Zpracování materiálů pomocí laseru

Obsah


1. Úvod ………………………………………… 3
2. Historie a princip laseru ………………………………………… 4
3. Rozdělení laserů ………………………………………… 8
3.1. Členění laserů podle různých hledisek ………………………………………… 8
3.1.1. Rozdělení podle aktivního prostředí ………………………………………… 10
3.1.1.1. Pevnolátkové lasery ………………………………………… 10
3.1.1.1.1. Aktivní prostředí ………………………………………… 10
3.1.1.1.2. Laserový systém ………………………………………… 11
3.1.1.1.3. Vybrané pevnolátkové lasery ………………………………………… 12
3.1.1.2. Kapalinové lasery ………………………………………… 14
3.1.1.2.1. Aktivní prostředí ………………………………………… 14
3.1.1.2.2. Buzení barvivových laserů ………………………………………… 15
3.1.1.2.3. Využití barvivových laserů ………………………………………… 15
3.1.1.3. Plynové lasery ………………………………………… 15
3.1.1.3.1. Atomární lasery ………………………………………… 16
3.1.1.3.2. Iontové lasery ………………………………………… 17
3.1.1.3.3. Molekulární lasery ………………………………………… 17
3.1.1.3.4. Zvláštní metody buzení laserů ………………………………………… 18
3.1.1.4. Plazmatické lasery ………………………………………… 18
3.1.1.5. Polovodičový laser ………………………………………… 19
3.1.1.6. Nové druhy laserů ………………………………………… 21
4. Využití laseru ………………………………………… 22
4.1. Lasery v medicíně ………………………………………… 22
4.2. Lasery v mikroelektrotechnice ………………………………………… 22
4.3. Laser v astronomii, geodézii, geofyzice a ekologii ………………………. 23
4.4. Laser ve výpočetní technice ………………………………………… 25
4.5. Laserová spektroskopie ………………………………………… 25
4.6. Laserová separace izotopů ………………………………………… 26
4.7. Využití laseru v holografii ………………………………………… 26
4.8. Laserová technologie ………………………………………… 26
4.8.1. Laserové svařování ………………………………………… 27
4.8.2. Laserové vrtání ………………………………………… 28
4.8.3. Laserové řezání ………………………………………… 29
4.8.4. Dekorace skla laserem ………………………………………… 32
4.8.5. Laserové značení, značkování, popis a gravírování …………………….. 33
4.8.6. Laserové kalení ………………………………………… 37
4.8.7. Využití laseru při obrábění ………………………………………… 38
5. Firmy zabývající se laserovým zpracováním materiálů …………………. 39
6. Bezpečnost práce s lasery ………………………………………… 40
6.1. Biologické efekty laserového záření ………………………………………… 40
6.2. Zajištění bezpečnosti při práci s lasery ………………………………… 40
7. Závěr ………………………………………… 41
8. Seznam použité literatury a pramenů ………………………………………… 42


1. Úvod


Laser je vynálezem dvacátého století a za čtyřicet let své existence se stal nedílnou součástí našeho života.Setkáváme se s ním v mnoha oborech lidské činnosti.Předměty opracované laserem potkáváme na každém kroku a ani si někdy neuvědomujeme,že právě předmět ,který držíme v ruce,má něco společného s laserem.
Na těchto několika málo stránkách bych rád přiblížil princip laserové techniky,seznámil se širokým využitím laseru v mnoha odvětvích lidské činnosti a s využitím laseru v souvislosti se zpracováním materiálů.
Slovo laser [lejzr] pochází z angličtiny. Je složené z počátečních písmen anglického názvu popisující jeho funkci : Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, což by se dalo přeložit jako zesílení světla pomocí vynucené (stimulované) emise záření. České pojmenování laseru je kvantový generátor světla, což se moc neujalo a používá se kratší název laser.. Z názvu vyplývá, že laser vydává světlo. čím se ale liší světlo laseru od běžného světla? Laserové světlo je monochromatické (jednobarevné) koherentní (uspořádané) a má malou divergenci (rozbíhavost).


2. Historie a princip laseru

Cesta, která vedla k sestrojení prvního přístroje, začala už před staletími. O světelný paprsek se s zajímali už staří Řekové, ovšem znalosti o podstatě světla se až do 17. století nijak podstatně nezměnily.
Teprve až v 17.století se podařilo Isaacu Newtonovi rozložit bílé světlo skleněným hranolem na spektrum barev a ukázal, že se bílé světlo skládá z mnoha barev. Newton si tehdy představoval, že světlo má korpuskulární (částicový) charakter. Se svou teorií dokázal vysvětlit všechny tehdy známé vlastnosti světla, jako je odraz, lom a další.
Jeho součastník Christian Huyghes však podstatu světla viděl ve vlnění, které se šíří prostorem stejnou rychlostí všemi směry z každého bodu na povrchu svítícího tělesa. Měl také pravdu. Spor rozhodl až v 19.století svými pokusy s ohybem a interferencí světla Thomas Young. Interference je záležitost čistě vlnová, je to vlastně interakce (vzájemné působení) dvou stejných světelných vln (stejnou frekvenci a amplitudu) v daném okamžiku a místě. Vlnové rozruchy se vzájemně sčítají. Setkají-li se ve fázi, je výsledkem zesílení, v proti fázi zase zeslabení.
Co se vlastně vlní ? Na tuto otázku odpověděl na přelomu padesátých a šedesátých let 19. století svými výpočty James Clerk Maxwell. Svou teorií překlenul propast mezi optickými a elektromagnetickými jevy. Z jeho teorie vyplynulo, že světlo není nic jiného než vlnění elektromagnetického pole.
Se senzační hypotézou přišel v roce 1900 Max Planck. Prohlásil, že záření, světlo, je tvořeno malými částečkami energie – „kvanty“. Energie každého kvanta je úměrná kmitočtu záření. Tak byli položeny základy kvantové fyziky. Podle ní má světlo dvojaký charakter vlnový a korpuskulární (částicový).
Planckova kvanta energie byla později nazvána fotony. Fotony letí prostorem a při srážce s jinou částicí se chovají jako částice. Mezi sebou se však fotony interferují jako vlny. Planckova hypotéza však nevysvětlovala principy vyzařování a pohlcování záření atomy. To se povedlo v letech 1912 – 1913 dánskému fyzikovi Nielsnu Bohrovi. Ten vypracoval planetární model vodíku, podle něhož obíhají elektrony kolem jádra po vymezených drahách podobně jako planety kolem slunce. Přeskočí-li elektron z jedné dráhy na druhou, může atom získat nebo ztratit energii v podobě elektromagnetického záření. Energie atomu se změní právě o vyzářené nebo pohlcené kvantum.

K pochopení činnosti laserů je proto zapotřebí vyjasnit – alespoň v základních rysech vztahy mezi hmotným prostředím (složeným z molekul, atomů atd.) a zářením, při nichž hraje kvantování významnou roli. Hmotné prostředí může záření buď pohlcovat (absorbovat), anebo vysílat (emitovat). Zatímco absorpce záření je jednoznačná záležitost, emise může být buď samovolná (spontánní), nebo vynucená (indukovaná, stimulovaná). Atom má určitou energii, říkáme, že je na určité energetické hladině. Částice přitom mění své energetické stavy (nabytím energie přecházejí do stavů vyšší energetické hladiny a naopak) a různě dlouho v nich setrvávají. U spontánní emise dříve nebo později atom vyšší hladinu opustí a vyzáří elektromagnetické kvantum. Učiní tak sám od sebe, spontánně a proto hovoříme o spontánní emisi záření. U vynucené emise dopadá na atom kvantum elektromagnetického záření. Zastihne-li ho na spodní energetické hladině, může být atomem pohlceno a atom přeskočí na horní energetikou hladinu, hovoříme o absorpci. Setká-li se záření s atomem na horní energetické hladině, může ho donutit vyzářit další kvantum energie (elektromagnetického záření) a přejít na spodní hladinu, hovoříme o indukované emisi, tedy o fyzikálním jevu, na kterém je činnost kvantových generátorů (maserů, laserů) založena a jehož existenci předpokládal už Albert Einstein.
Dnes známe celou řadu druhů elektromagnetického záření, které se liší pouze svou vlnovou délkou. S rostoucí energií fotonů se bude zkracovat délka vlny. Nejmenší fotonovou energii a tedy největší vlnovou délku mají rádiové vlny. Následuje oblast mikrovlnná, submilimetrová, infračervená, viditelná, ultrafialová, rentgenová a oblast gama paprsků. Poslední jmenované paprsky mají tedy největší fotonovou energii a nejkratší vlnovou délku.
S energií fotonů souvisí, zda laserový paprsek vidíme nebo běžným způsobem nevidíme. Nejen to. S délkou vlny souvisejí také barvy záření ve viditelné oblasti. Na konci přilehlém infračervené oblasti má viditelné záření barvu červenou (nejmenší energie, nejdelší vlna), přechod do ultrafialové oblasti tvoří fialová barva (největší energie, nejkratší vlna). V bílém slunečním světle jsou zastoupeny všechny vlnové délky viditelného záření.
Zcela jinak je tomu u vynucené emise. Záření je přísně monochromatické (jednobarevné). Když ho také rozložíme skleněným hranolem, objeví se ve spektru jen jediná vlnová délka.





Obr. č. 1: Spektrum elektromagnetického záření



Od objevení vynucené (indukované nebo stimulované) emise záření, však muselo uplynout čtyřicet let než bylo na tomto základě zkonstruováno první experimentální zařízení. Pracovalo na principu stimulované emise mikrovln. V tomto zařízení jsou vyděleny molekuly čpavku excitované (vybuzené) na vyšší energetickou hladinu a jsou přinuceny generovat („vyrábět“) mikrovlnné vlnění. Molekuly čpavku přešly při této ztrátě energie do stavu s nižší energií.
Pojmenování „MASER“ vzniklo z počátečních písmen dlouhého názvu „Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation“, čili zesilování mikrovln pomocí stimulované emise záření. Maser, první kvantový generátor centimetrových vln používající svazek molekul čpavku byl současně a nezávisle na sobě uveden do provozu v Rusku a v USA. Od maseru vedla logická cesta k prvnímu laseru, který místo mikrovln generoval vlny světelné. Vznikla zkratka z pěti písmen anglického názvu „Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation“ – LASER, česky – zesílení světla pomocí stimulované emise záření.

