Laserová technologie

  I. ÚVOD

  Světlo vždy hrálo ústřední roli ve studiu fyziky, chemie a biologie. Světlo je klíčem jak pro vývoj vesmíru, tak pro vývoj života na zemi. V tomto století byla na naší malé planetě objevena nová forma světla, laserové světlo, které již usnadňuje globální transformaci informací a poskytuje významné příspěvky k medicíně, zpracování průmyslových materiálů, ukládání dat, tisku a defektu. Tato recenze bude sledovat vývoj v oblasti vědy a techniky, který vedl k vynalezu laseru a poskytne několik příkladů, jak lasery přispívají jak k technologickým aplikacím, tak k pokroku v základních vědách. Existuje mnoho dalších vynikajících zdrojů, které pokrývají různé aspekty laserů a laserové techniky, včetně článků z 25. výročí laseru (Ausubel a Langford, 1987) a učebnic (např. Siegman, 1986; Agrawal and Dutta, 1993; Ready, 1997).

  Zesílení světla stimulací emise záření (LASER) je dosaženo vzrušením elektronických, vibračních, rotačních nebo družstevních režimů materiálu do nerovnovážného stavu tak, aby fotony propagující systém byly koherentně zesilovány stimulovanou emisí. Excitace tohoto optického ziskového média může být provedena použitím optického záření, elektrického proudu a výboje nebo chemických reakcí. Amplifikační médium se umístí do struktury optického rezonátoru, například mezi dvěma zrcátky s vysokou odrazivostí v konfiguraci interferometru Fabry Perot. Když zisk fotonového čísla pro optický režim dutinového rezonátoru přesahuje ztrátu dutiny, stejně jako ztráta z nerradiacích a absorpčních procesů, souvislá amplituda stavu módu se zvyšuje na úroveň, kde je průměrné fotonové číslo v režimu větší než jedna. Na úrovních čerpadel nad touto prahovou podmínkou je systém laserem a stimulace emisí převládá spontánní emisí. Laserový paprsek je typicky spojen z rezonátoru částečně vysílajícím zrcadlem. Úžasně užitečné vlastnosti laserového záření zahrnují prostorovou koherenci, úzkou spektrální emisi, vysoký výkon a dobře definované prostorové režimy, takže paprsek může být zaměřen na omezenou velikost difrakční plochy, aby se dosáhlo velmi vysoké intenzity. Vysoká účinnost generování laserového světla je důležitá v mnoha aplikacích, které vyžadují nízké příkony a minimální tvorbu tepla.

  Když je detekován koherentní stavový laserový paprsek za použití fotonových počítání, rozložení počtu fotonů v čase je Poissonian. Například zvukový výstup vysokofrekvenčního fotonásobiče, který detekuje laserové pole, zní jako déšť v neustálém ledě. Tento laserový šum může být modifikován ve zvláštních případech, např. Konstantním proudovým čerpáním diodového laseru, aby se dosáhlo stlačeného číselného stavu, kde detekované fotony budou znít spíše jako kulomet než déšť.

Optický zesilovač je dosažen, pokud médium zesílení není v rezonanční dutině. Optické zesilovače mohou dosáhnout velmi vysokého zisku a nízkého šumu. Ve skutečnosti mají v současné době hodnoty šumu v rozsahu několika dB hranice kvantového šumu o délce 3 dB pro fázově necitlivý lineární zesilovač, tj. Přidávají na hluk vstupního signálu něco málo více než dva faktory. Optické parametrické zesilovače (OPA), u kterých je dosaženo signálu zesíleno pomocí nelineárního spojení čerpadlového pole se signálovými režimy, mohou být konfigurovány pro přidání méně než 3 dB šumu ke vstupnímu signálu. V OPA může být hluk přidaný ke vstupnímu signálu ovládán šumem čerpadla a hluk způsobený paprskem laserové pumpy může být zanedbatelně malý ve srovnání s velkou amplitudou pole čerpadla.

  II.HISTORY

  Einstein (1917) poskytl první základní myšlenku pro laser, stimulovanou emisi. Proč nebyl laser vynalezen dříve ve století? Hodně z rané práce na stimulovaných emisních koncentrátech na systémech v blízkosti rovnováhy a laser je vysoce nerovnovážný systém. Při zpětném pohledu by laser mohl být snadno koncipován a prokázán s použitím výboje plynu během období intenzivních spektroskopických studií od roku 1925 do roku 1940. Nicméně to trvalo mikrovlnné technologie vyvinuté během druhé světové války vytvořit atmosféru pro koncept laseru. Charles Townes a jeho skupina v Columbii koncipovali masér (mikrovlnná amplifikace stimulovanou emise záření), založenou na jejich pozadí v mikrovlnné technologii a jejich zájmu o mikrovlnnou spektroskopii s vysokým rozlišením. Podobné myšlenkové myšlenky se vyvinuly v Moskvě (Basov a Prokhorov, 1954) a na univerzitě v Marylandu (Weber, 1953). První experimentálně ukázaný masér na Kolumbijské univerzitě (Gordon et al., 1954, 1955) byl založen na molekulárním paprsku amoniaku. Bloembergenovy nápady na získání tří úrovňových systémů vedly k prvnímu praktickému zesilovači maseru v rubínovém systému. Tato zařízení mají čísla hluku velmi blízko kvantové hranice a byly použity Penziasem a Wilsonem při objevu kosmického záření.

