j a k t o o d k r y l i
Tomasz Sowiński jest asy-
W poprzednim odcinku próbowałem wszystkich
stentem w Centrum Fizyki Te-
przekonać, że światło laserowe jest bardzo
oretycznej PAN. W 2005 roku
skończył z wyróżnieniem stu-
niezwykłym zjawiskiem w przyrodzie. Jest to
dia na Wydziale Fizyki Uni-
fala elektromagnetyczna, która jest jednocze-
wersytetu Warszawskiego
w zakresie fizyki teoretycznej,
śnie monochromatyczna, ukierunkowana
a trzy lata póz
niej uzyskał tam
i co najważniejsze koherentna. Z ziarnistego
stopień naukowy doktora. Od
lat zajmuje się popularyzacją
punktu widzenia światło laserowe to strumień
nauk przyrodniczych. W roku
fotonów, które są pod każdym względem
2008 otrzymał tytuł Mistrza Po-
pularyzacji Nauki  Złoty
identyczne  absolutnie nierozróżnialne.
Umysł w konkursie Prezesa
Powiedzieliśmy też o tym, że istnieje właściwie
Polskiej Akademii Nauk.
tylko jeden sposób wytworzenie identycznych
fotonów i tym samym wytworzenia światła
laserowego. Jest on oparty na zjawisku emisji
wymuszonej promieniowania.
O tym wszystkim już mówiliśmy. Wszystko
wydaje się dość proste, ale... Właściwie jak
jonów
w praktyce można to zrobić? Jak sprawić,
chromu jest
bardzo specyficzny.
aby po naciśnięciu przycisku na urządzeniu
Otóż przerwa energetyczna
wielkości długopisu, kosztującym kilkanaście
pomiędzy stanem podstawowym
jonu chromu zanurzonego w rubinie a jego pierwszym
złotych, wydobył się promień lasera?
stanem wzbudzonym odpowiada fali elektromagne-
Jak zwykle wszystko okazuje się bardziej
tycznej o długości 694 nm. Jest to taka długość fali,
jaką ma światło czerwone. Laser rubinowy wytwa-
skomplikowane, niż jest w teorii.
rzać zatem może czerwone światło laserowe.
Dziś stosuje się bardzo różne
materiały jako ośrodki czynne laserów
i rubin nie jest wśród nich w żaden spo-
sób wyróżniony. Istotne jest natomiast
to, że rozkład poziomów energetycznych
w każdym z materiałów używanych jako
Tajemnice
ośrodki czynne jest taki, że przejście
kwantowe pomiędzy wyróżnionymi
T o ma s z S o wi ń s k i
dwoma poziomami odpowiada fali świa-
tła widzialnego.
R Ó WN O WA G A T E R MO D Y N A MI C Z N A
O Ś R O D K A
Aby zrozumieć, dlaczego zbudo-
wanie prawdziwego lasera jest rzeczą
lasera cz. 2
dość skomplikowaną, przyjrzyjmy się,
jak wygląda sytuacja fizyczna w ośrod-
ku czynnym w warunkach naturalnych.
O Ś R O D E K C Z Y N N Y Rozważmy do czego może w tej sytuacji doprowadzić
emisja wymuszona, która, jak pamiętamy, jest funda-
Centralną częścią lasera jest tzw. ośrodek czyn- mentem pozwalającym wytworzyć identyczne fotony,
ny, czyli materiał złożony z takich atomów lub cząste- a w rezultacie światło laserowe.
czek, w których jedno z przejść kwantowych (czyli W ustalonej temperaturze ośrodek czynny pozo-
różnica pomiędzy dwoma poziomami energetycznymi) stawiony sam sobie bez żadnych zewnętrznej inge-
odpowiada takiej długości fali światła, w jakiej praco- rencji znajduje się w stanie równowagi termodyna-
wać ma laser. Pierwszym takim ośrodkiem wykorzy- micznej. Z jednej strony termiczne drgania sieci kry-
stanym do zbudowania lasera był rubin, czyli trójtle- stalicznej powodują wzbudzanie atomów do wyż-
nek glinu domieszkowany jonami chromu. Oczywiście szych poziomów energetycznych. Z drugiej strony
nie był to przypadkowy wybór. W tym dość rzadkim emisja spontaniczna powoduje powrót do poziomu
minerale, na marginesie mówiąc cenionym w wyro- podstawowego. Równowaga pomiędzy tymi dwoma
50 bach jubilerskich, rozkład poziomów energetycznych procesami prowadzi do pewnego rozkładu obsadze-
5
0
TEKST ŚREDNIO TRUDNY



eureka!