K praktickému využití vynucené emise, a tím pádem i ke konstrukci prvního laseru, bylo potřeba ještě vyřešit dva ryze technické problémy.
První z nich bylo vytvoření nerovnovážného stavu, kdy bude více atomů na vyšších energetických hladinách než na hladinách nižších. V takovém případě hovoříme o populační inverzi a těleso nazýváme aktivním prostředím. K vytvoření populační inverze se využívá pochodu nazývaného „čerpání“, tj. látce se dodává energie ve formě nekoherentního (neuspořádaného) elektromagnetického záření o určité vlnové délce. Atomy pohltí toto záření a přejdou na vyšší energetickou hladinu, ale i opačně. Po určité době je přechod mezi hladinami přesycen a vytvoří se v něm rovnováha, kdy je na obou hladinách v průměru stejný počet atomů. Tím ale ještě není vytvořeno aktivní prostředí. Vloží-li se však mezi dvě hladiny hladina třetí, může se stát, že atomy budou bez vyzáření padat z horní hladiny na tuto prostřední a udrží se zde relativně dlouhou dobu. Na této hladině – nazvané „pracovní“, bude počet elektronů větší než na hladině spodní, a tím se vytvoří žádané aktivní prostředí. Důležité je poznání, že v aktivním prostředí se musí vždy nacházet nejméně tři hladiny. Jen za těchto okolností totiž může dojít k populační inverzi, nikdy ne na dvouhladinovém systému. Laserující systém může mít i více hladin než tři.
Záření vzniklé tímto způsobem bude odpovídat rozdílu prostřední (pracovní) a spodní energetické hladiny. Pokud chceme dostat např. centimetrové vlny, musíme generátoru dodávat vlny kratší, tedy milimetrové. Když posvítíme na krystal rubínu zeleným světlem fotografické výbojky, dostaneme rudý paprsek světla. Tím se ukazuje přímá cesta vedoucí k laserům.
K vyvolání laserové akce nestačí mít vhodné aktivní prostředí a umět v něm docílit populační inverzi. Tím se dostáváme k druhému problému. Druhým technickým problémem bylo najít způsob, jak udržet paprsek uvnitř aktivního prostředí dostatečně dlouhou dobu, aby stihnul nabrat co nejvíce energie vynucených emisí. Pomohla optika a nabídla dvě rovnoběžná zrcadla, tzv. rezonátoru, mezi která se vloží aktivní prostředí. Proces v aktivním prostředí zahajuje tzv. iniciační spontánní foton. Ten při srážce s atomem či molekulou v excitovaném (vybuzeném) stavu vyvolává indukovanou emisi fotonu a pád atomu či molekuly na nižší hladinu. Rezonátor způsobí, že fotony postupující v jeho ose procházejí několikanásobně (asi stokrát) aktivním prostředím a při každém průchodu indukují vznik dalších fotonů. Fotony, které se šíří jiným směrem než v ose rezonátoru, systém bez užitku opouštějí. Jedno ze zrcadel rezonátoru je polopropustné. Jím opouští rezonátor kolimovaný, tj. úzký, téměř nerozbíhavý laserový paprsek.

Často se hovoří o různých výkonech laseru. Výkon laseru je množství vyzářené energie za určitý čas, označuje se ve wattech (W). Množství vyzářené energie se udává v jednotkách zvaných joule (J). Jestliže svítí laser nepřetržitě, většinou vystačíme s pouhým označením výkonu. Jestliže však laser pracuje v krátkých záblescích, které trvají milisekundy (ms) až pikosekundy (ps) a dokonce i femtosekundy (fs), je pro odborníky důležité vědět, jak kratičké jsou a jak je velká vyzářená energie. Čím kratší je doba trvání záblesku, tím větší je špičková energie a výkon. Tak je možné v nepatrném zlomku sekundy vyzářit veliké množství energie (nejen jednotky, desítky, stovky, ale i tisíce joulů). Výkony laserů se v takových případech pohybují nejen ve wattech (W), kilowattech (KW), ale i megawattech (MW), gigawattech (GW)a dokonce i v terawattech (TW).

Při charakterizování laserů se někdy zmiňujeme také o jejich účinnosti. Účinnost je poměr mezi množstvím energie dodané do zařízení a množstvím energie, které z něho vystupuje. V různých typech laserů totiž dochází k různě velkým ztrátám. Účinnost laserů, která se pohybuje v rozmezí od 0,1% do 80%, je často hlavním faktorem pro jejich použití. Významná je především v případech, kdy je důležitý vysoký výstupní výkon laserů, tj. při použití tzv. výkonových laserů. Do laseru musíme sice přivádět více energie než jí získáme, ale vyplatí se to. Laser totiž opouští paprsek zvláštních a pro nás výhodných vlastností. Jsou to monochromatičnost (jednobarevnost), koherence (uspořádanost) a malá divergence (rozbíhavost). Díky těmto charakteristickým vlastnostem nacházejí lasery stále větší uplatnění v nejrůznějších oborech.


Historie laseru začíná v roce 1917, kdy Albert Einstein ukázal, že kromě jevů jako jsou spontánní emise a absorpce, musí existovat ještě stimulovaná emise. Následující krok směrem k vynálezu laseru udělal ruský fyzik V.A..Fabrikant, který v roce 1939 poukázal na možnost použití stimulované emise k zesilovaní elektromagnetického záření procházejícího prostředím. Později v roce 1951, spolu s M.M.Vudynským a F.A.Butajevovou přihlásili patent na metodu zesilování elektromagnetického záření (ultrafialového, viditelného, infračerveného a pásma radiových vln) tím způsobem, že záření prochází prostředím, ve kterém je vytvořen nerovnovážný stav. Stav takového charakteru, že je preferováno obsazení horních energetických stavů atomů. popř. jiných elementů prostředí.
Po prve byla tato idea realizována pro zesilování záření v mikrovlnné oblasti. V roce 1952 moskevští fyzikové N.G.Basov a A.M.Prochorov na konferenci o radiospektroskopii referovali o molekulárním svazkovém generátoru – MASERu pracujícím se svazkem molekulárního čpavku. Prakticky současně byla vyjádřena myšlenka použití stimulované emise k zesílení a generaci milimetrových vln americkým fyzikem Ch.H.Towenesem. V roce 1954 byl sestrojen první molekulární generátor. Realizace maseru dala vznik novému vědnímu oboru – kvantové elektronice. Basov, Prochorov a Townews dostali společně za vynález maseru Nobelovu cenu v roce 1964.
Mezi realizací prvního maseru a prvního laseru uplynulo šest let. V roce 1955 Basov a Prochrov navrhli optické buzení a prostředek pro dosažení populační inverze. V roce 1957 pak Basov uvažoval o využití polovodičových materiálů pro kvantové oscilátory a realizoval optický rezonátor leštěnými planparalelními stěnami na polovodičovém čipu. V témže roce Fabrikant a Butajevová pozorovali zesílení optického záření v experimentu s elektrickým výbojem procházejícím směsí par rtuti, vodíku a helia. V roce 1958 Prochorov, Schawlow a Townes vyslovili nezávisle na sobě ideu, že jev stimulované emise, užitý v maseru, může být použit i v infračervené a optické oblasti spektra. R.H.Dicke (Princeton University) navrhl použití otevřeného rezonátoru pro realizaci kladné zpětné vazby v optické oblasti. V roce 1960 Theodore Maiman publikoval článek o generaci záření ve viditelné oblasti světla v rubínové tyči. Bal vynalezen rubínový laser. V témže roce (1960) A.Javan, W.R.Bennett a D.R.Herriott demonstrovali laserová akci ve směsi plynů helia a neonu. V roce 1960 se podařilo zkonstruovat první vodíkový maser. Od roku 1961 začal bouřlivý vývoj různých typů laserů zároveň s vývojem laserové technologie. První polovodičový laser byl sestrojen v roce 1962. V České republice se maser objevil v roce 1962 a laser o rok později.



3. Rozdělení laserů

Slovo laser [lejzr] pochází z angličtiny. Je složené z počátečních písmen anglického názvu: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation,což by se dalo přeložit jako zesílení světla pomocí vynucené (stimulované) emise záření.Český název pro laser je kvantový generátor světla. Z názvu je zřejmé, že laser vydává světlo. Laserové světlo je monochromatické (jednobarevné) koherentní (uspořádané) a má malou divergenci (rozbíhavost). Laser je zařízení, které přeměňuje dodávanou energii na laserové světlo.
Energii můžeme dodávat různým způsobem, například opticky (světlem výbojky), chemicky, elektricky atd. Vzhled samotných laserů je velmi různorodý. Záleží hlavně na druhu laseru, na jeho konstrukci a v neposlední řadě na jeho použití.



3.1. Členění laserů podle různých hledisek

Lasery mohou být klasifikovány podle různých hledisek, např.:

 podle aktivního prostředí
 pevnolátkové lasery
 polovodičové lasery
 plynové lasery
 kapalinové lasery
 plazmatické lasery

 podle vlnových délek optického záření, které vysílají
 infračervené lasery
 lasery viditelného pásma
 ultrafialové lasery
 rentgenové lasery

 podle typu kvantových přechodů (energetických hladin zúčastněných při laserovém kvantovém přechod)
 molekulární(rotační, rotačně-vibrační, vibrační)
 elektronové
 jaderné

 podle typu buzení - lasery buzené
 opticky
 elektronovým svazkem
 elektronovým svazkem
 tepelnými změnami
 chemicky
 rekombinací
 injekcí nosičů náboje

 podle délky generovaného impulsu – lasery
 s dlouhými impulsy
 s krátkými impulsy
 s velmi krátkými impulsy (pikosekundové, femtosekundové)






Přehled typů laserů




Aktivní materiály Typy laserů buzení





Dielektrické Pevnolátkové lasery
krystaly skla

kapaliny, optické
organická barviva kapalinové lasery


fotodisociační

atomové
elektrickým
plyny, plynové iontové výbojem
směsi
molekulární
plynové
lasery excimerové

elektroionizační elektron. svazkem

plynově-dynamické expanzí stlačeného plynu

chemické chemickou reakcí


plazma plazmatické lasery rekombinační

vlastní polovodiče elektronovým svazkem
polovodičové lasery
příměsové polovodiče elektrickým proudem


Obr. č.2: Přehled typů laserů


3.1.1. Rozdělení podle aktivního prostředí

Toto dělení je v praxi nejpoužívanějším.

3.1.1.1. Pevnolátkové lasery

Po objevu rubínového laseru, tj. laseru s aktivním materiálem Al2O3:Cr3+, bylo vyzkoušeno mnoho dalších aktivních přechodových prvků, které, zabudovány do vhodné matrice (základní materiál, který určuje většinu technických vlastností daného aktivního prostředí, v tomto případě krystalu), měly předpoklady dát laserovou generaci. Historicky nejúspěšnějším se stal iont Nd v matrici yttrium aluminium granátu – Nd:YAG (Y3Al5O12:Nd3+). Poslední léta jsou opět poznamenána zvýšeným zájmem o pevnolátkové lasery vzhledem k jejich relativní stabilitě aktivního materiálu a jednoduchosti systému.


3.1.1.1.1. Aktivní prostředí
Aktivním prostředím je dielektrikum – pevná opticky propustná látka.

Matrice
U pevnolátkových laserů je matrice základním materiálem, který určuje většinu technických vlastností daného krystalu. Matrice musí být průzračná, opticky homogenní a musí být technologicky možné ji uměle vyrábět. Materiály, které vyhovují těmto požadavkům, jsou:
1. krystaly
2. skla
3. keramika

1. Krystalické materiály se dělí na:
a) oxidy – nejznámější je safír Al2O3. Je tvrdým materiálem s vysokou termální vodivostí, s aktivními ionty chromu vytváří krystal rubínu Al2O3 + Cr3+
b) granáty – jsou krystalické sloučeniny typu A3B5O12, kde symbol A označuje ionty yttria nebo lanthanidů a symbol B může být hliník, galium, železo, indium, chrom a další. Nejvýznamnější z nich je sloučenina Y3Al5O12 – yttrium aluminium granát YAG. Je to tvrdý izotropní krystal dobré kvality, který lze uměle vyrábět
c) alumináty – např. krystal yttrium – orthoaluminát YAlO3, nazývaný YALO, YAP nebo Perovskit, přibližuje se využitím krystalu YAG
d) fluoridy – relativně měkké, izotropické krystaly
e) oxylsulfidy – např. lanthan, gadolinium, ittrium a lutecium oxylsulfid
f) fosfáty a silikáty – např. kalcium fluorofosfát, silikátový oxyapatit
g) tungstaáty, molybdáty, vanadáty a beryláty

2. Skla
Jejich výhodou (ve srovnání s krystaly) je snadnější výroba, která umožňuje dosáhnout výbornou homogenitu (stejnorodost) skla a ve srovnání s krystaly mnohem větší rozměry. Nevýhodou skleněných matric je menší tepelná vodivost a menší tvrdost.