  Townes byl přesvědčen, že masérský koncept by mohl být rozšířen na optickou oblast (Townes, 1995). Narodila se myšlenka o laseru (Schawlow a Townes, 1958), když diskutoval o myšlence s Arthurem Schawlowem, který se domníval, že rezonátorové režimy interferometru Fabry-Perot by mohly snížit počet režimů interagujících se ziskovým materiálem pro dosažení vysokého zisku pro jednotlivý režim. První laser byl demonstrován v flash lampě čerpaném rubínovým krystalem Tedem Maimanem v Hughes Research Laboratories (Maiman, 1960). Krátce po ukázání impulzních krystalových laserů byl v laboratořích Bell Laboratories (Javan et al., 1961) nejprve v rozmezí 1,13 μm a později na červené 632,8 nm vlnová délka přechodu laseru. Vynikající článek o narození laseru je publikován ve speciálním vydání Physics Today (Bromberg, 1988).

Masér a laser iniciovali pole kvantové elektroniky, která zahrnuje disciplíny fyziky a elektrotechniky. Pro fyziky, kteří se domnívali především na fotony, byly některé laserové koncepty obtížně srozumitelné bez koherentních koncepcí vln v elektrotechnickém společenství. Například, šířka laserového řádku může být mnohem užší než limit, který by mohl být považován za implikovaný spontánní životností laserového přechodu. Charles Townes vyhrál láhev skořápky nad tímto bodem od kolegy z Kolumbie. Laser a masér také krásně demonstrují výměnu nápadů a podnětů mezi průmyslem, vládou a univerzitním výzkumem.

  Zpočátku v období 1961 až 1975 bylo několik aplikací na laser. Bylo to řešení, které hledalo problém. Od poloviny sedmdesátých let došlo k explozivnímu růstu laserové technologie pro průmyslové aplikace.

Výsledkem tohoto technologického růstu je nová generace laserů, včetně polovodičových diod laserů, lasery pro barvivo, ultrafialové režimy uzamčené Ti: sapphire lasery, oscilátory optických parametrů a parametrické zesilovače, které v současné době usnadňují nové výzkumné průniky ve fyzice, chemii , a biologie.

  III.LASERY VE STŘEDU

  Schawlowův "zákon" říká, že všechno je lačné, pokud je čerpáno natolik tvrdě. Téměř tisíce materiálů byly demonstrovány jako lasery a optické zesilovače, což vede k velkému rozmezí laserových velikostí, vlnových délek, délky impulzů a sil. Laserové vlnové délky se pohybují od infračerveného záření až po oblast paprsků. Pro výzkum dynamiky materiálů jsou k dispozici laserové pulsy, které jsou kratší než několik femtosekund. Maximální síly v rozsahu petawattů se nyní dosahují zesílením impulsů femtosekund. Když se tyto úrovně výkonu zaměřují na bod s omezenou difrakcí, intenzity se blíží 1023 W / cm2. Elektrony v těchto intenzivních polích jsou během jednoho optického cyklu zrychleny do relativistického rozsahu a lze studovat zajímavé kvantové elektrodynamické účinky. Fyzika ultra-krátkých laserových impulzů je přezkoumána v této sté výroční sérii (Bloembergen, 1999).

  Nedávným příkladem velkého výkonného laseru je chemický laser založený na přechodu jodu o vlnové délce 1,3 μm, který je představován jako obranná zbraň (Forden, 1997). Mohlo by být namontováno v letadle Boeing 747 a produkovalo by průměrné síly 3 megawattů, což odpovídá 30 baterkám acetylenu. Nové pokroky ve vysoce kvalitních dielektrických zrcadlech a deformovatelných zrcadlech umožňují, aby byl tento intenzivní paprsek spolehlivě zaměřen na malé rakety nesoucí biologické nebo chemické látky a zničit ji ze vzdáleností až 100 km. Tento útok "hvězdných válek" může být proveden během zahajovací fáze cílové řízené střely, takže části zničené rakety spadnou zpět na raketu, což je docela dobrá odrazující funkce pro tyto zlé zbraně. Kapitán Kirk a loď Enterprise to mohou použít na Klingonech!

  Na opačném konci rozsahu velikosti laseru jsou mikroskopy tak malé, že v rezonátoru s objemem v rozsahu femtolitru je obsaženo pouze několik optických režimů. Tyto rezonátory mohou mít formu kroužků nebo disků o průměru jen několika málo mikrometrů, které používají úplné vnitřní odraz místo běžných zrcadel s dielektrickým stohovačem, aby získaly vysokou odrazivost. Pro VCSELs (vertikální dutiny vyzařující povrch), které vytvářejí vysoce kvalitní optické paprsky, které mohou být efektivně spojeny s optickými vlákny (Choquette a Hou, 1997), se používají dutiny Fabry Perot jen zlomek mikronu. VCSEL mohou najít rozsáhlou aplikaci v optických datových linkách.

  Celosvětový prodej laserů na primárních trzích pro rok 1997 (Anderson, 1998, Steele, 1998) je schematicky znázorněn na obr. 1. Celkový prodej laserů dosáhl 3,2 miliardy dolarů a roční tempo růstu téměř 27% přesáhne 5 miliard dolarů do roku 2000. Celosvětová distribuce prodeje laserů je 60% v USA, 20% v Evropě a 20% v Pacifiku. Polovodičové diodové lasery představují téměř 57% laserového trhu v roce 1997. Diodové lasery v telekomunikacích tvoří 30% celkového trhu.

Zpracování materiálů je druhým největším trhem s aplikací jako svařování, pájení, vzorování a řezání tkanin. Kolem příjmů v této kategorii představují CO2 lasery s průměrnými výkony v rozsahu 100 W. Vysoce výkonné diodové lasery s výkonovými úrovněmi mezi 1 a 20 W a vlnovými délkami v rozsahu 750 až 980 nm nyní najdou širokou škálu aplikací v oblasti zpracování materiálů, oční a chirurgické aplikace, přístrojové vybavení a snímání.