Zbudowani e l asera był o wedł ug mni e j edną z przeł o-
mowych chwi l w dzi ej ach naszej cywi l i zacj i .
wstawanie fotonów do nich identycznych. Padające
promieniowanie będzie zatem w większym stopniu
pochłaniane i rozpraszane we wszystkich kierunkach
niż wzmacniane. W takiej sytuacji nie możemy zatem
liczyć na powstanie światła laserowego.
I N WE R S J A O B S A D Z E C

Wzmocnienia padającego światła poprzez emi-
sję wymuszoną nie możemy się spodziewać w sytu-
acji, gdy ośrodek znajduje się w stanie równowagi
termodynamicznej. Promieniowanie, nawet jeśli zo-
stanie na chwilę wzmocnione, zaraz zostanie pochło-
nięte przez ośrodek i rozproszone za sprawą emisji
spontanicznej we wszystkich kierunkach. Być może
zatem wyprowadzenie ośrodka ze stanu równowagi
mogłoby być jakoś pomocne? Zanim powiemy, jak
można byłoby takiego wyprowadzenia z równowagi
nia poszczególnych stanów kwantowych. Najbardziej dokonać, sprawdz
my, czy rzeczywiście taki nierówno-
obsadzony jest oczywiście stan podstawowy  do nie- wagowy stan ośrodka może być pomocny w otrzyma-
go ze wszystkich innych stanów prowadzą bezpo- niu światła laserowego.
średnio, lub pośrednio przez inne stany, wszystkie Wyobraz
my sobie, że jakimś cudownym zabie-
procesy spontanicznej emisji. Oczywiście wraz ze giem udało nam się sprawić, że w pewnej chwili
wzrostem energii poszczególnych poziomów kwanto- w ośrodku więcej jest atomów w stanie wzbudzonym
wych spada ich obsadzenie. Drganiom termicznym niż w stanie podstawowym. Fizycy nazywają taki stan
sieci jest bowiem tym trudniej dokonać jakiegoś ośrodka INWERSJ
OBSADZEC
. Jeśli w takiej sytu-
wzbudzenia, im więcej energii jest na to potrzebne. acji pada na ośrodek światło rezonansowe, to zosta-
Jeśli w takiej sytuacji poświecimy na ośrodek nie ono wzmocnione! Dzieje się tak dlatego, że fotony
czynny światłem rezonansowym, tzn. takim, które częściej będą trafiały na atomy wzbudzone niż na ato-
pasuje do przejścia kwantowego, jakie rozważamy, my w stanie podstawowym. A skoro prawdopodo-
to mogą się zdarzyć dwie sytuacje. Jeśli foton trafi bieństwo emisji wymuszonej jest równe prawdopodo-
akurat na atom znajdujący się w stanie podstawo- bieństwu absorpcji wymuszonej, to w jednostce cza-
wym, to istnieje pewne prawdopodobieństwo, su więcej będzie zachodziło aktów  kopiowania foto-
że zostanie on pochłonięty, a atom przejdzie do stanu nów (na skutek emisji wymuszonej) niż aktów  nisz-
wzbudzonego. Zajdzie zjawisko absorpcji wymuszo- czenia fotonów (na skutek absorpcji i następującej
nej. Prawdopodobieństwo takiego procesu nie zależy po niej emisji spontanicznej). Wraz z upływem czasu
od temperatury, w jakiej znajduje się ośrodek i jest będzie zatem przybywało identycznych fotonów.
zatem pewną fizyczną własnością samego ośrodka. Tym samym mamy coś, co może być dla nas pierwszą
Jeśli foton trafi natomiast na atom, który jest jaskółką akcji laserowej. Oczywiście te rozważania
w stanie wzbudzonym, to absorpcja nie jest możliwa, są na razie jeszcze czysto teoretyczne, gdyż po pierw-
ale może dojść do emisji wymuszonej promieniowa- sze, nie wiemy, jak można dokonać inwersji obsa-
nia. Atom wyemituje foton, który jest identyczny z fo- dzeń. Po drugie, nawet jeśli udałoby nam się to zro-
tonem wymuszającym, a sam przejdzie do stanu pod- bić, to nadal jest problem z ciągłością pracy lasera.
stawowego. Proces taki zachodzi również z pewnym Po zdeekscytowaniu (deekscytacja  przeskoczenie
prawdopodobieństwem, które również nie zależy zu- elektronu ze stanu wzbudzonego na stan podstawo-
pełnie od temperatury ośrodka. Z fundamentalnych wy) nadmiarowej liczby atomów ośrodek powróci do
praw termodynamiki wynika jednak, że prawdopodo- sytuacji równowagowej, która jak pamiętamy nie jest
bieństwo emisji wymuszonej w przypadku padania dla nas korzystna.
