Lepší lasery nabízejí řadu nových možností

Vývoj v oblasti laserů Laser je technologie, která stojí u řady lékařských zázraků, je nepostradatelnou součástí...


Vývoj v oblasti laserů
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 nyní staly i 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 přenášet 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, usnadní znalost o principu funkce laseru.
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
ke vzniku silného koherentního paprsku. 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 plátcích. 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.
0 2025 / pen
Vláknová optika 101
Věc: kabel tvořený optickým vláknem
Rozměr: 1/25 tloušťky lidského vlasu přibližně 10 mikronů
Cena: Optický kabel je levnější než měděný, ale přepínací zařízení lasery či
jiná zařízení potřebná pro vysílání informací prostřednictvím vlákna jsou
mnohem dražší.
Šířka pásma: Optický kabel disponuje relativně velkou propustností více než 5
terabajtů za sekundu v každém z více než 80 kanálů.
Analogie: Abyste pochopili, jak optický kabel funguje, představte si FM rádio.
Stejně, jako si můžete vybrat mezi různými současně existujícími rádiovými
frekvencemi, můžete se v jednom optickém kabelu přeladit na různé barvy světla.
Levnější lasery znamenají: Stávajícími optickými vedeními je možné levněji
zasílat více informací. Protože ceny klesají, bude dokonce cenově efektivní
použít vlákno i na takzvané poslední míli až k plotu domu nebo dokonce až do
samotných obytných domů.
Pohled do budoucnosti: "Dvěma překážkami zavedení (vláknové optiky) jsou
dostupnost a cena. Technologie existuje. Vše, co je potřebné, je samotný
laser," říká Gary Oppedahl, viceprezident pro obchodní operace ve firmě Novalux.

Očekává se, že nový laser NECSEL se objeví na trhu na začátku příštího roku, za
předpokladu, že projde povinným testováním, které provádí Telcordia
Technologies (dříve Bellcore). Výroba polovodičových laserů vyžaduje velmi
čisté prostředí.

"Můžete očekávat, že optické vlákno 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.

Začínající firma Novalux ze Sunnyvale v Kalifornii právě vynalezla nový laser s
názvem Novalux Extended Cavity Surface Emitting LASER (NECSEL). NECSEL značně
zvyšuje množství informací, které je možné levně zasílat pomocí optického
vlákna.









Komentáře
K tomuto článku není připojena žádná diskuze, nebo byla zakázána.