Použití laserů

Použití laserů je široké, zejména se jedná o následující obory:

• průmysl – řezání, vrtání, sváření a čištění (díky vysoké koherenci a monochromatičnosti laserového paprsku lze laserovým paprskem soustředit na malé ploše velké množství energie)

• medicína – zejména v dermatologii (akné, vyšetření pigmentových znamínek),  stomatologii, oftalmologii, chirurgii a gynekologii

• vojenství – vojenské lasery (zbraňové systémy) pro pozemní vojsko, námořnictvo  a letectvo s výkonem až 100 kW, označování cílů, navádění raket a munice ap.

• spotřební elektronika – tiskárny, záznamová média ap.

• datové přenosy prostřednictvím optických vláken

• holografie

• výzkum

• kosmetika

Průmysl

V průmyslu se začalo využívat laserové záření téměř ihned po sestrojení prvního laseru. Soustředěný laserový paprsek je schopen zpracovávat kovové i nekovové materiály s bezkonkurenční kvalitou a zcela novými technologickými postupy:

Obrábění materiálů (řezání a vrtání)

Laserové obrábění se dnes používá  prakticky  ve všech výrobních odvětvích. Zvlášť výhodné je použití laseru při přesném vyřezávání složitých tvarů. V místě dopadu laserového  paprsku se  materiál taví a je z řezu „odfukován“ proudem inertního plynu. Přitom nevzniká téměř žádný odpad a materiál při řezání ani není třeba upínat. Proto se tímto způsobem dají s vysokou  přesností řezat i křehké nebo snadno deformovatelné materiály, například textil. Snadné vyřezávání šablon nebo fólií podle počítačové předlohy zvyšuje produktivitu práce také práci v reklamním průmyslu.

Svařování kovů

Svařování laserem je v mnoha případech  výhodnější než použití klasických technologií. Tepelné působení paprsku je jenom lokální, takže nedochází k tepelnému poškození okolí svařovaného místa. Paprsek, soustředěný  do průměru menšího než 0,5 mm, dovoluje vytvářet i velmi jemné a kvalitní sváry, celý proces je možno řídit počítačem. Svařovat se dá nejen většina materiálů svařovatelných běžným způsobem. Díky soustředění energie na nepatrnou plošku lze svářet i materiály s vysokou teplotou tání. Laser je zvlášť vhodný pro svařování nerezavějící oceli, titanových, zirkonových nebo chromniklových slitin.

Značení a gravírování

Laserový paprsek vytváří na povrchu materiálu mechanicky odolný, velmi přesný a kontrastní popis. Jeho trvanlivost je zaručena bez použití chemických přísad, barev nebo mechanických zásahů do  struktury materiálu. Označovat se dá prakticky jakýkoli kovový i nekovový materiál, povrch výrobku může mít libovolný tvar a povrchovou úpravu.

Změnou parametrů laseru je možno plynule měnit hloubku popisu od několika tisícin milimetru až po gravírování do větší hloubky. V technických aplikacích je důležitá hlavně trvanlivost popisu, reklamní použití klade důraz především na grafickou kvalitu popisu. Nejčastěji se používá neodymový nebo CO2 laser.

Dekorace skla

Zajímavou aplikací je dekorování skleněného povrchu jeho „vypalováním“ laserovým paprskem. V místě dopadu paprsku se částečně odpaří sklovina z povrchu předmětu, změny teploty způsobí vznik jemných povrchových prasklin. Na jejich hranách dochází k rozptylu dopadajícího světla a předmět (např. váza) má v těchto místech zářivý vzhled. Pro dekoraci skla se používají lasery, vyzařující infračervené světlo,  které je sklem  dobře pohlcováno - např. CO2 laser.

Zaměřování a měření vzdáleností

Laserový parsek se šíří přímočaře a má - na  rozdíl  od světla z běžných zdrojů - minimální rozbíhavost. Je proto ideálním pomocníkem při zaměřování a vytyčování objektů na stavbách nebo v geodézii. S rozvojem polovodičových laserových diod dnes najdeme zaměřovače v profesionálních i spotřebitelských zařízeních. Patří k nim třeba laserová vodováha (ta na obrázku měří vodorovnou polohu s přesností 0,1 %) nebo přímočará pilka se zaměřovacím paprskem pro přesné řezání. Laserovým paprskem se měří pozemské vzdálenosti v geodézii, ale i vzdálenosti družic  nebo  Měsíce  od Země. Princip je podobný jako u radaru - měří se doba mezi vysláním a přijetím světelného impulzu.

