Cuvântul LASER, acronim creat din iniţialele cuvintelor englezeşti Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation aminteşte modul de producere al acestei radiaţii: amplificarea prin emisie stimulată. La baza obţinerii luminii LASER stau două fenomene:emisia stimulată şi inversia de populaţie.
Energia stimulată
În general atomul se găseşte în starea sa fundamentală corespunzătoare stării celei mai joase de energii,E1. Când este adus pe un nivel de energie mai ridicată, E2, el nu rămâne în această stare excitată decât un interval de timp foarte scurt(- 10-8 s). Atomul revine în starea fundamentală emiţând un foton de energie hυ= E2-E1. Aceasta reprezintă emisia spontană a luminii.
Când atomii se dezexcită, undele emise cu aceeaşi frecvenţă nu au niciun raport de fază între ele; lumina obţinută din emisii spontane nu este coerentă.
Există şi un al doilea tip de emisie prevăzut de Einstein din 1917, numit emisia stimulată. Când un atom se găseşte pe nivelul excitat E2, impactul uni foton cu energia de hυ= E2-E1 produce dezexcitarea atomului pe nivelul E1 şi emisia unui foton identic cu cel incident, acesta nefiind absorbit. Rezultă doi fotoni de aceeaşi frecvenţă, ale căror unde asociate sunt în fază. Astfel prin emisie stimulată se obţine lumina coerentă. Direcţia luminii emise stimulat este cea a luminii incidente.
Inversia de populaţie
Într-un ansamblu de atomi aflaţi în echilibru termic, numărul de atomi(populaţia) a căror energie corespunde unui nivel dat este determinat statistic. Populaţia nivelelor descreşte exponenţial cu creşterea energiei lor. De exemplu, majoritatea atomilor unei lămpi cu descărcare se găsesc în starea lor fundamentală. În aceste condiţiii un foton incident are o şansă mai mare de a fi absorbit, determinând saltul unui atom într-o stare excitată, decât de a provoca emisia stimulată.
Pentru a provoca emisia stimulată eficace este necesar să existe mai mulţi atomi într-o stare excitată decât în starea lor fundamentală; trebuie provocată o inversie de populaţie.
În aceste condiţii pentru un foton incident, probabilitatea de a produce o emisie stimulată este mai mare decât cea de a fi absorbit. Datorită acestei situaţii în cursul traversării mediului, intensitatea luminii va creşte în loc să scadă şi va avea loc amplificarea luminii. Inversia de populaţie poate fi obţinută furnizând energie după procedeul numit ”pompaj optic” propus în 1956 de Alfred Kastler.
Producerea radiaţiei laser
Pentru ca fenomenul de emisie stimulată să joace rol amplificator, trebuie ca fotonii să efectueze mai multe traversări ale mediului activ unde se realizează inversia de populaţie.
Mediul activ este atunci plasat între două oglinzi paralele, dispuse perpendicular pe axa tubului. După fiecare reflexie, fotonii emişi după direcţia perpendiculară pe oglinzi, traversează din nou mediul activ, iniţiind alte emisii stimulate de fotoni: intensitatea fascicolului se măreşte. Fotonii care se propagă după alte direcţii scapă sau sunt absorbiţi de pereţi. Pentru ca lumina să iasă din dispozitiv, una dintre oglinzi este semireflectoare. În medie, aproximativ 1% din numărul total de fotoni incidenţi pe această oglindă pot să o traverseze.
O parte din energia luminoasă se pierde la emisia fascicolului laser. Pentru a întreţine fenomenul, trebuie furnizată energie de la o sursă exterioară(flash) care să ilumineze periodic mediul amplificator pentru a menţine inversia de populaţie.
“Condiţia de prag”, care determină existenţa efectului laser, stabilită pentru prima oară de către A.L.Schawlow si C.H.Townes, este :
Nm-Nn>
*(Nm-Nm) este diferenţa dintre populaţia Nm a nivelului superior m şi populaţia celui inferior n.
*v este frecvenţa tranziţiei ;
*Dv este lărgimea radiaţiei emise ;
*t este timpul mediu de viaţă a nivelului laser superior m ;
*Â este factorul de reflexie ;
*l este lungimea mediului ;
*c este constanta luminii, 2,99793×108 m/s.
Proprietăţile esenţiale ale unei cavităţi rezonante sau ale unui rezonator laser sunt rezumate de factorul de calitate,care poate fi definit cu formula :
Q=vtc ,unde tc este constanta de timp cu care se descreşte energia înmagazinată în cavitate cand se suprimă unda incidentă. Descreşterea energiei înmagazinate este produsă de două cauze: cavitatea nu este complet închisă şi este extrasă în exterior putere, sau există pierderi pe pereţii cavităţii.