Co to jest i jak działa laser?

1. Mamy pewien materiał, w którym istnieją stany metastabilne (tzn. stany wzbudzenia atomu (lub cząsteczki) o energii wyższej od minimalnej, ale nie przechodzące od razu do stanu podstawowego)

2. Pompujemy w taki materiał energię (np. lampą błyskową, strumieniem elektronów, innym laserem,...). Atomy (lub cząsteczki) zostają wzbudzone i wchodzą w stan metastabilny. Pompowanie jest na tyle szybkie, że nim zdążą one zejść ze stanu metastabilnego do podstawowego, wzbudzanych jest dookoła wiele innych atomów. W efekcie dochodzi do inwersji obsadzeń. Tzn. większość atomów jest w stanie metastabilnym.

3. Nasz materiał otaczamy z dwóch stron przez lustra. W materiale od czasu do czasu cząstki schodzą ze stanu metastabilnego do podstawowego, emitując kwant światła o okreslonej częstotliwości. Kwant taki wywołuje emisję wymuszoną sąsiednich atomów. Emisja wymuszona charakteryzuje się tym, że sąsiedni atom emituje identyczny kwant, w tym samym kierunku. Dzięki lustrom, najwięcej kwantów przebiega w przestrzeni między lustrami; pozostałe wylatują z pręta laserującego i nie wywołują dalszych emisji wymuszonych.

4. Kwanty przechodząc przez lustro półprzepuszczalne powodują świecenie lasera. Między lustrami natomiast zachodzi ciągłe wzbudzanie i wzmacnianie drgań (emisja wymuszona) w osi pręta.

5. Lasery mogą być stałe, gazowe lub cieczowe. Stałe to np. laser rubinowy lub szklany neodymowy. Popularne gazowe to np. laser hel-neon, argonowy. Wśród gazowych wyróżnia się lasery atomowe, jonowe, molekularne. (zależnie od tego, co ulega wzbudzeniu: w atomowych elektron w atomie; w jonowych zachodzi jonizacja, a następnie zderzanie elektronów z jądrami; w molekularnych zmienia się struktura wiązań cząsteczki). Lasery barwnikowe są trochę bardziej złożonymi tworami. Charakteryzują się one możliwością przestrajania generowanego promieniowania w znacznym zakresie (poprzez zmianę składu chemicznego ośrodka laserującego). Wyróżnia się tu lasery cieczowe chelatowe, organiczne, nieorganiczne i inne. Jak widać, ośrodki są dość skomplikowanymi tworami. Pierwszy laser cieczowy został skonstruowany przez Harolda Samelsona i Aleksandra Łempickiego (taki polski akcent).

6. Szczególną odmianą laserów ze stałym ośrodkiem laserującym są lasery półprzewodnikowe. Realizuje się je często na specjalnych złączach półprzewodnikowych p+-n+ (zdegenerowanych). W złączach takich w obszarze dziurowym p, pasmo przewodnictwa jest puste, a pasmo walencyjne nie do końca obsadzone. Z kolei w obszarze elektronowym n, pasmo walencyjne jest w pełni zajęte, a także występuje znaczna ilość elektronów w pasmie przewodzenia. Przepuszczając elektrony z pasma przewodzenia obszaru n do obszaru p, wpadają one w pasmo przewodzenia obszaru p. Pasmo przewodzenia ma wyższą energię niż pasmo walencyjne (mamy w ten sposób uzyskaną inwersję obsadzeń), więc z uwagi na pustki w pasmie walencyjnym obszaru p, elektrony spadają do niego, emitując kwant promieniowania o częstotliwości równej szerokości przerwy między stanami energetycznymi walencyjnym i przewodzenia (rysunek 6.1).

Rysunek: Ilustracja działania lasera półprzewodnikowego

Rekombinacja ta następuje szczególnie silnie w obszarze złącza i umieszcza się tam specjalne lustra rezonatora, wzmacniające drgania tylko w jednym kierunku. W ten sposób uzyskuje się oprócz monochromatyczności również i spójność promieniowania, a więc klasyczny laser.

---