Πως δουλεύει ένα λέιζερ;

Συχνές ερωτήσεις, Απρίλιος 2004

Όλοι ξέρουμε από τη σχολική φυσική ότι , όταν ένα φωτόνιο κατάλληλης ενέργειας  που ανήκει σε ευθύγραμμη δέσμη φωτός, χτυπήσει άτομο που βρίσκεται στη θεμελιώδη του κατάσταση, το διεγείρει σε μια κατάσταση υψηλότερης ενέργειας, και όταν το άτομο αυτό ξαναγυρίζει στη θεμελιώδη του κατάσταση, κατευθείαν από την διεγερμένη, εκπέμπει πάλι φωτόνιο ίδιας συχνότητας με το αρχικό (δηλαδή ιδίου χρώματος), αλλά προς τυχαία κατεύθυνση.

Έτσι στην αρχική κατεύθυνση του φωτός, η δέσμη μετά το πέρασμά της από την περιοχή που βρίσκονται τα άτομα της ύλης, δεν περιέχει πια την συγκεκριμένη συχνότητα, η οποία φαίνεται ότι απορροφήθηκε από την ύλη.

Ο Einstein όμως έδειξε ότι θα μπορούσε να συμβεί και κάτι άλλο. Στο παρακάτω πείραμα, αυξήστε προοδευτικά τη "φωτεινότητα" της πηγής, η οποία εκφράζει τον αριθμό των φωτονίων που εκπέμπονται ανά μονάδα χρόνου και παρατηρείστε κάτι περίεργο που συμβαίνει καθώς τα φωτόνια βγαίνουν όλο και πιο γρήγορα από την φωτεινή πηγή. Στο εικονικό αυτό πείραμα, όταν το άτομο εικονίζεται με ένα πράσινο περίγραμμα, σημαίνει ότι βρίσκεται στη διεγερμένη του κατάσταση.

Παρατηρούμε ότι αν ένα φωτόνιο χτυπάει ένα άτομο ήδη διεγερμένο, μοιάζει σαν να αφήνει το άτομο να περνάει το αρχικό φωτόνιο στην ίδια κατεύθυνση που πήγαινε, ενώ συγχρόνως εκπέμπει και αυτό ένα όμοιο φωτόνιο προς την ίδια εμπρόσθια κατεύθυνση.  
Αυτό είναι ακριβώς το κλειδί που εξηγεί την λειτουργία του λέιζερ. Όταν ένα φωτόνιο χτυπήσει ένα ήδη διεγερμένο άτομο, το άτομο εκπέμπει ένα νέο φωτόνιο, που είναι απόλυτα όμοιο με το προσπίπτον: ίδιο χρώμα, και ίδια κατεύθυνση. Ονομάζουμε αυτή τη διαδικασία, "εξαναγκασμένη εκπομπή". 


Ένα φωτόνιο χτυπάει ένα διεγερμένο άτομο (αριστερά)
και το άτομο εκπέμπει ένα ακριβώς όμοιο φωτόνιο (δεξιά)

Από ένα λοιπό αρχικό φωτόνιο έχουμε δύο όμοια φωτόνια "κλώνους", και αν αυτά χτυπήσουν νέα άτομα γίνονται 4 όμοια φωτόνια κ.οκ. Είναι φανερό ότι έτσι πετυχαίνουμε ενίσχυση του φωτός, με απολύτως όμοια φωτόνια. 

Εντάξει, θα μπορούσε να παρατηρήσει κάποιος, αλλά για να διεγείρω ένα άτομο πρέπει προηγουμένως να έχω χρησιμοποιήσει πάλι ένα φωτόνιο για το σκοπό αυτό. Αν λοιπόν για να πάρω 2 φωτόνια χρησιμοποιώ άλλα δύο, ποιό το όφελος; Πως θα πετύχω την ενίσχυση του φωτός; 

Σωστά μέχρι εδώ, γι αυτό ξεκινάμε τη διαδικασία με ένα σωρό από διεγερμένα άτομα, που δεν τα έχουμε διεγείρει με φωτόνια, και στη συνέχεια, ένα φωτόνιο που περνάει μέσα από την περιοχή των ατόμων, ξεκινάει τη διαδικασία της χιονοστιβάδας. Το θέμα λοιπόν είναι πως πετυχαίνουμε την αρχική μαζική διέγερση των ατόμων, αφού είναι γνωστό ότι τα άτομα στη συνηθισμένη τους κατάσταση βρίσκονται στη θεμελιώδη τους στάθμη.

