Mi is az a lézer?

A lézersugárzás (angolul laser) neve a Light Amplification by the Stimulated Emission, azaz „fényerősítés a sugárzás indukált emissziója révén” kifejezésből alkotott betűszó. Ez leírja ugyan a lézer teljes működési elvét, viszont túlságosan tömör ahhoz, hogy a szakértőkön kívül bárki megértse. Érdemes tehát alaposabban körüljárni a témát.

Egy kis atomfizika

Egy atom körül keringő elektron kétféle módon léphet kölcsönhatásba a fény alkotóelemével, a fotonnal: elnyelheti azt (abszorbció), vagy maga is kibocsáthat egyet (emisszió). Abszorbció esetén az atom körül keringő egyik (általában a legkülső) elektron nyeli el a foton energiáját, így magasabb energiaszintre (energianívóra, nagyobb sugarú pályára), gerjesztett állapotba kerül. Ez az állapot azonban nem stabil: bizonyos idő elteltével az elektron visszatér az alapállapotába, egy pontosan meghatározható hullámhosszú fotont kibocsátva. Ha egy gerjesztett állapotú elektron ütközik egy ilyen hullámhosszú fotonnal, akkor emisszióra kényszeríthető. E folyamat során az eredeti foton mellett egy azzal koherens (azonos fázisú, irányú és hullámhosszú) foton keletkezik. Ez a folyamat a kifejezésben szereplő indukált emisszió. Ha ez a két foton újabb, az előzőhöz hasonló, gerjesztett állapotú atomokat talál el, akkor újabb fotonok keletkeznek. Ily módon megfelelő közegben láncreakció indítható be, aminek az eredménye rengeteg koherens foton lesz.

Egyszerű lézer

Normál állapotban az atomok többsége alapállapotban van. A láncreakcióhoz viszont a közegben több gerjesztett-, mint alapállapotú atomnak atomnak kell lennie (ezt a helyzetet populáció inverziónak nevezzük), hiszen egyébként az alapállapotú elektronok elnyelnék a keletkező fotonokat. Ahhoz, hogy ezt előidézzük, energiát kell pumpálni a rendszerbe, például egy villanólámpával, amitől az atomok többsége gerjesztett állapotba kerül. Ez az állapot nagyon instabil, így akár spontán, akár egy következő energiaadag hatására beindul a láncreakció. Ha a közeg két végére megfelelően beállított, párhuzamos tükröket teszünk, akkor a kötöttük „pattogó” fotonok késztetik indukált emisszióra az atomokat, így a kibocsátott fotonok mind a tükörre merőlegesek lesznek Ha a tükör a fotonok egy részét átengedi, akkor a rendszerből nagyon kis széttartással rendelkező, koherens hullámokat tartalmazó fénynyaláb lép ki: ez a lézersugár.


A rubinlézer működése

Azért ez ennél bonyolultabb

Eddig mindössze két nívó használatával állítottunk elő lézerműködést. A legöbbször viszont ennél bomyolultabb a helyzet, mivel az elektron három-, vagy akár négy energianívón is keresztülhalad a folyamat során. Ekkor az elektron alapállapotából először A legtöbbször azonban egyszerűbb megoldani a lézerműködést oly módon, hogy nem csak két, hanem három- vagy négy energiaszinten haladnak át az elektronok. Először egy nagy energiájú nívóra pumpálják az elektront, ahonnan igen gyorsan, foton kibocsátása nélkül ugrik az ennél alacsonyabb energia szintre (az energiakülönbség általában hőmozgásként jelenik meg). Innen a már tárgyalt módon, foton kibocsátásával legerjesztődik egy még kisebb energiájú nívóra, ahonnan szintén sugárzásmentesen tér vissza az alapállapotba:


A neodimium atom energiaszintjei

A helyzetet tovább bonyolítja, hogy az atomok közti kölcsönhatás következtében ezek a nívók „elmosódnak”, több, egymáshoz közeli energiaszintre bomolva energiasávot alkotnak. A lézer szempontjából az az ideális, ha az ábrán jelölt 1-es és 4-es nívó széles, hiszen így szélesebb frekvenciatartományban képes fotonokat felvenni; viszont a 2-es és a 3-as nívó keskeny, így a spontán módon kibocsátott fotonok hullámhossza a lehető legszűkebb tartoányba esik.

Források, további linkek

Itt lehet további informáviókat találni a lézerek működéséről: http://www.explainthatstuff.com/lasers.html - lézerek működése egyszerűen (angol)
http://www.lasertanacsado.hu/lasersugarzas.html - a cikk forrása
http://www.muszeroldal.hu/assistance/lezer.html - szintén részletes, mélyen tudományos cikk
http://www.sasovits.hu/cnc/irodalom/lezer1.pdf - félvezető lézerforrások működése