Průmyslové lasery (1) – princip laseru

Společnost LAO – průmyslové systémy při příležitosti uvedeného výročí připravila seriál článků zaměřených na téma laserů a jejich využití s důrazem na průmyslové aplikace.

Slovo laser je zkratka pro termín „zesilování světla stimulovanou emisí záření“ – z anglického Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Laser tak obecně označuje optický zesilovač, který generuje elektromagnetické záření (světlo) pomocí procesu stimulované emise fotonů. Princip vychází ze zákonů kvantové fyziky a termodynamiky.

Obecné schéma laseru je zobrazeno na obrázku 1. Základem laseru je aktivní prostředí, které je nějakým způsobem buzeno (opticky, elektricky apod.). Buzením dodáváme do laseru energii, která je potom právě pomocí procesu stimulované emise vyzářena v podobě laserového svazku. K tomu je zapotřebí ještě vytvořit tzv. optický rezonátor, který je nejčastěji tvořen odraznými zrcadly.

Obecně můžeme říci, že aktivní prostředí vždy obsahuje „element“, který se může nacházet v základním stavu s nižší energií nebo v excitovaném (vybuzeném) stavu s vyšší energií. Tímto elementem je nejčastěji atom, ale není tomu tak vždy (může to být např. vibrační stav molekuly, chemická vazba apod.). Pro tuto chvíli je důležité, že při přechodu z vyššího do nižšího energetického stavu tento element vyzáří foton (kvantum elektromagnetického záření). Tento zářivý přechod se děje spontánně sám od sebe a prostředí má vždy snahu být ve stavu s co nejnižší energií – ve stavu termodynamické rovnováhy. Právě díky buzení tento stav porušíme a převedeme aktivní prostředí do excitovaného stavu, kdy je většina našich elementů ve stavu s vyšší energií (tento stav se nazývá inverze populace). Teprve v tuto chvíli můžeme energii dodanou aktivnímu prostředí přeměnit na laserový svazek (proud fotonů) pomocí procesu stimulované emise, který je zobrazen na obrázku 2. Jedná se v podstatě o lavinovitý efekt, kdy nám foton dopadající na excitovaný atom způsobí (stimuluje) jeho přechod z horní na dolní energetickou hladinu a přitom dojde k emisi dalšího fotonu. Jak fotony putují rezonátorem od jednoho zrcadla k druhému, jejich počet rapidně narůstá a dochází k lavinovitému efektu a uvolnění energie v podobě proudu fotonů (svazek laseru) – viz obrázek 3.

Co dělá laserový svazek tak unikátním? Důležité je, že při procesu stimulované emise má dopadající a emitovaný foton stejnou energii (frekvenci), stejný směr, polarizaci a fázi. Z toho plynou základní tři vlastnosti laseru, které ho odlišují od jiných zdrojů záření. Svazek laseru tedy je:
1. kolimovaný (tj. nerozbíhá se);
2. monochromatický („jednobarevný“, tj. generované fotony mají stejnou frekvenci, resp. vlnovou délku);
3. koherentní (generované fotony jsou tzv. ve fázi jak časové, tak prostorové).
Opakem je například klasická žárovka, která generuje záření zcela „chaoticky“ a generuje fotony rozbíhající se do všech směrů, různých vlnových délek a s náhodnou fází.

Právě díky uvedeným vlastnostem se stal laser tak cenným pomocníkem v tolika různých aplikacích. U průmyslových aplikací se využívá zejména možnosti fokusovat svazek laseru do malého bodu a dosáhnout tak vysoké plošné hustoty energie, která je potřebná pro opracování daného materiálu (řezání, svařování, značení, kalení apod.). V jiných aplikacích, jako je například holografie, je zapotřebí hlavně vlastnosti koherence atd.

Nejčastěji se setkáváme s dělením laserů podle typu aktivního prostředí. V tomto smyslu mluvíme o následujících typech laserů.