fotonu na atom wzbudzony jest dokładnie równe
prawdopodobieństwu absorpcji wymuszonej w przy-
padku padania fotonu na atom w stanie podstawo-
wym. Jest to jedna z tzw. relacji Einsteina, który jako
pierwszy wykazał ją teoretycznie. Można zatem po-
wiedzieć (tak jak zrobiliśmy to poprzednim razem),
że procesy emisji i absorpcji wymuszonej są swoimi
dokładnymi odwrotnościami.
Pamiętamy, że w równowadze termodynamicz-
nej atomów znajdujących się w stanie podstawowym
jest więcej niż atomów w stanie wzbudzonym. Skoro
zatem prawdopodobieństwo wzbudzenia i emisji wy-
muszonej są takie same, to nie powinno być dla niko-
go żadnym zaskoczeniem, że w takiej sytuacji fotony
będą częściej pochłaniane przez atomy (a następnie
emitowane w zupełnie przypadkowy sposób za spra-
5
1
wą emisji spontanicznej), niż będą wymuszały po- 51
j a k t o o d k r y l i
Fizycy to jednak ludzie, którzy łatwo się nie
P O MP O WA N I E O Ś R O D K A poddają. Wiemy przecież, że w atomie oprócz wyróż-
nionych przez nas stanów (podstawowego i wzbu-
Przeprowadzenie ośrodka do sytuacji inwersji dzonego) istnieje całe zoo innych stanów kwanto-
obsadzeń jest nazywane POMPOWANIEM. Nazwa, wych. Może je jakoś można wykorzystać, aby obejść
choć może troszkę śmieszna, rzeczywiście oddaje sens opisany powyżej problem. Ależ oczywiście! Dla
tego procesu. Pompowanie to jest bardzo wyrafinowa- uproszczenia rozważmy atom, w którym oprócz
ne i nie wygląda tak prosto, jak może się wydawać. naszych dwóch stanów, pomiędzy którymi będzie
Na pierwszy rzut oka wydaje się bowiem naturalne, zachodziła akcja laserowa, jest jeszcze jeden stan
że pompowanie to nic innego jak poświecenie bardzo kwantowy, który ma wyższą energię niż metatrwały
silnym, rezonansowym światłem na ośrodek. Wydaje stan wzbudzony. Dla ustalenia uwagi oznaczmy stan
się, że wtedy jest duża szansa, iż atomy zostaną podstawowy przez G, a interesujący nas metatrwały
wzbudzone i nastąpi inwersja obsadzeń. I oczywiście stan wzbudzony przez E., tzn. chcemy uzyskać inwer-
jest to w pewnym stopniu prawda, tylko że czysto teo- sję obsadzeń na stanie E względem stanu G. Do tego
retyczna i tym samym zupełnie bezużyteczna. W prak- celu używamy trzeciego stanu A, którego energia jest
tyce okazuje się, że musimy wziąć jeszcze pod uwagę większa niż energia stanu E. Stan A nie jest stanem
niechcianą emisję spontaniczną. Prawdopodobieństwo metatrwałym i czas życia atomu w tym stanie jest
zajścia emisji spontanicznej ze stanu wzbudzonego bardzo krótki. Jeśli atom znajduje się w tym stanie,
jest jednoznacznie związane z prawdopodobieństwem to na skutek bardzo prawdopodobnej emisji sponta-
absorpcji wymuszonej promieniowania (jest to inna nicznej szybko przechodzi do stanu podstawowego G
relacja Einsteina, podobna do tej wspomnianej wcze- lub stanu wzbudzonego E. I oczywiście jeśli przejdzie
śniej, jaka wiąże prawdopodobieństwa absorpcji do stanu E, to pozostanie w nim już bardzo długo,
i emisji wymuszonej). Wynika z niej, że im łatwiej jest bo ten jest metatrwały. W ten właśnie sposób, wzbu-
wzbudzić atom na jakiś poziom, tym szybciej z tego dzając kolejne atomy do stanu A i czekając, aż przej-
stanu zachodzi emisja spontaniczna. Tym samym w rze- dą spontanicznie do stanu E, można uzyskać tak bar-
czywistej sytuacji takie proste wzbudzanie atomów dzo przez nas upragnioną inwersję obsadzeń. Jest
silnym światłem nic nie da, bo natychmiast atomy bę- to możliwe właśnie dzięki temu, że stan E jest meta-
dą przechodziły spontanicznie do stanu podstawowe- trwały, a jednocześnie stan A wręcz przeciwnie 
go i żadnej inwersji obsadzeń nie uda się stworzyć. szybko deekscytuje. Cała ta procedura wytwarzania
inwersji obsadzeń rzeczywiście wygląda jak pompo-
wanie. I stąd pochodzi nazwa.
