Předmět Lasery a moderní fyzika se snaží přiblížit oblast moderní fyziky, optoelektroniky a laserové techniky širšímu spektru studentů, přičemž jsou vysvětlovány jak fyzikální principy tak především praktické aplikace probírané problematiky. Od vynálezu laseru uplynulo v roce 2010 již 50 let a v současné době si již nelze prakticky běžný život bez laseru a moderních optoelektronických součástek představit. Jejich aplikace jsou velmi široké, od běžně používané elektroniky a mobilních telefonů až po vysoce sofistikované vědecké a průmyslové aplikace v oblasti mikro a nanotechnologií. Získané znalosti umožní studentům získat především praktickou představu o jednotlivých fyzikálních jevech, vlastnostech laserového záření, měřicích metodách z oblasti optoelektroniky a laserové techniky a aplikacích těchto jevů a metod ve vědě, průmyslu, stavebnictví a geodézii.

Lasery a moderní optoelektronické prvky daly vznik mnoha praktickým aplikacím o kterých studenti v rámci tohoto předmětu získají základní informace např.

Zobrazovací a diagnostické metody v lékařství, biologii a technice

Velmi progresivní oblast metod jako je mikroskopie, spektroskopie, optická koherenční tomografie, apod., jež se využívají jak v biomedicíně tak v technických oborech a v průmyslu. Na obrázku je laserový skenovací konfokální mikroskop fy.Leica.

Vláknové optické komunikace

Jednou z objemově největších oblastí aplikace laserové techniky a optoelektroniky jsou vláknové optické komunikace. Vláknová technika s využitím laserů se využívá ovšem i v jiných oblastech, např. v lékařství pro odstraňování nádorových buněk pomocí laserového záření.

Obrábění laserovým svazkem v průmyslu

Velká část současné moderní výroby v průmyslu (např.automobilový průmysl, strojírenství) je založena na obrábění (vrtání, řezání, sváření) pomocí laserů s výstupním optickým výkonem až několika stovek wattů. Takový výkon záření je dostatečný pro odpařování materiálu, který je obráběn při nejmenší oblasti zasažené tepelnými účinky. Proces obrábění je automaticky řízen pomocí počítače.

Laserové opracování výrobků (značkování, gravitování, kalení)

Důležitou oblastí v průmyslu i lékařství je cílené opracovávání a úprava povrchů různých materiálů laserovým svazkem. Moderní postupy povrchové ochrany umožňují použití laserové techniky pro ošetření povrchu s cílem zvýšení odolnosti proti korozi a opotřebení. Laserové záření se též používá např. k napařování povrchových vrstev z různých materiálů (např. diamantu). Další rozšířenou aplikací je tzv. laserové značkování, které umožňuje označovat laserovým svazkem výrobky z všech možných druhů materiálů.

Snímače čárového kódu

Důležitou oblastí v průmyslu i lékařství je cílené opracovávání a úprava povrchů různých materiálů laserovým svazkem. Moderní postupy povrchové ochrany umožňují použití laserové techniky pro ošetření povrchu s cílem zvýšení odolnosti proti korozi a opotřebení. Laserové záření se též používá např. k napařování povrchových vrstev z různých materiálů (např. diamantu). Další rozšířenou aplikací je tzv. laserové značkování, které umožňuje označovat laserovým svazkem výrobky z všech možných druhů materiálů.

Laserová ukazovátka

Tato jednoduchá aplikace nízkovýkonových diodových laserů je využívaná především v prezentační technice. V praxi se začala laserová ukazovátka používat v osmdesátých letech dvacátého století, kdy vlnová délka vyzařovaná diodou byla v červené oblasti viditelného spektra. Postupem času s rozvojem diodových laserů se začaly vyrábět laserová ukazovátka i v jiné spektrální oblasti – světlo zelené barvy (532 nm) a v poslední době se začínají vyrábět běžně i laserová ukazovátka modré barvy (405 nm).

Laserová fotolitografie

Fotolitografie je metoda, která využívá optického záření pro vytváření mikrostruktur a která je hlavní technikou pro sériovou výrobu polovodičových čipů, jež se využívají v počítačích a jiné elektronice. Jelikož nejmenší struktura, která může být litograficky vyrobena, souvisí s vlnovou délkou použitého záření, jsou v současnosti používány laserové excimerové zdroje v UV oblasti (193 nm). Snižováním vlnové délky dochází ke zmenšování vyráběných mikrostruktur.

