TM 03/2012 - TechMagazín

Téma: AMPER / Electron 2012Seriál: LASER – PRINCIPY – APLIKACE – TECHNOLOGIE – TRENDYV minulém roce oslavil LASER jubilejní 50. výročí svého narození. V odborných i populárně--naučných periodikách se tím pádem nemohlo neodrazit zvýšeným počtem článků na tototéma. V ČR navíc proběhla odborná konference LASER 50 pořádaná Ústavem PřístrojovéTechniky AVČR.Na konferenci se poprvé setkali čeští technici a vědečtípracovníci z různých oborů, kteří mají codočinění s fenoménem nazývaným LASER, a tojak v širších souvislostech, počínaje historií, principya unikátními aplikacemi, tak i s ohledem naposlední konkrétní současné aplikace, globálnívývoj a trendy.V periodikách se taktéž objevovaly a objevujíčlánky, které poukazují na nové typy laserovýchsystémů, aplikace a obecný vývoj v této oblasti.Ne vždy jsou však tyto informace přesnéa objektivní. I vlastní terminologie je dost častozmatečná (např. kotoučový laser versus diskový),resp. zmiňují jen úzkou oblast vývoje bez pochopenívlastní podstaty a principů, a to ve vší úctěk autorům publikovaných článků. Dost často jdejen o doslovné překlady firemních prezentacírůzných výrobců.Na stránkách časopisu TechMagazín a souběžnětaké na webových stránkách www.techmagazin.czbudeme společně s firmou LAO – průmyslovésystémy s.r.o. uvádět ucelený seriál, který budemonitorovat přehled v oblasti laserových systémůa aplikacích a sledovat linii od obecného ke konkrétnímu.V tomto čísle, které nyní držíte v rukou,začneme teorií – základní princip laseru.V dalších číslech se pak budeme podrobněji věnovathlavním typům průmyslových laserů, rozeberemejejich principy a také zmíníme výhody a nevýhodypro různé průmyslové aplikace. Podrobněji se budemevěnovat samotným technologiím laserovéhořezání, svařování, značení, kalení, nanášení,… atd.Osvětlíme principy samotných technologií. A toi s ohledem na použitelnost jednotlivých typů laserůpro konkrétní aplikace. Dále pak podrobněji zmínímemožnosti laserových optických systémů, tzn.jak dovést laserový paprsek od vlastního laserovéhozdroje k samotnému obrobku. S aplikací pro různétypy průmyslových laserů. Dotkneme se i problémumetrologických aplikací / systémů využívajících laserpro měření různých fyzikálních veličin. Před koncemucelené řady článků seriálu se zaměříme na veškerésouvislosti ohledně tzv. laserové bezpečnostia příslušných norem. V posledním díle pak, který byměl končit v prosincovém vydání TechMagazínu,vás budeme informovat o unikátních laserovýchaplikacích s použitím speciálních typů laserů, takzvanýchUF (Ultra-Fast-lasery s velmi krátkou délkoupulsu (fs a ps)), popř. zaměříme téma na zajímavéaplikace v UV oblastech.Každý článek bude následně možné stáhnou nejenna webových stránkách www.techmagazin.cz, alei webových stránkách firmy LAO. ■ /jv/CO JE LASER A JEJICH HLAVNÍ DĚLENÍ (1. ČÁST)Od svého vzniku pronikl laser do všech možných odvětví lidské činnosti. Hlavní využití nalézáv průmyslu, medicíně, vědě a výzkumu, elektronice, zábavním průmyslu jakožto i ve zcela„běžných“ věcech jako jsou laserová ukazovátka, počítačové CD-ROM apod. V tomto seriálubychom proto chtěli postupně zasvětit čtenáře do tématiky laserů a jejich využití s důrazemna průmyslové aplikace.Základní princip laseruSlovo laser je zkratka pro „zesilování světla stimulovanouemisí záření“ z anglického Light Amplificationby Stimulated Emission of Radiation. Laser takobecně označuje optický zesilovač, který generujeelektromagnetické záření (světlo) pomocí procesustimulované emise fotonů, který vychází ze zákonůkvantové fyziky a termodynamiky.Obecné schéma laseru je zobrazeno na obr. 1.Základem laseru je aktivní prostředí, které jenějakým způsobem buzeno (opticky, elektrickyapod.). Buzením dodáváme do laseru energii,Obr. 1 Obecné schéma laserukterá je potom právě pomocí procesu stimulovanéemise vyzářena v podobě laserovéhosvazku. K tomu je zapotřebí ještě vytvořit tzv.optický rezonátor, který je nejčastěji tvořen odraznýmizrcadly.Jak se tedy dodaná energie do rezonátorupřemění na laserový svazek?Obecně můžeme říci, že aktivní prostředí vždyobsahuje „element“, který se může nacházet v základnímstavu s nižší energií nebo v excitovaném(vybuzeném) stavu s vyšší energií. Tímto elementemje nejčastěji atom, ale není tomu tak vždy(může to být např. vibrační stav molekuly, chemickávazba apod.). Pro tuto chvíli je důležité, žepři přechodu z vyššího do nižšího energetickéhostavu tento element vyzáří foton (kvantum elektromagnetickéhozáření). Tento zářivý přechod seděje spontánně sám od sebe a prostředí má vždysnahu být ve stavu s co nejnižší energií – ve stavutermodynamické rovnováhy. Právě díky buzenítento stav porušíme a převedeme aktivní prostředído excitovaného stavu, kdy je většina našich elementůve stavu s vyšší energií (tento stav se nazýváinverze populace). Teprve v tuto chvíli můžemeenergii dodanou aktivnímu prostředí přeměnit nalaserový svazek (proud fotonů) pomocí procesustimulované emise, který je zobrazen na obr. 2.Jde v podstatě o lavinovitý efekt, kdy nám fotondopadající na excitovaný atom způsobí (stimuluje)jeho přechod z horní na dolní energetickou hladinua při tom dojde k emisi dalšího fotonu. Jakfotony putují rezonátorem od jednoho zrcadlak druhému, jejich počet rapidně narůstá a docházík lavinovitému efektu a uvolnění energie v podoběproudu fotonů (svazek laseru) – viz obr. 3.Co dělá laserový svazektak unikátním?Důležité je, že při procesu stimulované emise mádopadající a emitovaný foton stejnou energii (frekvenci),stejný směr, polarizaci a fázi. Z toho plynouzákladní tři vlastnosti laseru, které ho odlišují odjiných zdrojů záření: Svazek laseru je:● Kolimovaný (tj. nerozbíhá se)● Monochromatický („jednobarevný“, tj. generovanéfotony mají stejnou frekvenci resp. vlnovoudélku)30 3/2012