Dalším běžným setkáním s laserem je čtečka čárových kódů v supermarketu. Uvnitř ruční či vestavěné čtečky je malý laser (často červený polovodičový laser kolem 650 nm), který osvětluje čárový kód, a detektor sleduje odraz. Díky tomu pokladní systém rychle rozpozná zakódované informace. Laserové ukazovátko, populární pomůcka přednášejících, je také všudypřítomné – obvykle jde o malý červený laser kolem 1 mW, dnes stále častěji i zelený laser, který je viditelnější (zelené ukazovátko využívá polovodičový laser s frekvenčním zdvojením).

V domácnosti či kanceláři narážíme na lasery i jinde: moderní smartphony a herní konzole mohou používat laserové snímače pro 3D skenování prostoru (například tzv. LiDAR senzor v některých telefonech pro měření hloubky scény při fotografování). Laserové projektory dokáží promítat obraz využitím tří laserů (RGB) místo klasické lampy. Dokonce i v kosmetice se setkáme s malými lasery – třeba v laserových epilátorech na odstraňování chloupků pro domácí použití. Všechny tyto každodenní aplikace těží z toho, že laser poskytuje přesně směrovaný zdroj světla s požadovanými vlastnostmi.

Ve vědě a technice

Ve vědeckém výzkumu znamenal objev laseru doslova revoluci. Lasery umožnily provádět experimenty a měření s přesností dříve nedosažitelnou. V fyzice se laserová zařízení využívají k přesnému měření vzdáleností a času – například laserové dálkoměry dokázaly změřit vzdálenost Země–Měsíc s přesností na centimetry (odrazem laseru od zrcadel ponechaných na Měsíci astronauty). Slavný experiment LIGO detekoval gravitční vlny pomocí interferometru, kde dvoukilometrové laserové paprsky měřily nepatrné změny délky ramen způsobené průchodem gravitační vlny. V chemii a biologii se lasery používají ve spektroskopii k analýze látek – laser může excitovat molekuly a odhalit tak jejich strukturu (Ramanova spektroskopie a další techniky). Holografie – tvorba trojrozměrných obrazů – je možná jen díky koherentnímu laserovému světlu, které zaznamenává interferenční obrazec objektu.

Ve výzkumu plazmatu a jaderné fúze slouží extrémně výkonné pulzní lasery k zahřívání materiálů na miliony stupňů. Například obří laserové systémy, jako National Ignition Facility v USA, směrují několik set laserových paprsků do malého terčíku s palivem, aby iniciovaly fúzní reakci. Takové systémy generují krátkodobě výkon řádově 10^14 W, mnohonásobně převyšující výkon všech elektráren světa, byť jen v nepatrném zlomku sekundy. Vědci také používají lasery k zpomalování atomů (tzv. laserové chlazení) – pomocí protiběžných laserových svazků lze ochladit plyny atomů na teploty blízké absolutní nule a vytvářet exotické stavy hmoty (Bose-Einsteinův kondenzát). To vše svědčí o mimořádné univerzálnosti laserů ve vědě.

Ve vojenské technice

Lasery našly své místo i ve vojenství a bezpečnostních aplikacích. Jednou z prvních armádních aplikací laseru byly dálkoměry a značkovače cílů. Laserový dálkoměr vysílá úzký infračervený paprsek k cíli a měří dobu, za jakou se odrazí zpět – tak lze velmi rychle a přesně určit vzdálenost k objektu (např. pro dělostřeleckou palbu nebo pro ostřelovače). Označovače cílů (laser designátory) využívají laserový paprsek k „osvětlení“ cíle pro naváděné bomby a střely: cíl označený laserem odráží paprsky, které naváděcí soustava střely sleduje, a zásah je pak velmi přesný.

Vojenské a policejní složky používají také laserové zaměřovače na zbraních (malé červené nebo zelené lasery pomáhající zamířit) a lidary na palubě vozidel či dronů pro mapování terénu a detekci překážek. Dopravní policie využívá laserové „radary“ (lidary) k měření rychlosti vozidel – úzký paprsek laseru dokáže na stovky metrů změřit rychlost konkrétního auta velmi přesně.

V poslední době se hovoří o laserových zbraních, které by mohly ničit drony, rakety či jiné cíle pomocí silného laserového paprsku. Již existují prototypy a první nasazení těchto systémů – například námořnictvo testuje laserové dělo pro sestřelování dronů. Výhodou je, že zásah laserem je okamžitý a přesný, nevýhodou zatím obrovská spotřeba energie a vliv počasí (mlha, prach paprsek rozptylují). Ačkoli tedy „paprskové pistole“ jako ze sci-fi zatím nejsou běžné, laser se ve vojenství stal nezbytným nástrojem pro zjišťování a sledování cílů a postupně si razí cestu i jako přímá zbraň.

Nepostradatelný laser

Od svého vzniku v roce 1960 prošly lasery ohromným vývojem a staly se nepostradatelnými v moderním světě. Dnes je najdeme v nemocnicích, továrnách, domácnostech i na bojišti. Laser je považován za jeden z největších vynálezů 20. století, neboť umožnil technologický pokrok v mnoha oblastech vědy a techniky. A vývoj pokračuje dál – vznikají nové typy laserů (např. kvantové kaskádové lasery pro terahertzové záření či výkonové femtosekundové lasery pro ultrapřesné obrábění) a objevují se další inovativní využití. Když tedy víme, co je to laser, můžeme lépe ocenit, jak toto „zesílené světlo“ ovlivňuje náš každodenní život a jaké možnosti přináší do budoucna.