Student World

Laser je technologie, která stojí u řady lékařských zázraků, je nepostradatelnou součástí ideje hvězdných válek, všude doprovází moderní život a stává se také klíčem k vysokorychlostním komunikacím. Tvoří základní součást vašeho CD přehrávače, skeneru v pokladně supermarketu a také tiskové hlavy vaší laserové tiskárny… Když většina lidí přemýšlí o laserech, týkají se jejich myšlenky zřejmě hlavně hraniční medicíny a zbraní, které používají zlí mimozemští géniové. Jedním z odkazů význačného místa laserů ve sci-fi literatuře a filmech je jejich síla symbolizující futuristickou technologii. Ale ony se právě staly páteří dnešního telekomunikačního průmyslu.

Rychlá data
Začínající firma Novalux ze Sunnyvale v Kalifornii právě vynalezla nový laser s názvem NECSEL (Novalux Extended Cavity Surface Emitting LASER — řekněme: povrchově emitující laser s rozšířenou dutinou). NECSEL značně zvyšuje množství informací, které je možné levně zasílat pomocí optického vlákna. To je rajská hudba znějící do uší průmyslovému oboru, jenž roste 40% ročním tempem.
Brzy by vám lasery dokonce mohly dovolit běžně bezdrátově komunikovat nebo by mohly nahradit obrazovku ve vaší televizi. "Snad až příliš zjednodušující představa laserů je pravděpodobně odvozena z té staré bondovky o laserovém paprsku sjíždějícím po Seanu Connerym. Je to velké staré zařízení, z něhož vyzařuje paprsek s kruhovým průřezem. Tato představa je v podstatě správná, avšak všechny dnešní lasery vyzařující mohutné paprsky pocházejí z plynových laserů nebo laserů využívajících pevnou fázi," říká Malcolm Thompson, prezident a výkonný ředitel Novaluxu a bývalý technický ředitel výzkumného centra Xeroxu v Palo Alto. Dnes jsou obvyklejší miniaturní polovodičové lasery, takové, jaké naleznete v tiskových hlavách laserových tiskáren.
K čemu je laser
Když Akademie věd USA sestavovala seznam dvaceti nejvýznamnějších úspěchů vědy 20. století, vedle elektrifikace se v něm objevily lasery i vláknová optika. Když však byl laser vynalezen, nezdálo se, že by to řešilo nějaký naléhavý sociální nebo vědecký problém.
"Mnoho mých přátel si ze mě kvůli němu utahovalo: ‚Pěkné řešení, k čemu je ale dobré?‘ Nic zvláštního na tom neviděli," říká Charles Townes, vědecký poradce společnosti Novalux. Je uznáván jako spoluvynálezce maseru — jenž je podobný laseru, místo světla však používá mikrovlny — i laseru. Townes obdržel první patent za lasery jakožto telekomunikační zařízení v roce 1960. V roce 1964 obdržel Nobelovu cenu za fyziku.
Townes, posléze působící na fakultě Columbia University v New Yorku, se pustil do vynalézání lepší metody měření světelných vln.
"O odchlípené sítnici jsem nikdy neslyšel, ale právě to byla jedna z prvních lékařských aplikací laserů," říká.
Lasery se nejčastěji používají pro zajišťování přenosů po optických vláknech, generování a zesilování signálů a jejich distribuci prostřednictvím vláknové optiky. Pochopení toho, co představuje průlom v telekomunikacích způsobený lasery, pomůže pochopit, jak laser funguje.