stan
metatrwały
stan
podstawowy
Warto dodać, że wspomniany przez nas na po-
czątku rubin jest właśnie do takiego algorytmu ideal-
ny. Stan wzbudzony E jest metatrwały i istnieje nie
jeden, ale całe pasmo stanów A, które spontanicznie
bardzo chętnie przechodzą do stanu E. Dlatego uzy-
skanie inwersji obsadzeń jonów chromu w rubinie
jest takie proste.
A K C J A L A S E R O WA
Aby zapewnić możliwość dłuższego przebywa-
nia atomów w stanach wzbudzonych, jako ośrodków Gdy ośrodek jest napompowany, tzn. istnieje
czynnych używa się takich materiałów, w których in- inwersja obsadzeń pomiędzy stanem podstawowym
teresujący nas stan jest stanem metatrwałym. W sta- G a stanem wzbudzonym E, można wykonać akcję
nie metatrwałym atom może przebywać bardzo długo laserową. W tym celu wystarczy do układu wpuścić
w porównaniu z czasami, w jakich zachodzi akcja la- jeden rezonansowy foton albo poczekać, aż jeden
serowa. To rzeczywiście wydaje się dobrym rozwią- z atomów znajdujących się w stanie metatrwałym E
zaniem, bo jeśli stan wzbudzony jest metatrwały, przejdzie spontanicznie do stanu G i wyśle foton. Taki
to doprowadzenie do inwersji obsadzeń wydaje się foton, przelatując w pobliżu wzbudzonych atomów,
łatwym zadaniem. Niestety akurat ten przypadek będzie inicjował emisję wymuszoną i tym samym bę-
to przykład, kiedy przyroda jest złośliwa. Okazuje się, dzie powielany jak na szybkiej kserokopiarce. Powsta-
że im bardziej trwały jest dany stan wzbudzony, tym nie spójny, monochromatyczny impuls światła lasero-
trudniej jest przeprowadzić do niego atom wprost ze wego poruszający się w konkretnym kierunku. W kie-
stanu podstawowego. Musimy wybrać: albo chcemy runku, w którym poruszał się foton inicjujący. Teraz
mieć stabilny stan wzbudzony, albo stan, do którego musimy znów napompować ośrodek i całą operację
atomy bardzo chętnie przechodzą, gdy je oświetlamy. powtórzyć. Zostanie wysłany kolejny impuls lasero-
52 Sprawa wydaje się zatem beznadziejna. wy, który tym razem zapewne będzie się poruszał
5
2
eureka!
Przerwa energet yczna pomi ę dzy st anem podst awowym j onu chromu zanurzonego
w rubi ni e a j ego pi erwszym st anem wzbudzonym odpowi ada f al i el ekt romagnet ycznej
o dł ugoś ci 694 nm. Jest t o t aka dł ugość f al i , j aką ma ś wi at ł o czerwone.
Laser rubi nowy wyt warzać zat em moż e czerwone ś wi at ł o l aserowe.
w innym kierunku. Na razie zbudowaliśmy zatem jest wyobrazić sobie, dlaczego tak się dzieje. Stan
urządzenie, które wysyła krótkie impulsy laserowe podstawowy każdego atomu jest stanem wyróżnio-
w różnych kierunkach. nym, bo jest jedynym stanem stabilnym i wszystkie
Oczywiste jest, że musimy rozwiązać dwa pro- procesy spontaniczne działają tak, aby atom ten stan
blemy. Po pierwsze, jak sprawić, aby światło było ge- osiągnął. To w gruncie rzeczy oznacza, że bardzo trud-
nerowane w sposób ciągły, a nie impulsowo. Po dru- no jest osiągnąć inwersję obsadzeń względem tego
gie, co zrobić, aby to coś świeciło ciągle w tym sa- stanu, bo ze swej natury jest on najbardziej obsadzony
mym kierunku. Od biedy możemy się nawet pogodzić (w stanie równowagi termodynamicznej). Dlatego bar-
z impulsową pracą naszej maszyny, ale świecenia dzo często inwersję obsadzeń wytwarza się pomiędzy
w konkretnym kierunku nie możemy sobie darować! stanami G i E, z których żaden nie jest stanem podsta-
wowym. Jeśli stanem podstawowym jest stan B, któ-
R E Z O N A T O R O P T Y C Z N Y rego energia jest niższa niż stanu G i jeśli przy tym
stan G nie jest metatrwały w odróżnieniu od stanu E,
Zacznijmy zatem od rozwiązania drugiego pro- to wytworzenie inwersji obsadzeń jest bardzo łatwe.
