Laser

Laser
	Různé barvy laserových paprsků (červená, zelená a modrá) v laboratoři
Princip	Stimulovaná emise záření
Typ	Optoelektronické zařízení
Vynálezce	Theodore Maiman (první funkční prototyp)

Rozbalit box

Obsah boxu

Laser (akronym z anglického Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, česky „zesilování světla stimulovanou emisí záření“) je optický zdroj elektromagnetického záření, tj. světla v širším smyslu. Na rozdíl od běžných světelných zdrojů, jako jsou žárovky nebo Slunce, které vyzařují světlo všesměrově a v širokém spektru vlnových délek, laser produkuje světlo, které je koherentní, monochromatické a obvykle i silně kolimované (úzký svazek).

Světlo z laseru se vyznačuje třemi fundamentálními vlastnostmi:

Monochromatičnost: Světlo má jednu specifickou vlnovou délku (barvu), což odpovídá jedné konkrétní energii fotonů.
Koherence: Světelné vlny kmitají ve fázi (prostorově i časově), což umožňuje paprsku udržet vysokou intenzitu i na velké vzdálenosti a interferovat.
Nízká divergence: Paprsek se rozbíhá jen minimálně, což umožňuje soustředit vysokou energii na velmi malou plochu.

Lasery jsou dnes klíčovou součástí moderní technologické civilizace, od čteček čárových kódů a optických vláken pro internet až po přesné chirurgické nástroje, průmyslové řezačky a nově nastupující systémy pro laserovou fúzní energii nebo obranné systémy.

⏳ Historie

Vývoj laseru je příběhem, který začal čistě teoretickou fyzikou a vyvrcholil jednou z nejpraktičtějších technologií 20. a 21. století.

Teoretické základy (1917–1950)

Klíčový fyzikální princip, na kterém laser staví, popsal již v roce 1917 Albert Einstein. Ve své práci „Zur Quantentheorie der Strahlung“ (Kvantová teorie záření) zavedl koncept stimulované emise. Einstein postuloval, že atom v excitovaném stavu může vyzářit foton nejen spontánně (náhodně), ale může být k vyzáření "donucen" interakcí s jiným fotonem o stejné energii. Výsledkem jsou dva identické fotony letící stejným směrem.

Tento teoretický základ ležel ladem několik desetiletí, protože fyzici nepovažovali za technicky možné dosáhnout tzv. populační inverze – stavu, kdy je více elektronů v excitovaném (vyšším) energetickém stavu než v základním stavu, což je podmínka nutná pro zesílení světla.

Éra MASERu (1950–1959)

V 50. letech 20. století se výzkum soustředil na mikrovlnnou oblast spektra. V roce 1953 sestrojil americký fyzik Charles Hard Townes na Kolumbijské univerzitě první zařízení fungující na principu stimulované emise, které nazval MASER (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Nezávisle na něm v Sovětském svazu pracovali na stejném principu Nikolaj Basov a Alexandr Prochorov.

Zařízení využívalo molekuly čpavku a produkovalo koherentní mikrovlnné záření. Všichni tři vědci (Townes, Basov, Prochorov) obdrželi za tento průlom v roce 1964 Nobelovu cenu za fyziku. Brzy po úspěchu maseru se vědecká komunita začala ptát, zda lze tento princip aplikovat i na viditelné světlo – začal "závod o optický maser".

Rok 1960: Zrození laseru

Zatímco teoretické práce publikovali Arthur Schawlow a Charles Townes (navrhovali využití plynů), praktické prvenství získal inženýr a fyzik Theodore Maiman. Pracoval v laboratořích Hughes Research Laboratories v Kalifornii a navzdory skepticismu nadřízených vsadil na syntetický krystal rubínu.

Dne 16. května 1960 Maiman úspěšně spustil první laser na světě. Použil váleček růžového rubínu s postříbřenými konci, který byl obložen výkonnou spirálovou výbojkou. Když výbojka blikla, excitovala atomy chromu v rubínu, a z krystalu vytryskl intenzivní pulz červeného koherentního světla o vlnové délce 694,3 nanometru.

