Historie laserového paprsku začíná v roce 1960, ačkoli teoretický model tohoto typu jevu byl vytvořen mnohem dříve, v roce 1917. Tehdy slavný vědec Albert Einstein zjistil, že jedny z nejmenších částic hmoty, tedy excitované atomy, jsou schopny vyzařovat světlo. V té době však vědci ještě neměli technologii, která by potvrdila fungování Einsteinovy teorie. Průlom přišel o mnoho let později, v roce 1954, kdy se třem americkým vědcům (Charles Towneson, James Gordon a Herbert Zeiger) podařilo přimět atom, aby emitoval mikrovlny. Takto vznikl první maser (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation – mikrovlnné zesílení nucenou emisí záření – zařízení, které vyzařuje silný, kontrolovatelný mikrovlnný paprsek. Tento úspěch povzbudil vědeckou komunitu, což vedlo k dalším experimentům. Laser (název je akronymem Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation – zesilování světla stimulovanou emisí záření) vznikl o 6 let později. První, kdo donutil atom vyzařovat viditelné světlo, byl americký vědec Theodore Maiman. Rozsvícením výkonného blesku s krystalem korundu dopovaným chromem (rubín) začala éra laserů.

Jak funguje laser?

Nejjednodušší, ale také nepřesná odpověď na tuto otázku je, že laser svítí. Pokud laser svítí, proč při aktivaci laserového ukazovátka známého ze škol a konferenčních místností vidíme na obrazovce pouze jeden bod a laser místnost nerozjasní? Rozdíl mezi obyčejnou žárovkou a laserem je především v soustředění světla. V prvním případě jsou fotony rozptýleny, pohybují se ve všech směrech, což je důvod, proč žárovka může osvětlit temnou místnost. V laseru je to právě naopak, světlo je soustředěno v jednom bodě a vytváří paprsek, ve kterém se fotony pohybují vůči sobě téměř rovnoběžně. Díky této vlastnosti při spuštění laseru uvidíme jen malý bod osvětlený soustředěným světlem, které na něj dopadá.

Činnost laseru si můžeme vizualizovat tak, že si představíme malou krabičku pokrytou zevnitř zrcadly, do které jsme uzavřeli několik fotonů. Tyto částice se budou neustále pohybovat uvnitř krabice a odrážet se od zrcadel. Při každém nárazu se uvolní část energie, která je přesnou kopií fotonu. S každým odrazem se počet světelných částic zvyšuje, dokud nepřekročí kritický bod. Pak fotony prorazí stěnu krabice a vytvoří světelný paprsek světla s velmi zajímavými vlastnostmi.

Základem dnešních laserů jsou především laserové diody založené na výše popsaném jevu odrazu světla. Laserové diody připomínají trochu klasické LED diody , s tím rozdílem, že mezi dvěma oblastmi polovodiče typu N a P je něco jako rezonanční krabice pro uvolněné fotony. Ten je tvořen mnoha vrstvami, které mohou zcela nebo částečně odrážet světelné částice tak, aby je nakonec soustředily do jediného paprsku.

Laser v elektronice

Laser se díky svým vlastnostem velmi často používá v elektronice. Celá řada zařízení a prvků je založena na fenoménu vícenásobného odrazu světelné vlny, z nichž si některé stručně popíšeme:

Laserové diody

V souvislosti s laserem se nám obvykle vybaví běžná laserová dioda. Její konstrukce již byla zmíněna dříve, ale stojí za to vědět, že každý prvek tohoto typu je definován parametrem výkonu, který určuje, jak jasný bude daný laser. Můžeme se setkat s diodami o výkonu od 5 mW až do 115000 mW, ale je třeba si uvědomit, že lasery, i s malým výkonem, mohou být nebezpečné pro zdraví. Za žádných okolností nesviťte s nimi do očí, mohlo by to vést k trvalému poškození zraku.

Laserová dioda: ADL-63102TL-3

Laserové diody obvykle vyzařují červené světlo, ale lze se setkat i s infračerveným provedením. Obvykle se vyrábějí v pouzdrech TO9, TO18 a TO56, která jsou určena pro osazování na plošný spoj.

Laserové moduly

Laserový modul: FP-D-650-1-C-F

S běžnými laserovými diodami jsou spojeny hotové moduly, které vyzařují paprsek tohoto typu světla. Uvnitř je dioda s další elektronikou, která umožňuje ovládat modul. Laserové moduly jsou obvykle vyráběny ve tvaru válce stejné velikosti. Měli byste také věnovat pozornost parametrům, jako je výkon, napájecí napětí, barva, a dokonce i typ vyzařovaného paprsku. Díky použití optických hlavic může laserový modul vyzařovat klasický, jednoduchý paprsek světla, ale také elipsy, kříže a světelné čáry. Tyto typy prvků se běžně používají v průmyslové automatizaci, zejména k vytváření světelných závor.

Světlovody

Laserovou technologií si můžeme spojit i se světlovodem (optické vlákno). To není překvapující, obě řešení totiž fungují na podobných principech. Světlovod, což je ve skutečnosti poloprůhledná struktura ze skleněných vláken, umožňuje přenos světla jako nosiče informací. Světelným zdrojem, ve kterém budou informace uloženy, může být již zmíněná laserová dioda, nebo v některých případech i klasická LED dioda. Při výběru optického vlákna je třeba si uvědomit, že se nejedná o zcela univerzální konstrukci, protože se přizpůsobuje konkrétnímu typu přenosu.

