Efectul LASER

Un indicator laser produce un fascicul îngust, adesea de o culoare bine definită. Numele LASER vine din amplificarea luminii prin emisie stimulată de radiație. Ideea centrală este că un foton poate stimula un atom sau alt sistem excitat să emită un al doilea foton cu proprietăți corelate. Când procesul este organizat într-un dispozitiv potrivit, lumina poate fi amplificată.

Pentru a funcționa, mediul activ trebuie să primească energie din exterior. Această alimentare poate fi electrică sau optică, în funcție de tipul laserului. Se creează inversia de populație: pe nivelul superior al tranziției se află mai mulți atomi decât pe nivelul inferior, $N_2>N_1$. Fără alimentare și fără condiții potrivite, lumina nu se amplifică singură.

O cavitate cu oglinzi poate face lumina să treacă de mai multe ori prin mediul activ. O parte iese ca fascicul util. Lumina laser poate avea coerență și direcționalitate ridicate, dar nu orice laser este perfect monocromatic sau perfect paralel. Fasciculul se lărgește totuși cu distanța, chiar dacă uneori foarte puțin.

Laserele sunt folosite la comunicații, măsurări, prelucrarea materialelor și în medicină. Puterea și lungimea de undă pot varia enorm. Nu privi niciodată în fascicul, nici într-unul aparent slab sau invizibil, și nu îndrepta un laser spre oameni, animale ori vehicule. Siguranța depinde de clasa aparatului și de modul de utilizare.

**Trei procese între nivelurile $E_1<E_2$.** Prin **absorbție**, un foton cu $hf=E_2-E_1$ ridică atomul de pe $E_1$ pe $E_2$. Prin **emisie spontană**, atomul excitat revine pe $E_1$ după un timp mediu de viață și emite un foton în direcție și fază întâmplătoare. Prin **emisie stimulată**, un foton de energie $hf=E_2-E_1$ care trece pe lângă un atom excitat îl face să emită un al doilea foton identic cu primul: aceeași frecvență, aceeași direcție, aceeași polarizare și aceeași fază. Un foton incident produce astfel doi fotoni, apoi patru, într-o avalanșă coerentă. Absorbția și emisia stimulată au aceeași probabilitate pentru un atom, deci lumina se amplifică doar dacă nivelul superior este mai populat decât cel inferior, $N_2>N_1$.

Inversia de populație. La echilibru termic raportul populațiilor este $N_2/N_1=e^{-(E_2-E_1)/kT}<1$; pentru o tranziție de $1,91\mathrm{eV}$ la $300\mathrm{K}$ el este de ordinul $10^{-32}$. Starea $N_2>N_1$ nu se obține prin încălzire, ci prin pompaj: energie adusă din exterior prin lumină (lampă cu descărcare, alt laser), prin descărcare electrică sau prin curent electric. Laserul cu rubin ($694,3\mathrm{nm}$) are trei niveluri; laserul He–Ne ($632,8\mathrm{nm}$), cel cu Nd:YAG ($1064\mathrm{nm}$) și cel cu CO${}_2$ ($10,6\mu \mathrm{m}$) lucrează cu patru niveluri, deoarece nivelul inferior al tranziției se golește rapid. Nivelul superior al tranziției laser este metastabil: are un timp de viață lung, astfel că atomii se acumulează pe el. Laserul cu semiconductor funcționează prin recombinarea electronilor cu golurile într-o joncțiune $p$–$n$ polarizată direct.

Rezonatorul și proprietățile fasciculului. Mediul activ este plasat între două oglinzi, dintre care una lasă să iasă o parte mică din lumină. Fotonii care merg paralel cu axa se reflectă și străbat mediul de multe ori, deci se amplifică, iar ceilalți ies din cavitate. Între oglinzi, aflate la distanța $L$, rămân numai undele staționare cu $L=k\lambda /2$, $k$ întreg. Oscilația apare când câștigul pe o trecere dus-întors depășește pierderile. Fasciculul este monocromatic (lățime spectrală foarte mică), coerent (fază legată între fotoni), direcțional (divergență de ordinul $1\mathrm{mrad}$) și intens, pentru că puterea e concentrată pe o suprafață mică. Un fascicul de $1\mathrm{mm}$ diametru și divergență $1\mathrm{mrad}$ ajunge la $100\mathrm{m}$ cu diametrul de circa $10\mathrm{cm}$.

Aplicații. Telemetria laser măsoară distanța din durata dus-întors a unui impuls (Pământ–Lună, $3,84\cdot 10^8\mathrm{m}$, durează $2,6\mathrm{s}$). Fibra optică transportă informația pe impulsuri laser infraroșii; discurile optice sunt citite la $780\mathrm{nm}$ (CD), $650\mathrm{nm}$ (DVD) și $405\mathrm{nm}$ (Blu-ray). Laserele de putere taie și sudează metale, iar cel excimer ($193\mathrm{nm}$) remodelează corneea în chirurgia ochiului.

Exemplu rezolvat 1 — fotonii unui indicator. Un indicator laser verde emite $P=5,0\mathrm{mW}$ la $\lambda =532\mathrm{nm}$. Se află câți fotoni emite pe secundă.

1. Energia unui foton este $E=hc/\lambda =6,626\cdot 10^{-34}\cdot 3,0\cdot 10^8/(532\cdot 10^{-9})\approx 3,74\cdot 10^{-19}\mathrm{J}\approx 2,33\mathrm{eV}$.
2. Numărul de fotoni emiși într-o secundă este $N=P/E=5,0\cdot 10^{-3}/3,74\cdot 10^{-19}\approx 1,3\cdot 10^{16}$.

Puterea fasciculului depinde de numărul de fotoni emiși pe secundă, nu de energia unuia singur.

Exemplu rezolvat 2 — intensitatea unui impuls. Un laser cu impulsuri livrează $0,50\mathrm{J}$ într-un impuls de $1,0\mathrm{ms}$, concentrat într-o pată circulară cu diametrul $d=0,20\mathrm{mm}$.

1. Puterea în impuls este $P=E/t=0,50/10^{-3}=500\mathrm{W}$.
2. Aria petei este $S=\pi d^2/4=\pi (2,0\cdot 10^{-4}{)}^2/4\approx 3,1\cdot 10^{-8}{\mathrm{m}}^2$.
3. Intensitatea este $I=P/S\approx 1,6\cdot 10^{10}W/{\mathrm{m}}^2$, de circa $1,6\cdot 10^7$ ori mai mare decât a luminii Soarelui la sol ($\approx 1000W/{\mathrm{m}}^2$).

Această concentrare a energiei explică de ce laserul taie, sudează sau topește, deși energia impulsului este mică.

Greșeli frecvente

• Greșit: laserul produce energie fără alimentare.
  Corect: el are nevoie de pompaj (energie electrică sau optică).
• Greșit: fasciculul laser este perfect paralel și are o singură frecvență.
  Corect: fasciculul se lărgește puțin, iar spectrul are o lățime mică, dar nenulă.
• Greșit: laserul amplifică lumina prin reflexii pe oglinzi.
  Corect: amplificarea vine din emisia stimulată; oglinzile doar trimit lumina înapoi prin mediul activ.
• Greșit: inversia de populație se obține prin încălzirea mediului activ.
  Corect: la echilibru termic nivelul inferior este mai populat; inversia cere pompaj și un nivel superior metastabil.

Înainte și după