Rychlá expanze a diverzifikace (1960–současnost)

Po Maimanově úspěchu následovala exploze objevů:

1960 (prosinec): První plynový laser (He-Ne) sestrojen Ali Javanem v Bell Labs. Byl to první laser s kontinuálním provozem (nejen pulzním).
1962: Vynález polovodičového laseru (laserová dioda), který otevřel cestu k miniaturizaci a levné výrobě (CD přehrávače, telekomunikace).
1964: Vynález CO₂ laseru (Kumar Patel) a Nd:YAG laseru (J. E. Geusic), které se staly tahouny průmyslového řezání a medicíny.
80. léta: Rozvoj techniky "chirped pulse amplification" (CPA) pro tvorbu ultrakrátkých pulzů s extrémním výkonem (Nobelova cena 2018 pro Gérarda Mourou a Donnu Stricklandovou).
2022–2025: Průlomy v oblasti laserové fúze v zařízení NIF (National Ignition Facility), kde se podařilo opakovaně dosáhnout energetického zisku (ignition) zapálením vodíkového paliva pomocí 192 obřích laserů.

⚛ Fyzikální princip

Fungování laseru je založeno na principech kvantové mechaniky a termodynamiky. Aby laser fungoval, musí být splněny tři základní podmínky: aktivní prostředí, zdroj energie (buzení) a optický rezonátor.

1. Interakce světla s hmotou

V každém atomu se elektrony nacházejí v určitých energetických hladinách. Mezi těmito hladinami mohou přecházet třemi způsoby:

Absorpce: Atom v základním stavu přijme foton o energii přesně odpovídající rozdílu hladin a elektron přeskočí na vyšší hladinu (excitace).
Spontánní emise: Excitovaný atom se samovolně vrátí do nižšího stavu a vyzáří foton náhodným směrem a s náhodnou fází. Toto je princip běžné žárovky nebo neonky.
Stimulovaná emise: Toto je klíč k laseru. Pokud do již excitovaného atomu narazí foton se správnou energií, atom se "zhroutí" na nižší hladinu a vyzáří druhý foton. Důležité: Tento nový foton je identickým klonem původního fotonu – má stejnou vlnovou délku, směr i fázi. Dochází tak k zesílení světla.

2. Populační inverze

Za normálních podmínek (tepelná rovnováha) je většina atomů v látce v základním (nejnižším) energetickém stavu. Absorpce by tedy převažovala nad emisí a světlo by v materiálu zaniklo. Aby laser fungoval, musíme dosáhnout tzv. populační inverze – stavu, kdy je více atomů "nahoře" (excitovaných) než "dole". Toho se dosahuje čerpáním (pumping) energie do systému. Zdrojem může být:

Intenzivní záblesk světla (optické čerpání, např. u rubínového laseru).
Elektrický výboj (u plynových laserů).
Elektrický proud (u polovodičových laserů).

Klíčovou roli hrají tzv. metastabilní stavy. To jsou energetické hladiny, na kterých elektron vydrží "sedět" neobvykle dlouho (řádově mikrosekundy až milisekundy, což je v kvantovém světě věčnost) předtím, než by spontánně spadl. To dává systému čas nashromáždit obrovské množství excitovaných atomů připravených ke spuštění laviny stimulované emise.

3. Optický rezonátor

Samotná stimulovaná emise by stačila jen na zesílení průchozího světla. Aby vznikl paprsek, je aktivní prostředí umístěno do rezonátoru. Obvykle jde o dvě zrcadla umístěná na koncích aktivního média:

Zadní zrcadlo: Je 100% odrazivé.
Přední (výstupní) zrcadlo: Je částečně propustné (např. odráží 95–99 % světla, zbytek pustí ven).

Fotony, které vzniknou stimulovanou emisí ve směru osy rezonátoru, se odrážejí tam a zpět mezi zrcadly. Při každém průchodu aktivním prostředím strhávají další a další excitované atomy, čímž lavinovitě narůstá intenzita světla. Malá část tohoto extrémně silného vnitřního toku světla uniká přes polopropustné zrcadlo ven jako užitečný laserový paprsek.

