Principiul de functionare al laserului

Principiul de functionare al laserului

Dupa cum se stie, atomii si moleculele corpurilor se afla intr-o necontenita miscare dezordonata, energiile lor cinetice medii depinzand numai de temperatura. Aceste energii au numai anumite valori (valori discrete) numite stari energetice sau nivele energetice. Absorbtia sau cedarea energiei de catre aceste particule are loc numai in cuante corespunzatoare tranzitiei intre doua stari energetice stationare.

Distributia particulelor pe aceste stari energetice este de asemenea functie de temperatura; la o temperatura data, numarul atomilor aflati in stari energetice joase este mult mai mare decat al celor excitati pe nivele energetice superioare. Daca temperatura corpului creste, distributia se modifica, aparand mai multi atomi pe nivele energetice superioare (atomi excitati). Pentru trei nivele energetice , numarul de atomi care, la o temperatura data, au energia corespunzatoare acestor trei nivele sunt in relatia: , adica nivelul cel mai inalt, E₃, este cel mai putin populat cu atomi excitati, iar nivelul cel mai de jos, este populat cu numarul cel mai mare de atomi, figura 1 a).

Aceasta este repartitia obisnuita a atomilor unui corp aflat in echilibru termodinamic, la o temperatura data. Ea este descrisa matematic printr-o relatie care reprezinta legea de distributie a lui Boltzmann. Astfel, pentru o temperatura T, intre numarul N₂ de atomi de pe nivelul de energie E₂ si numarul N₁ al celor aflati pe nivelul inferior E₁ ()exista relatia:

(1)

unde k este constanta lui Boltzmann. Evident, daca , atunci , deoarece temperatura absoluta T este totdeauna o marime pozitiva. Marind temperatura corpului, numarul N₂ de atomi excitati pe nivelul superior E₂ creste, dar nu va putea niciodata deveni mai mare decat N₁. Chiar in cazul in care , N₂ tinde sa devina egal cu N₁ (deoarece ), dar nu mai mare. Asadar, in conditii obisnuite, de echilibru termodinamic, nu se poate obtine pe cale termica . Daca insa, pe o alta cale, s-ar putea popula mai mult nivelul 2 decat nivelul 1, adica s-ar realiza o inversiune de populatie intre nivelele E₂ si E₁, figura 1 b), atunci din relatia (1) se obtine formal o temperatura absoluta negativa. Intr-adevar, logaritmand aceasta relatie, se obtine:

(2)

Insa notiunea de temperatura absoluta negativa nu are sens in termodinamica, unde sunt studiate numai starile de echilibru. Starile cu temperatura negativa sunt stari de neechilibru termodinamic, legate, dupa cum se vede, de schimbarea fortata a populatiilor pe nivele de energie. Aceasta situatie este interpretata de fizica statistica in care sunt studiate si starile de neechilibru. Fenomenul de inversiune a populatiilor intre doua nivele energetice ale unui sistem fizic, sta la baza fenomenului de emisie stimulata a luminii.

Un atom aflat in starea de energie superioara E₂ poate reveni pe un nivel inferior E₁ fie spontan, emitand o cuanta luminoasa de energie:

fie ca urmare a interactiunii cu un foton de frecventa egala cu cea corespunzatoare cuantei emisa spontan;

Primul fenomen se numeste emisie spontana, iar cel de-al doilea - emisie stimulata sau indusa, uneori fiind numit si emisie fortata.

Emisiile spontana si stimulata au fost studiate prima data de A. Einstein in 1917. Evident, in cazul emisiei stimulate, pe langa fotonul incident, mai apare inca unul, de aceeasi energie si in faza cu primul. Acesta, la randul sau, ar putea provoca aparitia unui alt foton, cand intalneste un nou atom in starea E₂ si asa mai departe, incat se poate obtine astfel o amplificare a radiatiei incidente, daca in proba iradiata se gasesc destul de multi atomi in starea superioara E₂.

In realitate, fenomenul de amplificare, practic, nu exista deoarece nivelul superior E₂ fiind mai putin populat decat E₁ la iradierea unei substante fotonii incidenti vor interactiona cu numerosii atomi aflati in starea energetica E₁. Aceasta interactiune duce la excitarea atomilor in starea energetica E₂. In starea excitata un atom sta un timp limitat, numit viata medie a starii excitate, dupa care revine in starea de energie inferioara E₁ fie prin cedarea energiei atomilor vecini sub forma de caldura (tranzitie neradiativa), fie prin emisia unui foton (tranzitie radiativa). Acest nou foton poate iesi din corpul iradiat sau poate fi la randul sau absorbit in urma altor procese de excitare. Deci, in conditii normale, din corpul iradiat va iesi in unitatea de timp un numar de fotoni mai mic decat cel incident si astfel radiatia incidenta va fi totdeauna slabita in urma trecerii ei prin corpul respectiv.

Pentru obtinerea unei emisii stimulate intense trebuie ca N₂ sa fie cat mai mare fata de N₁. In acest scop s-au dezvoltat o serie de metode de inversiune de populatie intre aceste doua nivele, care au dus la obtinerea de dispozitive numite generatoare cuantice. Ele mai poarta si alte denumiri ca:

Maser, de la initialele cuvintelor in limba engleza: "Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation", care lucreaza in domeniul microundelor electromagnetice;

Iraser, de la "Infrared Amplification by Stimulated Emission of Radiation", pentru radiatiile infrarosii;

Laser, de la " Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation", in domeniul spectrului vizibil;

S-a propus denumirea generala de Maser, de la "Molecular Amplification by Stimulated Emission of Radiation" pentru toate domeniile de unde: maseri hertzieni, maseri in infrarosu, maseri optici. Pentru contributiile aduse la dezvoltarea acestui domeniu, fizicienilor C.H. Towens, N.G. Basov si A.M. Prokhorov li s-au decernat premiul Nobel in 1964.

In laseri s-a obtinut inversiunea de populatie prin utilizarea nivelelor metastabile existente in substanta, figura 2. Prin absorbtia unui foton de energie (proces numit de Kastler in 1950 pompaj optic sau fotonic) atomul trece de pe nivelul energetic E₁ pe nivelul energetic superior E₄. De pe acest nivel atomul trece prin tranzitie spontana pe nivelul apropiat E₃, care este un nivel metastabil. Deoarece de pe un nivel metastabil un atom nu poate trece in mod spontan pe un nivel energetic inferior, atomul ramane pe acest nivel pana cand o unda electromagnetica de frecventa patrunde in substanta respectiva. Prin inductie atomul trece pe nivelul E₂, emitand un foton cu aceeasi frecventa . Aceasta este radiatia stimulata, produsa in faza cu radiatia incidenta si amplificata in substanta respectiva.

Pe langa emisia stimulata se produc si alte emisii prin trecerile spontane intre alte nivele. Aceste emisii constituie fondul de "zgomot" care trebuie sa fie cat mai mic fata de emisia stimulata.

Pentru a obtine amplificarea radiatiei laser se foloseste metoda rezonatorului. Cel mai utilizat rezonator este etalonul Fabry-Perot. Substanta in care se obtine efectul laser, numit mediu activ sau cavitate rezonanta, M, solid sau gazos, este delimitat de doua suprafete plane paralele S₁ si S₂, figura 3, cu straturi cu coeficient de reflexie mare. Acestea permit reflexia multipla a razelor intre ele obtinandu-se un fascicul paralel de mare intensitate, monocromatic si in faza si care, apoi, poate fi concentrat in focarul unei lentile.