24-6 Lasery

24-6 Lasery

Doteraz sme pojednávali o spektrách, ktoré vznikali v dvoch krokoch – elektrón (v prípade atómu vodíka jediný elektrón) dostal vhodnú dávku energie v podobe jedného fotónu, alebo zo zrážky, či z elektrického výboja, a tým sa dostal do nejakého dovoleného energeticky vyššieho stavu. V tomto stave nezotrval dlho, za veľmi krátku dobu – typicky za 10−8 s – elektrón sa spontánne vráti buď priamo na základnú energetickú hladinu vyžiarením jediného fotónu, alebo viacerými medziskokmi, a pri každom skoku vyžiari jeden fotón.

Už vieme, že keď elektrón skáče na energeticky vyššiu hladinu pôsobením fotónu, tak pohltí vždy celú energiu fotónu.

Fotóny však môžu hrať aj inú úlohu. Predstavme si, že atómy sa kúpu v prúde fotónov s vhodnou energiou, aby elektrón vyskočil na energeticky vyššiu hladinu. Kým elektrón pretrváva na energeticky vyššej hladine a čaká na okamih, až zoskočí naspäť na nižšiu hladinu, vstúpi do interakcie s ďalším fotónom z tejto „kúpele“, čo môže viesť k tomu, že sa vráti späť na nižšiu hladinu skôr, pričom vyžiari fotón (to je tiež fotón s vhodnou energiou, s rovnakou energiou, akú mal fotón, ktorý tento urýchlený prechod vyvolal).

Predstavme si celú hromadu rovnakých atómov. V niektorých z nich sú elektróny v  základnom stave s energiou E1, niektoré sú zase na vyššej hladine s energiou E2, zase iné na ešte vyššej hladine s energiou E3, atď. Majme teraz prichádzajúci fotón s energiou hν = E3 − E2. Jeden proces už poznáme: ak vstúpi do interakcie s elektrónom na hladine s energiou E2, odovzdaním svojej energie ho zdvihne na hladinu s energiou E3. Druhý možný proces ale je, že vstúpi do interakcie s elektrónom na hladine s energiou E3, a stimuluje ho, aby okamžite zoskočil na hladinu s nižšou energiou, na hladinu s energiou E2. Čo sa pritom stane s fotónom, ktorý to vyvolal? Nič. On existuje ďalej s  energiou hν = E3 − E2, kým prechod elektrónu na nižšiu hladinu vyprodukoval ešte jeden taký fotón – a to doslovne. Elektrónom emitovaný fotón (indukovaný) postupuje v tom istom smere, ako fotón, ktorý stimuloval urýchlený prechod elektrónu, dvojica fotónov je dokonca vo fáze. Takto indukovaný prechod vytvoril fotón, ktorý sa od spontánne vyžiareného podstatne líši. Pri spontánnom prechode vznikajúci fotón môže letieť v ľubovoľnom smere a nemusí byť vo fáze s žiadnym iným fotónom.

Za bežných okolností je tento jav nevýznamný, lebo na energeticky vyšších stavoch je výrazne menej elektrónov, než na nižších hladinách, a potom je pravdepodobnejšie, že fotón sa zužitkuje na „pozdvihnutie“ fotónu do vyššieho stavu, než na indukovanú emisiu kópie fotónu.

Aby sa to stalo zaujímavým sa urobí trik, ktorý vedie k vzniku laseru. Vytvorí sa veľká populácia elektrónov vo vyššom stave. Prvý laser sa svetu predstavil 16-ho mája 1960, a jeho srdce tvoril syntetický rubínový kryštál.⁴. Syntetický rubín sa syntetizuje z bezfarebného oxidu hlinitého (Al2O3) a z nepatrného percentuálneho množstva chrómu. Silné biele svetlo väčšinu atómov chrómu vybudí (excituje) na vyššiu energetickú hladinu; tieto elektróny sú v metastabilnom stave, čo znamená, že (v atomárnej mierke) zotrvávajú v tomto vybudenom stave veľmi dlho, rádovo 10−3 s – až potom by spontánne zoskočili späť na nižšiu energetickú hladinu.

