Laser - wymuszona emisja promieniowania przez atomy

W tzw. stanie naturalnym, np. w klasie przy temperaturze ok. 20oC, nie wszystkie atomy pierwiastków powietrza znajdują się w stanie podstawowym. Część z nch jest wzbudzona promieniście przez światło i inne rodzaje promieniowania elektromagnetycznego oraz bezpromieniście w wyniku wzajemnych zderzeń. Najwięcej jest atomów w stanach podstawowych. Im wyższy stan wzbudzenia, tym takich atomów jest mniej. Przyjmuje się, że wszystkie atomy znajdują się w stanie podstawowym w temperaturze zera bezwzględnego.
Wymuszona emisja promieniowania ma miejsce wtedy, gdy wysłany w wyniku emisji spontanicznej foton napotyka na swojej drodze atom wzbudzony do energii jaką posiada ten foton (patrz rysunek obok). Wówczas atom zmuszony jest do powrotu do stanu podstawowego z emisją fotonu. Oba fotony poruszają się dalej w tym samym kierunku, mają tę samą częstotliwość, energię i są zgodne w fazie - są spójne. O świetle z emisji spontanicznej, w którym fotony biegną w różnych kierunkach, mają różne częstotliwości, energie i fazy, mówimy, że jest niespójne.
Emisja wymuszona jest zjawiskiem rezonansowym chociażby dlatego, że częstotliwość fotonu wymuszającego musi być taka sama jak wymuszanego (przypomnij sobie rezonans mechaniczny wahadeł).
Trudno jest sobie wyobrazić emisję wymuszoną w gazie znajdującym się w stanie naturalnym - mało jest w nim atomów w stanach wzbudzonych. Aby otrzymać wiązkę światła spójnego trzeba dokonać tzw. inwersji obsadzeń atomów, czyli doprowadzić do sytuacji, w której w gazie będzie więcej atomów wzbudzonych niż w stanie podstawowym.

Okazało się, że emisja spontaniczna odbywa się z różnymi prawdopodobieństwami, charakterystycznymi dla danych dwóch poziomów. U części pierwiastków znaleziono poziomy metatrwałe, dla których prawdopodobieństwo emisji spontanicznej jest bardzo małe. Z tego wynika, że czas życia tych atomów w stanie wzbudzonym, gdy elektron przebywa na poziomie metatrwałym, jest odpowiednio długi. Jeśli wśród poziomów energetycznych atomu są takie trzy jak na rysunku z lewej strony i jeśli poziom 2 jest metatrwały, to po pewnym czasie pod wpływem energii światła (tzw.pompowanie optyczne) znajdzie się na nim bardzo dużo elektronów. Przypadkowy foton o energii 21 spowoduje emisję wymuszoną elektronów z poziomu 2 na 1 – otrzymamy wtedy wiązkę światła spójnego. Aby zwiększyć prawdopodobieństwo zajścia emisji wymuszonej laserom gazowym nadaje się kształt rury z dwoma lustrami na jej końcach. Lustra zawracają foton wydłużając jego drogę w gazie, a tym samym prawdopodobieństwo spowodowania emisji wymuszonej. Jedno z luster jest półprzepuszczalne.

Wyróżnia się lasery gazowe, półprzewodnikowe, chemiczne, barwnikowe...

W czytnikach płyt CD w komputerach wykorzystuje się lasery czerwone. Ostatnio zdobywają rynek lasery niebieskie, które pozwalają na większe upakowanie danych na tym samym nośniku. Barwa lasera związana jest z długością fali promieniowania mającego w nim zastosowanie. Światło niebieskie posiada krótszą długość fali, a to pozwala upakować więcej danych na tym samym polu płyty.