3. Keramika
Výhodou této matrice je nízká cena ve srovnání s krystaly nebo sklem a vyšší tepelná vodivost než má sklo.






Ativátor
Aktivátory jsou atomy nebo ionty umístěné v matrici, zúčastňující se procesu generace optického záření. Při výběru aktivátorů přidávaných do matric je nejpodstatnější podmínka, která omezuje použité látky na takové, které mají nezaplněné vnitřní slupky elektronového obalu. Jsou to atomy:
 transmisní skupiny prvků (Fe, Cr atd. s nezaplněnou slupkou 3d)
 vzácných zemin (Sm, Nd atd. s nezaplněnou slupkou 4f)
 skupiny aktinidů (U s nezaplněnou slupkou 5f)



3.1.1.1.2. Laserový systém
Součástí pevnolátkového laseru je:
1. laserová hlavice obsahující aktivní materiál, budící elementy (výbojky xenanové, kryptonové), budící dutinu a otevřený rezonátor. Aby koncentrace světelné energie byla co největší, má budící dutina speciální tvar (jednoelipsa, dvouelipsa, čtyřelipsa, atd.). Vnitřní stěna budící dutiny je pro zvýšení odrazivosti pokovena (obvykle vrstvou stříbra nebo zlata). Rezonátor je obvykle tvořen zrcadly s kruhovou aperturou (velikost otvoru optických přístrojů), z nichž jedno je zpravidla totálně odrazné (R=100%) pro záření generované vlnové délky a druhé částečně propustné. Pro kontinuální pevnolátkové lasery je odrazivost výstupního zrcadla R=90 až 99%, pro pulsní R=8 až 50%.



Obr. č. 3: Součásti pevnolátkového laseru


2. zdrojová jednotka – jejím úkolem je dodat dostatečné množství energie do výbojky v impulsním nebo kontinuálním režimu. K napájení kontinuální výbojky slouží budící elektrický obvod, který je zdrojem proudu od 10 do 60 A.
3. chladící jednotka – jejím úkolem je odebrat aktivnímu prostředí teplo vydělené při nezářivých přechodech aktivních iontů, neboť podstatná část energie buzení se uvnitř hlavice přemění na teplo. Chlazení probíhá dvojím způsobem:
 chladící tekutinou (zpravidla destilovaná voda), která protéká celou budící dutinou
 laserový krystal a výbojky jsou umístěny ve skleněných trubicích a voda jimi protéká



3.1.1.1.3. Vybrané pevnolátkové lasery

Rubínový laser – je pevnolátkový laser, jehož aktivním prostředím je krystal generující záření o vlnové délce 0,6943 μm. Matrici tvoří safír (Al2O3) a aktivátorem jsou ionty chromu (Cr3+). Rubínový laser je používán většinou v impulsním režimu, protože pro kontinuální režim není možné rubín dostatečně ochladit. Při volně běžícím režimu rubínový laser generuje impulsy s energií až 5J, s délkou impulsu = 1.10-3 s. V případě činnosti laseru v Q-spínavém režimu jsou generovány impulsy s energií 1 až 2 J a s délkou impulsu 10-8 až 10-9 s. Generovaná vlnová délka rubínového laseru λ = 0,6943 μm. Rubínového laseru se v průmyslu využívá k vrtání tvrdých materiálů, v lékařství v dermatologii, a v laserové lokaci družic atd. V mnoha oborech byl nahrazen především Nd:YAG laserem.


Parametr Rozměr Rubín Nd:YAG Nd:sklo
Vlnová délka μm 0,6943 1,0641 1,0623
Energie fotonu J 2,86.10-19 1,86.10-19 1,86.10-19
Spontánní doba života μs 3000 240 300
Fluorescenční šířka čáry nm 0,55 0,40 26
Teplotní vodivost
Wcm-1K-1 0,42 0,14 0,012
Tab. č. 1: Parametry rubínového, Nd:YAG a Nd:sklo laserového aktivního materiálu




Neodymový laser - matricí v tomto materiálu je sklo. To se odlišuje od ostatních materiálu tím, že jde o materiál izotropní. Může být dopován vysokou koncentrací až 5% neodymovými ionty Nd2O3. Pro matrice se používají skla silikátová (SiO2) a fosfátová (P2O5). Tepelná vodivost je u skla značně menší než u většiny ostatních matric. Nd:sklo laser pracuje tak jako laser rubínový zpravidla v impulsním režimu. Generovaná energie může dosáhnout až 20 J v impulsu o délce 100.10-6 s. V Q-spínavém režimu jsou generovány impulsy s energií 2 až 5 J s délkou impulsu 10 až 30.10-9 s. Nd:sklo lasery jsou vhodné pro vysoce–energetické pulsní režimy práce s malou opakovací frekvencí, např. pro velké termonukleární systémy.

Nd:YAG laser - Nd:YAG laser je dnes nejvíce používaný typ pevnolátkového laseru. Aktivním materiálem je izotropní krystal yttrium aluminum granátu dopovaný neodymem. Tepelná vodivost granátu dovoluje účinné chlazení aktivního materiálu, a proto lze tento laser provozovat jak v impulsním, tak v kontinuálním režimu. Při kontinuálním provozu je laser buzen kontinuálně-hořícími kryptonovými výbojkami (nově diodami) a může dosahovat výkonů 100 až 200 W. Pro impulsní buzení se do krystalové mřížky yttrium aluminium granátu přidává další dopující prvek – ionty chromu (Cr3+). Potom lze použít pro buzení xenonové výbojky. Energie dosahované ve volně běžícím režimu jsou až 5 J, při délce impulsu 100.10-6 s a opakovací frekvenci až 100 Hz. Účinnost Nd:YAG laseru dosahuje až několika procent. V průmyslu se využívá při vrtání, svážení, řezání a žíhání materiálu. V lékařství se používá kontinuální Nd:YAG laser jako skalpel v chirurgii a pulsní Nd:YAG laser v oční mikrochirurgii. Dále se uplatnil v radarové technice a ve spektroskopii.


Obr. č. 4: Nd:YAG laser

1. Rychlé scannery rozmítají svazek v ose X a Y
2. Expandér - ovlivňuje tloušťku stopy a hustotu výkonu
3. Clona mechanicky blokující laser
4. Moderní dutina s difuzní keramikou a jednoduchou výměnou výbojky
5. Zadní 100% zrcadlo a uspořádání předního zrcadla určují výkonové parametry laseru
6. F-theta objektiv určuje velikost popisovaného pole
7. Výstupní polopropustné zrcadlo
8. Naváděcí Helium-Neonový laser
9. Akusto-optický modulátor řízený počítačem umožňuje programově řídit parametry popisu



Nd:YLF laser - matricí materiálu Nd:YLF je materiál lithium-yttrium-fluorid (LiYF4). Laserový přechod je na vlnové délce 1053 nm. Materiálové vlastnosti krystalu Nd:YLF jsou uvedeny v tabulce. Nd:YLF laserová krystal se používá dnes v průmyslových aplikacích i v medicíně.

Vzorec Nd:LiYF4

Vlnová délka [μm] 1,053
Doba života na energ.hladině [μs] 520
Hustota [gcm-3] 3,99
Tvrdost (Mohs.stupnice) 4 až 5
Teplotní vodivost [Wcm-1K-1] 0,06
Součinitel teplotní roztažnosti [10-6K-1] 13 (osa a)
8 (osa c)
Bod tání [°C] 825

Tab. č. 2: Vlastnosti krystalu Nd:YLF


Alexandrit - přírodní alexandritový krystal byl poprvé nalezen v roce 1880. Chemicky je alexandrit krystalem chrysoberylu BeAl2O4 (matrice) dopovanými ionty Cr3+ (aktivátor). Koncentrace aktivních iontů Cr může být 0,1 až 0,4 at.%. Alexandrit je opticky a mechanicky velmi podobný krystalu rubínu. Alexandritový laser může pracovat jak v kontinuálním, tak v impulsním režimu. V Q-spínavém režimu byla generována výstupní energie 1 J. Z hlediska využití se alexandritové lasery začínají prosazovat v lékařských aplikacích (dermatologie, fotodynamická terapie), dále v průmyslu a ve spektroskopii.


Vzorec Cr:BeAl2O4

Vlnová délka [μm] 700 až 818
Doba života na energ.hladině [μs] 260
Fluorescenční šířka čáry [nm] 100
Tvrdost 2000
Teplotní vodivost [Wcm-1K-1] 0,23
Součinitel teplotní roztažnosti [10-6K-1] 6,1
Bod tání [°C] 1870

Tab. č. 3: Vlastnosti krystalu alexandritu



Ho/CTH:YAG - generace laserového záření na vlnové délce λ = 2,1 μm na iontu holmia zabudovaného do matrice yttrium aluminium granátu byla poprvé dosažena v roce 1962. Atomy holmia mají jen několik slabých absorpčních čar na vlnových délkách produkovaných výbojkovým čerpáním, a proto byly do matrice yttrium-aluminium-granátu (Y3Al5O12 – YAG) dodány postupně další ionty vzácných zemin – erbia (Er) a thulia (Tm), které přenášejí absorbovanou výbojkovou energii na ionty holmia.
Systém se uplatňuje především v medicíně.

Er:YAG - absorpční a fluorescenční vlastnosti iontu erbia byly zkoumány v různých matricích, aby byly určeny vlastnosti erbia jako aktivního iontu umožňujícího laserovou akci. Materiál matrice pro Er iont dnes tvoří převážně YAG. Dominantními vlnovými délkami generovaného záření jsou 1,56 a 2,94 μm. Záření Er:YAG laseru 1,56 μm se používá v laserových dálkoměrech.



3.1.1.2. Kapalinové lasery

3.1.1.2.1. Aktivní prostředí
Aktivním prostředím kapalinových laserů jsou z převážné části roztoky organických barviv nebo speciálně připravené kapaliny dopované ionty vzácných zemin. Aktivním prostředím jsou ionty organických barviv v různých kapalných rozpouštědlech, jakými jsou např. voda, etylalkohol, metylalkohol, toulen, benzen, aceton, cyklohexan, glycerin a další. Nejznámějším a prakticky nejdůležitějším aktivním prostředím barvivových laserů je Rhodamin 6G. Patří ke skupině xanthenových barviv. Významnou charakteristikou barvivových laserů je šířka čáry generované vzhledem k šířce čáry luminiscenční. Tak jako u pevnolátkových laserů i barvivové lasery mají šířku absorpční a luminiscenční čáry v okolí 0,1 μm. Šířka generované laserové čáry ovšem může být až řádu 10-4 μm nebo menší. Generovaná vlnová délka může být tedy měněna spojitě uvnitř hranic daných šířkou luminiscenční čáry. Lasery, u kterých generovaná vlnová délka může být plynuje měněna, nazýváme lasery přeladitelnými.


3.1.1.2.2. Buzení barvivových laserů
Pro buzení barvivových laserů se užívá optického záření. Optické buzení těchto laserů je nekoherentní nebo koherentní, pulsní nebo kontinuální a příčné nebo podélné.
Při koherentním buzeni je barvivové aktivní prostředí ozařováno zářením pomocného laseru na kmitočtu odpovídajícím absorpčnímu pásmu daného barviva. Účinnost barvivových laserů buzených koherentně zářením pomocného laseru dosahuje řádu desítek procent.
Při nekoherentním čerpání se pro buzení barvivových laserů užívá podobného uspořádání jako u pevnolátkových laserů. Účinnost nekoherentně čerpaných barvivových laserů dosahuje maximálně 10%.


