Ovoce vědeckého a technologického pokroku nenachází vždy své konkrétní praktické vyjádření ihned po přípravě teoretického základu. Stalo se tak u laserové technologie, jejíž možnosti nebyly dosud zcela odhaleny. Teorie optických kvantových generátorů, na jejímž základě vznikl koncept zařízení emitujících elektromagnetické záření, byla částečně zvládnuta díky optimalizaci laserové technologie. Odborníci však poznamenávají, že potenciál optického záření se může v budoucnu stát základem řady objevů.
Princip činnosti zařízení
Kvantový generátor je v tomto případě chápán jako laserové zařízení pracující v optickém rozsahu za podmínek stimulovaného monochromatického, elektromagnetického nebo koherentního záření. Samotný původ slova laser v překladu naznačuje efekt zesílení světla.stimulovanou emisí. K dnešnímu dni existuje několik konceptů pro implementaci laserového zařízení, což je způsobeno nejednoznačností principů fungování optického kvantového generátoru v různých podmínkách.
Klíčovým rozdílem je princip interakce laserového záření s cílovou látkou. V procesu záření je energie dodávána v určitých porcích (kvantách), což umožňuje řídit povahu vlivu zářiče na pracovní prostředí nebo materiál cílového objektu. Mezi základní parametry, které umožňují upravit úrovně elektrochemických a optických účinků laseru, se rozlišuje ostření, stupeň koncentrace toku, vlnová délka, směrovost atd. V některých technologických procesech hraje roli i časový režim záření. role – například pulsy mohou trvat zlomek sekund až desítky femtosekund s intervaly od okamžiku do několika let.
Synergická laserová struktura
Na úsvitu konceptu optického laseru byl systém kvantového záření ve fyzikálních termínech běžně chápán jako forma samoorganizace několika energetických složek. Vznikl tak pojem synergetika, který umožnil formulovat hlavní vlastnosti a etapy evolučního vývoje laseru. Bez ohledu na typ a princip činnosti laseru je klíčovým faktorem jeho působení překročení rovnováhy světelných atomů, kdy se systém stává nestabilním a zároveň otevřeným.
Odchylky v prostorové symetrii záření vytvářejí podmínky pro vznik pulzníhotok. Po dosažení určité hodnoty pumpování (odchylky) se optický kvantový generátor koherentního záření stává řiditelným a přeměňuje se v uspořádanou disipativní strukturu s prvky samoorganizujícího se systému. Za určitých podmínek může zařízení pracovat v režimu pulzního záření cyklicky a jeho změny povedou k chaotickým pulzacím.
Laserové pracovní komponenty
Nyní stojí za to přejít od principu činnosti ke konkrétním fyzikálním a technickým podmínkám, ve kterých laserový systém s určitými vlastnostmi pracuje. Nejdůležitější z hlediska výkonu optických kvantových generátorů je aktivní médium. Z toho zejména závisí na intenzitě zesílení toku, vlastnostech zpětné vazby a optického signálu jako celku. Záření se může například vyskytovat ve směsi plynů, se kterou dnes pracuje většina laserových zařízení.
Další součást představuje zdroj energie. S jeho pomocí se vytvářejí podmínky pro udržení inverze populace atomů aktivního prostředí. Pokud nakreslíme analogii se synergickou strukturou, pak je to zdroj energie, který bude působit jako jakýsi faktor odchylky světla od normálního stavu. Čím silnější je podpora, tím vyšší je pumpování systému a tím účinnější je laserový efekt. Třetí složkou pracovní infrastruktury je rezonátor, který poskytuje vícenásobné záření při průchodu pracovním prostředím. Stejná složka přispívá k výstupu optického záření v užitečnéspektrum.
He-Ne laserové zařízení
Nejběžnější tvarový faktor moderního laseru, jehož konstrukčním základem je plynová výbojka, zrcadla optického rezonátoru a zdroj elektrické energie. Jako pracovní médium (plnič trubek) se používá, jak název napovídá, směs helia a neonu. Samotná trubice je vyrobena z křemenného skla. Tloušťka standardních válcových konstrukcí se pohybuje od 4 do 15 mm a délka od 5 cm do 3 m. Na koncích trubek jsou uzavřeny plochými skly s mírným sklonem, což zajišťuje dostatečnou úroveň laserové polarizace.
Optický kvantový generátor založený na směsi helia a neonu má malou spektrální šířku emisních pásem řádově 1,5 GHz. Tato vlastnost poskytuje řadu provozních výhod, které způsobují úspěch zařízení v interferometrii, čtečkách vizuálních informací, spektroskopii atd.
