Lasery – základy optiky

LASERY
Lasery se staly jedním ze základních nástrojů
moderních strojírenských technologií.
Optimální využití laserových technologií
předpokládá znalosti o jejich principech a o
vlastnostech laserového záření.
Lasery – základy optiky
Porozumění vlastnostem laserů a jejich záření
předpokládá některé znalosti z optiky,
molekulové fyziky a fyziky pevných látek.
Úvodem se stručně seznámíme s potřebnými
partiemi aplikované optiky :
1. Opakování základů optiky – geometrická a
vlnová optika.
2. Vláknová optika
3. Interakce záření s látkou – absorpční spektra
Lasery – základy optiky
Geometrická (paprsková) optika
 je založena na dvou principech : Huygensův princip říká, že od
zdroje vlnění se světlo šíří ve vlnoplochách. Každý bod, kam světlo
dospěje, se stává elementárním zdrojem vlnění a obálka jednotlivých
malých vlnoploch je výsledná vlnoplocha, šířící se od zdroje.
 Fermatův princip určuje, že světlo se v prostoru šíří od jednoho bodu
k druhému tak, aby čas potřebný k proběhnutí dané dráhy nabýval
extrémní hodnoty (prakticky – aby byl co nejkratší).
 Z těchto principů mj. vyplývá zákon přímočarého šíření
světla v homogenním prostředí, zákon odrazu a Snellův
zákon lomu.
Lasery – základy optiky
Základním pojmem je index lomu. Je-li v rychlost světla v prostředí
a c rychlost světla ve vakuu, má toto prostředí index lomu
c
n
v
Zákon odrazu :Velikost úhlu odrazu ´ se rovná velikosti úhlu
dopadu . Odražený paprsek leží v rovině dopadu. Zobrazování
odrazem docílíme pomocí zrcadel.
k
p1
p2
 
v1
v2
Lasery – základy optiky
Zákon lomu – lom světla může nastat když světelný paprsek
prochází do jiného optického prostředí. Lomený paprsek směřuje
z bodu dopadu druhým prostředím pod úhlem  a leží v rovině
dopadu. Úhel lomu se měří rovněž od kolmice dopadu. Mezi úhlem
dopadu α úhlem lomu β platí vztah označovaný jako Snellův zákon
lomu :
k
p1
sin  v1 n2


sin  v2 n1
p2
 
v1
v2

p3
Lasery – základy optiky
Totální odraz
Podle zákona lomu nastává při přechodu světla z prostředí opticky
řidšího do opticky hustšího (platí v1  v2 ) lom světla ke kolmici a při
přechodu z opticky hustšího prostředí do opticky řidšího prostředí
nastává lom od kolmice.
Je-li v tomto případě úhel dopadu větší než mezní úhel αm, dochází k
úplnému (totálnímu) odrazu, kdy žádná část dopadajícího světla
neproniká do druhého optického prostředí.
sin  m 
n2
n1
Lasery – základy optiky
Vlnová optika
Vlnová optika je obor optiky, který studuje vlastnosti světla na základě
jeho vlnové podstaty jako elektromagnetického vlnění. Toto vlnění
jsou periodické změny elektrického a magnetického pole, přičemž


vektory B a E kmitají v navzájem kolmých rovinách.
Lasery – základy optiky
Lasery – základy optiky
Elektromagnetické záření využívané ve strojírenských
technologiích :
 - vzdálené infračervené záření …. 1010 – 1014 Hz … 1 mm – 1 μm
(far infra red , far IR)
- blízké infračervené záření ……….. 1014 Hz
….. 1 μm – 780 nm
(near infra red, near IR)
- viditelné světlo ……………………. 5. 1014 Hz …. 360 - 780 nm
(visible radiation , VIS)
- blízké ultrafialové záření ……. 5.1014 – 1015 Hz …. 100 – 360 nm
(near ultraviolet, near UV)
- vzdálené ultrafialové záření ……… 1015 – 1016 Hz .. 10 – 100 nm
(far ultraviolet, far UV)
Lasery – základy optiky
Blízké ultrafialové záření se pro některé účely dělí na intervaly :
 UVA o vlnových délkách 315 - 400 nm,
 UVB o vlnových délkách 280 - 315 nm,
 UVC o vlnových délkách 200 - 280 nm.
Povšimněte si vysokých frekvencích kmitů elektrického pole ve
všech uvedených rozsazích. Tyto frekvence významně ovlivňují
absorpci či reflexi jednotlivých typů záření při dopadu na pevné látky.
V řadě aplikací se významně uplatňuje interference světla.
Rozumíme tím skládání (superpozici, překrývání) dvou nebo více
světelných svazků. Výsledkem interference je svazek, jehož intenzita
není prostým součtem intenzit interferujících svazků, ale jehož
intenzita závisí na rozdílech fází interferujících svazků.
Lasery – základy optiky
Aby mohlo k interferenci světla dojít, musí být
splněny následující požadavky:
1. Zdroje světelných svazků musí být monochromatické
nebo alespoň kvazimonochromatické, tj. musí vyzařovat
světlo buď shodné vlnové délky nebo v úzkých vlnových
rozsazích, které se navzájem překrývají.
2. Interferující svazky se musí překrývat tak, aby bylo
umožněno vektorové sčítání elektrických a
magnetických složek těchto světelných svazků (např. při
rovnoběžném nebo téměř rovnoběžném šíření svazků).
3. Zdroje světelných svazků musí být koherentní, tj. musí
vyzařovat světlo s konstantním fázovým rozdílem.
Lasery – základy optiky
Krajní případy interference: výsledek závisí na dráhovém rozdílu
interferujících vln