  Růst aplikací lékařských laserů je z velké části způsoben kosmetickými laserovými postupy, jako je resurfacing pokožky a odstranění chloupků. Velká část lékařských laserů se stále používá v oftalmologických a obecných chirurgických aplikacích.

  Frekvence se zdvojnásobila Nd: YAG lasery a diodové laserové systémy nahrazují argonové lasery v oftalmologii. Nové lasery, včetně erbiumdoped YAG laseru, se široce používají v dermatologii, stomatologii a oftalmologii.

  Optické úložiště představuje 10% trhu, kde se nacházejí lasery používané v přehrávačích kompaktních disků (CD) pro zábavní i počítačové trhy. GaAs polovodičový laser u vlnových délek 800 nm pro tyto aplikace jsou dnes vyráběny tak účinně, že náklady na laser jsou až na 1 dolar každý. Více než 200 milionů diodových laserů s vlnovou délkou 750 až 980 nm a výkonem několika milliwattů bylo prodáno pro optické ukládání v roce 1997.

 Příchod digitálních video disků (disků DVD) s kapacitou 4,7 GB úložné kapacity a modrými diodovými lasery (DenBaars, 1997) povede k dalšímu růstu v této oblasti.

  Aplikační laserové aplikace zahrnují stolní počítačové tiskárny, faxy, kopírky a komerční tisk (Gibbs, 1998). Jednoduché diodové lasery s jednoduchým režimem, které vysílají vlnové délky 780 až 670 nm, se používají v obrazových zapisovačích používaných pro výrobu filmů s odbarvováním barev s vysokou citlivostí v tomto rozsahu vlnových délek. Tato laserová technologie barevného tisku kombinuje software pro stolní publikování, který umožňuje vysoce kvalitní návrhy stránek. Technologie počítače na desky je dalším důležitým vývojem v oblasti tisku. Plocha tiskové desky je přímo zobrazena expozicí laserovým paprskem místo použití barevných separací založených na filmu. Fotopolymerní desky mohou být například vystaveny kmitočtově zdvojeným diodům s čerpáním Nd: YAG laserem při vlnové délce 532 nm. Nedávno byly vyvinuty tepelně citlivé desky pro použití s ​​lasery s téměř infračerveným vzorkováním.

  Trhy laserového dálkového snímání zahrnují vyhýbání se kolizím v automobilovém průmyslu, detekci atmosférických chemikálií a detekci pohybu vzduchu. Rozsah laseru poskytuje podrobné výškové mapy země včetně masového pohybu půdy, biomasy, pokrytí oblačností a zákalu a vývoje ledového víčka. Laser od satelitů dokáže dosáhnout subcentimetru rozlišení elevátorských prvků a pozemního hromadného pohybu na zemi. Měsíc, Mars a další planety jsou také mapovány laserem. Pro planety se přesnost měření pohybuje mezi metry a centimetry. Podrobné rysy ledové čepice na Marsu, stejně jako mraky v blízkosti lemu, byly nedávno zmapovány.

Laserové aplikace ve výzkumu, skenování čárových kódů, kontrola, umění a zábava jsou malé, ale významné trhy. Lasery prodávané za základní výzkum v roce 1997 představovaly výnosy ve výši 132 milionů dolarů. Nízká spotřeba energie, frekvenční dvojnásobné zdroje diod, které vyzařují zelenou energii kolem úrovně 10 W, se používají jako lasery pro laserové laserové ladění jako jsou Ti: safírové laserové a optické parametrické zesilovače. Dokonce i stolní výzkumný laser může dosáhnout režimu petawattového špičkového výkonu s velkými objemovými optickými zesilovači. Tyto vysoce laditelné ultra krátké impulzy vedou k pokroku v mnoha oblastech výzkumu.

  IV.LASERY V KOMUNIKACI

  Zdroje laserového světla způsobily revoluci v komunikačním průmyslu. Hlasová komunikace zvýšila poptávku po kapacitě přenosu informací stálým tempem až do poloviny sedmdesátých let. Doba zdvojnásobení přenosové kapacity během tohoto období byla přibližně 8 let. Základní rychlost dat byla v rozmezí 10 až 80 kHz na základě přenosu zvuku. Během tohoto období byly první měděné dráty a pak mikrovlnné trouby primární komunikační technologie. V osmdesátých letech se začal zvyšovat výskyt výbušných informací, přičemž do informačního toku byly přidány data, fax a obrázky. Nová technologie komunikace s optickými vlákny s využitím zdrojů laserového světla byla vyvinuta, aby udržovala krok s touto novou poptávkou. Příchod globálního internetu vedl k ještě překvapivějšímu výbuchu v poptávce po kapacitách. Na zdroji dat jsou počítačové terminály využívány k přístupu na internet v domácnostech a obchodech po celém světě, což vede ke zvýšení datových rychlostí exponenciálně. Vzhledem k tomu, že počítačové rychlosti pracovních stanic přiblíží 1000 MIPS, budou vyžadována vláknová komunikační spojení s počítačem v rozsahu 1000 Mb / s. Všimněte si náhodnosti těchto poměrů a obojí se zvyšuje exponenciálně. Je zřejmé, že i nadále bude existovat exponenciálně rostoucí poptávka po kapacitě přenosu informací. V reakci na tento požadavek se kapacita informací na jednom optickém vláknu za poslední čtyři roky v letech 1994 až 1998 zvýšila 160 krát v komerčních systémech z 2,5 Gbit / sec na 400 Gbit / s.