Spomedzi spontánne vyžiarenými fotónmi, jeden indukuje ďalší fotón, ktorý je presne ako on, dvaja indukujú ďalší a ďalší, pričom každý ďalší indukovaný fotón letí v tom istom smere ako pôvodný a je vo fáze s ním (obr. 24.6b). Keby sme už nič iného neurobili, tak nebol by celý jav ničím iným, než zaujímavým experimentom. Pritom laser je mimoriadne dôležitým technickým zariadením, a dnes na neho narážame už skoro všade. Posledný krok k vytvoreniu laseru vychádza z toho, že rubín predstavuje valec, ktorého konce sú dokonalo vyleštené a vzájomne rovnobežné. Na konce je nanesená strieborná vrstva: na jednom konci je vrstva hrubá, aby podľa možnosti odrazil všetko späť, kým druhý koniec je tenší, aby veľmi malú časť fotónov prepustil von z rubínu.

Videli sme, že spontánny prechod je schopný spustiť lavínu, pokiaľ sa mu podarí naraziť na správne vybudený chróm. Pokiaľ však letí nie kolmo k zrkadlám, tak táto šanca je malá, lebo v podstate má len jeden prelet v rubíne. Ak je však smer letu fotónu kolmý na zrkadlá, šanca na spustenie lavíny je výrazne väčšia. Nie je treba sa preto čudovať, že nakoniec sa vytvorí silné žiarenie kolmo na zrkadlá, ktoré pozostáva z fotónov letiacich v jednom smere a vo fáze. Akoby tieto fotóny vo fáze tvorili jednu silnú klasickú elektromagnetickú stojatú vlnu medzi zrkadlami. Zrkadlá teda musia byť nie len kolmé na seba, ale aj vzdialenosť medzi zrkadlami na koncoch musí byť taká, aby mohla stojatá vlna vzniknúť. Vďaka tomu, že v syntetickom rubíne elektróny dlho zostávajú vo vybudenom stave, môžeme do kryštálu relatívne dlho „pumpovať“ energiu, a stojatá vlna nahromadí veľa energie. Na konci rubínu, kde zrkadlo nie je dokonalé, sa od stojatej vlny občas oddelí nejaký fotón a opustí kryštál. Aj keď toto nedokonalé zrkadlo prepustí len zlomok žiarenia, vďaka veľkému množstvu uzavretých fotónov je vystupujúci lúč stále veľmi intenzívny a koherentný.

Koherencia znamená, že fotóny sú vo fáze a postupujú v jednom smere. Rozptyl koherentného lúča je veľmi malý, a závisí nepriamo úmerne od priemeru lúča. Laserový lúč môžeme sústrediť do malého bodu a taviť tým kovy, rezať materiály, alebo ponechať ako rovný lúč a prenášať ním informácie na veľkú vzdialenosť.

Samotné slovo LASER je tzv. akronym vytvorený z anglického pomenovania zariadenia: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (zosilnenie svetla pomocou indukovaného žiarenia). Vyššie popísaný rubínový laser je pulzný laser. Kryštál sa osvetľuje zábleskmi xenónovej zábleskovej lampy – každý záblesk lampy vyvolá pulz laserového svetla. Sú aj také lasery, ktoré svietia spojito (napr. plynové). V iných zase, ako napríklad v laserovom ukazovátku vzniká laserové svetlo v tenkej valcovitej vrstve, ktorú budí svetlo polovodičovej diódy. Dnes sú lasery skoro všade a existuje ich veľmi široký sortiment. Môžeme očakávať, že ich použitie sa ešte rozšíri. Sú najefektívnejším zdrojom viditeľného svetla (preto sa používajú v sústave SI na novú definíciu jednotky svietivosti, na definíciu kandely).