2.1 Stimulirana emisija

Stimulirana emisija je rijedak događaj zbog iste termodinamičke činjenice zbog koje je spontana emisija moguća: svaki sustav teži da zauzme minimum energije. U normalnoj situaciji, tj. elektrodinamičkoj ravnoteži naseljenost viših stanja opada s porastom energije stanja. To znači da će nadolazeći foton vjerojatnije biti apsorbiran od donjeg stanja nego što će stimulirati atom u gornjem stanju da izrači foton. Pod ovakvim uvjetima spontana emisija dominira nad stimuliranom.

            Da bi se dogodila stimulirana emisija potrebna je inverzija naseljenosti: Naseljenost gornjeg nivoa određenog prijelaza mora biti veća od naseljenosti donjeg nivoa. Tada je vjerojatnost da će nadolazeći foton inducirati stimuliranu emisiju biti veća od vjerojatnosti da će biti apsorbiran. Rezultat će biti pojačanje u svjetlosti, odnosno povećani broj fotona s energijom prijelaza. Na ovoj ideji se zasniva rad lasera. Laser je akronim za pojačanje svjetlosti pomoću stimulirane emisije zračenja.

            Light    Amplification by            Stimulated         Emission of       Radiation

2.2. Princip rada lasera

Svaki laser se sastoji od tri glavna dijela: Optičkog pojačala, optičkog rezonatora i energetske pobude sustava.

            Optičko pojačalo je zapravo medij u kojem se pojačava laserska svjetlost pri svakom prolazu. U aktivnom mediju pumpanjem iz vanjskog izvora energije postiže se inverzija naseljenosti između gornjeg i donjeg nivoa čiji prijelaz daje laserski snop. Postoje mnogi rasporedi energetskih nivoa koji mogu osigurati lasersko djelovanje. Opisat ćemo ukratko laser s tri nivoa i laser s četiri nivoa.

Kod sheme s tri nivoa, laserska svjetlost nastaje pri prijelazu s nivoa E₂ na nivo E₁ koji je je ujedno i osnovni nivo. Atomi se pumpaju na visokopobuđeni nivo E₃ s osnovnog nivoa. Na tome nivou ostaju u prosjeku 10^-8 sekundi i potom prelaze ( obično neradijativnim putem ) na nivo E₂ koji je metastabilan. Budući da je vrijeme života metastabilnog nivoa relativno dugo, ( reda veličine 10^-3 sekundi ) mnogo atoma ostaje u tome stanju. Ukoliko je pumpanje dovoljno snažno, nakon jednog pulsa pumpanja više od 50% atoma će biti u stanju E₂ i lasersko djelovanje se može odvijati.

            Laser s četiri energetska nivoa ima dodatni energetski nivo iznad osnovnog stanja. Ovaj dodatni nivo ima veoma kratko vrijeme života, odnosno donji nivo laserskog prijelaza se veoma brzo prazni što olakšava održanje inverzne naseljenosti. Zbog toga za lasersko djelovanje uz ovakvu shemu nisu pottrene velike snage pumpanja kao kod sustava s tri nivoa. Kod sustava s četiri nivoa moguće je lasersko djelovanje i kad se većina atoma nalazi u osnovnom stanju. Zato se ovakva shema primjenjuje kod lasera koji rade u kontinuiranom režimu.

            Drugi glavni dio svakog lasera je optički rezonator. Tipično se laserski rezonator sastoji od dva paralelna skoro ravna zrcala. Jedno od zrcala ima refleksivnost što bliže 100% za lasersku svjetlost, dok je refleksivnost drugoga nešto manja od 100% kako bi dio svjetlosti izišao van i tako tvorio laserski snop. Samo ona svjetlost koja putuje skoro okomito na zrcalnu ravninu ostaje unutar rezonatora i ima priliku da bude pojačana. Da bi takva svjetlost konstruktivno interferirala mora biti zadovoljen uvjet da je duljina rezonatora jednaka cjelobrojnom umnošku polovice valne duljine svjetlosti. Za različite vrijednosti cijelog broja m dobivaju se različite valne duljine, odnosno frekvencije pojedinih modova laserskog rezonatora. Zbog toga spektar laserskog svjetla izgleda kao serija uskih vršaka koji su međusobno razmaknuti za c/2L na frekventnom spektru, gdje je c brzina svjetlosti, a L razmak između zrcala.

            Kao energetska pobuda medija može poslužiti apsorpcija fotona, sudari između elektrona ili iona i aktivnih molekula odnosno atoma koji emitiraju lasersko svjetlo, sudari između samih aktivnih atoma odnosno molekula, rekombinacija slobodnih elektrona, rekombinacija nositelja naboja u poluvodiču, kemijska reakcija koja stvara pobuđene molekule ili atome.