  Toto úžasné zvýšení bylo dosaženo použitím až 100 různých laserových vlnových délek (multiplexování dělení vlnových délek, DWDM) na každém vláknu. Datové rychlosti při jediné vlnové délce se v současné době zvýšily z desítek Mbits / sec v sedmdesátých letech na 10 Gb / s a ​​pravděpodobně budou použity 40 Gbit / s před přelomem století.

  Tato informační revoluce přetváří globální komunitu stejně silně jako revoluce tiskové tiskárny a průmyslová revoluce přetvářila jejich světy. Dvě ze základních technologií, které podporují informační revoluci, jsou polovodičový diodový laser a vláknový optický zesilovač dotovaný erbiem. Širokoúhlý, velmi intenzivní a úzké šířky čáry spojené s laserovými oscilátory a zesilovači jsou naprosto nezbytné pro komunikační systémy optických vláken. Širší šířka pásma nesouvislých zdrojů, jako jsou světelné diody nebo zdroje tepla, dosahuje řady řádů potřebných intenzit a spektrálních linewidthů.

Polovodičové laserové diody byly nejprve demonstrovány v roce 1962 v GE, IBM a Lincoln Laboratories jako homojunkční zařízení založená na III-V materiálech. Historie těchto časných diodových laserů a jejich odkazů lze nalézt v Agrawal a Dutta (1993). Při první heterojunkční teplotě GaAs / AlGaAs byly lasery s kontinuální vlnovou diodou provozovány v roce 1970 Hayashi a Panish (Hayashi et al., 1970) u laboratoří Bell a Alferov (Alferov et al., 1970) v Rusku, jejich životnost byla měřena v několika minutách. Od té doby se spolehlivost diodového laseru dramaticky zvýšila. Životnost diodového laseru se v současné době odhaduje na stovky let a stabilita vlnové délky je větší než 0,1 nm po dobu 25 let. Tyto úžasné stabi- lity jsou nezbytné pro nové systémy DWDM s více než 100 kanály vlnových délek v rozsahu vlnových délek 100 nm. Vzhledem k tomu, že optimální vlnová délka pro nízké ztráty křemenného vlákna se v průběhu sedmdesátých let zvýšila ve vlnové délce od 800 nm do 1500 nm, vlnové délky diodových laserů následovaly vývoj z GaAs do systému InGaAsP. Během pozdních osmdesátých a počátku devadesátých let kvantová jamka nahradila objemový polovodič v oblasti aktivního optického zisku, aby se zlepšily laserové provozní charakteristiky. Schéma současného telekomunikačního diodového laseru integrovaného s elektro-absorpčním modulátorem je znázorněno na obr. 2. Celkové rozměry jsou menší než 1 mm. Zvýšená oblast indexu lomu a skrytá distribuovaná zpětná vazba (DFB), pod aktivními kvantovými jamkami, definuje laserovou optickou dutinu a vlnovou délku laseru.

  Komunikační systémy s optickými vlákny také silně spoléhají na vláknový zesilovač dotovaný erbiem, který byl vyvinut koncem osmdesátých let (Urquhart, 1988). Tyto zesilovače jsou vysoké

Obr. 2. Schematický diagram polovodičové laserové diody s elektroabsorpčním modulátorem používaným v optických komunikačních systémech. (S laskavým svolením R. L. Hartmana, Lucent Technologies) zisk, obvykle kolem 25 dB, a nízké hladiny šumu blízko hranice 3 dB kvantového šumu pro lineární fázově necitlivý zesilovač. Zisk v těchto zesilovačích může být vyrovnán na šířkách pásma až do 100 nm, pokrývajících téměř čtvrtinu oken křemenných vláken s nízkou ztrátou mezi vlnovými délkami 1,2 a 1,6 μm. Systémy s optickými vlákny mohou být "transparentní" po tisíce kilometrů pomocí erbiumdoped vláknových zesilovačů umístěných ve vzdálenostech přibližně 80 km, kde ztráty vláken dosáhnou 20 dB.

  Jak se století zavře, rychle přistupujeme k základním fyzikálním limitům pro lasery, optické zesilovače a vlákna z oxidu křemičitého. Řada laserových linek je v rozsahu 10 MHz, omezena zásadními spontánními fluktuacemi emisí a vazbou indexu zisku v polovodičových materiálech. Počet fotonů v detekovaném datovém klíči se blíží k základní hranici přibližně 60 fotonů, která je nutná při použití koherentních stavů laserových světelných polí, aby se udržovala chybová frekvence menší než 1 část v 109. Účinnost využití šířky pásma 1 bit / sec / Hz byl nedávno prokázán. Šířka pásma optického zesilovače dosud nepřekročila šířku 400 nm oken s nízkou ztrátou vlákna, ale rychle se rozšiřují. Základní limity uložené nelineárními a disperzními deformacemi v křemičitých vláknech činí přenos dat rychlostí přes 40 Gbit / s velmi obtížně na dlouhé vzdálenosti. Optické solitony mohou být použity k vyrovnání těchto deformací, ale i pro solitony zůstávají základní limity pro systémy s vysokou přenosovou rychlostí, s více vlnovými délkami. Kapacita kapacit kanálu uložená teorií informací je na obzoru. Je zjevnou výzvou, aby v příštích stoletích našla ještě větší schopnost přenosu informací pro neustále se rozšiřující touhu komunikovat.