Medicína

Specifické vlastnosti laserového světla našly už velmi brzy po objevu své uplatnění. Rozsah použití laseru v současné medicíně je velmi široký a jeho aplikací stále přibývá. Pro lékaře je zvláště cenná možnost koncentrace energie záření na nepatrné plošce. Tato energie se ve tkáních pohlcuje a mění na teplo. Proto má laser významné postavení především v chirurgii. Laserové operace jsou bezdotykové a jejich výsledkem je ostře ohraničený řez tkání bez poškození okolí. Současně s řezem dochází ve tkáni ke koagulaci - teplem se uzavřou konce cév, takže rána mnohem méně krvácí. Rozvoj vláknové optiky umožnil přenos laserového záření optickými vlákny i do různých vnitřních orgánů.

Oční operace

Laserového světla se užívá v očním lékařství při velmi složitých a citlivých operacích. Zářením se může „přivařit“ odchlípená oční sítnice, odstraňuje se zelený zákal, léčí se postižení sítnice při cukrovce. Zřejmě nejpopulárnějšími aplikacemi laseru v očním lékařství jsou operace očních vad (krátkozrakost, dalekozrakost) excimerovým laserem, označované zkratkou LASIK. Podstatou uvedených očních vad bývá obvykle nepřiměřené zakřivení rohovky vzhledem k délce oka. Laserovým paprskem se v takovém případě tvar rohovky upraví a vada se zcela nebo částečně odstraní.

Další příklady využití

Velmi rozšířené je použití laserů v dermatologii i v kosmetických salonech. Paprsek výkonného erbiového laseru, řízeného počítačem, přesně odstraní tkáň, která je v daném místě nežádoucí. K jejímu „odpařování“ dochází ve velmi tenkých vrstvičkách, silných jen tisíciny milimetru. K ošetření ani není třeba používat místní znecitlivění. Odstraňují se tak bradavičky, barevné skvrny nebo mateřská znaménka, vyhlazují se jizvy.

Stále běžnější je použití laserů i v dalších medicínských oborech jako je stomatologie, chirurgie obecná i specializovaná, gynekologie, angioplastika (zprůchodňování cév), onkologie, traumatologie a další.

Hologramy

Pod heslem „holografie“ jsme našli v naučném slovníku následující charakteristiku:

Holografie je způsob optického zobrazování, založený na interferenci a ohybu světelných svazků. Svazek monochromatického koherentního světla odražený od  předmětu  se skládá s pomocným svazkem stejných vlastností v rovině fotografické desky. Snímek (hologram) osvětlený původním pomocným svazkem působí jako ohybová mřížka a pozorovatel v propuštěném nebo odraženém světle vidí trojrozměrný obraz původního předmětu.

Z této charakteristiky je zřejmé, že k porozumění podstaty holografie a hologramů budeme muset aspoň letmo nahlédnout do učebnice fyziky a zopakovat si význam pojmu interference. Ze slov monochromatický a koherentní je však zřejmé, že holografické zobrazení má mnoho společného hlavně s laserem.

Holografie

Kresba, fotografie nebo mapa vytváří dvourozměrný (plošný) obraz skutečnosti. Dávnou snahou umělců a vynálezců bylo zachytit na ploše i třetí rozměr - hloubku. Leonardo da Vinci začal ve svých obrazech používat perspektivu, značnou oblibu získaly stereofotografie, stereogramy nebo anaglyfické zobrazení. Žádná z těchto metod však nevytváří skutečné prostorové zobrazení, vždy jde jen o využití nedokonalosti lidského oka, tedy o určité optické triky. Skutečnou revoluci znamenala teprve teorie holografie, vypracovaná v roce 1947 Denisem Gaborem, britským fyzikem maďarského původu. Název nové zobrazovací metody byl odvozen z řeckých slov holos (celý, celkový) a gramma (zpráva).

• Fotografie (obr. vlevo) vzniká tak, že světlo odražené od předmětu prochází objektivem fotoaparátu a jeho zmenšený převrácený obraz se vytvoří na filmu. Po vyvolání získáme dvojrozměrný obraz předmětu. Na fotografickém obrazu získáme jen informaci o barvě a velikosti předmětu, prostorový dojem si vytváří sám pozorovatel např. z rozložení objektů na obraze a znalosti perspektivy.

• Hologram (obr. vpravo) vzniká interferencí dvou svazků laserových koherentních paprsků. Jeden dopadá po odrazu od zrcadla na film přímo. Druhý svazek se odráží od zobrazovaného předmětu a teprve pak dopadá na film. Oba svazky spolu interferují. Na filmu nevzniká žádný viditelný obraz, ale zdánlivě chaotická soustava interferenčních proužků. Viditelný obraz vznikne teprve vhodným  osvětlením hologramu. Na rozdíl od běžné fotografie vytváří hologram skutečný trojrozměrný obraz, případně i s různými dynamickými prvky.

