Jak funguje laserové ukazovátko?

pátek 16. říjen 2009 01:56

Princip laserového jevu by se dal přirovnat k hromadnému opadávání vlhkého sněhu na větvích stromu. Obvykle sníh z větví opadá stejně rychle, jako přibývá, ale za bezvětří se na větvích zachytí tolik vloček, že pak lehký otřes vyvolá lavinu, díky které většina sněhu z celého stromu spadne naráz jako na potvoru chodcům přímo za krk. V laseru roli větví hrají elektrony obíhající kolem atomů a v roli sněhových vloček fungují fotony jako drobné částice světla.

Obvyklý vzhled laserového ukazovátka

Dopadem světla zvenčí se část elektronů tzv. excituje, tj. vyzdvihne na dráhu dál od středu atomu, čímž se v atomech část energie fotonů zachytí. Dráhy elektronů v atomech jsou složité a různě stabilní: excitovaný elektron obíhající po protáhlé asymetrické dráze jeví tendenci vyzářit získanou energii ihned zpátky, protože se chová jako malá tyčovitá anténa. Pravidelné symetrické dráhy bývají vzácnější: jsou kulaté a poměrně stálé, takže se na nich elektrony udrží déle. Při intenzívním osvětlování atomů určitých látek tak může dojít k tomu, že se excitované elektrony na stabilních drahách v atomech nahromadí a pak náhodný foton způsobí jejich hromadný otřes, což vyvolá lavinovitý jev a energie mnoha elektronů se uvolní naráz. Výsledný paprsek je potom uspořádaný a na rozdíl od běžného chaotického vyzařování elektronů třeba ve vláknu žárovky má poměrně dobře definovanou vlnovou délku - světlo laseru je jednobarevné, tzv. monochromatické. Všechny vlny světla se také uvolňují současně, čili jsou zfázovány - říkáme, že paprsek laseru je koherentní.

Schéma laserového jevu  Laserový krystal Nd:YVO4

V zeleném laserovém ukazovátku se jako zdroj světla používá výkonná svítivá dioda, tzv. čerpací LED, vyzařující slabě červené světlo na vlnové délce kolem 805 nm. Vlastní laser tvoří malý krystalek yttriumvanaditého granátu s příměsí vzácného prvku neodymu Nd:YVO4 (viz obrázek výše), ve kterém vzniká koherentní neviditelné záření o vlnové délce 1064 nm (tj. asi tisicina milimetru, protože jednotka nanometr je miliardtina metru). Z principu funkce laseru vyplývá, že čerpací energie musí být vždy vyšší, než energie laserem uvolněná - i v analogii se stromem musí sníh napadat z vyšší výšky, než je výška větví. Energii světla vyjadřuje právě vlnová délka: čím vyšší, tím je vlnová délka kratší. Výsledné světlo má díky tomu vlnovou délku větší, než je schopno lidské oko zaznamenat a proto se musí dále upravit.

Schéma zeleného laserového ukazovátka 

V laserovém ukazovátku k tomu účelu slouží další krystalek, tentokrát sloučeniny nazývané trihydrogenfosforečnan draselný, tzv. KTP. V této látce také probíhá excitace elektronů, ale postupně: elektrony se nejprve vyzdvihnou prvním fotonem na symetrickou dráhu, která je stabilní, další foton pak tentýž elektron vystřelí na ještě vyšší dráhu, která už je však nestabilní a elektron z ní spadne až do původní dráhy v atomu. Přitom se vyzáří energie obou fotonů současně a výsledné světlo má díky tomu dvakrát kratší vlnovou délku - říkáme, že krystal KTP funguje jako zdvojovač frekvence. Výsledné světlo je již viditelné a má jasně zelenou barvu o vlnové délce 532 nm. Obsahuje však zbytky původního infračerveného záření - ty se musí odfiltrovat destičkou z barevného skla, tvořící infračervený filtr, který je na obrázku níže.

Infračervený filtr odděluje zbytky infračerveného světla od zeleného výstupního záření 

Infračervené světlo je okem neviditelné, ale jeho přítomnost ve světlu ukazovátka lze prokázat tím, že se na něj podíváme přes CCD snímač kamery nebo mobilního telefonu. Ta je citlivé i na infračervené záření, které v ní projevuje modrofialovou barvou. Svítící cigareta nebo infračervená dioda televizního ovladače svítí jen slabě, ale v kameře mobilního telefonu vypadají jako pronikavé zdroje fialového světla. Když jsou baterie ukazovátka vybité, intenzita světla čerpací LED již nestačí k vybuzení laserového efektu, proto ukazovátko zdánlivě nesvítí, ale paprsek infračerveného světla bude v kameře stále ještě viditelný. U zelených laserů to vadí proto, že se každá vlnová délka láme v různých prostředích jinak, optika ukazovátka infračervené záření záření tudíž nezaostří a z ukazovátka vystupuje rozptýlené.