V. ZPRACOVÁNÍ MATERIÁLŮ A LITOGRAFIE

  Vysoce výkonné lasery CO2 a Nd: YAG se používají pro širokou škálu gravírování, řezání, svařování, pájení a 3D prototypování. rf-excitované, uzavřené CO2 lasery jsou komerčně dostupné, které mají výstupní výkony v rozsahu 10 až 600 W a mají životnost přes 10 000 hodin. Aplikace pro řezání laserem zahrnují plachty, padáky, textil, airbagy a krajky. Řezání je velmi rychlé, přesné, nedochází k vyjímání okrajů a získá se čistá pojistná hrana, která eliminuje roztržení materiálu. Komplexní návrhy jsou obohaceny o dřevo, sklo, akrylát, gumové razítka, tiskové desky, plexisklo, nápisy, těsnění a papír. Třírozměrné modely se rychle vyrábějí z plastů nebo dřeva pomocí počítačového souboru CAD (počítačové podpory).

  Fiber lasery (Rossi, 1997) jsou nedávným přírůstkem do oblasti zpracování materiálů. První lasery s vlákny byly demonstrovány v laboratořích Bell Laboratories s použitím krystalických vláken ve snaze vyvinout lasery pro komunikaci podmořských světelných vln. Doposud byly vyvinuty dopované lasery s křemennými vlákny. Během pozdních osmdesátých lét vědci v Polaroid Corp a na univerzitě v Southamptonu vynalezli optické vláknové lasery. Sklo obklopující vodicí jádro v těchto laserech slouží jak k vedení světla v jádru s jedním modelem, tak i k multimodovému potrubí pro světlo čerpadla, jehož šíření je omezeno na vnitřní obložení vnějším polymerem s nízkým indexem lomu. Typické provozní schémata v současné době používají multifunkční diodový laserový sloupek o průměru 20 W, který efektivně spojí do oblasti vnitřního obložení s velkým průměrem a je absorbován dopedovanou oblastí jádra po celé své délce (typicky 50 m). Dopanty v jádru vlákna, které poskytují zisk, mohou být erbium pro oblast s vlnovou délkou 1,5 um nebo pro ytterbium pro oblast 1,1 μm. Vysoce kvalitní zrcadla dutiny jsou uložena přímo na koncích vlákna. Tyto vláknové lasery jsou extrémně účinné, s celkovou účinností až 60%. Kvalita paprsku a efektivita dodávky jsou vynikající, protože výstup je vytvořen jako výstup jednoho druhu vlákna. Tyto lasery nyní disponují výstupními výkony v rozmezí 10 až 40 W a životností téměř 5000 hodin. Současné aplikace těchto laserů zahrnují mikromechanické součásti žíhání, řezání nerezových dílů o tloušťce 25 až 50 μm, selektivní pájení a svařování složitých mechanických dílů, značení plastových a kovových součástí a tiskové aplikace.

  Excimerové lasery začínají hrát klíčovou roli ve fotolitografii, která se používá při výrobě čipů VLSI (velkoplošný integrovaný obvod). Vzhledem k tomu, že pravidla IC (integrovaný obvod) se snižují z 0,35 μm (1995) na 0,13 μm (2002), vlnová délka zdroje světla použitého pro fotolitografické vzorování se musí odpovídajícím způsobem snížit z 400 nm na méně než 200 nm. Během počátku devadesátých let bylo ortuťovým obloukem dosaženo dostatečného výkonu při dostatečně krátkých vlnových délkách 436 nm a 365 nm pro vysokou rychlost výroby IC zařízení s koncepcí 0,5 μm a 0,35 μm. Protože století uzavírá excimerové laserové zdroje s průměrnými výstupními výkony v rozsahu 200 W, nahrazují oblouky rtuti. Extrémně dlouhé vlnové délky excimerových laserů jsou dostatečně široké, aby zabránily tvorbě roztřepení, přesto však dostatečně úzké, šířce vlnových délek menší než 2 nm, aby se zabránilo větším problémům s disperzí v optickém zobrazování. Excimerové laserové záření kryptonového fluoridu (KF) při vlnové délce 248 nm podporuje pravidla návrhu o průměru 0,25 μm a pravděpodobně se použije ArF laserový přechod při 193nm, začínajícími s konstrukčními pravidly o velikosti 0,18 μm. Při ještě menších konstrukčních pravidlech až do 0,1 μm do roku 2008 je možné použít vlnovou délku excimerového laseru F2 při 157 nm, ačkoli v současnosti neexistují žádné fotorezisty pro tuto vlnovou délku. Vyšší harmonické polovodičových laserů jsou také možnosti jako vysoce výkonné zdroje UV záření. Při ještě kratších vlnových délkách je pro optické prvky a fotorezisty velmi obtížné splnit požadavky v litografických systémech. Elektronové paprsky, x paprsky a synchrotronové záření jsou stále zvažovány pro pravidla designu 70 nm očekávaná pro rok 2010 a dále.

VI.LASERY V LÉKAŘI

  Lasery s vlnovými délkami od infračerveného záření přes UV se používají v medicíně pro diagnostické i terapeutické aplikace (Deutsch, 1997). Lasery interagují s nehomogenními tkáněmi absorpcí a rozptylem.

  Absorbéry zahrnují melaninový kožní pigment, hemoglobin v krvi a bílkoviny. Při vlnových délkách delších než 1 μm je primárním absorbérem voda. Barviva mohou být také zavedeny do tkáně pro selektivní absorpci. Například při fotodynamické terapii mohou být do systému zavedeny fotosenzibilizátory barviva hematoporfyrinů, které absorbují v rozsahu vlnových délek 630 nm až 650 nm a používají se k léčbě rakovinových nádorů lokálním laserovým zářením v močovém traktu nebo jíceně. Rozptýlení v tkáni omezuje pronikání záření; například při vlnové délce 1 μm rozptylu omezuje hloubku průniku na několik milimetrů. Rozptylové procesy se zkoumají v naději, že budou získány obrazy s vysokým rozlišením pro screening rakoviny prsu. Laserová interakce s tkáněmi závisí na tom, zda je laser pulzován nebo CW. Krátké laserové impulsy, při nichž nedochází k pulsním difúze, mohou být použity k omezení hloubky laserových efektů. Tento jev spolu se selekčním laděním laserové vlnové délky se používá v dermatologii pro léčbu kožních lézí a při odstraňování pavoučích žil, tetování a vlasů. Nelineární interakce také hrají důležitou roli. Například rozštěpení indukované laserem se používá k fragmentaci ledvin a žlučníku.