3.1.1.2.3. Využití barvivových laserů
Použití barvivových laserů je především ve spektroskopii. Novou aplikací je využití možnosti naladění přesné vlnové délky v medicíně – ve fotodynamické terapii, kdy se působením záření přesné vlnové délky ničí rakovinotvorný nádor předem „napuštěný“ speciálním organickým barvivem (barvivo se působením záření rozpadá a volný generovaný kyslík ničí rakovinotvorné buňky).



3.1.1.3. Plynové lasery
Plynové lasery jsou lasery s aktivním prostředím v plynné fázi. Inverze populace hladin je vytvářena mezi energetickými hladinami některé ze složek plynu, tj. atomů (atomární lasery), iontů (iontové lasery), molekul (molekulární lasery). Většina plynových laserů pracuje v kontinuálním režimu, ale byly vyvinuty i lasery s mimořádně vysokým výkonem pracující v impulsním provozu.
Při průchodu aktivním prostředím bývá optický svazek méně deformován než u laserů s kondenzovaným prostředím, neboť plyny jsou obecně homogennější. Nevýhodou plynových laserů je poměrně malá objemová hustota počtu části, která se odráží v malých objemových výkonech.

Plynové lasery je možné budit:
 elektrickým výbojem
 chemickou reakcí
 fotodisociací
 rychlou expanzí plynu
 průchodem svazku rychlých elektronů
 nebo opticky



Tab. č. 4: Plynové lasery



3.1.1.3.1. Atomární lasery
Aktivním prostředím jsou elektricky neutrální atomy. Typickým představitelem atomárních laseru jsou helium-neonový laser, měděný laser a jodový laser.

Helium-neonový laser – aktivní prostředí je tvořeno vzbuzenými (excitovanými) atomy neonu. Excitují se v elektrickém výboji ve směsi plynů helia a neonu. Tento laser vyzařuje infračervené záření o vlnové délce 1,15 μm, 3,39 μm a 0,633 μm.

Měděný laser – aktivní prostředí tvoří neutrální atomy mědi. Vysílá zelené světlo s vlnovou délkou 510,5 nm a 578,2 nm. Inverze populace mezi energetickými hladinami se vytváří v elektrickém výboji ve směsi par mědi a dalšího nárazníkového plynu (helia, argonu). Střední výstupní výkon měděného laseru bývá až 40 W při opakovací frekvenci větší než 10 kHz. Aby tlak měděných par ve výbojové trubici byl dostatečně velký, pracují měděné lasery při vysoké teplotě (1800 K), tj. jejich výbojová trubice je uložena v peci. Měděné lasery jsou dosud nejúčinnější lasery v zelené oblasti spektra. Vlnové délce jejich záření odpovídá malá absorpce v mořské vodě, což je předurčuje mj. pro podmořskou komunikaci či lokaci.

Jodový laser – generuje viditelné nebo infračervené záření v důsledku stimulované emise na kvantových přechodech vzbuzeného atomu jodu. Vlnová délka laserového záření je 1,35 μm. Podle způsobu buzení je možné jodové lasery rozdělit na fotodisociační lasery a lasery buzené rezonančním přenosem energie. Fotodisociační buzení je založeno na rozpadu molekul v důsledku působení ultrafialového záření. Poměrně dlouhá doba (130 ms) života atomu jodu v excitovaném stavu umožňuje dosáhnout generaci impulsů záření s velmi velkou energií a velkým špičkovým výkonem (až několik TW). Jiný způsob excitace využívá přenosu excitace molekuly kyslíku na atom jodu.


3.1.1.3.2. Iontové lasery
Iontovými lasery se rozumí plynové lasery, jejichž aktivní prostředí tvoří ionty vzácných prvků nebo ionty par kovů. Ionty vzácných prvků bývají dvojmocné (Ne2+, Ar2+, Kr2+, Xe2+) viz. tabulka.

iont vlnová délka [nm]
Ne2+
Kr2+ 267,7
528,8 333,1
647,1
676,4
Ar2+ 418,3 476,5 488,8 514,2
Xe2+ 526,2 542,0 597,1 627,0 782,7 871,6


Tab. č. 5: Vlnové délky zářená iontových laserů


Typickým široce používaným představitelem je argonový laser. Iontové lasery s parami kovů (Sn, Pb, Zn, Cd, Se) a typickým jejich představitelem je helium-kadmiový laser.

Argonový laser – aktivní prostředí tvoří ionty argonu. Budí se elektrickým výbojem. Vlnové délky záření jsou: 457,9 nm; 465,7 nm; 472,7 nm; 488,0 nm; 496,5 nm a 514,5 nm.

Helium-kadmiový laser – je příkladem laseru pracujícího s ionty kovu, vysílají záření ve viditelné oblasti na vlnových délkách 533,7 nm; 537,8 nm a 441,6 nm. Budí se elektrickým výbojem, ve které se nejdříve excituje a ionizuje helium. Atomy helia pak dávají vznik iontům kadmia v procesu tzv. Penningovy reakce.


3.1.1.3.3. Molekulární lasery
Molekuly mají ve srovnání s atomy a ionty poměrně složitá spektra energetických hladin. V molekulách je možné vytvářet inverzi populace hladin mezi energetickými hladinami různého typu. Inverze mezi dvěma elektronickými stavy umožňuje generovat ultrafialové nebo viditelné záření. Příkladem laserů tohoto typu jsou vodíkový laser, dusíkový laser a excimerové lasery. Inverze mezi vibračně-rotačními hladinami vede ke generaci infračerveného záření (CO2 laser, CO laser).

Vodíkový laser – aktivním prostředím je vodík. Elektronové kvantové přechody v molekulárním vodíku jsou používány pro generaci ultrafialového záření v oblasti vlnových délek 140 až 165 nm a 100 až 120 nm. Buzení se provádí elektrickým výbojem. Laser pracuje zpravidla v tzv. režimu zesílené spontánní emise (tj. bez zrcadel tvořících optický rezonátor).

Dusíkový laser – laser s molekulárním dusíkem jako aktivním prostředím může generovat záření ve třech oblastech optického spektra a to:
- ultrafialové záření (337 až 328 nm)
- viditelné a blízké infračervené (754 až 1235 nm)
- infračervené (3,29 až 3,47 μm a 8,15 až 8,21 μm)

Největšího využití se dusíkovému laseru dostalo jako generátoru laserového ultrafialového sváření s vlnovou délkou 337,1 nm. Buzení se provádí elektrickým výbojem. Dosahované zesílení je veliké a laser může pracovat bez optického rezonátoru.

Excimerové lasery – excimer je nestabilní molekula, která vzniká jen na přechodnou dobu v důsledku vzájemného působení vzbuzeného atomu s atomem v základním stavu. Aktivním prostředím laserů jsou excimery. Dosud známé excimerové lasery pracují buď s excitovanými dimery vzácných plynů (např. Ar2), s halogenidy vzácných plynů (např. KrF), nebo s oxidy vzácných plynů (např. XeO). Buzení excimerových laserů se provádí elektrickým výbojem, nebo svazkem rychlých elektronů. Buzením elektronovým svazkem dosahujeme vyšší účinnosti než buzením elektrickým výbojem (až 10 krát).

CO2 laser – aktivními molekulami jsou molekuly oxidu uhličitého. Ke stimulované emisi dochází při kvantových přechodech mezi různými vibračně-rotačními podhladinami základního elektronického stavu molekuly. Elektrický výboj se zapaluje ve směsi plynů CO2, N2 a He. V klasickém konstrukčním uspořádání bývá základem CO2 laseru výbojová trubice T s vnitřním průměrem několika centimetrů naplněná směsí plynů CO2:N2:He při tlaku několika kPa. CO2 lasery mají poměrně vysokou účinnost (cca 10%), jsou široce využívané. Vedle elektrického buzení existuje i řada systémů CO2 laseru založených na jiných principech buzení (např. chemickou reakcí nebo rychlým ochlazením přihřátého plynu).

CO laser – aktivním prostředím CO laseru jsou molekuly oxidu uhelnatého. Laserové přechody se uskutečňují mezi vibračně-rotačními hladinami základního elektronového stavu této dvouatomové molekuly. CO lasery vyzařují infračervené záření v pásmu 5 až 6,5 μm a vyznačují se dobrou účinností a velkými výstupními výkony. Buzení CO laseru je provádí obdobnými metodami jako u CO2 laseru a to především elektrickým výbojem nebo elektronovým svazkem. V CO laserech, kde nejsou kladeny žádné nároky na spektrální čistotu výstupního svazku, se dosahuje účinnosti až 50 %. Jejich většímu rozšíření brání jedovatost CO.


3.1.1.3.4. Zvláštní metody buzení plynových laserů

 příčně buzené lasery (TE lasery) - příčné buzení se s výhodou využívá u impulsních CO2 laserů s atmosférickým tlakem plynové náplně a u excimerových laserů
 fotodisociační lasery – příklad tohoto laseru je jodový laser
 chemické lasery – buzení chemickou reakcí (např. u CO2 laseru)
 plynově dynamické lasery – kromě nejběžnějších CO2 plynově-dynamických laserů, vysílajících záření s vlnovou délkou 10 μm, byly realizovány i lasery s molekulami CO, N2O a CS2 vyzařující v infračervené oblasti spektra. Nově se objevují i ve viditelné oblasti spektra.
 opticky buzené plynové lasery – prakticky se optického buzení plynových laserů využívá pro generaci submilimetrového záření, Tj. záření s vlnovými délkami 0,1 až 1,0 mm. Typickým představitelem submilimetrových laserů je laser s molekulami vody (H2O), vysílající záření s vlnovými délkami 118,6 a 220,2 μm nebo laser HCN s vlnovými délkami 331, rep. 337 μm.


3.1.1.4. Plazmatické lasery

V plazmatickém laseru je inverze populace vytvářena uvnitř chladnoucího plazmatu. U těchto laserů se používají ionty argonu s vlnovou délkou 747 nm, ionty kadmia s vlnovou délkou 537,8 nm a ionty rtuti s vlnovou délkou 567 nm. Plazmatické lasery s aktivním prostředím vytvořeným mnohonásobně nabitými ionty jsou jednou z cest k vytvoření rentgenového laseru. Rentgenový laser je zdrojem koherentního rentgenového záření. U rentgenových laserů jsou ještě mnohé konstrukční problémy. Jedním z těchto problémů je že potřebná zrcadla s vysokou odrazivostí v oblasti vlnových délek 10 nm prakticky neexistují.





3.1.1.5. Polovodičový laser

Funkce polovodičového laseru je založena na vzniku stimulované emise záření v aktivním polovodičovém materiálu při kvantových přechodech elektronů z vodivostního do valenčního energetického pásu a na existenci zářivé rekombinace nosičů náboje (elektronů a děr). Aktivním prostředím polovodičových laserů je polovodičový materiál, ve které jsou aktivními částicemi nerovnovážné elektrony a díry, tj. volné nosiče náboje, které mohou být injektovány. V polovodičovém aktivním prostředí je možno dosáhnout velkého optického zesílení (až 104 cm-1). Vzhledem k tomu jsou rozměry aktivního elementu polovodičového laseru mnohem menší než u ostatních laserů (délka rezonátoru je cca 50 μm až 1 mm). Inverze populace se dosahuje nejčastěji injekcí nosičů náboje přechodem P-N (injekční laser), obecně lze však použít i jiných prostředků buzení, jako např. optického, elektronového svazku, lavinového jevu v polovodičích.
Hlavní předností polovodičových laserů je jejich kompaktnost, velká účinnost (až 50%), možnost spektrálního přeladění v širokém spektrálním pásmu a pomocí výběru aktivního prostředí generace záření vlnových délek od λ = 0,3 μm až po λ = 30 μm. Nevýhodou je rozbíhavost generovaného záření a velká závislost parametrů generovaného záření na teplotě aktivního polovodičového materiálu. Chlazení je jedním z vážných problémů polovodičových laserů. Velká rozbíhavost a vějířovitý svazek je charakteristický pro všechny polovodičové lasery a je spolu s velkou teplotní závislostí hlavní nevýhodou polovodičových laserů.