Jak lasery fungují

Laser je zkratka pro "light amplification by stimulation emission of radiation" (zesilování světla pomocí stimulované emise záření). Jednoduše řečeno, když stimulujete elektrony v atomu, ony přeskočí na orbitu s vyšší energií. Protože je však tato orbita nestabilní, elektrony se vrátí zpět na své normální orbity, a přitom emitují fotony — světelné vlny. Tento princip stojí v pozadí všeho, co vyzařuje světlo.
Identické atomy budou mít při stimulaci identické skokové přechody mezi energetickými stavy a rovněž jejich pohyb bude paralelní. Pokud umožníte více atomům uvolnit světelnou energii současně, pak se tyto světelné vlny budou vzájemně stimulovat, čímž dojde ke zvyšování výkonu, dokud potenciálně nedojde k vyprodukování silného koherentního paprsku. Na druhé straně, pokud se vlna dostane do kontaktu s nevybuzeným atomem — což se často stává — vymizí.
V ranné historii laserů bylo svatým grálem nalezení vhodného materiálu, jenž by stimuloval atomy až do bodu, kdy vyšlou laserový paprsek. Theodore Maiman tento problém vyřešil použitím syntetického rubínu, aby postavil první funkční laser. Oba konce rubínového krystalu byly odrazivé, ačkoliv jeden z nich pouze částečně. Maiman do rubínu napumpoval bílé světlo, které interagovalo s chromovými nečistotami, čímž došlo k vybuzení atomů a vyprodukování laserového světla.
Maimanův laser byl laser pevné fáze — touto pevnou fází byl rubín — existuje však mnoho jiných látek, které vyzařují laserové světlo: pevné látky, plyny, kapaliny a polovodiče. Každé z těchto médií produkuje paprsky o různých frekvencích a síle, každé z nich se hodí pro jinou aplikaci. Mohutné lasery, které řežou materiály — například ten, který byl použit proti Jamesi Bondovi ve filmu Goldfinger — jsou obvykle plynovými lasery.

Kvalitnější paprsek
Na druhé straně polovodičové lasery, které jsou mnohem rozšířenější, jsou velmi malé a spotřebovávají jen velmi málo energie. Jsou dvou typů: edge-emitting (emitující okrajem) a vertical-cavity (s vertikální dutinou).
V případě okrajem emitujících laserů, které jsou levnější než lasery s vertikální dutinou, jsou postranní plošky polovodiče odštípnuty tak, aby vytvořily zrcadlo, a paprsek vystřeluje z okraje materiálu. Zatímco se takových laserů každoročně vyrobí a použije v zařízeních jako CD přehrávače více než 50 milionů, zrcadla a tedy i paprsky trpí nepřesností a nehodí se pro stavbu vysokorychlostních sítí.
Vláknová optika spoléhá na přesnější lasery s vertikální dutinou. Ty jsou po tisících kusech vytvářeny na velmi malých oplatcích. Samotné lasery mohou být menší než 1 krychlový milimetr. Výrobci vytvářejí velmi přesné paprsky tak, že do každého zrcadla laseru — známého jako horní a dolní Braggovo zrcadlo — zabudovávají více než 100 vrstev.
Přesnost též plodí účinnost: Zatímco okrajem emitující laser v CD přehrávači potřebuje pro svou činnost kolem 30 miliwattů, jeho ekvivalent s vertikální dutinou by vyžadoval pouze 2 miliwatty. Čím kulatější je paprsek, tím přesněji se laser "spojí" s kabelem tvořeným optickými vlákny, vysílaje do kabelu signály na mnohem větší vzdálenost, po jejímž překonání je nutné tyto signály zesílit, což šetří peníze. Výkonnější lasery rovněž zvyšují účinnost přenosu.
Firma Novalux vynalezla ještě výkonnější 300 miliwattový laser s vertikální dutinou, menší, než podobné lasery, a s levnější výrobou. "Věci, které omezují spojitou rozšiřitelnost optických sítí, jsou náklady a výkony budoucích laserů. Nižší náklady by mohly do velkoměstských oblastí přivést mnohem více optického vlákna," říká Thompson. Optický kabel je levný, lasery nikoliv. Thompson předpovídá, že jeho společnost bude nakonec schopna vyrobit velmi malý jednowattový NECSEL.

