Začátek kvantové elektroniky se počítá už od roku 1954, kdy Gordon, Zeiger a Townes předvedli první konstrukci maseru (zkratka z angl. microwave amplification by stimulated emission of radiation – zesilování světla stimulovanou emisí mikrovlnného záření). Aktivním prostředím prvního maseru byl čpavek. První laser (zkratka z angl. light amplification by stimulated emission of radiation – zesilování světla stimulovanou emisí záření) vyvinul americký fyzik Theodore Harold Maiman v roce 1960. Již o rok později byl tento laser použit k přivaření sítnice v oku. První Maimanův laser byl rubínový, obsahující krychlový krystal umělého rubínu o hraně 1 cm s vyleštěnými dvěma koncovými stěnami pokrytými tenkou vrstvičkou stříbra. Ty pravidelně ozařoval zeleným světlem. Z postříbřeného okénka začalo vycházet červené světlo, které bylo koherentní, monochromatické a směrované. Maimanův experiment zdokonalila skupina amerických fyziků vedená R. I. Collinsem.
První Maimanův laser.
Zdroj: commons.wikimedia.org. Autor: Guy Immega. Under Creative Commons.
Každý laser se skládá ze tří částí: z aktivního prostředí, z budícího zdroje a z rezonančního systému. Aktivní prostředí může být kapalné (např. benzen), plynné (helium – neonový, argonový nebo kryptonový laser) i pevné (rubínový nebo polovodičový laser). V aktivním prostředí vzniká stimulovaná emise, kterou teoreticky předpověděl Albert Einstein už v roce 1917. Budící zdroj (výboj, vysokofrekvenční generátor apod.) slouží k vybuzení atomů a iontů aktivního prostředí. Výkon laserů se pohybuje od 200 mW u laserů používaných k přenosu hlasu v optických vláknech až po 1014 W (stokrát větší výkon než všech amerických elektráren) u obřích laserů používaných k výzkumu jaderné fúze. Lasery mají bohaté využití v praxi: slouží jako čtečky čárových kódů, k výrobě a čtení CD a DVD disků, při operacích, při svařování karosérií, výrobě hologramů apod.
Stimulovaná emise
Energetický stav atomu je určen pohybovým stavem jeho elektronů. Při obsazení základních energetických hladin atomu je atom v základním (neexcitovaném) stavu, a jeho energie je nejnižší ze všech možných diskrétních stavů energie. V tomto stavu nemůže atom zářit. Má–li dojít k zvýšení energetického stavu atomu, musí atom absorbovat foton elektromagnetického záření. Pohlcením fotonu přejde atom do vzbuzeného (excitovaného) stavu. Tento přechod je vynucen dopadajícím energetickým kvantem. Vzniklý excitovaný stav je stavem nestabilním a atom po určité době přechází samovolně (spontánně) do základního energetického stavu a vyzařuje získanou energii ve formě kvanta elektromagnetického záření. Přechod do základního stavu může být vyvolán dopadajícím zářením, jehož frekvence je velmi blízká, přičemž foton vyvolávající přechod atomu do základního stavu není pohlcen. Tedy elektromagnetické pole vyvolávající nucenou emisi neztrácí energii, ale naopak se jeho energie zvyšuje o energii vyzářeného fotonu. Emise fotonu byla vynucena, proto se nazývá nucená, stimulovaná emise a na tomto principu fungují lasery. Aby nucená emise převládla nad absorpcí je nutné, aby počet atomů ve vzbuzeném energetickém stavu byl větší než v základním. V plynových laserech pokrývá dosažené nucené elektromagnetické záření oblast ultrafialového, viditelného a infračerveného záření. Např. laserem He–Ne lze vybudit nucené záření na sedmdesáti vlnových délkách.
Princip plynového laseru
Helium–neonový laser vyvinul v roce 1961 Ali Javan se svými spolupracovníky. Přiložené stejnosměrné napětí způsobí, že skleněnou výbojkou naplněnou heliem a neonem v poměru 1:4 (poměr plynů rozhoduje o vyzařované vlnové délce laseru) bude procházet proud elektronů. Elektrony se sráží s heliovými atomy, heliové atomy se sráží s atomy neonovými a ty pak emitují laserové záření ve směru osy trubice. Světlo vychází průhlednými okénky na koncích trubice a odráží se od zrcadel zpět do trubice, čímž se neustále zvětšuje počet emitujících atomů neonu. Jedno zrcadlo je polopropustné a část záření propouští ven jako laserový paprsek.
Plynový laser.
Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Magda Králová. Under Creative Commons.
Energiová hodnota stavu E3 (20,61 eV) helia je velmi podobná energiové hodnotě stavu E2 (20,66 eV) neonu. Srazí–li se tedy atom helia ve stavu E3 s atomem neonu v základním stavu, bude energie heliového atomu předána atomu neonu, který tak přejde do stavu E2. Tímto způsobem dosáhneme toho, že hladina E2 neonu bude více obsazena než hladina E1. Předpokládejme, že dojde k samovolné emisi pouze jednoho atomu neonu ze stavu E2 do stavu E1 a emisi fotonu. Tento foton může spustit stimulovanou emisi ostatních atomů neonu, které jsou v metastabilním energiovém stavu E2. Vlivem této řetězové reakce se velmi rychle vytvoří svazek koherentního laserového záření o vlnové délce 632,8 nm pohybujícího se v ose trubice sem a tam odrazem od zrcadel.
Princip He-Ne laseru.
Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Magda Králová. Under Creative Commons.
Princip pevného laseru
K sestrojení pevného laseru nelze použít libovolný krystal, ani krystal tvořený jedním druhem atomů, protože energetická bilance krystalu nedovoluje vznik stimulované emise v takové míře. Proto se do krystalu přidávají ve stopovém množství atomy jiných látek, které pak vykonávají skutečnou funkci laseru. Druh krystalu a příměsy ovlivňuje i pracovní teplotu, některé pevné lasery pracují při pokojové teplotě, jiné musí být chlazeny na velmi nízkou teplotu.
Princip funkce pevného laseru popíšeme na laseru s krystalem ze syntetického rubínu s příměsí chromu. Protože je iontů chromu v krystalu málo, můžeme na něj pohlížet jako na iozolovaný iont s čárovými energetickými hladinami.
Princip pevného laseru.
Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Magda Králová. Under Creative Commons.
Třetí největší laser v Evropě se jmenuje Asterix IV (Prague Asterix Laser System – PALS) a je od května 2000 umístěn v pražských Ďáblicích v Ústavu fyzikální chemie Jaroslava Heyrovského. Úkolem jodového laserového systému PALS je výzkum laserového plazmatu, tedy stavu látky při teplotě kolem 10 mil. °C a tlaku stovek milionů atmosfér, který panuje v centru termojaderného výbuchu nebo při nárazu asteroidu. To vzniká interakcí laserového paprsku o výkonu až několika terawattů s hmotou. PALS pracuje na základní vlnové délce 1315 nm. Paprsek dokáže soustředit na plochu o průměru menším než 0,1 mm, čímž se docílí obrovské intenzity záření až několika stovek miliard megawattů na centimetr čtvereční. Tato energie pak přemění jakoukoliv látku na plazma.
Hala laseru Asterix.
Zdroj: www.pals.cas.cz. V Dolních Břežanech v Praze se nachází další dvě laserová centra. Eli-BEAMLINES se čtveřicí pettawattových laserů a česko-britský projekt HILASE - Centrum excelence, který odstartoval v roce 2017. Jeho cílem je umožnit lepší využití již existujících i nově vyvíjených laserových technologií.