Polovodičový laser buzený svazkem elektronů – aktivní prostředí je tvořeno vlastním polovodičem. Laser může být buzen fotony. Mnohem častěji je místo fotonů užito k buzení svazku elektronů. Rychlé elektrony procházejí polovodičovým vzorkem a iniciují přechody z pásu valenčního do pásu vodivostního. Mezi takto buzené aktivní materiály patří galium arsenidový (GaAs) polovodičový laser, kadmium sulfidový (CdS) a kadmium selenidový (CdSe) polovodičový laser. Teplotní závislost je natolik velká, že tyto polovodičové lasery generují záření pouze při nízkých teplotách, např. GaAs lasery se chladí na 80 K a některé systémy CdS a CdSe pracují pouze při teplotě kapalného helia (4,2 K).

Injekční polovodičové lasery – ve většině případů je aktivní materiál složen z polovodiče typu P a N. Polovodiče vytvářejí tzv. P-N přechod. Buzení je v tomto případě prováděno přiložením elektrického pole k polovodičovému přechodu. Rezonátor je tvořen vybroušenými stranami polovodičového materiálu. V P-N přechodu elektrony a díry rekombinují při současné emisi záření. Odrazem od zrcadel otevřeného rezonátoru a mnohonásobným přechodem oblastí přechodu vzniká laserové záření. Nejznámější je GaAs polovodičový laser. Laser generuje záření v blízké infračervené oblasti na vlnové délce v okolí λ = 0,82 až 0,9 μm. Celkový laser je velmi malý, jeho rozměry jsou pouze 1 mm. Tloušťka P-N přechodu je 2 μm. Výstupní výkon kontinuálního provozu je kolem 10 mW, v impulsním provozu je dosaženo 100 W. Polovodičové lasery s injekčním buzením jsou nejlevnější a nejmenší lasery. Velký komerční význam mají především pro aplikace v počítačové technice a v samotné technice laserů, protože jsou využívány jako zdroje záření pro buzení pevnolátkových laserů. Účinnost polovodičových laserů dosahuje 50 až 60 %.



3.1.1.6. Nové druhy laserů

Prudký rozvoj zaznamenávají diodami čerpané pevnolátkové lasery. Jedná se především o Nd:YAG lasery, u kterých jsou pro čerpání energie z krystalu dosud používané výbojky nahrazeny laserovými diodami, příp. diodovými lasery.

Výhody těchto laserů:
 vyšší účinnost
 menší spotřeba elektrické energie
 menší celkové rozměry
 delší trvanlivost diod oproti výbojkám (životnost diod je cca 10.000 hodin)
 menší provozní náklady

Dalším vývojovým stádiem diodami čerpaných pevnolátkových laserů jsou kotoučové lasery. U tohoto typu laserů je krystal používaný dosud ve tvaru válce nebo desky nahrazen kotoučem o tloušťce 0,3 mm a průměru 7 mm. U kotoučových laserů lze kotouč vyrobit z krystalu Yb:YAG, čímž se oproti krystalu z Nd:YAG zvýší účinnost čerpání ze 76 % na 91 %. Současné výkony kotoučových laserů jsou do 350 W, ale do budoucna bude možné vyrobit kotoučové lasery o výkonu řádově kW (skládáním několika kotoučů) a tím umožnit jejich použití pro obrábění a integraci do obráběcích strojů a center.

Nového vývojového stádia dosáhly vysoce výkonové diodové lasery, u kterých je funkce založena na vzniku stimulované emise záření v aktivním polovodičovém materiálu. Na rozdíl od ostatních druhů laserů se děje přechod elektronů mezi dovolenými energetickými pásy a ne mezi energetickými hladinami. Buzení je realizováno fotony, svazkem elektronů nebo elektrickým polem. Polovodičové lasery generují záření o vlnové délce v rozsahu 808 až 940 nm. Mohou být postaveny lasery o výstupním výkonu 30 W až 8 kW. Výhodou těchto laserů je především kompaktní konstrukce, malé rozměry, vysoká účinnost a hospodárný provoz. Účinnost je až 50 %. Hospodárnost provozu těchto laserů je dána tím, že pro svůj provoz nepoužívá ani lampy ani drahé plyny, ale diody, jejichž životnost je cca 10.000 hodin. U vysoce výkonných diodových laserů má vystupující paprsek tvar obdélníkové plochy. Laser o výstupním výkonu 150 W má po zaostření rozměr stopy 0,6 x 1,2 mm. Lze jej zaostřit i na 1,3 x 1,3 mm nebo na stopu ve tvaru kruhu o průřezu 1,5 mm. Srovnání kvality paprsku vysoce výkonných diodových laserů s CO2 a Nd:YAG lasery je na obrázku.



Obr. č. 5: Srovnání kvality paprsku vysoce výkonných diodových laserů s CO2 a Nd:YAG lasery


4. Využití laseru

Laser se za dobu čtyřiceti let od svého vzniku uplatnil v celé řadě oborů. Jako přístroj se dnes využívá v medicíně, při různých technologických operacích ve výrobě, v astronomii, geodesii, metrologii, chemii, biologii, spektroskopii, v energetice, ve výpočetní technice, v technice spojů, ve vojenské technice, v automatizaci a dálkovém řízení. Některé z těchto aplikací jsou popsány níže.


4.1. Lasery v medicíně

Léčivou moc slunečních paprsků znali lidé odedávna. Avšak teprve koncem 18. století začaly být soustavně shromažďovány údaje o vlivu slunce na lidský organismus. Podmětem k tomu byly významné objevy v oblasti optiky. Bylo zjištěno, že sluneční světlo obsahuje celý soubor viditelných barev. Brzy na to se ukázalo, že ve slunečním spektru jsou obsaženy i neviditelné barvy – infračervená a ultrafialová.
Před medicínou vyvstal úkol objasnit, jak všechny tyto druhy viditelného i neviditelného záření působí na člověka. V roce 1940 německý oftalmolog Gerd Meyer-Schwicherath ukázal, že světlo (směrované a koncentrované sluneční záření) může být užito k léčení odtržené části sítnice lidského oko. V roce 1949 byla provedena první úspěšná operace a o několik let později Zeiss sestrojil první fotoagulátor s výkonovou xenonovou lampou. Tento přístroj byl vytlačen až laserovými přístroji. V roce 1961 byl rubínový laser použit k přivaření odchlípnuté sítnice a bylo vyzkoušeno působení laseru na kůži a kožní nádory. V téže době byl použit laser k odstranění „ohně“ (červených skvrn na kůži). V roce 1965 Hugh Beckman ukázal, že laserem lze provádět i operace duhovky. V témže roce G.J.Jako demonstroval využití Nd skleněného laseru jako chirurgického nože.
Po objevu CO2 laseru v roce 1964 C.K.N.Patelem byl ověřen první chirurgický CO2 laser. Laserového světla se užívá v očním lékařství pro velmi složité operace. Operace jsou rychlé, méně bolestivé a lze je provádět i ambulantně. Následovala řada dalších objevů – začal rozvoj nového odvětví vědy i aplikací tzv. laserová medicína. Prvně použitý rubínový laser byl při operacích sítnice nahrazen kvazikontinuálním argonovým laserem, pro operace předního pouzdra čočky se používá nejvíce ND:YAG pulzní laser. Laser pronikal a proniká postupně do mnoha odvětví: oftalmologie, dermatologie, plastické chirurgie, neurochirurgie, otolaryngologie, urologie, gynekologie a dalších. Zájem lékařů o tento nový druh světelného záření je pochopitelný a plyne z unikátních vlastností laserového záření, kterými jsou: mnohochromatičnost, koherence, kolimovanost, vlastnosti, které umožňují oproti původním zdrojům světla lepší přesnost zásahu a větší účinek daný mnohonásobným výkonem laserového světla.



4.2. Laser v mikroelektronice

Od počátku sedmdesátých let se začaly objevovat technologie jako dolaďování jmenovitých hodnot odporů, kondenzátorů a elektrických filtrů.
Laserové dolaďování spočívá ve vyřezávání korigující drážky v odporové vrstvě, což změní hodnotu elektrického odporu. Soustředěný laserový svazek dopadající na vrstvu způsobí její místní odpaření. Nejčastěji je používán Nd:YAG laser s kontinuálním buzením v režimu periodické modulace jakosti rezonátoru. Špičkový výkon je obvykle v rozmezí 2 až 20 kW při délce impulsu 0,1 až 1s a opakovací frekvencí 1 Hz až 100 kHz. Intenzita laserového záření na povrchu odporového materiálu dosahuje hodnot 106 až 107 Wcm-2. Minimální šířka drážky je 5 až 10m. Pro laserové dolaďování umožňuje dosahovat vysokých rychlostí a přesností justáže a konstruovat odpory menších rozměrů.
Laserového rýhování se dnes běžně používá pro dělení podložek z keramiky, křemíku nebo arsenidu galia. Laserové rýhování se provádí zejména pro docílení snadného a definovaného dělení základního substrátu integrovaných obvodů. Pro laserové rýhování podložek z křemíku a arsenidu galia se používá nejčastěji kontinuálního Nd:YAG laseru s periodickou modulací jakosti resonátoru, se špičkovým výkonem 1 až 40 kW, délkou impulsu 0,15 až 0,3 s s opakovací frekvencí 1 až 40 kHz. Laserový svazek intenzity 1012 až 1013 Wm-2 taví a odpařuje substrát a takto vytvořené rýhování definuje tvar elementů, jež získáme po rozlámání podložky. Pro dosažení optimálních pnutí v podložce, a tím minimálního poškození elementů dělením, se volí hloubka rýh asi 25 až 30% tloušťky podložky. Laserovým rýhováním lze získat elementy o délce strany 0,35 mm. Pro rýhování keramických podložek, safíru i skla se kromě Nd:YAG laseru používá i pulzní CO2 laser. Výhodou laserového rýhování je rychlé tvoření dělicí čáry s malou šířkou řezu a vysoká výtěžnost nepoškozených elementů z podložky.
Další aplikací, při které dochází ke změně struktury materiálu v důsledku místního ohřevu, je laserové žíhání. Používá se zejména pro rekrystalizaci krystalické mřížky substrátu mikroelektronických obvodů poškozených při iontové implantaci. Laserové záření je obvykle absorbováno v tenké povrchové vrstvě, jejíž hloubka je asi 40 až 450 nm.Po dopadu laserového záření dochází k rekrystalizaci materiálu.Lasery používané pro tuto aplikaci jsou pulzní rubín, Nd:YAG, alexandrit nebo kontinuálně běžící argon. Pro žíhání se tradičně užívalo ohřevu podložky v elektrické peci při teplotě zhruba 1000°C po dobu asi půl hodiny. Dlouhodobé působení tepla na podložku tloušťky asi 1 mm a průměru 10 až 15 cm má následek nejen změny ve vytvořených strukturách, ale i vznik mechanického pnutí a poškození podložky. Laserové žíhání tyto problémy odstraňuje, má však konkurenci v žíhání koherentními zdroji světla, které jsou zatím levnější. S postupující miniaturizace však význam laserového žíhání poroste.

