Fascinujúci svet laserov

Svetlo je obdivuhodná rozptýlená substancia. Umožňuje nám vidieť okolitý svet a hoci sa nám zdá biele, v skutočnosti je plné farieb. Jeho špecifickým opracovaním sa otvorili nedozierne možnosti, ktoré poznáme ako laserové technológie.

Svojou fyzikálnou podstatou je svetlo elektromagnetické žiarenie s vlnovými i časticovými hmotnými charakteristikami. To, že je svetlo hmotné, dokazuje svetelný mlynček skonštruovaný sirom Williamom Crookesom v roku 1873. Crookesov rádiometer, ako sa po svojom vynálezcovi nazýva, tvorí sklená banka, v ktorej je vákuum a mlynček. Umiestnený je na ihlovom ložisku, aby prekonával čo najmenší odpor, keď sa vplyvom svetla jeho jemné lopatky roztočia. Pri pohľade na točiaci sa mlynček má pozorovateľ dojem neuchopiteľnosti a jemnosti celého procesu. Jemnosť a neuchopiteľnosť svetla je však len zdanlivá. Svetlo v sebe skrýva veľkú energiu. Vzhľadom na svoju vlnovú a hmotnú podstatu je svetlo tvarovateľné – spracovateľné, a vedný odbor fotonika – veda o svetle, aj jej praktické aplikácie sa rozvinuli do nevídaných rozmerov.

Svetelný mlynček, foto wikipédia/Haade

Svetlo so špecifickými vlastnosťami

Laser je zariadenie, ktoré vysiela svetlo – elektromagnetické žiarenie – pomocou optického zosilnenia založeného na vynútenej (stimulovanej) emisii svetelných častíc – fotónov. Termín LASER tvoria začiatočné písmená výrazu Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, čo sa prekladá ako zosilenie svetla pomocou vynútenej (stimulovanej) emisie žiarenia.
Vyžarované laserové svetlo má špecifické charakteristiky, ktoré nemožno dosiahnuť inými technológiami: je jednofarebné (monochromatické), usporiadané (koherentné) a má malú rozbiehavosť (divergenciu).
Laser je teda zariadenie, pomocou ktorého sa dodávaná energia premieňa na laserové svetlo so špecifickými vlastnosťami (laserový lúč). Od sprevádzkovania prvého lasera pred 50 rokmi sa skonštruovala celá paleta laserov pracujúcich v rôznom prostredí, s rôznym konštrukčným usporiadaním: lasery pracujúce nielen v oblasti viditeľného svetla, ale aj v oblasti infračerveného, ultrafialového, ba dokonca i röntgenového žiarenia. Jednotlivé lasery majú špecifické vlastnosti, a tým aj špecifické uplatnenie.
Napriek svojej pomerne krátkej histórii lasery už dávno nie sú teoretickou akademickou záležitosťou. Obklopujú nás v množstve aplikácií, ktoré sa stali samozrejmou súčasťou nášho života, a neraz si ani neuvedomuje, že pracujú na princípe laserov. Z ich nepreberného množstva si priblížime aspoň niektoré.

Laser vysiela svetlo pomocou optického zosilnenia založeného na vynútenej (stimulovanej) emisii svetelných častíc.

Od čiarových kódov k hologramom

Jedna z prvých rozšírených aplikácií lasera známa verejnosti už od začiatku 70. rokov bol čítač čiarových kódov v supermarketoch. Laserový lúč sa odráža od čiarového kódu. Intenzitu odrazu od čiernych a bielych pruhov vyhodnotí fotodióda a signál sa ďalej spracuje, čiže identifikuje usporiadanie čiar a priradí ho k príslušnému tovaru.
Ďalšia z aplikácií z konca 70. rokov, ktorá mala masové rozšírenie a prenikla do našich domácností, sú CD prehrávače. Laser v nich slúži ako veľmi presný čítač disku. Odraz laserového lúča zachytí fotodetektor a ďalej spracuje do zvukovej podoby.
Predovšetkým mladí ľudia dobre poznajú laserovú šou. Žiarivé pestré sfarbenie laserových lúčov, možnosť dynamických vizuálnych efektov od blikania po zoskupovanie lúčov do meniacich sa obrazcov si rýchlo našlo uplatnenie v oblasti zábavy od diskoték až po veľké priestorové aplikácie. Jednou z nich bola aj laserová šou pri príležitosti otvorenia výstavby obchodného centra Eurovea na ľavom brehu Dunaja, ktorá využila svetelné efekty na znázornenie budúceho obchodného centra zakomponovaného do vtedy voľného priestoru v blízkosti nového Slovenského národného divadla medzi Starým mostom a mostom Apollo.
Najviac obdivovanou aplikáciou je využitie laserov na trojrozmernú vizualizáciu objektov vznášajúcich sa v priestore – hologramov.