  Vzhledem k tomu, že vnitřek oka je snadno přístupný světlem, byly oční aplikace prvním rozšířeným používáním lasery v medicíně. Argonové lasery jsou již mnoho let používány k léčbě oddělení sítnice a krvácení z retinálních cév. Rozšířená dostupnost laserů CO2 a Nd: YAG, které tkaly tkáň a zároveň koagulovaly krevní cévy, vedly k jejich časnému použití ve všeobecném chirurgickém zákroku. Laser Er: YAG byl nedávno zaveden pro zubní aplikace s příslibem dramatického snížení bolesti, jistě vítaným přínosem laserové technologie.

  Diagnostické postupy používající laser rychle proliferují. Některé techniky jsou široce používány v klinické praxi. Například průtokový cytometr používá dva zaostřené laserové paprsky pro postupné vyvolání fluorescence buněčných částic nebo molekul tekoucích v kapalině tryskou. Naměřené fluorescenční signály lze použít pro třídění nebo analýzu buněk. Rutinní klinické aplikace průtokové cytometrie zahrnují imunofenotyp a měření obsahu DNA. Průtokové cytometry slouží k fyzickému oddělení velkého počtu lidských chromozomů. Řízené chromozomy poskytují DNA šablony pro konstrukci rekombinantních DNA knihoven pro každý z lidských chromozomů. Tyto knihovny jsou důležitou součástí genetického inženýrství.

  Nová laserová léčebná zobrazovací technika (Guillerem et al., 1997) založená na laserové technologii nazvané optická koherentní tomografie (OCT) dosahuje prostorového rozlišení tkání v rozmezí 10 μm. Rozlišení pomocí ultrazvukových a magnetických rezonancí (MRI) je omezeno na rozsah 100 μm až 1 mm. Nová technika OCT s vysokým rozlišením je dostatečně citlivá, aby detekovala abnormality spojené s rakovinou a aterosklerózou v počátečních fázích. Technika OCT je podobná ultrazvuku, ale využívá jasného širokého širokopásmového spektrálního spektra spektra s délkou koherence přibližně 10 μm, což má za následek nejméně rádové zlepšení rozlišení u akustických a MRI technik. Zdrojem může být super luminiscenční dioda, Cr: forsterite laser, nebo režim Ti-Sapphire laser. OCT provádí optické rozložení v tkáních pomocí interferometru Michelson z optických vláken. Vzhledem k tomu, že rušení je pozorováno pouze tehdy, když délka optické dráhy vzorku a referenční ramena interferometru odpovídají délce koherence zdroje, dosáhne se přesnosti měření vzdálenosti. Amplituda odrazeného / rozptýleného signálu jako funkce hloubky se získá změnou délky referenčního ramene interferometru. Průřezový obraz se vytváří při zaznamenávání sekvenčních profilů axiálního odrazu / rozptylu, zatímco pozice paprsku je skenována přes celý vzorek. Nedávné studie ukázaly, že OCT může zobrazovat architektonickou morfologii ve vysoce rozptylujících tkáních, jako je sítnice, kůže, cévní systém, gastrointestinální trakt a vývoj embryí. Obraz králíkové průdušnice získaný použitím této techniky ve spojení s kateterendoskopem je znázorněn na obr. 3. OCT je již klinicky používán k diagnostice širokého spektra retinálních makulárních onemocnění.

Efektivní a nová optická technika využívající spinpolarizované plyny (Mittleman et al., 1995) se vyvíjí, aby zvýšila MRI obrazy plic a mozku. Jaderné toky v plynech Xe a 3He jsou vyrovnány pomocí kruhově polarizovaného laserového záření. Tato zarovnaná jádra mají magnetizaci téměř 105krát větší než protony, které se běžně používají pro zobrazování pomocí MRI. Xenon se používá jako mozková sonda, protože je rozpustný v tucích. V oblastech, jako jsou plic, které neobsahují dostatek vody pro snímky s vysokým kontrastem MRI, 3He poskytuje obrázky s vysokým kontrastem. Dá se dokonce sledovat, že do tekutin v plicích proudí pro funkční diagnostiku.

  VII.LASERY V BIOLOGII

  Laserové aplikace v biologii mohou být ilustrovány dvěma příklady, laserovými pinzety a dvoufotonovými mikroskopy,

Obr. 3. obrazy optické koherentní tomografie obrazové trachey králíků in vivo. (a) Tento obraz umožňuje vizualizaci různých architektonických vrstev, včetně epitelu (e), sliznice (m), chrupavky (c) a tukové tkáně (a).

