III.9.2. Principiul de funcționarea al laserului.

Laserul este un dispozitiv optic care generează un fascicul coerent de lumină. El utilizează un mediu activ (solid, lichid sau gazos) și o cavitate optică rezonantă.

Efectul laser constă în amplificarea luminii prin emisie stimulată a radiaţiei de către un sistem cuantic.

Obţinerea efectului laser într-un sistem atomic dat, presupune existenţa a trei fenomene importante:
- excitarea atomilor
- inversia de populaţie şi
- emisia stimulată.

Principiul LASER constă în faptul că atomii eliberează energie sub formă de fotoni atunci când are loc tranziția de pe un nivel de excitare metastabil (cu un timp de viață mai mare decât 〖10〗^(-8) s) spre un nivel de echilibru. Această tranziție se face sub influența unui factor declanșator și de aceea emisia de energie se numește emisie stimulată. Odată pornită reacția, aceasta se propagă în lanț astfel, un foton emis de un atom dezexcitat va declanșa reacția la altul, acesta la rândul lui va emite un foton și îl va elibera și pe cel incident. Acești doi fotoni se vor înmulți exponențial, astfel încât se produce o amplificare a radiației luminoase.

Părțile constituente ale unui laser sunt :

• mediul activ este componenta principală, fiind un mediu în care se găsesc atomii aflați într-o stare energetică superioară celei de echilibru. În acest mediu activ se produce amplificarea radiației luminoase (dacă avem o radiație luminoasă incidentă) sau chiar emisia și amplificarea radiației luminoase (dacă nu avem o radiație luminoasă incidentă).

• sistemul de excitare este necesar pentru obținerea de sisteme atomice cu mai mulți atomi într-o stare energetică superioară. Există mai multe moduri de a realiza excitarea atomilor din mediul activ, în funcție de natura mediului.

• rezonatorul optic este un sistem de lentile și oglinzi necesare pentru prelucrarea optică a radiației emise. Deși la ieșirea din mediul activ razele laser sunt aproape perfect paralele, rezonatorul optic este folosit pentru colimarea mult mai precisă, pentru concentrarea razelor într-un punct calculat, pentru dispersia razelor sau alte aplicatii necesare. Rolul cavității optice rezonante, formată de obicei din două oglinzi concave aflate la capetele mediului activ, este acela de a selecta fotonii generați pe o anumită direcție (axa optică a cavității) și de a-i recircula numai pe aceștia de cât mai multe ori prin mediul activ.

Principiul de funcționare a laserului

- Absorbţia reprezintă trecerea sistemului dintr-o stare energetică inferioară în una superioară ca urmare a absorbției de fotoni de către atomii mediului activ. Sistemul ajunge astfel într-o stare excitată în care rămâne un interval de timp finit, de obicei scurt (timpul de viaţă al unei stări excitate este de ordinul 10^-8 s).

- Emisia spontană are loc cu eliberarea unui foton când electronii își schimbă stările energetice.

- Emisia stimulată are loc prin dezexcitarea sistemului. În fizica atomică se arăta că nu toate tranziţiile cuantice sunt posibile, interdicţiile fiind fixate de anumite relaţii între numerele cuantice ale nivelelor energetice. Nivelele energetice de pe care atomul nu poate trece spontan, (emiţând un foton) pe nivelele inferioare se numesc nivele metastabile. O stare metastabilă se caracterizează printr-un timp de viaţă mai mare de 10^-8 s). Dacă într-un interval de timp mai mic decât timpul de viaţă este stimulat de un factor extern (un foton de frecvenţă ν), el se poate dezexcita înainte de expirarea timpului de viaţă, prin emisie stimulată. Fotonii rezultaţi, cel incident şi cel emis, au aceeaşi frecvenţă, iar undele asociate sunt în fază. Cei doi fotoni pot stimula dezexcitarea altor atomi rezultând astfel o amplificare a radiaţiei.

- Inversia de populaţie se referă la creșterea numărului de electroni într-o stare metastabilă, fiind necesară pentru realizarea amplificării radiaţiei prin emisie stimulată. Într-un ansamblu de atomi aflat în echilibru termic, numărul de atomi (populaţia) a căror energie corespunde unui nivel dat este determinat statistic. Populaţia nivelelor descreşte exponenţial cu creşterea energiei. În aceste condiţii probabilitatea de absorbţie a unui foton incident este mai mare decât probabilitatea ca acesta să inducă o emisie. Deci, într-un sistem cuantic aflat în stare naturală nu se poate realiza amplificarea radiaţiei prin emisie stimulată, aceasta fiind puternic atenuată. În cazul unui dezechilibru termodinamic numărul atomilor aflaţi într-o stare energetică dată devine mai mic decât numărul atomilor aflaţi într-o stare energetică superioară. Deci, pentru a susține emisia stimulată este necesar să existe mai mult de jumătate dintre electroni pe stări energetice înalte decât electronii aflați în stare fundamentală. Energia necesară inversiei de populație este dată de o sursă de lumină (flash, alt laser sau o descărcare electrică), numită pompaj optic.

- Amplificarea este rezultatul inversiei de populație și a emisiei stimulate. În această situaţie fracţiunea de energie radiată prin emisie stimulată depăşește fracţiunea absorbită. Sistemul acţionează ca un generator şi amplificator cuantic de fotoni. Mai mult decât atât, deoarece fotonii sunt rezultatul emisiei stimulate, ei au cu toţii aceeaşi frecvenţă, fază, polarizare şi direcţie. Radiaţia rezultată este coerentă, spre deosebire de sursele obţinute în care emisiile atomilor individuali nu sunt corelate.