Polovodičové laserové zařízení
Místo pracovního média v takových zařízeních zaujímá polovodič, jehož základem jsou krystalické prvky ve formě nečistot s atomy tří- nebo pětimocné chemikálie (křemík, indium). Z hlediska vodivosti stojí tento laser mezi dielektrikem a plnohodnotnými vodiči. Rozdíl v pracovních vlastnostech prochází parametry teplotních hodnot, koncentrací nečistot a povahou fyzikálního dopadu na cílový materiál. V tomto případě může být zdrojem energie čerpání elektřina,magnetické záření nebo elektronový paprsek.
Zařízení optického polovodičového kvantového generátoru často využívá výkonnou LED z pevného materiálu, která dokáže akumulovat velké množství energie. Další věcí je, že práce v podmínkách zvýšeného elektrického a mechanického zatížení rychle vede k opotřebení pracovních prvků.
Zařízení s barevným laserem
Tento typ optických generátorů položil základ pro vytvoření nového směru v laserové technologii, který pracuje s délkou pulzu až pikosekundy. To bylo možné díky použití organických barviv jako aktivního média, ale čerpací funkce by měl provádět jiný laser, obvykle argonový.
Pokud jde o konstrukci optických kvantových generátorů na barviva, používá se speciální základna ve formě kyvety pro poskytování ultrakrátkých pulzů, kde se vytvářejí podmínky vakua. Modely s prstencovým rezonátorem v takovém prostředí umožňují čerpání kapalného barviva rychlostí až 10 m/s.
Funkce optických zářičů
Typ laserového zařízení, ve kterém jsou funkce rezonátoru vykonávány optickým vláknem. Z hlediska provozních vlastností je tento generátor z hlediska objemu optického záření nejproduktivnější. A to i přesto, že konstrukce zařízení má ve srovnání s jinými typy laserů velmi skromné rozměry.
KMezi vlastnosti optických kvantových generátorů tohoto druhu patří také univerzálnost z hlediska možností připojení čerpacích zdrojů. Obvykle se k tomu používají celé skupiny optických vlnovodů, které jsou spojeny do modulů s účinnou látkou, což také přispívá ke strukturální a funkční optimalizaci zařízení.
Implementace systému řízení
Většina zařízení je založena na elektrickém základě, díky kterému je čerpání energie zajištěno přímo nebo nepřímo. V nejjednodušších systémech jsou prostřednictvím tohoto napájecího systému monitorovány indikátory napájení, které ovlivňují intenzitu záření v určitém optickém rozsahu.
Profesionální kvantové generátory také obsahují vyvinutou optickou infrastrukturu pro řízení toku. Prostřednictvím takových modulů se řídí zejména směr trysky, výkon a délka pulzu, frekvence, teplota a další provozní charakteristiky.
Oblasti použití laserů
Přestože jsou optické generátory stále zařízeními s dosud ne zcela odhalenými schopnostmi, dnes je těžké pojmenovat oblast, kde by se nepoužívaly. Poskytli průmyslu nejcennější praktický efekt jako vysoce účinný nástroj pro řezání pevných materiálů s minimálními náklady.
Optické kvantové generátory jsou také široce používány v lékařských metodách ve vztahu k oční mikrochirurgii a kosmetologii. Například univerzální lasertakzvané bezkrevné skalpely se staly nástrojem v medicíně, který umožňuje nejen pitvat, ale také spojovat biologické tkáně.
Závěr
V současné době existuje několik slibných směrů ve vývoji generátorů optického záření. Mezi nejoblíbenější patří technologie syntézy vrstva po vrstvě, 3D modelování, koncept kombinování s robotikou (laserové sledovače) atd. V každém případě se předpokládá, že optické kvantové generátory budou mít své speciální uplatnění – od povrchového zpracování materiálů a ultrarychlá tvorba kompozitních produktů k hašení požáru pomocí záření.
Složitější úkoly budou samozřejmě vyžadovat zvýšení výkonu laserové technologie, v důsledku čehož se zvýší i práh její nebezpečnosti. Pokud je dnes hlavním důvodem zajištění bezpečnosti při práci s takovým zařízením jeho škodlivý účinek na oči, pak v budoucnu můžeme mluvit o zvláštní ochraně materiálů a předmětů, v jejichž blízkosti je používání zařízení organizováno.