Všechny uvedené technologie jsou založeny na odstranění tenké vrstvy materiálu formou jeho vypaření, k čemuž dochází následkem ozáření intensivním laserovým svazkem. Laser se používá k opravě polovodičových pamětí, kdy jsou laserem odpojeny poškozené obvody a místo nich připojeny jiné. Rozvíjejí se metody laserového dopování příměsí do substrátu: zářením je rozložen nad povrchem substrátu plyn obsahující dopující příměs, při současném místním roztavení podložky. Zářením uvolněný dopad pak difunduje do podložky.
Laserem jsou opravovány poškozené matrice pro litografii. Litografie je technologický proces, který umožňuje přenesení obrazu půdorysného uspořádání určité optické, optoelektronické nebo mikroelektronické struktury součástky popřípadě obvodu na polovodičovou nebo dielektrickou podložku. Laserová litografie používá pro exponování fotocitlivé vrstvy materiálu laserového záření. Dále jsou laserem odstraňovány nečistoty s povrchu materiálu, iniciován růst křemíku na izolační vrstvě SiO2 atd. Nové typy mikroelektronických součástek lze vytvářet laserovou dispozicí tenkých vrstev, kdy je materiál terče odpařen laserovým svazkem, přičemž páry kondenzují na podložce a vzniklá tenká vrstva je stechiometricky shodná s materiálem terče. Jsou deponovány supravodivé, feromagnetické vrstvy a vícevrstvové struktury. Z vrstev jsou zhotovovány např. nové druhy nedestruktivních pamětí, supravodivé kvantové magnetometry atd.



4.3. Laser v astronomii, geodézii, geofyzice a ekologii

Velmi brzy po uvedení laseru do provozu byl laser použit v systému radaru jako vysílač záření. Pomocí tohoto tzv. laserového radaru jsou měřeny vzdálenosti k objektům, které odrážejí laserového záření zpět do směru přicházejícího svazku. Pro zvětšení intenzity do radaru se vracejícího záření se umísťují na měřené objekty tzv. laserové odražeče, např. koutové hranoly, jejichž charakteristickou vlastností je odraz přicházejícího záření do zpětného směru. Podle využití laserového radaru se tyto odražeče umisťují na pozemní cíle, družice nebo na povrch Měsíce. Určení vzdálenosti je založeno na měření časového intervalu, který uplyne mezi vysláním impulsu optického záření n od měřeného objektu. Velikost dosahu laserového radaru plyne z energetické kalkulace přijatého signálu, která je popsána tzv. radarovou rovnicí:
k Nv Tv Tp d N - počet přijatých fotoelektronů
N = Nv - počet vyslaných fotonů
v2 R4 k - konstanta úměrnosti
 - účinnost fotonásobiče
v - úhlová rozbíhavost vysílaného
svazku
Tv - transmitace vysílací optiky
Tp - transmitace přijímací optiky
d - účinný průřez družice
R - vzdálenost objektu


Je tedy zřejmé, že velikost přijímaného signálu se zmenšuje úměrně čtvrté mocnině vzdálenosti.
Dosah laserového radaru je do 20 km při měření pozemních objektů, oblačnosti, letadel,lodí apod. (tj. většinou objektů bez laserových odražečů). Vzdálenost 10.000 km byla dosažena při měření umělých družic Země a nejvzdálenější objektem měřeným laserovým radarem jsou laserové odražeče umístěné povrchu Měsíce (asi 380.000 km). Přesnost měření vzdálenosti laserovým radarem je dána dosažitelnou přesností změření časového intervalu, geometrií měřeného objektu, konstrukcí a umístění odražečů, přesností matematického modelu šíření optického záření atmosférou. Hodnota přesnosti se pohybuje od několika decimetrů při měření objektu bez odražečů, až několika milimetrů při měření umělých družic Země. Výsledky těchto měření poskytují přesné hodnoty délek stran trojúhelníků pro astronomická úhlová měření, slouží dále ke studiu dynamiky Měsíce a umělých družic Země.
V geodézii byl vyhodnocením dlouhodobých laserových družicových měření určen tvar zemského geoidu s přesností na 10 cm.
V geofyzice umožnila tato měření určit vzájemný pohyb částí pevnin (vzájemný pohyb kontinentů dosahuje rychlosti 4 až 5 cm za rok). Výsledky těchto měření jsou významné také pro seismologii. Jako laserové vysílače se v laserových radarech používají impulsní pevnolátkové lasery rubínové a Nd:YAG. V geodézii našly uplatnění také lasery helium-neonové: používají se pro vytyčování tras na Zemském povrchu i v podzemí.
V ekologii se laserové radary používají k měření znečištění ovzduší (lidary), vody apod. Lidary využívají k měření několika fyzikálních principů. Vyslaný laserový impuls je při průchodu atmosférou rozptylován přítomnými molekulami a aerosoly. Část záření rozptýleného ve zpětném směru je soustřeďována teleskopem a detekována fotodetektorem. Přijatý signál, jehož amplituda je v každém okamžiku úměrná intenzitě rozptýleného záření, je zaznamenáván jako funkce času, což umožní určit vzdálenost rozptylujícího útvaru. Lidarem je přijímán signál vzniklý díky elastickému Mieovu rozptylu nebo Rayleighovu rozptylu na atmosférických složkách. Lidar slouží k monitorování rozložení a směru pohybu dýmových vleček, měření spodní hranice oblačnosti a profilu mraků, turbulence atmosféry, rozložení a profilu výskytu různých látek v ovzduší atd.
Laseru se využívá i při analýze průběhu proudění kapalin a plynů. Využívá Dopplerův jev při sledování pohybu vypařujících částic. Při obvyklém měření se po ozáření laserem sleduje rozdíl frekvence vyslaného a zpětně rozptýleného záření, který je úměrný složce rychlosti rozptylujících částeček do směru pozorování. Firma Polytec vyvinula ke měření polovodičový laser se 2 laserovými diodami o různé vlnové délce a výkonem 30 a 100 mW. Vedle měření rychlosti proudění je vhodný i při sledování jeho turbulentního, nebo laminárního průběhu a pro analýzu rozptýlených částic.


4.4. Laser ve výpočetní technice

Pro tuto aplikaci se využívají z důvodů malých rozměrů především polovodičové lasery. Do oblasti výpočetní techniky patří např. laserová tiskárna, která se dnes součástí vybavení výpočetních center. Dále je to čtení disků a zapisování na ně. Laserová tiskárna je zařízení používající laserového záření k vytvoření obrazce, který má být tištěn, tj. přenášen z rotujícího válce na papír.



4.5. Laserová spektroskopie

Spektrum každé látky je složeno ze souboru charakteristických spektrálních čar, který studovanou látku jednoznačně určuje. Obor fyziky zaměřený na studium spektra, která vzniká v procesu interakce mezi látkou a elektromagnetickým vlněním, se nazývá spektroskopie. Prostřednictvím spektroskopie lze studovat kvantové přechody a usuzovat na energetické hladiny atomů, molekul a makroskopických soustav, a tak získat informaci o stavbě a vlastnostech látky (např. lze analyzovat prvky obsažené ve vzorku látky, získat informace o složení hvězd a galaxií atd.).

Spektroskopii lze dělit podle různých hledisek, např.:
1. Podle vlnových délek elektromagnetického záření obsažených ve studovaném spektru ji dělíme na:
 radiospektroskopii
 spektroskopii submilimetrovou
 optickou (infračervenou,viditelného záření a ultrafialovou)
 rentgenovou
 spektroskopii gama záření

2. Podle studovaných látek lze spektroskopii dělit na:
 atomovou
 molekulovou
 krystalů

3. Podle charakteru spektra lze určit spektroskopii : - emisní
 absorpční
 fluorescenční
 ramanovskou atd.


Laserová spektroskopie využívá laserového záření pro vyvolání kvantových přechodů ve zkoumaných látkách. Velká směrovost laserového záření umožňuje provádět spektroskopické studie na délku (používá se zejména při detekci znečištění ovzduší). Podle druhu interakce dělíme laserovou spektroskopii na lineární a nelineární. V infračervené spektroskopii se využívá molekulární plynové lasery, polovodičové lasery a kapalinové lasery.Ve viditelné oblasti se používají zejména barvivové lasery, v ultrafialové oblasti lasery excimerové.



4.6. Laserová separace izotopů

Laserová separace izotopů je fotofyzikální metoda rozdělení izotopů, využívající optického posuvu v absorpčním spektru, při níž jsou atomy jednoho z izotopů převedeny monochromatickým laserovým zářením zdroje do vzbuzeného stavu, zatímco atomy ostatních izotopů zůstávají v základním stavu. Vzbuzené atomy se ionizují např. opticky, elektrickým polem, srážkou s jinou částicí apod. a ionty separují pomocí vnějšího elektrického pole.
Výhodou laserové separace je skutečnost, že energie vynaložená na separaci jednoho atomu je ve srovnání s jinými metodami poměrně malá. Nevýhodou laserové separace izotopů je nutnost separace v plynné fázi. Praktické využití metod laserové separace izotopů se předpokládají především pro potřeby jaderné energetiky, např. pro separaci izotopů uranu, vodíku a lithia a pro separaci izotopů stopových prvků.



4.7. Využití laseru v holografii

Hologram vzniká tak, že ze zdroje vychází laserový paprsek, rozšíří se na silnější svazek, ten se rozdělí polopropustným zrcadlem na dva – jeden ozařuje snímaný předmět, druhý paprsek (referenční) se odráží od zrcadla a osvětluje záznamovou desku. Světlo odražené od předmětu kříží referenční paprsek a vytváří tzv. interferenční pole, které se zachycuje na záznamovou desku. Ta se vyvolá, ale ještě není nic vidět. Záznam se musí rekonstruovat. Deska se tedy ozáří laserovým paprskem a před námi se objeví plastický, trojrozměrný obraz předmětu. Holografcký záznam zvaný hologram je prvek, který usměrní pomocí ohybu světla dopadající paprsek tak , aby vytvořil obraz předmětu a to buď tím, že světlo jím prochází (transmisní hologramy, pro jejichž rekonstrukci je třeba laserového paprsku) nebo odráží (reflexní hologram, které pro rekonstrukci laser nepotřebují).
Holografie se využívá např. u hudebních nástrojů k zobrazení kmitů zvuku.Holografie dovede zviditelnit i pohyb o 0,001 mm. Metodou holografické interferometrie odhalíme i sebemenší deformace, třeba i několik desetitisícin milimetru.


4.8. Laserové technologie

Jako technologické zařízení se laser začal postupně používat ve světě od druhé poloviny 60.let. Přesto, že od této doby už nějaký rok uplynul, prochází vývoj laseru i jeho aplikací neustálou inovací, sledující jak nové technické možnosti, tak i přístupnější ekonomie provozu.

Existují čtyři základní způsoby prosazení laserů v průmyslu:
 dosažení vyšší hospodárnosti než u nahrazené technologie
 dosažení vyšší kvality opracování
 větší flexibilita použití, který umožňuje i kusovou výrobu
 dosažení lepších vlastností výrobků

Laserovou technologii můžeme definovat jako opracování materiálu založené:
1. na využití schopnosti laseru koncentrovat optickou energii v prostoru, čase a spektrálním intervalu
2. na interakci optického záření s látkou

Optický svazek vstupující z laseru lze pomocí optiky soustředit na malé plochy o průměru 10 až 100 m, což má za následek zvýšení hustoty výkonu proudu (I) optického svazku na hodnotu I = 1012 až 1016 Wcm-2. Při interakci záření s pevnou látkou dochází nejprve k jejímu ohřevu a tavení (I = 106 až 107 Wcm-2) a nakonec k jejímu odpaření (I = 108 až 1012 Wcm-2).

