Vesmírný laser

V srpnu minulého roku bylo poprvé zpozorováno přírodní laserové záření z disku vodíkového plynu kolem hvězdy MWC 349 v souhvězdí labutě (Science, September 1995, str.1336). Pozorování se uskutečnilo při jednom z posledních letů NASA Kuiper Airborne Observatory, která je umístěna na palubě vysoko létajícího letadla (při zmíněném pozorování byla výška letu 12,5 km). Doufejme, že pro infračervenou astronomii bude uvedena do provozu nová stratosférická observatoř.

Laser, vzdálený 4 000 světelných let od Země, je čerpán ultrafialovým zářením hvězdy, které dráždí atomy vodíku do vzbuzeného stavu natolik účinně, že může nastat stimulovaná emise – základ činnosti laseru. Zaznamenané laserové záření je infračervené, vlnové délky 169 mikrometrů. Na rozdíl od pozemských laserů se zde ovšem světlo zesiluje v podstatě jen jediným průchodem vybuzeným prostředím, zpětná vazba je velmi slabá. „Takové přírodní lasery nevypálí díru do vesmíru,“ říká vedoucí týmu Vladimir Strelnitski.

Po pětatřicet let si mohli lidé nad svými lasery myslet, že konečně dokázali sestrojit něco, co příroda neumí, ale opět to nevyšlo. „Kdybychom se bývali více zabývali astronomií, mohli jsme objevit laser dříve,“ reagoval průkopník v oblasti laserů a maserů Charles Townes (nositel Nobelovy ceny z r.1964) na objev vesmírného laseru.

Nutno ovšem podotknout, že masery (lasery v mikrovlnné spektrální oblasti) s vlnovou délkou větší než milimetr byly ve vesmíru pozorovány již od poloviny šedesátých let a dnes je jich známo několik set. M. J. Mumma navíc upozorňuje (Science, November 1995, str. 717), že infračervené laserové záření molekul CO₂ pozoroval již od r. 1981 v atmosféře Marsu a Venuše (CO₂ je převládajícím plynem jejich atmosféry). Je buzeno Sluncem a je 100milionkrát jasnější než odpovídající rovnovážné záření, ale jen 10 % z toho reprezentuje stimulovanou emisi. Prakticky bylo toto záření využito ke sledování teplot a větrů na Marsu a Venuši.

Nový objev může mít význam pro získávání informací o hmotě obklopující mladé hvězdy a Charles Townes přidává trochu fantastickou myšlenku: využít podobných laserů k mezihvězdné komunikaci, ke hledání mimozemských civilizací (Optics & Photonics News, November 1995, str. 8).

T-paprsky a tasery

Nebojte se, nejde o žádné nové nebezpečné paprsky X. Názvem T-paprsky označují někteří vědci oblast elektromagnetického spektra ležící mezi mikrovlnným a infračerveným zářením. Frekvence odpovídajícího elektromagnetického vlnění je kolem jednoho terahertzu (1 THz = 10¹² Hz) – odtud písmeno T v názvu. Dlouhou dobu zůstávalo toto záření stranou zájmu, zejména pro technické potíže při jeho generaci a detekci. Dnes se o něm mluví jako o velmi nadějné oblasti pro zobrazovací techniky, s významem sahajícím od medicínské diagnostiky po monitorování znečištění životního prostředí (Science 268, 23 June 1995, str. 1702).

T-paprsky začaly být používány ke zkoumání velmi rychlých elektronických součástek zhruba před deseti lety, v době, kdy se objevily praktické kompaktní femtosekundové pulzní lasery. Dnešní metoda, patentovaná vědci z AT&T Bellových laboratoří, využívá T-záření ve formě krátkých pulzů. Různé materiály reagují na tyto pulzy různě, takže mění různě časovou obálku (tvar) pulzů. Například voda silně absorbuje T-paprsky, pulzy časově protahuje a dává jim specifický tvar. Většina plastických látek T-paprsky dobře propouští, kdežto elektricky vodivé látky je pohlcují.

Konkrétní zařízení pro T-paprskové zobrazování využívá jako zdroj T-záření zvláštní miniaturní polovodičové struktury buzené velmi krátkými infračervenými laserovými pulzy. Čočkou se fokusuje záření do malého bodu, který řádkuje (skenuje) po povrchu vzorku. Druhá čočka sbírá záření prošlé vzorkem. Zvláštní detekční systém pak určí tvar pulzu a počítač jej porovná s daty uloženými v paměti (jinými slovy, popisovaná technika pracuje v časové doméně, na rozdíl od většiny ostatních zobrazovacích metod využívajících změny spektrální). Takto je možno určit chemické složení materiálu v každém zkoumaném bodě (rozlišení je kolem 200 mm). Často jsou takové informace jinými technikami těžko dostupné. Jmenujme například kontrolu výrobků (integrovaných obvodů ap.) skrytých v plastovém obalu.

Ještě jsme dlužni vysvětlit druhé slovo z titulku – taser. Nejde o nic jiného než o příbuzného laserů a maserů, který vysílá terahertzové záření a jehož jméno vzniklo nahrazením slova „light“ (světlo) ve zkratce LASER a slova „microwave“ (mikrovlna) ve zkratce MASER, slovem „terahertz“.

Novou zkratku používají odborníci, kteří vymýšlejí moderní elektronické a optoelektronické součástky. (Přitom využívají kvantový rozměrový efekt v nízkodimenzionálních polovodičových strukturách, a proto se jim někdy říká „kvantoví inženýři“). Snahou je vyrobit polovodičový laser vysílající T-záření, což by zmíněné zobrazovací metody zjednodušilo a zlevnilo a tím vedlo k jejich většímu rozšíření a k rozvoji dalších oblastí použití T-paprsků (Applied Phys. Lett. 65, 1865, 1994).