Při osvětlení hologramu se interferenční proužky chovají jako velmi jemná optická mřížka a pozorovatel spatří prostorový holografický obraz, který se mění při pohledu na hologram z různých stran. Laserovou technologií je možné vytvářet nejen trojrozměrné obrazy, ale i různé obrazové pohybové efekty. Hustota záznamu informací (víc než 1000 čar/mm) je tak vysoká, že hologramy není možno napodobit žádnou tiskařskou nebo kopírovací technikou. Proto našly hologramy největší rozšíření v oblasti ochrany proti napodobení nebo padělání. Holografické nálepky najdeme v občanském průkazu, na různých identifikačních kartách, na eurobankovkách, na obalech počítačových programů, reklamních předmětech, jako umělecká díla atd.

Základní ochranné a bezpečnostní prvky hologramů:

• prostorovost - obraz trojrozměrného předmětu se jeví různě při pohledu z různých stran

• kinetický efekt - na ploše hologramu dochází při změně úhlu pohledu k  proměnám grafického motivu nebo jeho barevnosti klopný efekt - umožňuje na stejné ploše hologramu umístit dva nebo více grafických motivů, které se při změně úhlu pozorování střídají (překlápí)

• všesměrová viditelnost - zajišťuje trvalou viditelnost motivu při pohledu z libovolného směru

Další oblasti

Vzhledem k nesmírně širokému spektru aplikací laserů se stručně zmíníme jen o některých z nich:

Astronomie, geodézie, geofyzika

Pulzními lasery (délka impulzů řádově až fs, tj. femto sekundy), se měří vzdálenosti různých objektů na základě odrazu záření od nich. Doba, která uplyne mezi vysláním impulzu a přijetím odraženého impulzu, je úměrná vzdálenosti překážky. Při měření se používají tzv. koutové odražeče, umístěné na objektech.  Od koutového odražeče se světlo odráží vždy zpět, nezávisle na úhlu dopadu. Na stejném principu funguje i běžná odrazka na jízdním kole.

Astronomové měří tímto způsobem vzdálenosti družic nebo Měsíce s přesností několika centimetrů! Koutový odražeč byl jeden z prvních přístrojů, které umístili američtí astronauti na povrchu Měsíce. Laserová měření slouží mj. k určování drah družic, při studiu zemětřesení nebo měření vzájemného pohybu zemských kontinentů (viz obrázek).

Ekologie a meteorologie

Laserové radary, tzv. LIDARY, se používají k měření znečištění zemského ovzduší. Laserový paprsek se částečně odráží a částečně rozptyluje na částicích obsažených v ovzduší. Odražené signály se vyhodnocují, tímto způsobem je možno určit rozložení a směr pohybu kouřových částic a dalších znečišťujících látek v ovzduší. Lidarem se také měří výška oblačnosti nebo proudění vzduchu a jeho turbulence v atmosféře. Podobná metoda se uplatňuje i na kosmických sondách, např. při studiu atmosféry Marsu a dalších planet.

Jaderná fyzika

Soustředěná energie laserového paprsku by mohla být využita k nastartování jaderné fúze (termonukleární reakce). Laserovým paprskem se daří dosahovat teplot blížících se absolutní nule. Využívá se přitom rozptylu fotonů na atomech, pohybujících se proti paprsku. Jinou aplikací je konstrukce nepředstavitelně přesných atomových hodin, prakticky používaných například při satelitní navigaci nebo v astronomii. Laserový paprsek se uplatňuje i v mikroelektronice při výrobě polovodičových součástek. Základem této technologie je odpařování tenkých vrstev křemíku.

Vojenské aplikace

Nenáročnou vojenskou aplikací jsou laserové značkovače na ručních zbraních, které mohou viditelně označit místo zásahu. Laserové dálkoměry slouží na různých zbraních, např. tancích, k přesnému zaměření a určení vzdálenosti cíle. Přesnost leteckých raketových střel s laserovým zaměřováním a naváděním dosahuje hodnot, jinými způsoby těžko dosažitelných. Na základě údajů laserových zaměřovačů je možno stanovit optimální dráhu mezikontinentálních balistických raket.

Zatím spíše z oblasti sci-fi jsou projekty likvidace mezikontinentálních balistických raket vysoce výkonnými lasery, umístěnými na pozemní stanici nebo na oběžné dráze kolem Země.

Laserová tiskárna a kopírka

Laserová tiskárna používá laserový paprsek k vytvoření elektrostatického „obrazu“ na světlocitlivém válci. Obraz je pak z rotujícího válce přenesen ve viditelné formě na papír.