Κάτι τέτοιο δεν είναι και τόσο εύκολο, αλλά πάντως το πετυχαίνουμε είτε με "αντλίες ηλεκτρικής ενέργειας" επί των ατόμων, είτε φωτίζοντάς τα με φως διαφορετικών συχνοτήτων από τη συχνότητα του φωτός που θα ενισχυθεί και θα μας δώσει το λέιζερ. Και με τις δύο διαδικασίες, διεγείρουμε τα άτομα σε αρκετά υψηλότερες ενεργειακές στάθμες, και μετά αυτά - κάτω από ειδικές συνθήκες -μεταπηδούν και συσσωρεύονται σε κάποια ενδιάμεση διεγερμένη στάθμη, αντί να πάνε ξανά πίσω στη θεμελιώδη. Αυτό ονομάζεται "αντιστροφή πληθυσμών."  Στο παρακάτω εικονικό πείραμα, δείτε πως δουλεύει όλη αυτή η διαδικασία. 

Πως όμως θα τα καταφέρουμε ώστε οι δεσμίδες των φωτονίων που θα εκπεμφθούν από τις ομάδες των διεγερμένων ατόμων να αποκτήσουν αφ' ενός την ίδια κατεύθυνση όλες τους και αφ' ετέρου να ενισχυθούν στο βαθμό που εμείς επιθυμούμε; 

Το κόλπο είναι να βάλουμε μια τέτοια δεσμίδα φωτονίων να ταξιδέψει πολλές φορές εμπρός-πίσω σε μια ευθεία, μέχρι να αποκτήσει την επιθυμητή ένταση. Αυτό το πετυχαίνουμε χρησιμοποιώντας καθρέφτες που ανακλούν τα φωτόνια εμπρός-πίσω σε μια ευθεία διαμέσω της περιοχής των ατόμων. Το επόμενο εικονικό πείραμα μας δείχνει τη διαδικασία αυτή χρησιμοποιώντας είτε την κυματική, είτε τη σωματιδιακή υπόσταση του φωτός. Ουσιαστικά όμως πρόκειται για το ίδιο πράγμα. Στην κυματική εικόνα βέβαια, το φως του λέιζερ που παριστάνεται ανάμεσα στους καθρέφτες, έχει τα χαρακτηριστικά του στασίμου κύματος.

Παρατηρούμε ότι αν η ενεργειακή άντληση των σταθμών είναι αρκετά υψηλή, δημιουργείται προοδευτικά, μια αρκετά ισχυρή δεσμίδα φωτονίων μεταξύ των κατόπτρων. Παρατηρούμε επίσης ότι ο δεξιός καθρέφτης είναι ημιπερατός και μια ποσότητα φωτονίων διαφεύγει μέσω αυτού προς τα δεξιά. Με τον τρόπο αυτό ωφελούμαστε από τη δέσμη λέιζερ. Θα μας ήταν άχρηστη αν βρισκόταν μόνιμα μεταξύ των κατόπτρων. 

Στις πραγματικές συσκευές λέιζερ, όπως π.χ. στα λέιζερ-δείκτες που χρησιμοποιούμε για να δείχνουμε, η όλη διαδικασία γίνεται μερικά δισεκατομμύρια φορές ταχύτερα απ' ότι δείξαμε στα παραπάνω εικονικά πειράματα. Επίσης στα πραγματικά λέιζερ, τα άτομα είναι περίπου ένα δισεκατομμύριο φορές μικρότερα και υπάρχουν περίπου μερικά δισεκατομμύρια από αυτά στη διεγερμένη κατάσταση κατά την αντιστροφή του πληθυσμού.


To Laser (ενίσχυση φωτός με εξαναγκασμένη εκπομπή ακτινοβολίας) είναι διάταξη παραγωγής ακτινοβολιών στο ορατό μέρος της Η/Μ περιοχής.  Στην πραγματικότητα το λέιζερ είναι ένας ενισχυτής φωτός που μετατρέπεται σε πηγή όταν μέρος της ισχύος εξόδου επαναφέρεται με κατάλληλη φάση στην είσοδο. Έτσι στο λέιζερ συναντώνται και η πηγή και ο ενισχυτής.

[ animation showing 
electrons reflecting off mirrors until the are excited enough to 
exit as laser light ]

Σε ένα laser ρουβιδίου, λευκό φως από τη λυχνία ξένου που αναβοσβήνει φωτίζει το ρουβίδιο (οξείδιο του αργιλίου), και δημιουργεί τη λεγόμενη "οπτική άντληση", διεγείροντας έτσι τα μόρια στη ράβδο ρουβιδίου ώστε να εκπέμψουν ένα βαθύ κόκκινο παλμό. Ανάμεσα στα άκρα του ρουβιδίου υπάρχουν δύο κάτοπτρα (οπτικά αντηχεία- το ένα ημιπερατό και το άλλο ανακλά όλο το φως), ανάμεσα στα οποία ταλαντώνεται το φως έως ότου ενισχυθεί μέχρι ενός σημείου και στο τέλος το φως ξεφεύγει από την κοιλότητα ενισχυμένο.

Ενδιαφέρουσες ιστοσελίδες
Τι είναι το Laser Η σελίδα των εργαστηρίων Bell.
Home