Rychlý tah na branku
Očekává se, že NECSEL se objeví na trhu na začátku příštího roku, za předpokladu, že projde povinným testováním, které provádí Telcordia Technologies (dříve Bellcore). Telcordia, která sídlí v Morristownu ve státě New Jersey, zjišťuje, zda zařízení třetích stran vyhovují síťovým standardům. Mezitím jsou ustavičně vynalézány nové možnosti využití laserů. Zde je několik příkladů:
* Bezdrátový přenos dat:
Lasery mohou být použity pro takzvaný přenos dat volným prostorem — takový, jenž nabízí začínající firma TeraBeam Networks v Seattlu, která používá lasery pro stavbu bezdrátových světelných sítí. Ty by mohly být cenově zvláště efektivní ve velkoměstských prostorech. Jednou z jejich výhod je, že médium — vzduch — není nedostatkové, a je tudíž levné. Nevýhodou je, že kvalitu paprsku může zhoršit špatné počasí. Společnost TeraBeam očekává, že se tyto produkty během 3 let začnou prodávat na většině hlavních trhů USA.

* Optické vlákno až k plotu a domů:
Překážkou všudypřítomného vysokorychlostního přístupu k síti z domova i podniku je takzvaná poslední míle. V důsledku vysokých nákladů na pokládku optických kabelů a na lasery potřebné pro vysílání signálů většina telekomunikačních společností používá na překonání poslední míle měď. Avšak měděné dráty nemohou přenést více než 10 megabajtů za sekundu. Aby se dosáhlo lepšího výkonu, mohou být využívána souběžná vedení. Náklady však potom rostou. Jakmile cena laserů klesne a bude je možné nákladově efektivně instalovat v každé domácnosti, vláknová optika a širší pásmo se stanou schůdnými i pro domácnosti.

* Automobily:
"Můžete očekávat, že optické vlákno zanedlouho najdete v každém autě," říká Gary Oppedahl, viceprezident pro obchodní operace firmy Novalux. "Proč v autě potřebujete něco tak rychlého? Důvodem je hmotnost." Výrobci automobilů do svých vozidel přidávají další a další systémy, současně se však snaží vozidla odlehčit. Mercedes-Benz již pro snížení hmotnosti optické vlákno používá. Stejně jako měděné vodiče byly v autě nahrazeny křemíkem, také vlákno, ovšem z plastu, dále sníží zatížení dnešních vozidel.

* Digitální divadlo:
"Pokud jste obdrželi krásný, kruhový, dobře se chovající paprsek, můžete jej promítat na nekonečnou vzdálenost a začít hovořit o elektronickém kině," říká Thompson. Protože lasery umožňují řídit obraz téměř na molekulární úrovni, jsou možné velmi přesně řízené displeje s přední i zadní projekcí, pohybující se od stolní velikosti až po velikost kina nebo větší, s výjimečně vysokou kvalitou obrazu. V nejbližší budoucnosti by se televizní vakuové obrazovky i ploché panely mohly stát starou veteší.

* Lidar:
Ligt detection and ranging — lidar (detekce světla a pohyb v určitém rozmezí) je podobný radaru. Avšak zatímco radar se používá k měření rychlosti, vzdálenosti a směru rádiové vlny, lidar spoléhá na laserovou diodu. Používá rovněž mnohem užší paprsek, což vede k větší přesnosti měření. Na rozdíl od konvenčního radaru se laserové světlo mnohem obtížněji detekuje, což jej činí vhodnějším pro vojenské použití. Dříve, než se lidarové přístroje stanou všudypřítomnými v letadlech, musí ještě dojít ke zmenšení jejich celkových rozměrů.

* Analýza skal na Marsu:
NASA může ke zkoumání Marsu brzy použít laserově buzenou spektroskopii. Poněvadž materiály nacházející se v pouštním prostředí planety jsou často velmi zvětralé, mohou být pokryty až 2mm vrstvou hlíny a jiných směsí. Lasery, jsou-li aplikovány na vzorky půdy, vzduchu nebo vody, se propálí zvětranou vrstvou a odpaří vzorek. Protože každý atom emituje jedinečnou spektrální strukturu, vědci budou schopni rozlišit složení vzorků, dokonce i při přítomnosti menšího množství prvku než 2 částice v milionu.

autor Mathew Schwartz