1) d  2k  1  ; k  0,1, 2, ...
2
dráhový rozdíl je lichým násobkem
poloviny vlnové délky – vlnění se ruší
2) d  2 k 

2
; k  0,1, 2, ...
dráhový rozdíl je sudým násobkem vlnění se zesilují
Lasery – základy optiky
Polarizace světla
U přirozeného světla (např. sluneční světlo, světlo výbojek nebo
žárovek) pozorujeme, že směr kmitání vektorů elektrického a
magnetického pole se náhodně mění a každý směr je stejně
pravděpodobný – světlo není polarizované.
Této stav se ale může změnit – např. odrazem, průchodem
polarizačním filtrem, průchodem dvojlomným krystalem nebo lomem.
Jestliže dosáhneme stavu, kdy se rovina kmitů zachovává, je světlo
lineárně polarizované.
Pokud se rovina kmitů otáčí okolo přímky ve směru šíření a velikost
vektorů se nemění, je světlo kruhově polarizované.
Dochází-li přitom k pravidelné změně velikostí vektorů, jde o světlo
elipticky polarizované.
Lasery – základy optiky
Lasery – základy optiky
Ve fotografii se běžně využívá
polarizačních filtrů k potlačení
nebo zvýraznění některých jevů.
Bez polarizačního filtru
S filtrem
Lasery – základy optiky
Funkce displejů s tekutými krystaly
Tekuté krystaly jsou látky, které působením elektrického pole stáčí polarizační
rovinu procházejícího světla. Na schématu LCD displeje prochází z
podsvětlení displeje přirozené světlo 1. polarizérem a polarizované prochází
tekutým krystalem mezi vodivými transparentními elektrodami. Pokud je na
elektrodách napětí, polarizační rovina se otočí o 90°, světlo projde 2.
polarizérem a je pozorovatelné na displeji. Elektrody bez napětí nepůsobí
otočení polarizační roviny a světlo 2. polarizérem neprojde.
Lasery – základy optiky
Brewsterův úhel
V optice laserů má významnou roli polarizace odrazem při určitém
úhlu dopadu, který se nazývá Brewsterův. Podle obrázku je odražený
paprsek úplně polarizován tak, že elektrický vektor kmitá kolmo k
rovině nákresu, lomený je polarizován jen částečně.
Lasery – základy optiky
Správná funkce plynového laseru vyžaduje vyloučení odrazu
polarizovaného světla a proto je trubice uzavřena
planparalelními okénky skloněnými pod Brewsterovým úhlem.
Lasery – vláknová optika
Vláknová optika
Vynález optických vláken v dnešní podobě byl zveřejněn v roce
1966, ale jeho širší použití bylo možné až vyvinutím technologie
výroby vláken s nízkým útlumem. Od té doby vlákna fascinujícím
způsobem změnila nejen komunikační techniku, ale výrazně ovlivnila
i vývoj laserů a jejich aplikace.
Optická vlákna využívají jev totální reflexe na optických rozhraních v případě, kdy paprsek
dopadá v prostředí opticky hustším na rozhraní s prostředím
opticky řidším.
Lasery – vláknová optika
Optická vlákna jsou koaxiální optické systémy sestávající z jádra,
obalu a ochranné vrstvy. Index lomu jádra je asi o 1 % vyšší než
index lomu obalu. Světelný paprsek vstupuje do jádra a v důsledku
totálních odrazů se šíří jádrem. Pro přenos energie bez ohledu na
zkreslení (např. lasery) se používají vlákna se stupňovitě
proměnným indexem lomu a „velkým“ průměrem jádra. Vlákna pro
přenos signálu na kratší
vzdálenosti mají plynule
proměnný index lomu a
tzv. jednomódová vlákna
se stupňovitou změnou
indexu lomu se používají
pro komunikace na
dlouhé vzdálenosti.
Lasery – vláknová optika
Vláknová optika :
Paprsky, které dopadají na rozhraní pláště a jádra pod úhlem menším než
je mezní úhel, se totálně odrážejí a jsou jádrem vedeny, aniž by na rozhraní
docházelo k jejich lomu. Paprsky svírající s osou vlákna větší úhly než
mezní se na rozhraní lámou. Část přenášeného výkonu se po každém
odrazu ztrácí do obalu. Tyto paprsky nejsou jádrem vedeny. Je-li poloměr
jádra dostatečně malý, může se jím šířit pouze jediný mód a hovoříme o
jednovidovém vlákně. Vlákna s větším poloměrem jsou mnohovidová.
Lasery – vláknová optika
 Vlákna vedou paprsky, které svírají s osou úhel  a splňující
podmínku
2