Základní předností laserových technologických operací je možnost opracování bez mechanického kontaktu s výrobkem (opracování na dálku, v ochranné atmosféře), možnost opracování obtížně přístupných částí materiálu a technologické zpracování materiálů klasickými metodami těžce opracovatelných.
Do tohoto odvětví patří dnes mnoho nových oborů zahrnujících laserové svařování, vrtání, řezání, značení a gravírování, povrchové úpravy, naprašování, metody tvorby modelů a prototypů způsoby označovanými jako Rapid Prototyping a na v poslední ředě ve světě se slibně rozvíjející laserovou podporu konvenčnímu obrábění. Každá z těchto oblastí má svá specifika, pokud jde o typ laseru a způsoby jeho užití.


4.8.1. Laserové svařování

Svařování laserem téměř vytlačilo obloukové svařování. Aby bylo použití laserového svařování hospodárné je nutná výroba většího počtu kusů.
Laserové svařování využívá záření k roztavení materiálu do požadované hloubky s minimálním odpařením povrchu. V praxi se používají nejvíce Nd:YAG lasery a CO2 lasery (svařovací ochranná lázeň obsahuje plyny He, Ar nebo CO2). Svařování ve srovnání s dalšími aplikacemi vyžaduje menší intenzitu záření optického svazku a větší délku laserového impulsu. Sváření laserem má řadu výhod, které nelze dosáhnout žádnou jinou technikou.

Výhody svařování laserem oproti dosud používané metodě MIG:
 vysoká rychlost svařování
 malé tepelné ovlivnění místa svaru
 malé délkové deformace svařence
 možnost provedení svaru i při přístupu pouze z jedné strany
 malé nároky na jakost povrch svařovaných součástí
 vysoká pevnost svaru
 malá šířka přeplentování (tedy i malá hmotnost)


Výhodou sváření laserem je absence fyzického kontaktu s elektrodou, lokalizovaný ohřev a rychlé chladnutí, schopnost svářet součástky v dané atmosféře nebo zatavené uvnitř opticky transparentního materiálu. Vlastní svár je bezporézní a neobsahuje cizí příměsi. Někdy, aby se zabránilo vzniku trhlinek, je při svařování použito přídavného materiálu, který je do paprsku laseru dodáván ve formě drátu (např. při svařování litinových odlitků na hliníkové profily). Někdy se používá svařování s předehřevem, kdy jeden paprsek laseru předehřívá materiál v místě budoucího svaru a druhý paprsek provádí následně vlastní svaření. Díky velkým špičkovým hodnotám energie lze svářet i materiály s vysokým bodem tání a rovněž značně odrazivé materiály (Al, Au) a materiály dříve nesvařitelné, jako je např. svaření měděného plechu s wolframovým drátem. Laser umožňuje provádět mikrosváry a dají se svářet i běžně nepřístupná místa. V současné době převládá použití Nd:YAG laseru. Nově se používá svařování diodovými lasery, u nichž i přes malé svařovací rychlosti má svařování diodovými lasery své přednosti – svary jsou velmi hladké a vzhledem se podobají svarům švovým.
Laserovým svařováním se např. spojují hermetická pouzdra miniaturních relé, kardiostimulátory, tranzistory, hybridní obvody, svářejí se různé kontakty v mikroelektronice nebo plechy v automobilovém průmyslu. Další součástí, při jejíž výrobě se s výhodou používá laserové svařování, je plechový kryt kolem litinového výfukového kolena. Svařovat laserem lze i nekovové materiály.

Obr. č. 6: Svařený nerezový plech, tloušťka 1mm
Obr. č. 7: Vysokotlaká nádoba, ocel 11 373 (příruba a trubka), laserové svařování vč. detailu svaru
4.8.2. Laserové vrtání

Laserové vrtání je založeno na odstraňování materiálu odpařováním. Intenzita svazku musí být vyšší než u svařování, a proto se pro tento účel používá impulsních laserů s délkou impulsu menší než 1ms. První laserové vrtání bylo provedeno již v roce 1965, kdy byl rubínový laser použit pro vrtání otvorů v diamantových průvlacích pro tažení drátů. V současné době se pro laserové vrtání využívají další pevnolátkové lasery Nd:YAG a Nd:sklo. Nejkvalitnější díry vrtá diodami čerpaný Nd:YAG laser, neboť má lépe stabilizovaný paprsek. Pro vrtání laserem platí: čím je díra delší tím více se odchyluje tvar díry od geometrie (tj. rozdělení energie) paprsku. Viz obrázek Geometrie paprsku.
Z provedených výzkumů plyne, že kvalitnější díry se získávají při použití krátké doby pulsu. V současné době používané Nd:YAG lasery buzené lampami dávají minimální dobu pulsu 0,1μs, nově vyvinuté Nd:YAG lasery buzené diodami pracují s dobou pulsu 10 ns. Samotné zkrácení doby pulsu však nestačí, neboť se na stěnách vyvrtané díry tvoří desetinu mikronu tlustá vrstva odtaveného materiálu. Zlepšit odstraňování odtaveného materiálu lze použitím vhodné metody vrtání.

Vrtání laserem je možné:
 jednotlivými pulsy
 opakovanými pulsy
 vyřezáváním díry při pohybu stopy po kružnici
 vyřezáváním díry při pohybu stopy po šroubovici
 laserová erose


Obr. č. 8: Metody vrtání laserem


Předností laserového vrtání je vytváření malých otvorů o průměru od 10 m do 100 m i v místech, kde je to pomocí jiných metod obtížné nebo nemožné. Vrtat lze široké spektrum materiálů jako jsou kovy, plasty, textilie, dřevo, sklo, keramiku a jiné přírodní materiály. Používá pro vrtání kamenů do hodinek, filtrů, vstřikovacích trysek, lopatek proudových motorů.


4.8.3. Laserové řezání

Laserového řezání se využívá v případě, kdy je nutné oddělit materiál s malou tepelnou vodivostí.
Při laserovém řezání je snahou odpařit materiál co nejrychleji při zachování co nejmenší oblasti zasažené tepelnými účinky. Nejpoužívanější lasery v tomto oboru jsou kontinuální CO2 lasery se středním výkonem do 15 kW. Při požadavku na extrémně úzkou štěrbinu řezu je možné vybavit laserové systémy i pevnolátkovými Nd:YAG lasery nebo lasery excimerovými.

Výhody laserového řezání:
 nepatrná šířka řezu
 nepatrné oblasti ohřevu
 žádné opotřebení nástroje
 čisté řezy
 možnost řezání složitých tvarů
 hospodárnost i při malých výrobních sériích


Ve většině průmyslových aplikací využívajících laserové řezání se přivádí koaxiálně s laserovým svazkem na místo řezání proud plynu. Pro řezání kovů se přivádějí reaktivní plyny, jako např. kyslík. Dochází pak k exotermické reakci, které urychluje proces řezání. Tímto způsobem jsou řezány např. titan, oceli s nízkým obsahem uhlíku a nerezové oceli. Pro řezání nekovových materiálů, jako jsou keramika, plasty a dřevo, je na místo řezání přiváděn inertní plyn, sloužící pouze k odstranění roztaveného a odpařeného materiálu. Tímto způsobem lze řezat rovněž textilní materiály, papír a sklo.



Obr. č.9: Různé součásti, ocel 11 373 a 11 523 tl. 1 až 5 mm a profil TR 4HR 20x2 - 11 320



Obr.č.10: Pila, ocel 16 720, tl. 2.2 mm a křovinořezy ocel 19 421 tl.1.5 a 2 mm



Obr. č.11: Řezání pláště zpětné klapky



Obr.č.12: Zpětná klapka, trubka, ocel tř.17, tl. 1.5 mm. Příruba, ocel 11 373, tl. 6 mm


Obr.č.13: Šablony vyřezané laserem - guma,fosforbronz, ocel






Obr.č.14: Třecí kotouč vyrobený s přesností
± 0,05 mm, ocel tř. 15, tl. 3.3 mm





Tab.č 7: Technické možnosti laserového řezání



Tab.č.8: Technické možnosti laserového zpracování materiálu na řezacím systému Laserblade




4.8.4. Dekorace skla laserem

Dekorace skla laserem je jistou modifikací laserového řezání. V místě dopadu sfokusovaného laserového záření na povrch skla dojde k částečnému odpaření skloviny a k jejímu povrchovému popraskání. Na vzniklých trhlinách dochází k rozptylu světla a tím se dociluje zářivého vzhledu dekoru. Pro dekoraci skla se využívá laserů, jejíchž záření je sklem dobře absorbováno, např. kontinuálního CO2 laseru.
Novinkou v dekoraci skla lasem je prostorový popis do skla. Laser vytváří ve skle vysoce efektní trojrozměrné objekty pulsním Nd:YAG laserem o výkonu v pulsu až 1 MW. Předlohy se navrhují pomocí modelovacího 3D programu.



Obr. č. 15: Prostorový popis do skla



4.8.5. Laserové značení, značkování, popis a gravírování

Laserové značení, značkování je založeno na místním odpaření materiálu nebo změně barvy na povrchu daného elementu. Při dopadu záření na povrch materiálu vzniká na povrchové vrstvě obrazec daný předlohou. Znaky slouží k identifikaci předmětů je možno nanášet na polovodičové, keramické a kovové povrchy, dále na papír, sklo, plasty, feritové elementy atd. Laser vytváří na povrchu materiálu s vysokou přesností stálý, mechanicky odolný, velmi kontrastní a jinak nenapodobitelný popis. Vše probíhá v jediné krátké operaci bez použití chemických přísad a inkoustů nebo mechanických zásahů do struktury materiálu. Výška znaků je obvykle zlomky až jednotky milimetrů, tloušťka odpařené vrstvy materiálu je v řádu mikrometrů.
Vhodným typem laseru je Nd:YAG nebo CO2 laser, novou generací mezi popisovacími lasery je kontinuální Nd:YAG laser čerpaný laserovou diodou s hustotou výkonu 2.5 kW/mm2, laser je chlazený vzduchem. Pro tento laser je charakteristická vysoká kvalita popisu. Popisovací rychlost je v závislosti na materiálu až 4000 mm za sekundu s rozlišením 0,002 mm s přesností od 0,01 do 0,025 mm (v závislosti na rychlosti).

Laserem lze označit prakticky jakýkoliv kovový i nekovový materiál, přičemž povrch značeného výrobku může mít proměnný tvar a různou povrchovou úpravu. Změnou parametrů laseru lze spojitě přecházet od povrchového popisu v několikamikronové vrstvě materiálu až po laserové gravírování do větší hloubky.
Standardně se pro laserové popisování a značení používá instalovaný software CorelDraw.