Shrnutí procesu v bodech:

Do média je dodána energie (čerpání).
Elektrony přeskakují na vyšší hladiny a hromadí se v metastabilním stavu (populační inverze).
Prvních pár fotonů vznikne spontánně.
Tyto fotony, pokud letí podél osy, spustí lavinu stimulované emise.
Zrcadla vrací fotony zpět do hry, intenzita roste.
Přes výstupní zrcadlo vychází koherentní paprsek.

📋 Typy laserů

Lasery lze klasifikovat podle různých kritérií, nejčastěji se však dělí podle typu aktivního média, ve kterém dochází ke stimulované emisi. Každý typ má specifické vlastnosti (vlnová délka, výkon, účinnost), které určují jeho praktické využití.

Pevnolátkové lasery (Solid-state lasers)

Aktivním médiem je krystal nebo sklo dopované ionty vzácných zemin nebo přechodných kovů. Patří sem jedny z nejvýkonnějších a nejpoužívanějších laserů.

Rubínový laser: Historicky první laser (1960). Aktivním médiem je syntetický korund dopovaný chromem. Vyzařuje červené světlo (694,3 nm). Dnes se používá zřídka (např. v dermatologii pro odstraňování tetování), protože má nízkou účinnost a funguje pouze v pulzním režimu.
Nd:YAG laser: Neodymem dopovaný yttrium-hlinitý granát. Je to "pracovní kůň" průmyslu a vědy. Základní vlnová délka je v infračervené oblasti (1064 nm), ale pomocí nelineárních krystalů lze frekvenci zdvojnásobit na zelené světlo (532 nm) nebo ztrojnásobit na UV. Využití: řezání kovů, svařování, operace šedého zákalu, dálkoměry.
Ti:Safírový laser: Titanem dopovaný safír. Unikátní svou schopností laditelnosti (změny vlnové délky) v širokém rozsahu (cca 650–1100 nm). Je klíčový pro generování ultrakrátkých pulzů (femtosekundové lasery) ve výzkumu.

Plynové lasery

Aktivním médiem je plyn nebo směs plynů. Buzení probíhá obvykle elektrickým výbojem.

He-Ne laser (Helium-Neon): Produkuje charakteristické jasně červené světlo (632,8 nm). Před nástupem levných laserových diod byl standardem pro školní pomůcky, čtečky kódů a zaměřování. Vyniká vysokou kvalitou paprsku (koherencí).
CO₂ laser: Jeden z nejúčinnějších a nejvýkonnějších laserů. Vyzařuje v daleké infračervené oblasti (10,6 µm). Toto záření je silně absorbováno organickými materiály a keramikou, nikoliv však kovy (pokud není výkon extrémní). Král průmyslového řezání plechů, plastů a dřeva.
Argonový laser: Vyzařuje modré a zelené čáry. Dříve populární v laserových show a oftalmologii (léčba diabetické retinopatie), dnes často nahrazován pevnolátkovými lasery kvůli vysoké spotřebě energie a nutnosti vodního chlazení.

Excimerové lasery

Zvláštní podskupina plynových laserů. Název pochází z "excited dimer" (excitovaná dvouatomová molekula). Používají směs vzácného plynu (Argon, Krypton, Xenon) a halogenu (Fluor, Chlor). Tyto molekuly existují pouze v excitovaném stavu.

Vyzařují v ultrafialové oblasti (UV).
Klíčová vlastnost: Studená ablace. UV záření má tak vysokou energii fotonů, že přímo rozbíjí chemické vazby v organických tkáních bez vzniku tepla.
Využití: Oční chirurgie (metoda LASIK pro korekci zraku) a výroba mikročipů (fotolitografie).

Polovodičové lasery (Laserové diody)

Nejrozšířenější typ laserů na světě. Jsou to v podstatě LED diody, které mají speciálně upravenou strukturu (rezonátor) pro vznik stimulované emise.