Informačné a komunikačné technológie

Oblasť, ktorá je nepredstaviteľná bez účasti najrozmanitejších aplikácií laserových technológií, sa týka informačných a komunikačných technológií. Dá sa takmer povedať, že prudký nástup informačných a komunikačných technológií a ich prienik do každodenného používania umožnili práve lasery. Ako príklad možno uviesť optické dátové nosiče. Od už spomenutých CD sa postupne vyvinulo celé spektrum optických dátových nosičov – DVD a HD DVD používajú infračervený, Bluray disk zasa modro-fialový laser. HVD (Holographic Versatile Disc, čiže holografický viacúčelový disk) spája dva druhy laseru, červený a modro-zelený, spojený do jedného lúča. Dosahuje tak neuveriteľnú kapacitu 1,6 TB v porovnaní so 700 MB CD nosičov (na ilustráciu: 1 MB = 106 bajtov, 1 TB = 1 012 bajtov).
Na 1 TB nosič sa tak zmestí obsah približne 228,5 CD nosičov.

Prenos dát

Využitie lasera na prenos dát je ďalšie zo širokého spektra aplikácií. Laserové svetlo môže prenášať veľké množstvá dát bez zhoršenia kvality signálu na veľké vzdialenosti, a tak umožňuje komunikáciu napríklad aj vo vesmíre. Úžasným objavom boli optické vlákna, kde kapacita jedného optického vlákna je asi 32 000 telefonických hovorov za sekundu.
Laser nájdeme aj v bezdrôtových myšiach, laserových tlačiarňach a multifunkčných zariadeniach (tlačiareň, fax, kopírka, skener), 3D skeneroch, LED-laserových projektoroch a v množstve ďalších zariadení, s ktorými už bežne denne pracujeme.

Medicína – diagnostika aj liečba

Medicína využíva laser pri diagnostike i terapii. Z diagnostických metód je zaujímavá OCT (Optical coherence tomography) alebo konfokálna mikroskopia (snímanie mikroštruktúr selektívnym zobrazovaním paralelných rezov).
Metóda OCT umožňuje vidieť pod povrch do tkaniva tak, že laserové lúče prenikajú doň do určitej hĺbky, odrážajú sa od štruktúr pod povrchom, a z týchto odrazov možno vygenerovať trojrozmerný obraz. Konfokálna mikroskopia zasa dovoľuje nahliadnuť do živých buniek a sledovať nielen ich štruktúru, ale aj životné pochody. Pri liečení využívajú lekári ako veľmi presný bezkontaktný optický skalpel, možno ho použiť aj pri veľmi jemných náročných operáciách, napríklad v očnom lekárstve pri odstránení či zmenšení krátkozrakosti, pri operáciách sivého a zeleného zákalu. Pacienti v zubárskom kresle zasa ocenia využitie laserovej vŕtačky, ktorá je menej bolestivá než klasická.
Revolučným využitím je fotodynamická terapia nádorov. Využívajú sa pri nich vlastnosti špeciálnych látok, ktoré sa vychytávajú a koncentrujú v nádoroch. Po ožiarení laserovým svetlom sa nádorové bunky, v ktorých sa skoncentrovali tieto látky, zničia bez toho, aby sa poškodilo okolité zdravé tkanivo.

Slovensko v storočí fotoniky

Možnosti využitia laserových technológií ešte zďaleka nie sú vyčerpané. Výskum otvára doteraz netušené možnosti. Oblasť fotoniky – vedného odboru skúmajúceho vznik, prenos a detekciu svetla a iných foriem žiarivej energie – je v centre záujmu aj v EÚ. Najnovšiu stratégiu v oblasti fotoniky schválili na jar tohto roku na stretnutí Európskej technologickej platformy Photonics21. Jej cieľom je spoločná stratégia pre Európu a posilnenie vzťahov medzi priemyslom, vedou a politickými rozhodnutiami.
Na Slovensku sme trend rozvoja fotoniky prezieravo odhadli pred približne 15 rokmi, keď skupina expertov a entuziastov pod vedením prof. Dušana Chorváta, DrSc., pripravila a realizovala projekt na zriadenie Medzinárodného laserového centra (MLC) v Bratislave. Počas tejto pomerne krátkej doby intenzívne spolupracovalo s univerzitami, ústavmi SAV, zdravotníctvom a priemyslom, a stalo sa tak rešpektovaným vedeckým partnerom i plnohodnotným členom Európskej siete laserových výskumných pracovísk zastrešených európskym projektom LaserLab III. Laserové centrum vytvára predpoklady na prípravu a riešenie množstva vedeckých projektov základného aj aplikovaného výskumu a vytvorilo aj platformu pre vzdelávanie, vedu a vývoj v laserových a fotonických technológiách na Slovensku. Storočie, na začiatku ktorého žijeme, môžeme považovať aj za storočie fotoniky.

MUDr. Ljuba Bachárová, DrSc., MBA
Medzinárodné laserové centrum Bratislava

Tento článok vznikol v rámci OP Výskum a vývoj pre projekt: Centrum excelentnosti pre návrh, prípravu a diagnostiku nanoštruktúr pre elektroniku a fotoniku 2. (NanoNet 2.), ITMS: 26240120018, spolufinancovaný zo zdrojov Európskeho fondu regionálneho rozvoja.

Tento článok si môžete prečítať v časopise Quark 7/2012. Ak chcete mať prístup k exkluzívnemu obsahu pre predplatiteľov, prihláste sa. Ak ešte nie ste naším predplatiteľom, objednajte si predplatné podľa vášho výberu tu.
Komentáre