Informace o znacích vytvořených počítačovým programem jsou přiváděny do modulátoru, kterým je laserový paprsek přerušován. Na světlocitlivý  válec  se pak elektrostaticky nanáší tzv. toner a z válce  je přenášen na papír. Vyhřívacími válci se toner roztaví a trvanlivě pronikne do struktury papíru. Laserová tiskárna poskytuje velmi kvalitní výsledky při velké rychlosti tisku. Podobnou konstrukci má také laserová kopírka, elektrostatický „obraz“ na světlocitlivém válci vznikne odrazem laserového paprsku od kopírované předlohy.

Kompaktní optické disky (CD, DVD)

Záznam na kompaktním disku je tvořen obrovským počtem prohlubní (pitů) na lesklé ploše disku. Šířka záznamové stopy je jen několik tisícin mm. Miniaturní polovodičová laserová dioda vyzařuje infračervený paprsek, který se odráží hranolem směrem k disku a po zaostření dopadá na záznamovou stopu. Když paprsek dopadne na lesklou plochu, většina světla se odrazí, přichází do detektoru a vznikne elektrický impulz. Jestliže dopadne na prohlubeň (pit), světlo se při odrazu rozptýlí a detektor žádný impulz nevytvoří. Z detektoru tak vychází přerušovaný digitální signál, který elektronické obvody zpracují na signál zvukový, obrazový apod. Snímání záznamu z disku je bezkontaktní, a proto nedochází u kompaktních disků k žádnému opotřebování při provozu (na rozdíl od klasických gramofonových desek, magnetofonových pásek, disket apod.). Aby laserový paprsek stále sledoval čtenou záznamovou stopu, jsou CD mechaniky vybaveny velmi přesnými servomechanismy.

Laserové ukazovátko, čárový kód

Laserové ukazovátko má velmi jednoduchou konstrukci. Jeho základem je miniaturní laserová dioda s nezbytným elektronickým obvodem. Protože levné diody nevytvářejí dokonale rovnoběžný svazek paprsků, musí být na výstupu ještě spojná čočka.  K napájení  stačí vzhledem k malé spotřebě miniaturní baterie s napětím několik voltů.

První patent na identifikaci zboží pomocí skupiny rovnoběžných čar byl udělen v roce 1952, ale k rozšíření čárových kódů v průmyslu a obchodě došlo až zhruba po dvaceti letech. Čárové kódy mají mnoho variant a v průmyslových zemích je jimi dnes označena naprostá většina výrobků. Čtečka čárového kódu je opatřena miniaturním laserem. Kmitající světelný paprsek se od tmavých čar neodráží, od světlých mezer se odráží. Detektor čtečky tak odesílá do počítače digitální signály o druhu a ceně zboží.

Počítačový program vypočítá celkovou cenu nákupu a tiskárna v pokladně vytiskne účet. Současně počítač odečte prodané zboží ze skladových zásob. Konstrukce čtečky umožňuje číst čárový kód i z větší vzdálenosti.

Bezpečnostní rizika

Hlavním rizikem používání laseru je možnost poškození zraku. Některé lasery pracují na frekvencích, které jsou okem zachycována a vnímána. Protože je laser  koherentní  a  má nízkou divergenci, jeho paprsek je soustředěn na velmi malou plochu sítnice, čímž dochází k přehřátí určitého bodu a může dojít i k trvalému poškození zraku.

Lasery jsou rozděleny do bezpečnostních tříd:

• třída I: možný trvalý pohled do svazku laserového paprsku

• třída II: kontinuální a viditelné záření, přímý pohled do zdroje možný, oko ochrání mrkací reflex

• třída III:

  a) totéž jako třída II, ale oko již může být poškozeno při pohledu do zdroje pomocí optické soustavy (např. dalekohled)

  b) nebezpečí poškození oka, nutno používat ochranné pomůcky (i při pozorování odrazu), max. emise 0,5 W

• třída IV: totéž jako třída III b), emise překračuje výkon 0,5 W

Běžně dostupné lasery bývají maximálně ve třídě III (optické soustavy CD přehrávačů). Výkonné lasery (třídy IV) jsou schopné způsobit popáleniny, řezné nebo tržné rány, případně způsobit požár. Řada takových laserů je buzena  nebezpečnými  látkami  nebo vysokým napětím v řádu desítek kilovoltů.

Edvana

🍀  Lidové shromáždění živých lidí Bohemia:  https://www.novabohemia.cz/

🍀  Email:  bohemia@novabohemia.cz

🍀  YouTube:  https://www.youtube.com/@bohemia1418

🍀  UNC:  https://www.unitednewschannel.net/

🍀  Stáhněte si aplikaci UNC:  https://www.mobileapp.app/to/yXWV8Nr?ref=cl