A lézerek működésének fizikai alapjai
A lézerek működésének fizikai alapjai
A lézerekben is lejátszódik ugyanaz az elemi folyamat, amely minden egyes fényforrásban a fénykeletkezéshez szükséges: az anyagot alkotó elemi részecskék (atomok, molekulák, elektronok) gerjesztése, vagyis magasabb energiájú állapotba juttatása; majd az energiadúsabb terjesztett állapot visszatérése alapállapotba fénykibocsátás közben. Ezen túlmenően azonban a lézerekben egy másik jelenséget is kihasználnak: a kényszerített fotonkibocsátással (indukált emisszióval) létrehozott fényerősítést. Az eredeti angol betűszó (LASER = Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) jelentése is ezt a folyamatot nevezi meg: fényerősítés a sugárzás indukált kibocsátásával.
Egy gerjesztett részecske az általa őrzött energiát kétféle módon adhatja le fény formájában: teljesen véletlenszerűen, mint ahogy az a hagyományos fényforrásokban történik (ezt nevezik spontán emissziónak), vagy a már jelenlévő fénytér kibocsátásra késztető hatására (ez az indukált emisszió). Ez utóbbi esetben a keletkező sugárzás az eredetivel azonos ütemben rezgő (azonos fázisú) lesz, tehát erősíti azt. Az indukált és spontán emisszió minden egyes sugárzási folyamatban jelen van, de általában a spontán emisszió dominál. Ahhoz, hogy az indukált emisszió is jelentőssé váljék, sok gerjesztett atomot kell létrehozni. Egy lézer beindításához ezt a „sok terjesztett atom–kevés alapállapotú atom” eloszlást (vagy másképpen „populációinverzió”-nak is nevezett állapotot) kell megvalósítani. Az inverzió (megfordítás) kifejezés arra utal, hogy a környezetükkel hőmérsékleti egyensúlyban lévő atomi rendszerekben mindig jóval több az alapállapotú atom, mint a gerjesztett, s a lézerműködéshez épp ennek a természetes eloszlásnak a megfordítására, azaz inverziójára van szükség. Az inverziós állapotba juttatott közeg alkotja a lézer fényerősítő (aktív) anyagát, amely egyes esetekben már önmagában is elegendő erős, koherens, kis divergenciájú, monokromatikus sugárzás, azaz lézerfény előállítására. A veszteségek miatt azonban legtöbbször szükség van visszacsatolásra is, amely optikai úton, az aktív anyag két tükör közé helyezésével valósítható meg. A két tükör között ide-oda haladó fény az aktív anyag fényerősítő hatására egyre erősebbé válik. Ha az egyik tükröt 100%-osnál kisebb visszaverő képességűre készítik, akkor a felerősödött fény egy része minden fordulóban kijuthat a lézerből. Ezt a módszert nevezik optikai kicsatolásnak. Ha a kicsatolás mértéke kicsiny, folytonos működés hozható létre. Ha egyszerre veszik ki a lézerben felhalmozott fényenergiát, jóval erősebb fény nyerhető, de a folyamatos fénykibocsátás egy időre megszűnik, ami szakaszos fényfelvillanásokat eredményez. Így működnek az impulzusüzemű lézerek, amelyekből a fény periodikusan egymást követő, különálló impulzusokban jut ki. (Impulzusműködést okozhat az is, ha a gerjesztett atomok túl gyorsan sugározzák ki a bennük tárolt energiát, s az inverzió újbóli megvalósulásáig egy kis várakozási időre van szükség).