 a  arcsin NA
kde NA  n1  n2
je numerická apertura vlákna.
Tím je určen kužel, ve kterém leží vnější dopadající paprsky, jež
budou vláknem vedeny. Numerická apertura tedy vyjadřuje
schopnost vlákna přijímat a vést světlo. Vlákno s větší aperturou
má větší schopnost přijímat světlo. Hodnota příjmového úhlu
(numerická apertura) je rozhodujícím parametrem při návrhu
systémů pro vstupní navázání záření.
2
Lasery – vláknová optika
Výroba optických vláken
Materiálem jádra je germaniové sklo
(SiO2+GeO2) a obalem SiO2, ochranný
obal je vyráběn z polymerů. Vlákna
se vyrábějí tažením. Na kvalitu i čistotu materiálů i na technologii jsou
kladeny mimořádné požadavky. Přesto
je cena vláken ve srovnání s kovovými
vodiči řádově nižší. Dnes se dosahuje
útlum optického signálu řádově
0,1 dB/km.
Lasery – vláknová optika
Proč vlákna způsobila revoluci v komunikační technice?
Přenos elektromagnetických vln vzduchem – frekvence max. 10
GHz, přenos kabelem frekvence řádově nižší. Telefonní hovor
vyžaduje asi 20 kHz, rozhlas 100 MHz, televize 1 GHz. Světlo má
frekvenci řádově 1014 Hz = 100 000 GHz. Maximální počet
současně vedených telefonních hovorů kovovým kabelem byl asi 30
(podmořský kabel Evropa –Amerika koncem 50. let), prvním
podmořským optickým kabelem (1978) šlo současně 40 000 hovorů,
v současnosti lze několik miliónů. Vlákno může teoreticky převést
100 Gbitů.s-1, v praxi asi 40 Gbitů.s-1. Novou etapu ve vývoji
znamenalo zavedení vláknových optických zesilovačů na principu
laseru – sklo je dopováno erbiem. Tento princip byl převzat do
konstrukce výkonových vláknových laserů.
Lasery – vláknová optika
Využití optických vláken k měření
- teploty: Využívá se změny optických vlastností, deformace nebo
změn délky vlákna (Braggova mřížka) v důsledku teplotní
roztažnosti
- tlaku : deformace vlákna vyvolává změny optických vlastností
- mechanické napětí : deformace vlákna
- chemické senzory : část vlákna má odhalené jádro, změna indexu
lomu prostředí
- vlákno se využívá pro přenos optického signálu: IR záření –
teplota), fosforescence – chemické složení, biologické procesy
Lasery – vláknová optika
Využití optických vláken ve strojírenské technologii
Optická vlákna se uplatňují jako vodiče laserových světelných
svazků k místu svařování nebo dělení materiálu. Je přitom třeba
rozlišovat dva odlišné principy :
- laserový svazek je vyvíjen v laseru (obvykle pevnolátkový laser,
např. YAG), který není součástí vlákna, ale je na vlákno opticky
navázán a konec vlákna se pohybuje v místě technologického
procesu (fiber guided beam = vláknem vedený svazek),
- přímo v části vlákna je vytvořen optický rezonátor tzv.
Braggovou mřížkou a v tomto rezonátoru je vytvořeno aktivní
prostředí vhodnou příměsí ve skle vlákna (fiber laser = vláknový
laser).
Blíže se tímto tématem budeme zabývat v příští přednášce.