5. Efectul LASER

Tranziţii atomice

După cum s-a arătat, electronii dintr-un atom pot primi sau emite radiaţie doar de anumite frecvenţe, corespunzătoare energiilor de separaţie dintre stările energetice permise pe care aceştia le pot ocupa în atomi. Considerând cazul unui atom ale cărui nivele de energie permise le notăm cu E₁, E₂, E₃... (fig. 1), la iluminarea acestuia cu un spectru larg de frecvenţe vor fi absorbiţi doar acei fotoni ale căror energii hn sunt egale cu energiile ce separă nivelele energetice permise (E₂ – E₁; E₃ – E₁; E₃ – E₂ etc.). Ca urmare, voravea loc tranziţii ale unor electroni pe nivele energetice superioare, numite stări excitate.

Fig. 1. Schemă reprezentând procese de excitare şi dezexcitare atomice.

A. Emisie spontană

Orice atom aflat pe o stare excitată prezintă o anumită probabilitate de dezexcitare în urma căreia, prin emisia unui foton de energie corespunzătoare diferenţei dintre cele două stări energetice permise, va trece în starea de energie inferioară. Această trecere se face prin tranziţia unui electron de pe nivelul excitat pe un nivel energetic inferior, neocupat. O astfel de tranziţie se numeşte tranziţie spontană (fig. 1b). O valoare tipică a timpului de viaţă al unui atom în stare excitată (timpul în care atomul poate rămâne în acea stare) este de circa 10^-8 s.

B. Emisie indusă

În 1917, A. Einstein a prezis existenţa unui astfel de proces. Să presupunem un atom aflat într-o stare excitată E2 (fig. 2) şi un foton de energie hn = E₂ – E₁ incident pe acesta. Trecerea fotonului va determina creşterea probabilităţii de tranziţie a atomului din starea excitată (E₂) în starea fundamentală (E₁), prin emisia unui foton de energie hn. 

Fotonul emis va fi în fază cu fotonul incident. Aceşti fotoni pot stimula emisia altor fotoni, de către atomi aflaţi în aceleaşi stări excitate.

Acest tip de proces poartă numele de emisie indusă, şi stă la baza efectului LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation).

Producerea efectului LASER

În paragraful anterior am descris modul în care un foton poate determina tranziţii atomice, fie prin ab­sorb­ţia acestuia de către atom, fie prin emisia stimulată a atomului. Ambele procese sunt la fel de probabile. În general, într-un sistem de atomi aflat la echilibru termic, cea mai mare parte dintre aceştia se găsesc în starea fundamentală (de energie minimă), un număr mic aflându-se într-o stare energetică excitată. În această situaţie, un fascicul de lumină incident pe sistemul de atomi va produce cu predilecţie excitarea atomilor din starea fundamentală, determinând o creştere globală a energiei sistemului.

Dacă însă situaţia ar putea fi inversată astfel încât, în sistem, cea mai mare parte dintre atomi să se găsească în stare excitată, atunci fasciculul de fotoni va produce cu predilecţie emisia stimulată, determinând o scădere globală a energiei sistemului şi o emisie de fotoni. O situaţie în care numărul de particule aflate în starea excitată este mai mare decât numărul de parti­cule aflate în starea fundamentală, în acelaşi sistem ato­mic, se numeşte inversie de populaţie. Acesta este principiul de operare al efectului laser. Condiţiile în care poate fi generat acest efect sunt:

1.    Sistemul trebuie să se afle într-o stare de inversie de populaţie.(Operaţiunea care produce inversia de populaţie poartă numele de pompaj).

2. Starea excitată a sistemului trebuie să fie o stare metastabilă (cu un timp de viaţă mai mare decât timpul mediu de viaţă al al unei stări excitate (10^-8s). În cazul stărilor metastabile timpul de viaţă poate ajunge la ordinul a 10^-3 s sau chiar la câteva secunde.

3. Fotonii emişi trebuie reţinuţi în sistem un timp suficient de lung pentru a permite stimularea emisiei atomilor excitaţi. Pentru aceasta, se utilizează oglinzi reflectorizante amplasate la capetele sistemului. Unul dintre capete va reflecta fasciculul de fotoni în totalitate, în timp ce, la capătul celălalt, oglinda va fi uşor trans­pa­rentă, pentru a permite ieşirea fasciculului laser (Fg. 3).

a)    În cazul laserului heliu-neon, atomii responsabili pen­tru emisia stimulată sunt atomii de neon. Ei se in­troduc într-un tub de câţiva mm grosime, cu lungime de câteva zeci de centimetri, în amestec cu atomii de heliu. Pompajul se realizează în urma unei descărcări electrice, care face ca atomii de heliu să treacă într-o stare excitată. În urma ciocnirilor, atomii de heliu vor excita atomii de neon pe un nivel metastabil, realizând inversia de populaţie. O dată începută emisia stimulată, aceasta este întreţinută prin intermediul oglinzilor din capetele tubului laser, care permit treceri repetate ale fotonilor prin amestecul atomic, determinând alte emisii stimulate. Acesta reprezintă procesul de amplificare. Ca rezultat, se produce un fascicul coerent de lumină cu lungimea de undă  n = 632,8 nm (lumină roşie).

Fig. 3. Laserul cu heliu – neon

b)    O altă variantă de laser este cel cu rubin (fig. 4). Sistemul de pompaj, în acest caz, constă dintr-o sursă intensă de lumină şi o oglindă pentru focalizarea lumnii pe mediul ac-tiv. Prin iluminare, atomii de crom pri-mesc energia lumi-noasă, trecând pe nivelul metastabil.

Fig. 4. Laser cu cristal de rubin

c)       Laserul cu microunde, utilizând vapori de amoniu (NH3), (fig. 5), îşi bazează sistemul de pompare pe se­pararea fizică a moleculelor de amoniu excitate de cele aflate într-o stare energetică inferioară. Această separare se realizează printr-un sistem de electrozi care generează un câmp electrostatic cilindric, cuadripolar, pe direcţia fasciculului. În acest câmp, moleculele aflate în stare excitată sunt focalizate pătrunzând într-o cavitate în care microunde cu frecvenţa de 24 GHz vor determina emisia stimulată. În acest timp, moleculele de amoniu aflate pe un nivel energetic scăzut sunt scoase din fascicul prin intermediul unei forţe radiale, care acţionează din partea aceluiaşi câmp electrostatic cuadripolar. Datorită utilizării microundelor pentru stimularea radiaţiei, dispozitivul s-a numit MASER (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation).

Fig. 5. Laser cu microunde

De la construirea primului laser, în 1960, teh­no­lo­gia laser s-a dezvoltat foarte mult, atât în ceea ce priveşte dezvoltarea (prin apariţia laserului cu plasmă*, cu raze X sau a celui cu gaz dinamic), cât şi în ceea ce priveşte aplicaţiile lui. Aplicaţiile dezvoltate se datorează caracteristicilor radiaţiei laser, şi anume:

–        fascicul monocromatic (tranziţie stimulată între două nivele înguste bine determinate);

–        coerenţă (radiaţia emisă este în fază);

–        direcţionalitate (este emisă sub forma unui fascicul paralel);

–        posibilitate mare de focalizare, producând regiuni cu energie luminoasă extrem de mare.