Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

O Laser είναι μια πηγή φωτός που παράγει μια δέσμη σχεδόν μονοχρωματικού φωτός με υψηλό βαθμό συμφωνίας ως αποτέλεσμα συντονισμένης εκπομπής από πολλά άτομα

Αν ένα άτομο απορροφήσει ένα φωτόνιο φθάνει σε μια ΔΙΕΓΕΡΜΕΝΗ κατάσταση Ε. Λίγο αργότερα επιστρέφει στη θεμελιώδη κατάσταση εκπέμποντας ένα φωτόνιο συχνότητας ίσης με εκείνου που απορρόφησε. Πρόκειται για ΑΥΘΟΡΜΗΤΗ ΕΚΠΟΜΠΗ.

Η διεύθυνση και η φάση του εκπεμπόμενου φωτονίου είναι τυχαία.

Στη ΔΙΕΓΕΡΜΕΝΗ ΕΚΠΟΜΠΗ ένα φωτόνιο προσπίπτει σε ΔΙΕΓΕΡΜΕΝΟ άτομο και μια διαδικασία συντονισμού, το φωτόνιο αυτό ΑΝΑΓΚΑΖΕΙ το άτομο να εκπέμψει ΕΝΑ ΑΛΛΟ ΦΩΤΟΝΙΟ ΜΕ ΤΗΝ ΙΔΙΑ ΣΥΧΝΟΤΗΤΑ, ΤΗΝ ΙΔΙΑ ΚΑΤΕΥΘΥΝΣΗ, την ΙΔΙΑ ΦΑΣΗ και την ΙΔΙΑ ΠΟΛΩΣΗ με αυτή του προσπίπτοντος φωτονίου. Τα δύο φωτόνια αναδύονται μαζί ως σύμφωνη ακτινοβολία. Απορροφάται δηλαδή ένα φωτόνιο και εκπέμπονται δύο. Μπορεί έτσι να δημιουργηθεί μία δέσμη σύμφωνων φωτονίων.

Σε αντίθεση με τα ηλεκτρόνια που είναι μοναχικοί τύποι – απαγορευτική αρχή του Pauli – τα φωτόνια δεν αρνούνται την παρέα με πανομοιότυπα φωτόνια. Είναι μποζόνια.

Πόσα άτομα όμως μπορεί να βρίσκονται σε καθεμιά από τις διάφορες διεγερμένες καταστάσεις ;

Με βάση μία κατανομή παρόμοια με την Maxwell – Boltzmann ο αριθμός αυτός είναι ανάλογος προς το

e^-E/kT β,. Aν είναι E₁ η ενέργεια της διεγερμένης κατάστασης και Ε₀ η ενέργεια της θεμελιώδους για τους αντίστοιχους αριθμούς ατόμων θα είναι n₁/n₂ = e ^-(E₁^-E₀^)/kT ατόμων, πράγμα που σημαίνει ότι για θερμοκρασία του νήματος λαμπτήρα, 3000 Κ περίπου, και για Ε₁ – Ε₀ = 2eV, που αντιστοιχεί σε λευκό φως, ο λόγος είναι 0,00044. Ακόμα και σε τόσο υψηλή θερμοκρασία το ποσοστό είναι εξαιρετικά μικρό.

Χρειάζεται να επιχειρήσουμε να ΑΥΞΗΣΟΥΜΕ τον αριθμό των ατόμων που θα βρίσκονται σε διεγερμένες καταστάσεις

Η έννοια ΠΛΗΘΥΣΜΙΑΚΗ ΑΝΑΣΤΡΟΦΗ.

Η ιδέα είναι να δημιουργήσουμε μία κατάσταση μη-ισορροπίας στην οποίας το n₁ να είναι σημαντικά αυξημένο σε σχέση με την τιμή που θα είχε σε κατάσταση ισορροπίας, όπως αυτή δίνεται από την κατανομή Maxwell- Boltzmann. Η κατάσταση αυτή ονομάζεται πληθυσμιακή αναστροφή.