Záznam a přehrávání dat

Laserové přehrávače záznamových médií (CD, DVD, Blue Ray) jsou asi komerčně nejznámější a nejpoužívanější aplikací laserů. První přehrávač byl na trh uveden v roce 1978. Kompaktní disk (CD), který se používá dodnes jako záznamové médium, byl představen roku 1982. Od té doby byla snaha zvyšovat kapacitu záznamového média. Jedním ze způsobů je využití zdrojů s kratšími vlnovými délkami. Tím se vyvinuly DVD a BlueRay disky. Jinou možností je poté využití jiného principu záznamu dat, např. s pomocí holografického záznamu.

Holografické aplikace

Holografie je metoda záznamu a rekonstrukce komplexní informace vlnového pole. Je možno zaznamenat amplitudu i fázi vlnění. Za vynálezce holografie se pokládá Denis Gabor, který též v roce 1971 za svůj přínos obdržel Nobelovu cenu. Prudký rozvoj holografie a holografických metod začal až po vynálezu laseru jako zdroje vysoce koherentního záření. Praktické aplikace holografických principů jsou velmi rozmanité od 3D vizualizačních technik, holografických záznamových médií, ochranných prvků na bankovkách až po vysoce přesné měřicí metody v průmyslu.

Lékařské využití laserů (chirurgie, terapie)

Lékařské využití laserové techniky v oblasti chirurgických a terapeutických zákroků je velmi široké. Již těsně po vynálezu prvního laseru bylo v roce 1961 v USA poprvé použito rubínového laseru k zničení nádorových buněk na sítnici. Od té doby se použití laserů v medicíně ohromným způsobem zvýšilo a nelze si prakticky současnou moderní medicínu bez laseru představit. Lasery se používají jak pro chirurgické zákroky (řezání, odstraňování tkáně laserovou ablací) tak i k terapeutickým technikám ozařování tkáně (např.pokožky) pomocí laseru o vhodné vlnové délce a optickém výkonu. Příkladem běžně používaných metod chirurgického využití laserů jsou operace oka.

Interferometrické měřicí metody v technice

Interferometrie je skupina metod, které využívají k měření určité veličiny (např. vzdálenosti, tvaru povrchu, indexu lomu, rychlosti pohybu, vibrací, apod.) principu interference. Interference je pozorovatelná pokud jsou interferující vlny dostatečně koherentní. Jelikož lasery představují zdroje s vysokou koherencí, jsou často využívány pro interferometrická měření. Pomocí těchto metod jsou tak možná vysoce přesná měření změny fáze. Je tak možno např. měřit vzdálenosti s přesností zlomků vlnové délky použitého záření.

LIDAR (Light Detection And Ranging)

LIDAR (Light Detection And Ranging) je optická metoda mapování a monitorování vzdálených objektů měřením záření zpětně rozptýleného na měřeném objektu. Je to technika podobná radaru, který ovšem užívá jinou vlnovou délku. Technologie LIDARu nachází široké uplatnění v geomatice, geografii, seismologii, meterologii, apod. je tak možno bezkontaktně měřit např. pohyb ledovců nebo měřit koncentraci chemikálií v ovzduší. Je možno též pomocí Dopplerova jevu zjišťovat rychlost pohybu měřených objektů.

Laserové gyroskopy

Laserové gyroskopy jsou zařízení, která umožňují vysoce přesně určit změnu úhlové rychlosti otáčení a následně určovat změnu rychlosti, zrychlení a pozice. Využívají se v navigačních nebo naváděcích systémech (letadla, lodě, balistické střely, apod.) místo klasických mechanických gyroskopů. Laserové gyroskopy jsou založeny na principu Sagnacova interferometru, kdy interferují dva protisměrně se šířící laserové svazky. Vlivem rotace dochází k vzájemné změně optické dráhy, kterou projdou oba svazky za stejnou dobu. Vyhodnocením získáme úhlovou rychlost otáčení. Obvykle se konstruují jako tři gyroskopy s navzájem kolmými osami, aby bylo možné určovat vektor úhlové rychlosti a pozici v prostoru.