Výhody: Miniaturní rozměry, levná výroba, vysoká účinnost, snadná modulace proudem.
Kategorizace podle vlnové délky:
- Infračervené (780–980 nm): CD přehrávače, optické komunikace, pumpování (buzení) jiných laserů.
- Červené (635–650 nm): DVD přehrávače, laserová ukazovátka, myši.
- Modré/Fialové (405–450 nm): Blu-ray disky, moderní projektory, 3D tisk.
Quantum Cascade Lasers (QCL): Speciální typ pro střední infračervenou oblast, používaný pro detekci plynů a znečištění.

Vláknové lasery (Fiber lasers)

Moderní varianta pevnolátkových laserů, kde je aktivním médiem samotné optické vlákno dopované prvky jako erbium nebo ytterbium.

Výhoda: Extrémní kvalita paprsku, snadné chlazení (díky velkému povrchu vlákna) a robustnost (žádná zrcadla, která by se rozbila).
Dnes dominují v průmyslovém řezání kovů a svařování, kde vytlačují CO₂ lasery. Mohou dosahovat výkonů v řádu desítek kilowattů.

Laser s volnými elektrony (FEL)

Nejpokročilejší a nejdražší typ. Nepoužívá atomární médium, ale proud urychlených elektronů kmitajících v magnetickém poli (undulátoru).

Je to obří zařízení (součást urychlovačů částic).
Unikátnost: Lze jej naladit na libovolnou vlnovou délku od mikrovln až po tvrdé rentgenové záření. Používá se pro špičkový vědecký výzkum (zkoumání struktury virů, molekulární dynamika).

⚙ Režimy provozu

Kromě typu média je zásadní, jakým způsobem laser energii vyzařuje.

Kontinuální režim (CW - Continuous Wave)

Laser svítí nepřetržitě se stálým výkonem.

Příklady: Laserová ukazovátka, telekomunikační lasery, čtečky kódů.
Parametrem je průměrný výkon (milliwatty až kilowatty).

Pulzní režim

Energie je vyzařována v krátkých záblescích (pulzech). To umožňuje dosáhnout obrovských špičkových výkonů (peak power), i když průměrný výkon je malý.

Q-switching (Spínání jakosti): Umožňuje generovat pulzy v řádu nanosekund ($10^{-9}$ s). Energie se nastřádá v krystalu a pak se naráz uvolní. Využití: řezání, značení, odstranění tetování.
Mode-locking (Synchronizace módů): Generuje ultrakrátké pulzy v řádu femtosekund ($10^{-15}$ s). Výkon v pulzu může krátkodobě přesáhnout výkon všech elektráren na světě (řádově petawatty), ale trvá jen nepatrný okamžik.
- Využití: Oční chirurgie (řezání rohovky bez poškození okolí), přesné obrábění (odpaření materiálu dříve, než se stihne zahřát).

🏭 Využití v průmyslu a technologiích

Lasery způsobily revoluci ve výrobě díky své schopnosti soustředit energii s mikrometrovou přesností.

Obrábění materiálu

Řezání: Vláknové a CO₂ lasery řežou ocel, titan, plasty i textilie. Výhodou je čistý řez (kerf) a nulové opotřebení nástroje (světlo se netupí).
Svařování: Laserové svařování je klíčové v automobilovém průmyslu (karoserie). Je rychlé a vnáší do materiálu málo tepla, což minimalizuje deformace.
Značení (Gravírování): Vypalování kódů, log a dat na výrobky (klávesnice, nástroje, spotřební zboží). Je nesmazatelné a rychlé.
3D tisk (SLS/SLM): Selektivní laserové spékání. Laser taví vrstvu po vrstvě kovový nebo plastový prášek a vytváří složité trojrozměrné objekty, které by nešly vyrobit odléváním.

Elektronika a data

Ukládání dat: CD, DVD a Blu-ray disky využívají odraz laseru od mikroskopických prohlubní (pitů) na disku. Vlnová délka laseru určuje kapacitu (čím kratší vlnová délka, tím menší pity lze číst → vyšší kapacita).
Tiskárny: V laserové tiskárně laserový paprsek "kreslí" obraz na světlocitlivý válec, na který se následně chytá toner.
Fotolitografie: Výroba procesorů (CPU, GPU). Excimerové lasery vykreslují miliardy tranzistorů na křemíkové desky. Moderní EUV litografie (Extreme UV) využívá plazmatem generované záření 13,5 nm, které je sekundárním produktem interakce laseru s cínem.

