Laser1

19. LASER

Lasery są urządzeniami służącymi do wytwarzania silnego, spójnego, monochromatycznego promieniowania.

Nazwa laser jest akronimem słów: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (wzmocnienie światła przez wymuszona emisję promieniowania).

Aby wyjaśnić zasadę działania lasera musimy przypomnieć sobie podstawowe wiadomości dotyczące oddziaływania promieniowania elektromagnetycznego z materią.

Foton padając na układ znajdujący się w stanie podstawowym zostanie pochłonięty jeśli jego energia będzie równa różnicy między energią stanu podstawowego i pewnego stanu wzbudzonego. Atom pochłaniając foton przejdzie do stanu wzbudzonego. Poniższy rysunek przedstawia schematycznie przejście atomu ze stanu podstawowego o energii E_{) do stanu wzbudzonego o energii £j.

hv=E,-E₀ ^1    ^

> '

po absorpcji

przed absorpcją

W stanie wzbudzonym atom przebywa bardzo krótko. Na ogół średni czas życia poziomu wzbudzonego atomu jest rzędu 10 ⁸ s — 10 ⁷ s. Po tym czasie atom wraca do stanu podstawowego lub do innego stanu wzbudzonego o niższej energii.

Każdemu przejściu do stanu o niższej energii towarzyszy emisja fotonu. Proces ten nazywamy emisją spontaniczną lub samorzutną. Fotony wysyłane przez poszczególne atomy układu w wyniku emisji spontanicznej biegną w przypadkowych kierunkach i są emitowane przypadkowych chwilach. Takie promieniowanie nazywamy promieniowaniem niespójnym. Na rysunku przedstawiona jest schematycznie emisja samorzutna.

przed emisją spontaniczną    po emisji spontanicznej

Przejście atomu na niższy poziom energetyczny i związany z tym akt emisji może zachodzić nie tylko samorzutnie. Jeżeli na atom znajdujący się w stanie wzbudzonym o energii £j pada foton o energii hv = £, - E₀ , to foton ten może niejako przed czasem wywołać przejście atomu do stanu podstawowego

i związaną z tym emisję promieniowania. Taka emisja spowodowana oddziaływaniem na atomy wzbudzone nosi nazwę emisji wymuszonej. Schematyczne przedstawienie emisji wymuszonej przedstawia rysunek:

hv=E,-E₀

po emisji wymuszonej

przed emisją wymuszoną

Widzimy, że w wyniku emisji wymuszonej możemy uzyskać wzmocnienie wiązki fotonów opuszczających układ atomów. Aby jednak emisja przeważała nad absorpcją promieniowania, więcej atomów musi znajdować się na wyższym poziomie niż na niższym.

Zgodnie z tzw. rozkładem naturalnym lub boltzmanowskim, w danej temperaturze liczba atomów w stanie wzbudzonym jest mniejsza niż w stanie podstawowym. e-Eq

N = N₀e ^kT

gdzie: N- liczba atomów w stanie wzbudzonym o energii E

Nq - liczba atomów w stanie podstawowym o energii E₀ T- temperatura w skali bezwzględnej k= 1,38-10'²³ JK'¹ e - podstawa logarytmu naturalnego