Světlovodný pigtail: FIBRAIN-PIG-001

Laserové senzory

Senzor vzdálenosti: HG-C1200-P

Dalším typem zařízení, která zakládají svůj provoz na laserovém paprsku, jsou také všechny druhy laserových senzorů vzdálenosti. Tyto malé konstrukce se běžně používají v průmyslovém sektoru, kde působí jako ovládací prvky strojních sestav. Princip činnosti takového senzoru je poměrně jednoduchý. Vyzařuje světelný paprsek, který, pokud se odrazí od detekovaného objektu, dopadne na fotografický prvek, který pak vyšle příslušný signál například do PLC ovladače. Světelný vysílač a přijímač jsou obvykle umístěny v jednom pouzdře, ale existují i konstrukce, ve kterých jsou dvěma samostatnými prvky. Díky tomuto řešení je možné například detekovat LCD modul, který při pohybu na výrobní lince přeruší laserový paprsek vyzařovaný vysílačem.

Laserové senzory se vyznačují řadou parametrů, mimo jiné rozsahem, konfigurací výstupu, provozními režimy, typem pouzdra, frekvencí, třídou těsností či materiálem, ze kterého je pouzdro vyrobeno. Při výběru vhodného senzoru stojí za to zvážit každou z těchto otázek.

Fotoprvky

Prvky, které dokáží detekovat paprsek světla, jsou například fotodiody. Tyto malé polovodičové prvky jsou umístěny v pouzdrech, kde je jedna ze stěn průhledná, takže laserové světlo může dopadat přímo na křemíkové jádro prvku. Stejně jako ostatní diody je i fotodioda založena na přechodu P-N, který absorbuje dopadající na něj světlo. V důsledku toho se elektrony dostanou do vodivostního pásu, čímž se zvýší proud protékající prvkem.

Fotodioda: BPW20RF

Fotodiody jsou vyráběny jak v pouzdrech určených pro THT osazování na plošný spoj, tak i pro SMD povrchovou montáž. Za pozornost stojí několik parametrů, které jsou pro tento typ diody důležité : citlivost (vlnová délka v bodech), úhel pohledu, rychlost zapnutí a vypnutí a napájení.

Měřiče teploty

Pyrometr: FLK-62MAX

V rámci diskuse o použití laseru v elektronice je třeba kromě modulů a elektronických součástek věnovat pozornost také hotovým zařízením založeným na laserové technologii. Jedná se například o laserové pyrometry, tedy bezdotykové měřiče teploty. Jejich provoz spočívá v měření vlnové délky infračerveného záření emitovaného testovaným objektem, jehož hodnota je následně převedena na teplotu. Kromě toho jsou zařízení tohoto typu často vybavena dalším červeným laserem, jehož paprsek označuje bod v němž se měření provádí.

Laserové dálkoměry

Dalším příkladem měřicího zařízení využívajícího laserovou technologii jsou laserové dálkoměry. Tento typ zařízení umožňuje snadno měřit vzdálenost k objektu. Díky tomu je oblíbeným řešením ve stavebnictví, geodézii, ale i v odděleních údržby. Zařízení vyzařuje paprsek světla, který se po odrazu vrací zpět a dopadá na fotoprvek. Dálkoměr pak určí vzdálenost na základě fázového posunu mezi vyslaným a přijatým světlem. Jeho fungování poněkud připomíná laserové senzory vzdálenosti.

Dálkoměr: LM50A

Laserové tachometry

Tachometr: RPM33

Tachometr je zařízení, které umožňuje snadno a přesně měřit otáčky RPM (Rotary Per Minute). Měření je prováděno bezkontaktně a je také založeno na laserové technologii. Fungování je podobné jako v případě výše uvedených zařízení \– světelný paprsek dopadá na rotující prvek a částečně se vrací zpět, když se odrazí od reflexního prvku. Zařízení počítá počet odrazů a na jejich základě určuje rychlost otáčení.

Čtečky čárových kódů

Zařízení, se kterým se můžeme setkat jak v obchodech, tak ve skladech nebo výrobních závodech, je čtečka čárových kódů. Její činnost je také založena na laseru. Každý skener tohoto typu je založen na dvou prvcích: laserové diodě nebo LED diodě s vysokým jasem a fotodetektoru. Dioda vyzařuje paprsek světla, který dopadá na rozptylovou čočku. Pokud se čárový kód nachází v dráze rozptýleného světla, toto světlo se odrazí, ale pouze od bílých částí kódu, tmavé čáry absorbují veškeré světlo. Lze říci, že v čárových kódech jsou skutečně detekovány mezery mezi čárami. Odražený a roztříštěný čárovým kódem světelný paprsek je pak nasměrován na fotodetektor, který spolu s doprovodnou elektronikou převádí odražené světlo na elektrické impulsy, jež jsou následně odesílány například do pokladního počítače.

Čtečka čárových kódů: QOLTEC-50860

Zařízení a prvky zde uvedené samozřejmě nejsou všechny produkty z katalogu TME, které souvisejí s laserovou technologií. Nicméně již tato část naší nabídky ukazuje, jak všestranné je její použití a jak moc je užitečná.

Text připravila společnost Transfer Multisort Elektronik Sp. z o.o.

Článek byl publikován v originále na webu TME.eu: https://www.tme.eu/cz/news/library-articles/page/53333/laserova-dioda-fotony-fungovani-laseru-v-elektronice/