Obr.č.17: Značení chirurgických nástrojů laserem se stalo normou


Obr. č. 16: Příklady popisování a značení laserem
Obr.č.18: Přesné značení měřících nástrojů a dílů, přesnost až 5µm


Obr.č.20: Značení se provádí v libovolném stadiu výroby, olej a jiné konzervační látky na povrchu nemají vliv na kvalitu
Obr.č.19: Nerezové štítky splňují nejnáročnější požadavky na trvanlivost, odolnost a čitelnost

Obr.č.21: Jednotné značení produkce, popis je trvalý a vysoce mechanicky odolný





Obr. č. 22: Kontinuální popisovací Nd:YAG laser čerpaný laserovou diodou



Obr. č.23: LASERmark – CO2 laser




Obr.č.24: LASERscript - Nd:YAG laser



4.8.6. Laserové kalení

Laserové kalení je tepelné zpracování kovů, využívající k jejich rychlému ohřevu optického záření laserů. Výhodou oproti jiným způsobům ohřevu je opět možnost lokolizovaného tepelného zpracování i na místech jinými způsoby nepřístupných a prakticky bezdeformační zpracování.
V průmyslu se především používá této metody pro tzv. transformační zpevňování některých namáhaných automobilových součástí. Používá se zpravidla kontinuálních CO2 laserů o výkonu několika tisíc wattů. Kalit lze např. drážku v díře, vnitřní dosedací plochy apod.
Nově se používá při kalení vysoce výkonových diodových laserů. Jsou vzhledem ke tvaru emitovaného paprsku (obdélník nebo čtverec) a k rozdělení energie záření v průřezu paprsku velmi vhodné pro kalení. Diodové lasery mají vyšší účinnost než ostatní používané lasery. Prakticky byl diodový laser využit pro kalení torzní pružiny používané u dveřních pantů automobilů.



Obr.č.25: Vodící kostka, ocel 11 600, laserové kalení vodící plochy, výška součásti 30 mm




Obr.č.26: Břit, ocel 19 312, hloubka zakalení od ostří 7 mm



4.8.7. Využití laseru při obrábění

Pro výrobu miniaturních součástek se vyžadují procesy obrábění, které garantují vysokou přesnost a výkonnost. Obrábění pomocí laseru vyvinuté „Střediskem pro laserovou technologii“ v německém Laser Zentrum Hannover e.V. představuje slibnou alternativu oproti konvenčním technologiím, např. procesu leptání.
Firmám se nabízejí pozoruhodné možnosti laserového přesného mikroobrábění nejrůznějších materiálů s vynikajícími mechanickými, optickými, tribologickými, příp. magnetickými vlastnostmi, jako jsou keramika, sklo, polymery a různé kovy. Zařízení jsou doplněny Numericky kontrolovaným systémem založeným na osobním počítači. Umožňuje přesné ustanovení obrobku i spuštění laseru. Vyzařování nanosekundových impulsů v rozsahu UV vlnových délek způsobuje, že dochází k minimálním tepelným vlivům na keramiku, sklo a polymery.
V současné době se v SRN řeší problematika využití laseru při obrábění a kombinace laseru s obráběcím strojem. Také u nás byla v minulých letech výzkumně řešena otázka náhrady třískového obrábění obráběcím laserem. Ověřovaly se tyto technologie: obrábění s předehřevem, rozrušování materiálu v kořeni třísky, odřezávání materiálu dvěma různoběžnými paprsky, odtavování a odpařování materiálu z povrchu obrobku, kombinované obrábění řezným nástrojem a drážkování, příp. děrování laserem před břitem nástroje.
Technologie odpařování materiálu se také používá při výrobě členitých reliéfů do zakalených forem a elektrod pro elektroerozivní stroje.
Z dalších laserových technologií jsou pro využití na obráběcích strojích k dispozici: řezání, svařování, tepelné zpracování a vrtání malých otvorů. Pomocí laseru je možné také kalit lišty pro vodící plochy obráběcích strojů a břity řezných nástrojů. Je možné také vrtat otvory velmi malých průměrů (vrtání trysek).
Integrace laseru do obráběcího centra má za cíl komplexní obrobení součásti na jedno upnutí a na jednom stroji. Laser lze v obráběcím centru použít dvěma způsoby:
a) jako podporu procesu obrábění tak, aby se snížilo opotřebení břitu řezného nástroje, aby bylo možné obrábět vyššími řeznými rychlostmi, anebo aby bylo možné vůbec obrobit těžkoobrobitelné materiály, zde jde o aplikaci obrábění s předehřevem, příp. kombinované obrábění – řezný nástroj a drážkování laserem
b) integrací laseru do obráběcího stroje jako přídavného nástroje, přičemž ostatní funkce stroje zůstanou zachovány. Laser doplňuje třískové operace o následující technologie popisování součástí, gravírování, vrtání, kalení, svařování, přesné vyřezávání složitých tvarů, tepelné zpracování, nanášení povlaků, frézování malých, tvarově složitých dutin a vytváření různých tvarů metodou navařování drobných částeček kovu laserem.


Obecně se předpokládá, že je účelné použít laser u soustružnických strojů pro technologie vrtání, řezání, svařování, popisování, tepelné zpracování, usnadnění dělení (lámání) třísky, odhrotování a obrábění za tepla. U frézovacích strojů jde o technologii vrtání, svařování, popisování, gravírování, tepelné zpracování a obrábění s předehřevem. Zde laser integrovaný do soustružnického obráběcího centra umožňuje v jedné operaci vyrobit tři součásti, sestavit je do skupiny a svařit.
Použití laseru jako integrální součásti obráběcího stroje je v současné době předmětem výzkumu a vývoje v laboratořích zejména v Německu. Zde se zkoumá celá řada nových problémů, jako je vedení paprsku strojem až k obrobku (specifikace požadavků na konstrukci), chlazení zrcadel, bezpečnost práce, výměna nástrojů a pracovních hlavic laseru apod. I u nás se tato problematika řeší v rámci grantu GAČR 101/98/0202.

V rámci řešení projektu laserová integrovaná výroba bylo v SRN postaveno soustružnické obráběcí centrum s vestavěným Nd:YAG laserem o výkonu 50 W určené pro přesné řezání a svařování. Posléze byl do stroje zabudován laser o výkonu 2 kW.
V laboratoři IFSW bylo postaveno další soustružnické obráběcí centrum, u kterého je do pracovního prostoru vestavěna pracovní hlava laseru umožňující obrábět v pěti řízených osách.
Optické systémy použitelné při integraci laseru do obráběcího stroje mají speciální provedení. Pracovníci ZFS (Zentum Fertigungstechnik Stuttgart) vyvinuli následující systémy:
 systém vedení paprsku Nd:YAG laseru do vřetene honovacího stroje
 pracovní optiku pro honování laserem, která umožňuje řízený úběr materiálu na vnitřních válcových plochách
 dvoupaprskovou pracovní optiku, která umožňuje opracovávat obrobky současně ze dvou stran dvěma paprsky laseru – použití laserového kalení nebo svařování s předehřevem
 pracovní optiku s možností nastavení různé velikosti stopy paprsku, použití – laserem podporované frézování a nanášení povlaků
 řízení pracovních parametrů laserů podle údajů pyrometru nebo termovizní kamery při kalení nebo obrábění s předehřevem (předehřev zajišťuje laser, toto obrábění je vhodné zejména pro obrábění keramiky a hlavně Si3N4, která je z klasických metod obrábění obrobitelná pouze broušením




5. Firmy zabývající se laserovám zpracování materiálů

V České republice jsou to firmy:

 MEDICOM, a.s. - se zabývá převážně produkcí laserových systémů pro značením, gravírováním, řezáním a svářením laserem a jejich integrací do výroby
 LASER-TECH, spol. s r.o. – nabízí výrobní kooperace v oblasti aplikovaných laserových technologií – řezání, transformační zpevnění a svařování; výzkumné a vývojové práce v oblasti nový laserových technologií; projekční práce, výrobu a kompletaci laserových zařízení
 MIT, spol. s r.o. – se zabývá především výrobou laserových diod
 LAO průmyslové systémy, spol. s r.o. – firma je v současné době jedním z největších dodavatelů v oblasti laserů, optoelektroniky a optiky v ČR. Firma se zabývá dodáváním laserových systémů na řezání, svařování, vrtání, značení

Ze zahraničních firem je možné jmenovat např.: německá firma ROFIN–SINAR laser nebo CHROMATRON LASER SYSTEMS GmbH, americká firma ELECTROX, či anglická firma GSI Lumonics Inc.


6. Bezpečnost práce s lasery

6.1. Biologické efekty laserového záření

Laserové záření působící na lidskou tkáň způsobuje různý stupeň poškození. Největší nebezpečí představuje laserové záření pro lidské oko, menší, ale ne zanedbatelné pro lidskou kůži. Laserové ozáření tkáně může způsobit její poškození působením mechanizmů:
 teplotních
 fotochemických
 akustických
 expozicí
 dalšími ději


Faktory hrající roli při poškození tkání jsou:
 vlnová délka laserového záření
 spektrální absorpce, reflexe a transmise tkáně
 intenzita ozáření dopadajícího laserového svazku
 velikost ozářené tkáně
 doba ozáření
 velikost pupily
 umístění poškozené sítnice



6.2. Zajištění bezpečnosti při práci s lasery

Požadavky k zajištění bezpečnosti při práci s laserem stanoví Vyhláška č. 124 a 125 Českého úřadu bezpečnost práce Sb.z roku 1982, část. 25, str. 497 a Směrnice o hygienických zásadách pro práci s lasery Ministerstvem zdravotnictví ČSR, sv. 53/1982. Vyhláška a Směrnice se vztahují na lasery, jejichž vlnová délka leží v intervalu od 200 nm do 13000 nm. Vyhláškou jsou upraveny povinnosti konstruktérů laserů, výrobců a provozovatelů.
Lasery jsou rozděleny podle nebezpečnosti účinků jejich záření do čtyř tříd, viz tabulka.


Tab. č. 9: Příklady nejvyšších přípustných hodnot záření



Výstražné tabulky pro označení prostorů, ve kterých se používají lasery II. až IV. třídy, jsou uvedeny na obrázku č. ?




Obr. č.28: Výstražná tabulka pro prostory, ve kterých se používají lasery III.b a IV. třídy
Obr.č.27: Výstražná tabulka pro označení prostorů, ve kterých se používají lasery II. a IIIa. třídy



Obr. č.29: Příklady štítků pro lasery II. až IV. třídy



7. Závěr

Použití laseru se stále více prosazuje téměř ve všech oblastech lidské činnosti. Laser se v dnešní době stává běžným nástrojem, a to jak v medicíně, mikroelektrotechnice, ve výpočetní technice, geofyzice, armádě, technologii, tak v zábavném průmyslu, pro zpestření a zatraktivnění různých společenských akcí, jako např. v podobě laserových show.

Z poznatků, vyplývajících ze studia tohoto tématu, lze jednoznačně konstatovat, že bez využití laseru by současné úrovně techniky nebylo možno dosáhnout a dále pokračovat v jejím vývoji. Laser se proto stává nepostradatelnou součástí našeho moderního života.



8. Seznam použité literatury a pramenů


Anonym: Laserový modul pro detekci ovzduší, In: Technik 11/1999, s.36
Anonym: Sledování průtoku laserem, In: Technik 11/1999, s.34
Houša,J.: Aktuální trendy a problémy vývoje obráběcích strojů, ČVUT FST
Ústav výrobních strojů a mechanismů, Praha 2000
Olšar,B.: Lasery a strojírenství, In: Technik 9/2000, s.13
Řasa,J.: Laserová technika a technologie na Fertigungstechnisches
Kolloquium Stuttgart 2000, Výzkumné centrum pro strojírenskou
výrobní techniku a technologii, 2000
Sedláček,K.: Laser v mnoha podobách, Naše vojsko Praha, 1982
Vrbová,M., Jelínková, H., Gavrilov, P.: Úvod do laserové techniky, ČVUT
Praha, 1994
www.laser-tech.cz
www.medicom.cz
www.mit-laser.cz

Maturita.cz - referát (verze pro snadný tisk)
http://www.maturita.cz/referaty/referat.asp?id=1358