  Tracheální sval (tm) lze snadno identifikovat. (B) Odpovídající histologie. Bar, kopie 500 μm. Když je kolimované laserové světlo zaostřené blízko nebo uvnitř malého dielektrického těla jako biologická buňka, refrakce světla v buňce způsobuje efekt čočky. Sílu se buňce přenáší přenosem hybnosti z ohybového světelného paprsku. Arthur Ashkin u společnosti Bell Laboratories (Ashkin, 1997) zjistil, že změnou tvaru a polohy ohniskového objemu v mikroskopickém uspořádání může být buňka snadno přemístěna nebo uchycena pomocí těchto "laserových pinzetů" pomocí intenzity světla téměř 10 W / cm2. Při těchto úrovních osvětlení a vlnových délkách v blízké infračervené oblasti nedochází k významnému poškození nebo ohřevu buněčných složek. Laserové pinzety se nyní používají k pohybu subcelulárních těles, jako jsou mitochondrie uvnitř buňky (Sheetz, 1998). Technika pinzety lze také použít k roztažení řetězců DNA do lineárních konfigurací pro podrobné studie. Dvě laserové paprsky mohou být použity k stabilizaci buňky a pak třetí laserový paprsek s jinou délkou vlny, lze použít pro spektroskopické nebo dynamické studie. Pulzní lasery se používají jako "nůžky", které provádějí specifické modifikace v buněčných strukturách nebo dělají malé otvory v buněčných membránách, takže molekuly nebo genetické materiály mohou být selektivně zavedeny do buňky.

Obr. 4. (Barva) Dvoufotonový konfokální mikroskop fluorescenční obraz živé Purkenji buňky v mozku. Rozměry buněk jsou řádově 100 um.

  Skenování konfokální a dvou fotonové optické mikroskopie jsou vynikajícími příklady příspěvku laserové technologie k biologii. Trojrozměrné zobrazování nervových buněk téměř 200 μm do fungujících mozků a vyvíjejících se embryí je nyní realitou. Praktické konfokální mikroskopy přicházely do konce osmdesátých let široce využívané jako důsledek spolehlivých laserových světelných zdrojů. Rozlišování čočky v konfokálním mikroskopu se používá jak k zaostření světla na difrakční omezené místo, tak opět k zobrazení primárně signálních fotonů, tj. Těch, které nejsou vzorkem silně rozptýleny, na otvor. I když jsou získány obrazy s vysokým rozlišením 3D, tento režim jednotlivých fotonů je neuskutečnitelným používáním osvětlovacího světla, jelikož hlavní zlomek je rozptýlen z otvoru nebo je absorbován vzorkem. Při fluorescenční mikroskopii je zvláště omezujícím faktorem pro fotofonální konfokální mikroskopii fotodamage na fluorofor.

Multiphotonová skenovací konfokální mikroskopie byla představena v roce 1990 a řeší mnoho problémů jednotlivých fotonových technik. Typický fotonový mikroskop využívá krátké 100 fs impulzů z uzamčeného laseru Ti: safírový režim při průměrné úrovni výkonu téměř 10 mW. Vysoká intenzita na špičce každého impulzu způsobuje silnou absorpci dvou fotonů a fluorescenci pouze v malém ohniskovém objemu a veškeré fluorescenční záření je možné shromažďovat s vysokou účinností. Vzrušující světlo je vybráno pro minimální absorpci a poškození jednotlivých fotonů, takže technologie dvou fotonů má velmi vysoké rozlišení, nízké poškození a hluboké proniknutí.

  Krásný fotonový fluorescenční obraz živé Purkenjiho buňky v mozku je znázorněn na obr. 4 (Denk a Svoboda 1997). Neokorové pyrimidální neurony ve vrstvách 2 a 3 krysích somatosenzorických kůry byly zobrazeny v hloubkách 200 μm pod povrchem mozku. Ještě působivější jsou filmy s vývojem embryí. Embryonální mikroskopie je obzvláště citlivá na fotodynamiku a dvoufotonová technika otvírá nové perspektivy v této oblasti.

  VIII.LASERS IN PHYSICS

  Laserová technologie stimulovala renesanci v spektroskopii v celém elektromagnetickém spektru. Úzká laserová šířka, velké síly, krátké impulsy a široká škála vlnových délek umožňují nové dynamické a spektrální studie plynů, plazmatů, skel, krystalů a kapalin. Například studium rozptylu Ramana z phononů, magnónů, plazmonů, rotonů a excitací v 2D elektronových plynech vzkvétalo od vynálezu laseru. Nelineární laserové spektroskopie vedly k velkému nárůstu přesnosti měření, jak je popsáno v článku v tomto svazku (Hainsch a Walther 1999).

  Frekvenčně stabilizované barvicí lasery a diodové lasery přesně naladěné na atomové přechody vedly k ultracold atomům a Bose Einstein kondenzáty, také popsané v tomto objemu (Wieman et al., 1999). Kontrola atomového státu a měření nekonzervace atomové parity dosáhly přesnosti, která umožňuje testování standardního modelu ve fyzice částic, stejně jako zásadní hledání nové fyziky nad rámec standardního modelu. V nedávných paritních experimentech nekonzervace (Wood et al., 1997) se atomy Ce připravují ve specifických elektronických stavech, když procházejí dvěma červenými diodovými laserovými paprsky. Tyto připravené atomy pak vstupují do rezonátoru optické dutiny, kde jsou atomy excitovány na vyšší energetickou hladinu vysoce intenzivním zeleným světlem vstřikovaným do dutiny z kmitočtově stabilizovaného laseru. Aplikované elektrické a magnetické pole v této excitační oblasti mohou být obráceny, aby vytvořily zrcadlené prostředí pro atomy.

  Po ukončení atomu excitační oblasti se rychlost excitace atomů měří pomocí třetího červeného diodového laseru. Velmi malé změny v této excitační rychlosti se zrcadlením použitých elektrických a magnetických polí naznačují paritní nekonzervaci. Přesnost měření nekonzervace parity se vyvinula během několika desetiletí na úroveň 0,35%. Tato přesnost měření odpovídá první definitivní izolaci narušení atomové parity závislé na jaderném záření. Na této úrovni přesnosti je zřejmé, že součást interakce elektron-nukleární je způsobena jadernou anapolovou okamžikem, magnetickým momentem, který lze vizualizovat jako produkovaný proudovými proudy v jádře.