Světlo kratší vlnové délky se čočkou láme více 

Ze složité funkce ukazovátka vyplývá vysoká cena a skutečnost, že zelený laser není příliš efektivním zdrojem světla - jeho účinnost je srovnatelná s klasickou žárovkou. Na 5 mW optického výkonu zelené barvy je potřeba čerpací LED dioda o příkonu minimálně 100mW, další ztráty vznikají v násobiči frekvence, krystalu KTP a infračerveném filtru. Výstupní výkon bývá většinou výrazně nižší, než uvádí výrobce a ukazovátka s vyšším výkonem pro svou funkci vyžadují výkonné lithiové nebo alkalické baterie. Zvýšení výkonu čerpací diody se dosahuje pulzním napájením: protože příkon je úměrný součinu napětí a proudu a napětí na diodě je přibližně úměrné logaritmu proudu, je z hlediska ztrátového výkonu výhodnější diodu napájet dvojnásobným proudem po poloviční dobu, než polovičním proudem po dvojnásobně delší dobu. Proudové zatížení diody lze tímto způsobem zvýšit až desetkrát, vyžaduje to ale napájení velmi krátkými pulsy (s šířkou do 100 ns), které obstarávají elektronické obvody.

Čerpací dioda ukazovátka s napájecí elektronikou 

Na obrázku výše je rozebrané ukazovátko o výkonu asi 50 mW: vlevo je blok čerpací diody s napájecí elektronikou, krystal laseru spolu s násobičem kmitočtu zasazený v mosazné objímce je vidět na obrázku vpravo. Na obrázcích níže můžeme vidět tentýž rozebraný  laser za chodu - to, že infračervené záření vidíme ve fialové barvě je důsledek zvýšené citlivosti senzoru fotoaparátu na toto záření, nikoliv skutečný vzhled této části krystalu, který za provozu září jen slabě tmavorudě. "Levné" noname lasery čínského původu nelze doporučit ke koupi: ačkoliv napohled vypadají dobře, hlavním problémem bývá nepřesná konstrukce jejich optiky (z laseru vystupuje několik rovnoběžných paprsků) a poddimenzované mikrospínače, které se po několika použitích nevydrží proud baterií a přestanou fungovat.

Detail rozebraného laseru za chodu Detail rozebraného laseru za chodu

Pokud váš laser má vstup pro audiomodulaci, můžete s ním zkusit přenášet elektrický signál na dálku, což se zeleným světlem funguje do vzdálenosti asi 10 m. Na větší vzdálenosti se začne projevovat šum vzniklý průletem prachu před laserem. Infračervené lasery a diody tímto problémem netrpí, protože světlo větších vlnových délek částice prachu dokáže obejít (to je také důvod, proč se v mlze používají žlutá mlhová světla a proč při západu slunce svítí obloha červeně). Když někde na webu ukazují fotky, jak je i za bílého dne krásně vidět jejich laser s výkonem XXX mW, měli byste počítat s tím, že ve skutečnosti zdaleka tak dobře vidět nebude. Většinou to autoři fotografií švindlují dlouhou závěrkou, což poznáte podle toho že na fotce nejsou v paprsku vidět třpytící se částice prachu. Lasery od výstupního výkonu 150 mW začínají být viditelné i ve dne, v noci vynikne zelená čára místy se třpytící při průletu prachových částeček a nejobtížnější je zaostřit modrofialový laser, jehož paprsek po pár desítkách metru rozptyluje. 

Zelená LED funguje jako fotočlánek a napájí červenou LED

Na obrázku výše je vidět, jak se při svícení výkonným laserem do zelené LED diody tato chová jako fotočlánek a vyrobí tolik elektřiny, že rozsvítí červenou LEDku. To je možné proto, že červená LED má nižší propustné napětí díky užšímu zakázanému pásu jejího polovodiče (viz přehled polovodičů používaných v současných LED diodách) a proto na její rozsvícení stačí slabší napětí, než v případě zelené diody. Obráceně (tj. červeným světlem napájet zelenou diodu) by takový pokus nefungoval kvůli kvantové mechanice fotoelektrického jevu, za jehož vysvětlení Albert Einstein v roce 1921 obdržel Nobelovu cenu.

Podle svého výstupního výkonu se lasery dělí do následujících tříd bezpečnosti:

  1. zde je možný trvalý pohled do laserového paprsku
  2. přímý pohled do laseru je možný, oko ochrání mrkací reflex
  3. zde již hrozí nebezpečí trvalého poškození oka
    1. oko může být poškozeno za pohledu do zdroje pomocí optické soustavy (např. dalekohled). Většina laserových ukazovátek s výstupním výkonem do 5 mW patří do této skupiny.
    2. nebezpečí poškození oka i při pozorování odrazu, nutno používat ochranné pomůcky, max. výkon 0,5 W
  4. totéž jako třída III b), výstupní výkon překračuje 0,5 W. Lasery takového výkonu jsou kvalifikovány jako zbraně a není je možné bez povolení legálně dovážet.  

    Creative Commons License
    Blog, jehož autorem je Milan Petřík, podléhá licenci Creative Commons Uveďte autora-Neužívejte dílo komerčně-Zachovejte licenci 3.0 Česko.

Milan Petřík

MarkétaÚžasná technologie08:341.4.2014 8:34:02

Počet příspěvků: 2, poslední 1.4.2014 8:34:02 Zobrazuji posledních 2 příspěvků.

Milan Petřík

Milan Petřík

Aktuality a postřehy ze světa vědy

Astronomie, fyzika

REPUTACE AUTORA:
0,00

Seznam rubrik