blemu. Do tego celu wykorzystamy efekt sprzężenia Ze stanu B dokonuje się wzbudzenia do stanu A. Stan
zwrotnego  czyli zastosujemy wytworzone w akcji A bardzo szybko spontanicznie przechodzi do meta-
laserowej fotony do inicjowania kolejnych akcji lasero- stabilnego stanu E, z którego przejście do stanu G wy-
wych. Jak tego dokonać? To proste! Zamykamy nasz maga emisji wymuszonej. Po przejściu choćby jednego
ośrodek czynny z dwóch końców lustrami, które odbi- atomu do stanu E od razu mamy do czynienia z inwer-
jają światło, gdy próbuje się ono z ośrodka wydostać. sją obsadzeń, gdyż stan G nie jest metatrwały i tym
Odbite impulsy wracają do ośrodka, który w tym cza- samym, jeśli jakiś atom w tym stanie był, to natych-
sie zostaje ponownie napompowany i inicjują powsta- miast spontanicznie przeszedł do stanu podstawowe-
wanie kolejnych fotonów, które są idealnymi kopiami go B. Takie rozwiązanie sprawia, że inwersja obsa-
fotonów wpadających. W ośrodku zaczynają krążyć dzeń pomiędzy G i E w praktyce występuje cały czas
w tę i z powrotem fotony. Ich ilość narasta w postępie i tym samym praca lasera może być ciągła.
geometrycznym, co fizycy nazywają lawiną fotonową.
Takie rozwiązanie ma dodatkowy plus. Jeśli jakiś
z atomów spontanicznie przejdzie w stan podstawo-
wy i wyemituje foton w kierunku innym niż ustawio-
stan
metastabilny
ne są lustra, to wyleci on (wraz z fotonami, które wy-
musi) poza ośrodek czynny i nigdy już do niego nie
wróci. Jest to oczywiście pewna strata, ale warta
swojej ceny. Dzięki temu w ośrodku będą tylko fotony
o ściśle określonym kierunku propagacji.
stan
podstawowy
Sama akcja laserowa i zasada działania rezo-
natora optycznego jest oczywiście taka sama jak po-
przednio. Jedyna różnica polega na sposobie wytwa-
rzania inwersji obsadzeń.
Jeśli teraz jedno z luster nie będzie idealnie Wielokrotnie podkreślałem, że zbudowanie lase-
odbijające, ale będzie pewną część fotonów przepusz- ra było według mnie jedną z przełomowych chwil
czało, to w tym konkretnym kierunku będzie wycho- w dziejach naszej cywilizacji. I choć zasada działania
dziło prawdziwe światło laserowe  monochromatycz- tego urządzenia jest bardzo skomplikowana, to tak na-
na, ukierunkowana i koherentna fala elektromagne- prawdę jest oparta na dwóch bardzo elementarnych
tyczna. I nie będą to nawet impulsy, ale ciągła fala. spostrzeżeniach: fakcie, że wszystkie układy sponta-
Impulsowe będzie jedynie wytwarzanie fotonów nicznie dążą do uzyskania najniższego stanu energe-
w ośrodku. tycznego, oraz tego, że podczas emisji wymuszonej
Tak właśnie działał pierwszy laser rubinowy powstający foton jest identyczną kopią fotonu wymu-
zbudowany przez Theodore'a Maimana w 1960 roku szającego. Cała reszta to wkład ludzkiego umysłu!
za co otrzymał prestiżową Nagrodę Wolfa w dziedzi-
nie fizyki.
L A S E R C Z T E R O P O Z I O MO WY
Choć opisana powyżej konstrukcja pozwala
zbudować prawdziwy laser, czyli urządzenie wytwa-
rzające kolosalne ilości takich samych fotonów, to jest
w niej pewna słabość, którą łatwo można poprawić.
Chodzi o impulsowe wytwarzanie inwersji obsadzeń.
Ponieważ w tej realizacji zajmuje to trochę czasu, to
jest on marnowany na bezużyteczne krążenie fotonów
5
3
w ośrodku bez wytwarzania kolejnych kopii. A
atwo 53