            Na kraju, možemo ponoviti kako dolazi do laserskog svjetla. Vanjska pobuda dovede do inverzije naseljenosti u aktivnom mediju. Ovi atomi spontano emitiraju fotone koji zatim induciraju stimuliranom emisijom dodatne fotone. Neki od ovih fotona se vraćaju u medij djelovanjem rezonatora i stvaraju lavinu fotona u istom pravcu. Konačno se stvara ravnotežno stanje u kojemu veliki broj fotona putuje naprijed-natrag u rezonatorskoj šupljini po osi, dok mali dio fotona izlazi kroz zrcalo i daje laserski snop.

2.3. Karakteristike laserskog svjetla

Laseri su korisni zbog svojih jedinstvanih karakteristika, monokromatičnosti, usmjerenosti, velikog sjaja i velike koherencije.

            Pod monokromatičnošću lasera podrazumijevamo da laser emitira skoro samo jednu valnu duljinu. Dok je spektralna širina zračenja dobivena spontanom emisijom s jednog prijelaza reda veličine 10^-12 – 10^-10 m, kod laserskog svjetla širina može biti i tek 10^-20 m. Ovakva mala širina je posljedica činjenice da laserski rezonator može osigurati da skoro sva svjetlost dolazi stimuliranom emisijom ko

ja potječe od svega nekoliko početnih, sličnih fotona.

            Budući da je skoro sva laserska svjetlost rezultat fotona koji putuju po pravcu paralelnom s osi rezonatora u osnovi bi laserski snop trebao biti savršeno kolimiran. Međutim, snop se širi zbog difrakcije jer je transverzalna dimenzija rezonatora konačna. Tipični kutovi divergencije laserskog snopa su manji od 1 miliradiana odnosno 0.05^O.

            Spektralni sjaj je optičko svojstvo koje je ujedno mjera monokromatičnosti i usmjerenosti izvora svjetlosti. Spektralni sjaj je definiran kao svjetlosna snaga izračena u jedinični prostorni kut u jedinični valni interval po jediničnoj površini. Možemo usporediti spektralni sjaj sunca i tipičnog He-Ne lasera. Na tipičnoj vidljivoj valnoj duljini od 500 nm, spektralni sjaj sunca iznosi 7 10¹² Wm^-3sterad^-1. Spektralni sjaj  1mW He-Ne lasera na valnoj duljini 632,8 nm koji daje snop promjera 0,5 mm iznosi 5 10²³ Wm^-3sterad^-1, znači 10 milijardi više od sunčevog.

            Koherencija se definira kao mjera korelacije faza između različitih točaka vala. Iako je to osobina putujućeg vala, koherencija je direktno vezana uz osobine izvora vala. Slikovito se koherencija može shvatiti uz pomoć slike dva čepa koji plutaju na površini vode. Neka je izvor valova kamen bačen u vodu daleko od čepova. Tada ćemo imati savršenu korelaciju u gibanju dva čepa. Oni ne moraju biti u fazi, odnosno jedan se može gibati gore dok drugi ide dolje, ali će relativna faza između položaja dva čepa u vremenu ostati konstantna. Ovdje imamo savršenu koherenciju jer je izvor točkasti. Zamislimo sada da su izvori valova kišne kapi koje nasumce padaju na vodu. Val je u svakoj točki superpozicija valova nastalih od svih kišnih kapi. Budući da kišne kapi nasumce pogađaju različita mjesta na vodi u nasumičnim vremenskim trenucima, ne možemo očekivati da će faza vala na jednom mjestu biti korelirana s fazom na drugom mjestu. Čepovi sad skaču gore dolje bez ikakvog međusobnog odnosa u njihovim gibanjima. U ovom slučaju izvor valova je jako nekoherentan.

            Žarulja sa žarnom niti je vrlo nekoherentan izvor svjetla. Od nje možemo načiniti koherntniji izvor stavljajući prostorni i kromatski filter. Međutim, na taj način odbacujemo veoma veliki dio svjetla. Kao mjera prostorne koherencije služi koherentna duljina. Koherentna duljina je maksimalna udaljenost između dvije točke po pravcu prostiranja snopa , za koju su te dvije točke u konstantnom faznom odnosu. Duljina koherencije za He-Ne laser može iznositi od 10 cm do 100 m, dok je duljina koherencije tipičnog termalnog izvora oko 1 mikrona.

Home page