Lasery také přispívají do oblasti astrofyziky. V prvních experimentech se použije laser Nd: YAG s vlnovou délkou 10,6 μm, který se pokusí detekovat gravitační vlny ze zdrojů jako jsou supernovy a obíhající neutronové hvězdy.

Tyto experimenty používají interferometry, které by měly být schopné měřit změnu délky mezi oběma rameny interferometru na přesnost jedné části v 1022. Pro gravitační záření z astrofyzikálních zdrojů se předpokládá prostorová warp této velikosti. Pozemní experimenty se nazývají LIGO (Light Interferometer Gravitational Wave Observatory) v USA a GEO v Evropě. Také probíhá vesmírné experimenty nazvané LISA (Light Interferometer Space Antenna). Interferometrové ramena LIGO jsou 4 km dlouhé. Pro světelný zdroj je vyžadován kmitočetově stabilní, nízkošumový laser s vysokým prostorovým paprskem s výkonem 10 W. Dutinové zrcadla vytvářejí rezonátory v každém interferometru, které zvyšují výkon v dutinách na téměř 1 kW. Čtyři tyče Nd: YAG, z nichž každá je čerpána dvěma 20 W diodovými tyčemi, zesilují výstup jednoho frekvence neplanárního kruhového oscilátoru od 700 mW do nejméně 10 W. Dosažení požadované citlivosti pro detekci gravitačních vln znamená vyřešení každé interferometrické fringe k jedné část 1011, impozantní, ale snad i dosažitelný cíl.

  IX. BUDOUCÍ LASEROVÉ TECHNOLOGIE

  Volný elektronový laser a laserové urychlovače jsou příkladem vývoje laserových technologií, které mohou mít velký vliv v příštím století. Volný elektronový laser (FEL) je založen na optickém zisku z relativistického elektronového paprsku zvlněného v periodickém magnetickém poli (Sessler a Vaugnan, 1987). Akcelerátory elektronového paprsku založené na supravodivých mikrovlnných dutinách se vyvíjejí v novém centru FEL v Jefferson Laboratories. Tyto urychlovací dutiny vytvářejí vysoká pole v rozmezí 10 až 20 MeV / m a umožňují velmi efektivní generování světla FEL, které lze naladit z infračerveného záření na hluboký ultrafialový s průměrnou úrovní výkonu v kilowattech (Kelley et al., 1996) . V současné době se blíží dokončení 1 kW průměrného výkonu infračerveného FEL a plánuje se upgrade na silný, hluboký UV FEL. Na těchto obrovských pravomocích může být řada nových technologií komerčně zajímavá. Krátké, intenzivní pulzy FEL mohou umožnit rychlé tepelné žíhání a čištění kovových povrchů. Impulsní laserové žíhání může mít za následek téměř tvrdší nárůst tvrdosti obráběcích strojů. Vysoké průměrné síly FEL mohou stačit k tomu, aby komerční výroba laserových nástrojů byla realitou. Dalším velkým trhem, který vyžaduje velké síly pro zpracování velkých objemů, jsou polymerní zábaly a tkanina. V tomto případě mohou intenzivní impulzy FEL vyvolat širokou škálu modifikovaných vlastností polymeru včetně povrchů antibakteriálních polymerů, které by mohly být použity pro obaly a oděvy s příjemnou strukturou a zvýšenou trvanlivostí. Vysoká průměrná síla a laditelnost vlnových délek jsou také důležité pro vytváření vzorů nástrojů pro rozsáhlé mikromotáže, které se používají k otisknutí vzorů v plastových deskách.

  Petawattclass lasery mohou poskytnout základ pro novou generaci urychlovačů částic. Frekvence urychlovačů pole mikrovlnného pole, která se v současné době používá, bude pravděpodobně omezena samospuštěnými probuzeními na méně než 100 GHz, kde urychlovací pole dosáhnou rozsahu 100 MeV / m. Intenzní laserové paprsky se používají k generování mnohem vyšších polí v rozsahu 100 GeV / m (Madena et al., 1995). Například jedna technika používá dva laserové paprsky, jejichž rozdílová frekvence je naladěna na plazmovou frekvenci plynu ionizovaného laserem. Určité pole o rychlosti až 160 GeV / m mohou být generovány mezi periodickými prostorovými náboji plazmové vlny. Rychlost šíření těchto gigantických polí může být navržena tak, aby odpovídala relativistickým rychlostem zrychlených částic. Zbývá hodně práce, aby se dosáhlo praktických urychlovačů, ale princip důkazu již byl dosažen.

Rozvoj laserových technologií a jejich přínosy pro vědu jsou příliš mnoho, aby se v tomto stručném přehledu dostatečně zabývaly. Laserové komunikace mezi družicovými sítěmi, laserovými kosmickými loděmi a laserovou fúzí jsou dalšími příklady rozvíjení laserových technologií. V základních vědách existuje mnoho nových experimentů, které jsou umožňovány laserovou technologií včetně korekce atmosférických deformací v astronomii pomocí laserových odrazů od vrstvy sodíku v horní atmosféře a studií kvantové elektrodynamiky pomocí ultra-intenzivních laserových paprsků. Stejně jako bylo těžké představit si potenciál laserových technologií v šedesátých a sedmdesátých letech, zdá se být jasné, že teď nemůžeme představit mnoho nových vývojů v laserech a jejich aplikace v příštím století se projeví. Náš nový laserový zdroj světla se jistě dotýká všech nás, a to jak v našem běžném životě, tak ve světě vědy.