Όταν το n₁ είναι αρκετά μεγάλο ο ρυθμός με τον οποίο ακτινοβολείται ενέργεια λόγω εξαναγκασμένης εκπομπής υπερβαίνει τον ρυθμό απορρόφησης και το σύστημα δρα ως πηγή ακτινοβολίας με ενέργεια φωτονίων Ε και εφόσον τα φωτόνια προέρχονται από εξαναγκασμένη εκπομπή έχουν ΟΛΑ την ίδια συχνότητα, φάση, πόλωση και κατεύθυνση

Πώς όμως θα πετύχουμε την πληθυσμιακή αναστροφή ; Στον λέιζερ με ήλιον -νέον ένα μίγμα των δύο αερίων υπό πίεση 10^-3 atm βρίσκεται σε γυάλινο δοχείο με δύο ηλεκτρόδια και εφαρμόζεται υψηλή τάση οπότε προκαλείται εκκένωση. Οι συγκρούσεις ανάμεσα στα ιονισμένα άτομα και τα ηλεκτρόνια διεγείρουν τα άτομα σε διάφορες ενεργειακές καταστάσεις. Ένα άτομο ηλίου με ηλεκτρόνιο διεγερμένο στη στάθμη 2s - λόγω περιορισμών που επιβάλλονται από τη διατήρηση της στροφορμής- δεν μπορεί να αποδιεγερθεί εκπέμποντας φωτόνιο ενέργειας 20,61 eV . Δημιουργείται έτσι μια κατάσταση – μετασταθής κατάσταση – στην οποία είναι αδύνατη η εκπομπή ενός μόνο φωτονίου, οπότε ο αριθμός των ατόμων ηλίου στην 2s αυξάνεται συνεχώς, δημιουργείται δηλαδή πληθυσμιακή αναστροφή. Το σημαντικό είναι ότι διεγερμένα άτομα ηλίου μπορούν να μεταβιβάσουν ενέργεια κατά τη σύγκρουσή του με άτομα του αερίου νέον που βρίσκονται αρχικά σε θεμελιώδη κατάσταση. Ένα άτομο ηλίου με την εσωτερική του ενέργεια των 20,61 eV , και λίγη πρόσθετη κινητική ενέργεια μπορεί συγκρουόμενο με άτομο του νέον να το διεγείρει στη στάθμη των 5 s των 20,66 eV και το άτομο ηλίου να επιστρέψει στη θεμελιώδη του κατάσταση. Δημιουργείται έτσι ένας μηχανισμός πληθυσμιακής αναστροφής στο νέο που αυξάνει σημαντικά τον πληθυσμό της κατάστασης 5s σε σύγκριση με την κατάσταση 3p. Εξαναγκασμένη εκπομπή κατά τη διάρκεια των μεταβάσεων από την κατάσταση 5s στην 3p έχει σαν αποτέλεσμα την ΕΚΠΟΜΠΗ ΦΩΤΌΣ μήκους κύματος 632,8 nm με πολύ μεγάλο βαθμό συμφωνίας. Στην πράξη η δέσμη ανακλάται πολλές φορές μπρος πίσω μέσα στο αέριο από δύο παράλληλα κάτοπτρα έτσι ώστε να προκαλέσει εξαναγκασμένη εκπομπή από όσο γίνεται περισσότερα άτομα.

Ένα από τα κάτοπτρα είναι μερικώς διαπερατό έτσι ώστε ένα τμήμα της δέσμης να βγαίνει από τον σωλήνα ως εξωτερική δέσμη. Το τελικό αποτέλεσμα είναι μία ΔΕΣΜΗ ΦΩΤΟΣ

α. πολύ ΕΝΤΟΝΗ β. ΠΑΡΑΛΛΗΛΗ γ. σε μεγάλο βαθμό ΜΟΝΟΧΡΩΜΑΤΙΚΗ και δ. ΣΥΜΦΩΝΗ στο χώρο σε όλα τα σημεία κάθε δεδομένης διατομής της

Υπάρχουν επίσης λέιζερ ημιαγωγού στον οποίο η πληθυσμιακή αναστροφή επιτυγχάνεται με τη ροή ρευμάτων ηλεκτρονίων και οπών σε μια επαφή p-n , Χημικό λέιζερ στο οποίο μια χημική αντίδραση δημιουργεί μόρια που βρίσκονται σε μετασταθείς διεγερμένες καταστάσεις, Λέιζερ αερίου CO₂ όπου η αναστροφή προκαλείται με απότομη εκτόνωση του αερίου

Υπάρχουν επίσης λέιζερ ακτίνων Χ και λέιζερ μικροκυμάτων ( maser )