Laseri

1. Introducere

LASER provine de la acronimul expresiei englezesti LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION ın traducere:

Lumina Amplificata prin Stimularea Emisiei de Radiatie.

Astazi, LASER a devenit un substantiv comun si desemneaza orice dispozitiv care are ın componenta sa o parte ce functioneaza pe baza amplificarii stimulate a luminii. Aceasta transformare a unui cuvant pur tehnic ıntr-un cuvant comun subliniaza faptul ca aplicatiile dezvoltate pe baza efectului LASER au devenit lucruri obisnuite pe care omul le foloseste ın viata de zi cu zi.

2. Procese de emisie spontană .

Un sistem care se găseşte într-o stare energetică superioară Em în absenţa unei radiaţii

electromagnetice poate reveni de la sine (spontan) într-o stare cu energie mai mică. Probabilitetea de realizare a acestui proces de emisie spontană nu depinde de densitatea spectrală a radiaţiei:

unde Amn = A este coeficientul de emisie spontană. Numărul de tranziţii efectuate în unitatea de timp are o lege asemănătoare:

Integrând relaţia de mai sus, obţinem:

unde mărimea nou introdusă are semnificaţia intervalului de timp cât atomul se află în starea excitată de energie Em:

şi se numeşte timp de viaţă. Acesta este de ordinul a 10-8 s, deci extrem de mic.

La echilibrul termodinamic, numărul de atomi care emit cuante de energie, prin emisie spontană şi stimulată este egal cu numărul atomilor care absorb aceste cuante, astfel că:

În starea de echilibru termodinamic la temperatura T , numărul mediu de atomi care se găsesc pe un anumit nivel energetic este dat de legea de distribuţie a lui Boltzmann:

Dacă un atom absoarbe o cuantă de energie hνnm , el trece de pe starea inferioară Em pe starea superioară En , numită stare excitată. Aici atomul rămâne un timp foarte scurt, în general de ordinul timpului de viaţă, adică 10-8 s, după care trece în mod spontan pe starea energetică inferioară, emiţându-se o radiaţie de frecvenţă νnm ce satisface relaţia:

Acest proces se numeşte emisie spontană şi este independent de la un atom la altul. De aceea, radiaţiile emise au faze cu totul întâmplătoare, adică acest ansamblu de atomi nu este o sursă coerentă de radiaţii.

Eliminând constanta C de mai sus, obţinem relaţia dintre numerele de atomi de pe cele două nivele energetice:

Să presupunem că într-un sistem atomic s-au realizat condiţiile în care emisia spontană să fie neglijabilă. În prezenţa unei radiaţii exterioare, vor rămâne atunci numai procesele de absorbţie (de către cei Nn atomi aflaţi pe nivelul de energie mai mare En) şi procesele de emisie spontană (de către cei Nm atomi aflaţi pe nivelul de energie mai mică Em). Dacă numărul atomilor care emit în unitatea de timp prin emisie stimulată va fi mai mare decât numărul atomilor care absorb, adică:Nm > Nn , atunci radiaţia incidentă va ieşi din sistemul atomic amplificată.

Relaţia anterioară arată că amplificarea radiaţiei electromagnetice incidente se realizează atunci când pe nivelul superior se vor afla mai mulţi atomi decât pe nivelul inferior. Se spunecă nivelul superior de energie este mai populat sau că s-a realizat o inversiune de populaţie în sistemul de atomi.