Telekomunikace

Internet, jak ho známe, stojí na laserech.

Optická vlákna: Informace jsou přenášeny jako pulzy světla z infračervených laserových diod (vlnové délky 1310 nm a 1550 nm, kde má sklo nejmenší útlum).
WDM (Wavelength Division Multiplexing): Jedním vláknem se posílá více barev (kanálů) současně, což násobně zvyšuje přenosovou kapacitu (terabity za sekundu).

⚕️ Využití v medicíně

Medicína byla jedním z prvních oborů, který potenciál laserů plně adoptoval. Klíčovým konceptem je zde selektivní fototermolýza – schopnost laseru zacílit konkrétní tkáň (např. červené krvinky, melanin, vodu v buňkách) bez poškození okolí.

Oftalmologie (Oční lékařství)

Oči jsou pro laser ideálním cílem, protože jsou průhledné.

Refrakční chirurgie (LASIK, ReLEx SMILE): Excimerové a femtosekundové lasery mění zakřivení rohovky, čímž odstraňují krátkozrakost, dalekozrakost i astigmatismus. Jde o "studenou" ablační metodu, kdy se tkáň odpaří s přesností na mikrometry.
Léčba sítnice: Argonové lasery se používají k "přivaření" odchlípené sítnice nebo k zastavení krvácení cév u diabetiků (fotokoagulace).
Operace šedého zákalu: Femtosekundové lasery nahrazují skalpel při vytváření řezů do oka a fragmentaci zakalené čočky.

Dermatologie a estetická medicína

Odstranění tetování: Q-spínané lasery (Nd:YAG, Alexandrit) vysílají extrémně krátké pulzy, které rozbijí pigment inkoustu na malé částečky. Ty pak imunitní systém těla (makrofágy) odplaví.
Epilace: Laser cílí na melanin ve vlasovém folikulu. Tepelná energie folikul zničí a zamezí dalšímu růstu chloupku.
Dermatochirurgie: CO₂ a erbiové lasery fungují jako "světelné nože", které řežou a zároveň koagulují (zastavují krvácení). Používají se k odstraňování znamének, bradavic a resurfacingu pleti (vyhlazení vrásek).

Stomatologie

Lasery se dělí na lasery pro tvrdé tkáně (zuby, kosti – erbiové lasery) a měkké tkáně (dásně – diodové lasery). Umožňují vrtání bez vibrací a hluku, selektivní odstranění kazu a bezkrevné operace dásní.

⚔ Vojenství a obrana

Laserové technologie v armádě se dělí na systémy podpůrné (které se používají desetiletí) a zbraňové (Directed Energy Weapons - DEW), které zažívají boom v letech 2020–2025.

Podpůrné systémy

Dálkoměry: Měření vzdálenosti k cíli pomocí odrazu pulzu. Nezbytné pro tanky, dělostřelectvo i odstřelovače.
Označovače cílů (Designators): Voják nebo dron "osvítí" cíl laserovým paprskem s unikátním kódem. Chytrá munice (bomby, rakety Hellfire) se navádí na odražené světlo.
Oslňovače (Dazzlers): Nesmrtící zbraně určené k dočasnému oslepení senzorů nebo pilotů/řidičů protivníka. Použití proti lidskému zraku za účelem trvalého oslepnutí je zakázáno mezinárodními konvencemi (Protokol IV k Úmluvě o některých konvenčních zbraních).

Energetické zbraně (DEW)

Po letech vývoje se vysokoenergetické lasery (HEL) dostaly do aktivní služby. Jejich hlavní výhodou je cena za výstřel (pár dolarů za elektřinu vs. miliony za raketu) a neomezený zásobník (dokud je energie).

Iron Beam (Izrael): Systém protivzdušné obrany nasazený k ničení raket krátkého doletu, dronů a minometných granátů. Doplňuje systém Iron Dome.
DragonFire (Spojené království): Laserová zbraň schopná zasáhnout minci na kilometrovou vzdálenost, určená pro ničení dronů a střel.
Americké námořnictvo (US Navy): Systémy jako HELIOS instalované na torpédoborcích pro obranu proti rojům dronů a malým člunům.