Aktivním prostředím je zde plyn, který lze budit různými způsoby – elektricky, radiofrekvenčními vlnami, opticky atd. Typickým představitelem je např. HeNe (helium-neonový) a CO2 laser, který je v průmyslu velmi dobře známý v řezacích aplikacích.

Aktivním prostředím je pevná látka, nejčastěji monokrystal. Buzení je nejčastěji optické, a to buď výbojkami nebo laserovými diodami. Typickým představitelem je Nd:YAG laser, kde prostředí tvoří monokrystal yttrium-aluminium-granátu dopovaného atomy neodymu. Nd:YAG laser se v průmyslu používá hlavně pro laserové řezání, značení a svařování.

Jedná se o speciální typ pevnolátkových laserů, kde aktivní prostředí tvoří optické vlákno dopované atomy erbia (Er) nebo ytterbia (Yr). Buzení probíhá pomocí laserových diod, jejich záření je do aktivního vlákna přivedeno opět optickým vláknem. Jedná se o tzv. vlákno-vlákno architekturu a laser díky tomu neobsahuje žádné optomechanické prvky jako zrcadla apod. Výkony dnes dosahují až 40 kW. V dnešní době jde o nejmodernější technologii pro průmyslové řezání, svařování a značení a podíl vláknových laserů na trhu neustále stoupá.

Aktivním prostředím je elektricky čerpaná polovodičová dioda. Výkon diodových laserů se pohybuje v řádech od mW až po kW. Tyto lasery mají vysokou účinnost, ale trpí nízkou kvalitou výstupního svazku. V oblasti nízkých výkonů mohou mít miniaturní rozměry a používají se v CD/DVD přehrávačích, laserových tiskárnách apod. Diodové lasery s vysokým výkonem se v průmyslu používají zejména na svařování (kovů i plastů) a kalení.

Tyto lasery jsou buzeny chemickou reakcí a jsou schopny dodat ohromné množství energie v krátkém čase. Zájem o ně má především armáda pro vojenské účely.

Jedná se o speciální třídu plynových laserů buzených elektrickým výbojem. Aktivním elementem, který generuje záření, je tzv. excimer, což je speciální molekula, kde je jedna z jejích složek je v excitovaném stavu. Tyto lasery pracují v ultrafialové (UV) oblasti a jejich hlavní použití je ve fotolitografii v polovodičovém průmyslu.

U barvičkových laserů je jako aktivního prostředí použito organického barviva. Výhodou těchto laserů je jejich laditelnost – mohou zářit na více vlnových délkách. Použití nacházejí zejména ve vědě a výzkumu.

Další možné dělení laserů je podle typu výstupního svazku na kontinuální (CW) a pulzní lasery. CW laser generuje souvislý výstupní výkon (v průmyslu se využívá zejména pro řezání, kalení,…), pulzní laser naopak generuje laserové pulzy. Pulzní lasery se dále dělí podle způsobu, jakým je pulz generován. V průmyslu je nejčastěji používáno tzv. Q-spínání, kdy laser generuje pulzy s délkou v řádu ns (zejména pro značení, gravírování) nebo pomocí pulzního buzení (např. výbojkami) s pulzy v řádech ms (pro laserové svařování). Speciální třídou jsou pak tzv. ultrarychlé lasery, které generují pulzy v řádech ps a fs (až 10-15 s!), jež nejsou v průmyslu zatím příliš rozšířeny kvůli jejich ceně, nicméně jsou do budoucna ideální pro mikroobráběcí aplikace.

V dalším díle seriálu se budeme detailněji věnovat hlavním typům průmyslových laserů a jejich aplikacím.

Ing. Miroslav Novák

Obr. 1. Obecné schéma laseru

Obr. 2. Stimulovaná emise
Obr. 3. Princip laseru

LAO – průmyslové systémy
bajano@lao.cz
www.lao.cz