Laser

Światło w laserach emitowane jest, podobnie jak w zwykłych żarówkach, w wyniku przejść atomów pomiędzy stanami o wyższej a stanami o niżej energii. Podstawową różnicą pomiędzy działaniem lasera a żarówki jest fakt, że w laserze wszystkie atomy emitują światło w sposób skorelowany, natomiast w żarówce każdy atom emituje światło w sposób niezależny od innych atomów. Dzięki tej korelacji pomiędzy atomami światło laserowe ma wyjątkowe własności w porównaniu z tradycyjnymi źródłami światła:

• Światło lasera jest wysoce monochromatyczne. Oznacza to, że laser emituje światło w bardzo wąskim zakresie długości fal. Szerokość widma światła emitowanego przez laser może być nawet rzędu średniej emitowanej długości fali.
• Światło lasera jest bardzo spójne. Oznacza to, że pojedyncze ciągi falowe światła laserowego mogą mieć wiele kilometrów długości. Gdy rozdzielimy światło laserowe na dwie wiązki (na przykład na płytce światłodzielącej), które przebywać będą drogi o różnej długości, to po nałożeniu wiązek z powrotem na siebie będą one ,,pamiętać'' swój wspólny początek i na ekranie utworzą obraz interferencyjny. W przypadku światła laserowego ta różnica dróg może wynosić nawet kilkaset kilometrów i wciąż na ekranie zobaczymy obraz interferencyjny. Natomiast w przypadku żarówki, jeśli różnica dróg jest większa niż metr, żadnego obrazu interferencyjnego nie zaobserwujemy.
• Światło lasera jest dobrze ukierunkowane. Wiązka laserowa rozszerza się w bardzo małym stopniu. Na przykład impuls laserowy używany do pomiaru odległości Ziemia-Księżyc wytwarza na jego powierzchni plamkę o średnicy zaledwie kilku metrów. Rozbieżność światła z żarówki, nawet ukierunkowanego przy pomocy soczewek, byłaby znacznie większa.
• Światło lasera można dokładnie skupić. Za pomocą soczewek wiązkę lasera można skupić do niezwykle małej plamki. W związku z tym, w tak małej plamce można osiągnąć niezwykle wysokie natężenie światła.

Słowo laser jest skrótem od angielskiej nazwy Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (wzmocnienie światła przez wymuszoną emisję promieniowania). W atomach lasera zachodzą trzy podstawowe procesy:

Oddziaływanie promieniowania i materii w procesach a) absorpcji, b) emisji spontanicznej, c) emisji wymuszonej. Atom (materia) przedstawiony jako czerwona kropka może się znajdować albo w stanie kwantowym o niższej energii E₀, albo w stanie kwantowym o wyższej energii E_x. W procesie (a) atom pochłania z fali świetlnej foton o energii hv. W procesie (b) atom emituje spontanicznie foton o energii hv. W procesie (c) światło o energii fotonów hv wymusza emisję fotonu o tej samej energii, zwiększając tym samym energię niesioną przez falę świetlną

1. Absorpcja. Podczas absorpcji atom pochłania kwant pola elektromagnetycznego (foton) i przechodzi ze stanu o niższej energii do stanu o energii wyższej . Zgodnie z zasadą zachowania energii musi zachodzić związek , gdzie jest energią pochłoniętego fotonu.
2. Emisja spontaniczna. W procesie emisji spontanicznej atom, który początkowo znajduje się w stanie wzbudzonym o energii , samorzutnie przechodzi do stanu o niższej energii , emitując przy tym foton o energii .
3. Emisja wymuszona. Gdy atom znajduje się w stanie wzbudzonym, obecność promieniowania może wymusić jego przejście do stanu podstawowego. Obecność fotonu wymusza przejście w atomie i emisję fotonu identycznego z fotonem wymuszającym, w wyniku czego fale związane z oboma tymi fotonami mają taką samą długość, fazę, polaryzację i kierunek rozchodzenia się.

Właśnie dzięki zjawisku emisji wymuszonej wszystkie atomy w laserze emitują światło o identycznych własnościach. To powoduje, że światło laserowe ma cechy wymienionej powyżej. Aby zjawisko emisji wymuszonej mogło zachodzić i laser mógł działać, trzeba w jakiś sposób umieszczać atomy w stanach wzbudzonych. Operacja umieszczania atomów w stanach wzbudzonych nazywa się pompowaniem. W zależności od rodzaju lasera pompowanie przebiega w różny sposób, np. w wyniku wyładowań elektrycznych lub przy użyciu lamp błyskowych. Aby laser mógł działać, pompowanie musi doprowadzić do sytuacji, w której więcej atomów znajduje w stanie wzbudzonym niż w stanie podstawowym (stan taki nazywamy inwersją obsadzeń), gdyż tylko wtedy może następować wzmocnienie światła w laserze (więcej fotonów będzie emitowanych dodatkowo w wyniku emisji wymuszonej, niż będzie pochłanianych w wyniku absorpcji).

Linki

Lasers - wykład z animacjami i apletami dotyczący mechanizmu działania laserów.

How Lasers Works? - podstawy działania lasera.

A Brief History of Lasers - krótka historia lasera. Tabela z najważniejszymi wydarzeniami z historii rozwoju laserów.