🔬 Vědecké aplikace

LIDAR (Light Detection and Ranging)

Metoda dálkového měření vzdálenosti na základě výpočtu šíření pulsu laserového paprsku odraženého od snímaného objektu.

Autonomní vozidla: "Oči" samořídících aut, které vytvářejí 3D mapu okolí v reálném čase.
Archeologie: Letecký LIDAR dokáže "vidět" přes vegetaci džungle a odhalit skrytá města (např. mayská sídla v Guatemale).

Spektroskopie

Laserová spektroskopie umožňuje detekovat stopová množství látek. Například vozítko Curiosity na Marsu používá laser (ChemCam) k odpaření horniny na dálku a zkoumání jejího složení z plazmového záblesku.

Měření gravitačních vln (LIGO/Virgo)

Nejpřesnější pravítka ve vesmíru. Detektory gravitačních vln používají obří laserové interferometry s rameny dlouhými 4 km. Dokáží změřit změnu vzdálenosti menší, než je průměr protonu, způsobenou průchodem gravitační vlny ze srážky černých děr.

Atosekundová fyzika

V roce 2023 byla udělena Nobelova cena za fyziku (Pierre Agostini, Ferenc Krausz, Anne L'Huillier) za metody generování atosekundových pulzů světla ($10^{-18}$ s). Tyto lasery jsou tak rychlé, že dokáží "fotografovat" pohyb elektronů uvnitř atomů.

⚠️ Bezpečnost a klasifikace

Lasery mohou být extrémně nebezpečné, zejména pro zrak. Sítnice oka dokáže laserové světlo (i to neviditelné infračervené) zaostřit do mikroskopického bodu, kde okamžitě dojde k nevratnému popálení. Proto se lasery dělí do bezpečnostních tříd (dle normy ČSN EN 60825-1).

Třída	Popis	Příklady
Třída 1	Zcela bezpečné za všech podmínek běžného provozu.	DVD přehrávače (laser je uvnitř), laserové tiskárny.
Třída 1M	Bezpečné při pohledu pouhým okem, nebezpečné při použití optiky (dalekohled).	Některé telekomunikační lasery.
Třída 2	Viditelné světlo. Ochrana je zajištěna mrkacím reflexem (0,25 s).	Běžná laserová ukazovátka (< 1 mW), čtečky kódů.
Třída 3R	Malé riziko poškození oka.	Výkonnější ukazovátka (do 5 mW), zaměřovače.
Třída 3B	Přímý pohled do paprsku je nebezpečný. Odraz od matného povrchu (difúzní) je obvykle bezpečný.	Lasery v diskotékách, výzkumné lasery (5–500 mW). Nutné brýle.
Třída 4	EXTRÉMNĚ NEBEZPEČNÉ. Nebezpečný je i odraz od zdi. Mohou popálit kůži a způsobit požár.	Chirurgické lasery, průmyslové řezačky, vojenské lasery (> 500 mW).

Sekce "Pro laiky"

Představte si rozdíl mezi davem lidí na náměstí a vojenskou přehlídkou.

Běžné světlo (žárovka): Je jako dav lidí, kteří zmateně běhají různými směry, mají různobarevné oblečení (různé vlnové délky) a narážejí do sebe. Energie se rychle rozptýlí do všech stran.
Laser: Je jako perfektně seřazená armáda vojáků ve stejných uniformách (jedna barva/vlnová délka), kteří pochodují naprosto synchronizovaně (koherence) přesně stejným směrem. Díky této disciplíně (uspořádanosti) dokáží společně vyvinout obrovskou sílu v jednom bodě, i když je jich relativně málo.

Když laserem svítíte na Měsíc, paprsek se sice rozšíří (na povrchu Měsíce má "tečku" velkou několik kilometrů), ale stále je dost silný na to, aby se odrazil od zrcadel, která tam zanechali astronauti Apolla, a vrátil se zpět na Zemi. S běžnou baterkou by se světlo rozptýlilo po pár metrech.

Zdroje