Laserové systémy v geodézii

V oblasti geodézie se široce využívá laserového záření k provádění přesných měření. Jedná se např. o laserové měření vzdáleností, laserové skenování objektů, laserové vytyčování, apod. Metody elektronického měření délek v geodézii umožňují v současnosti získat měřená data s vysokou přesností a relativně rychle.

Adaptivní optika v astronomii a dalších oblastech

Adaptivní optika je oblast optiky, kdy je využívána adaptivní korekce tvaru vlnoplochy na základě jejího měření v reálném čase. Tento princip byl navržen v padesátých letech 20.století, nicméně se prakticky dal realizovat až v 80.letech 20.století v oblasti astronomie, kdy jsou u velkých astronomických teleskopů korigovány aberace způsobené průchodem světla atmosférou a tím je významně zlepšena kvalita obrazu. Pro měření potřebují astronomové dostatečně intenzivní referenční bodový zdroj světla, který se vytváří pomocí intenzivních laserových zdrojů (tzv. umělá hvězda). Využívá se vrstvy sodíku ve výšce okolo 100 km nad povrchem Země, kde se vlivem laserového zdroje excitují sodíkové atomy, které poté vyzařují.

Laserové bezpečnostní systémy

Laserové svazky se též velmi výhodně dají využít jako bezpečnostní prvky při zabezpečení objektů nebo místností. Tato systémy používají laserových svazků v neviditelné spektrální oblasti a narušitel je detekován při vstupu do dráhy svazku. Takovýmto způsobem lze velmi účinně odhalit nepovolené pokusy o vniknutí do zabezpečeného objektu.

Optická manipulace mikročástic

Již více než sto let je známo, že světlo (optické záření) působí tlakem na látku (hmotné částice). Tyto síly vznikající šířením energie záření jsou za běžných podmínek velmi malé (řádově pN). Nicméně použitím těchto optických sil můžeme velmi dobře působit na mikročástice. První, kdo teoreticky i experimentálně zkoumal působení tlaku záření na mikročástice byl Artur Ashkin v sedmdesátých letech 2é.století. od té doby se problematika tzv. optické mikromanipulace velmi rozvinula a již v současnosti existují komerčně vyráběná zařízení pro manipulaci mikročásticemi na bázi optických sil. Tyto techniky se dají též použít k měření mezimolekulárních sil.

Vojenské aplikace laserových systémů

Aplikace laserů ve vojenské technice jsou vyvíjeny již od vynálezu laseru, kdy se zjistilo, že laserové záření má určité specifické vlastnosti. V současné době je asi nejznámější aplikací použití laserů ke značkování cílů vojenských útoků (tzv.“chytrých bomb“). Tyto systémy využívají okem neviditelných infračervených laserů, které označí cíl bez zpozorování nepřítelem. Laserem naváděné střely mají svůj systém detekce odraženého laserového záření, podle kterého se navádí na cíl, jež mají zasáhnout.

Studenti se dále seznámí s následujícími oblastmi:

Zdroje a detektory optického záření

Zdroje optického záření jsou založeny založeny na různých fyzikálních principech. K vyzařování (emisi fotonů) dochází v látkách pomocí různých fyzikálních procesů (teplotní záření, luminiscence, elektrický výboj, stimulovná emise - laser). Různé typy zdrojů mají různé optické vlastnosti (spektrální složení, prostorová vyzařovací charakteristika).

Detektory optického záření (fotodetektory) představují senzory elektromagnetické energie, které měří fotonový tok nebo optický výkon transformací energie absorbovaných fotonů do měřitelné formy. Jejich konstrukce závisí na charakteru detekovaného záření (rozsah vlnových délek, optický výkon, apod.). Fotodetektory jsou základním prvkem jakýchkoliv optických měřicích a zobrazovacích systémů.

Základy fotovoltaiky

Velice důležitou a vysoce progresivní oblastí optoelektroniky je oblast fotovoltaiky, tj. transformace energie slunečního záření na energii elektrickou. K tomu se využívají různé typy tzv. fotovoltaických článků. Transformace energie probíhá na základě fotovoltaického jevu v solárních článcích. Pro konstrukci solárních článků se využívá především křemíku, ale i jiných polovodičů, tenkých vrstev na bázi organických polymerů a nanokrystalů křemíku.