Laseri

LASER = "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation". Corect ar fi fost

LOSER (oscillation în loc de amplification), dar nu se putea, sau LGSER (generation în loc

de amplification) dar era mai urât. Deci a rămas LASER.

Idee: Emisia stimulată să devină mai probabilă decât emisia spontană (vezi „Emisia şi

absorbţia radiaţiei” în cursul de Mecanică cuantică). În acest fel se emit stimulat mulţi fotoni.

Fotonii fiind bosoni, cu cât sunt mai mulţi într-o stare (care pentru fotoni se numeşte mod), cu

atâta creşte probabilitatea de creştere ulterioară a numărului lor în acel mod. Iar fotonii emişi

stimulat într-un mod sunt emişi prin tranziţii între aceleaşi două stări ale atomilor din mediu

laser, numit mediu activ, mediu laser sau mediu amplificator. De aceea au aceleaşi

caracteristici: aceeaşi frecvenţă, aceeaşi direcţie de mişcare, aceeaşi polarizare şi faze

corelate. Pe de altă parte, fotonii emişi spontan au lungimi de undă diferite, direcţii diferite,

diverse polarizări şi faze aleatorii. De aceea, un fascicul de fotoni emişi spontan formează o

lumină necoerentă, iar un fascicul de fotoni emişi stimulat formează o lumină coerentă.

Fasciculul laser, compus din fotoni emişi stimulat, este coerent. Această coerenţă se traduce

prin: monocromaticitate ridicată, direcţionalitate, corelaţie între faze şi, evident, prin

capacitatea de a produce figuri de interferenţă.

Puţină istorie:

- 1917 Einstein studiază emisia şi absorbţia fotonilor de către atomi şi introduce

noţiunea de emisie stimulată

- 1951 Charles Townes fabrică primul MASER

- 1956-1958 C.Townes, N. Basov, A. Prohorov şi A. L. Shawlow propun extinderea

maserilor în domeniul optic, adică laserii

- 1960 Theodore Maiman construieşte primul laser (în impulsuri, cu rubin, emisie în

roşu)

- 1961 Ali Javan construieşte primul laser continuu, cu He-Ne, emisie în IR, apoi în

vizibil, în roşu.

Aplicaţii nenumărate, în ştiinţă fundamentală şi aplicată, în tehnică şi tehnologie, în

medicină, artă, ecologie, metrologie, holografie,

Clasificarea laserilor se face după diverse criterii:

- După tipul mediului activ: laseri cu solid, cu lichid, cu gaz, cu electroni liberi

1

- După domeniul spectral : laseri în vizibil, IR, UV, X-ray lasers, grasers

- După modul de operare: continui, în impulsuri (cu impulsuri gigant, cu impulsuri

ultrascurte)

- Monocromatici, acordabili.

- Lungime de undă stabilizată cu 6-12 cifre semnificative (până la 14 cifre)

Câteva rezultate actuale:

- Puteri de vârf mai mari decât 1015 W=1 PW; în România se va construi un laser cu

putere de peste 100 PW.

- Durate ale impulsurilor mai mici de 10-16 s=100 attos.

- Laseri eficienţi, mici, cu semiconductori, emiţând în albastru, roşu şi IR

- Laseri puternici în IR: cu CO2, pe 10,6 μm, continui; cu ioni de Nd3+, pe 1,06 μm,

în impulsuri

- Laseri în UV: cu Ar+, pe 351 şi 364 nm; cu azot molecular, pe 337 nm; cu

excimeri, pe 150, 193, 248, 308 nm; pe armonicile a doua, a treia sau a patra a

laserului cu Nd3+

- Laseri acordabili: cu coloranţi (continui sau în impulsuri, domeniu de acordare

100nm, din UV în IR apropiat); cu Ti:safir în impulsuri (700-1000 nm, a doua

armonică în domeniul 350-500 nm)

- Laseri cu electroni liberi (din UV până în IR îndepărtat)

2. Proprietăţi ale radiaţiei laser

a). Monocromaticitatea. Atomii din mediul activ sunt de obicei excitaţi (conform unor

scheme pe care le vom studia ulterior), la revenirea pe nivelul fundamental emiţând radiaţia

laser interesantă. Această radiaţie nu este monocromatică (vezi notiţele de curs). Însă mediul

activ este plasat într-o cavitate rezonantă cu (cel puţin) două roluri: reacţie pozitivă pe o

anumită lungime de undă şi amplificarea radiaţiei în unul sau în mai multe moduri ale

cavităţii. Aşa se ajunge la frecvenţe stabilizate cunoscute cu 6-12 cifre semnificative.

b). Coerenţa. Am vorbit până acum numai despre coerenţa a două sau a mai multe

fascicule luminoase. Dar se poate vorbi şi despre coerenţa radiaţiei într-un fascicul. Există

coerenţă spaţială şi coerenţă temporală. Coerenţa spaţială se referă la neregularităţile fazei

într-o secţiune transversală a fasciculului. Pentru laser, care de obicei are un fascicul de

diametru destul de mic (cu unele excepţii, de exemplu în montajele holografice), ne

interesează mai mult coerenţa temporală, care se referă durata în care faza undei este bine

2

definită, şi deci la posibilitatea de interferenţă a două „porţiuni” din acelaşi fascicul, emise la

două momente diferite de timp. Figura următoare arată două montaje, primul care determină

coerenţa spaţială, al doilea care determină coerenţa temporală.