Kaip gimsta lazerinė šviesa

Šviesos prigimtis ir jos savybės — viena svarbiausių fizikos problemų, sprendžiamų nuo seniausių laikų. Dvidešimtojo amžiaus pradžioje, remiantis M. Planko (M. Planck), N. Boro (N. Bohr), A. Einšteino darbais, buvo sukurti šviesos spinduliavimo ir sugėrimo teorijos pagrindai. Įrodyta, kad šviesos prigimtis yra dvilypė — tai dalelės ir bangos. Šviesa sklinda vakuume ir skaidriose medžiagose kaip elektro­magnetinio lauko virpesiai (bangos), o atomai bei molekulės ją spinduliuoja ir sugeria atskiromis mažytėmis energijos porcijomis (dalelėmis), vadinamomis fotonais.

Danų fizikas Nilsas Boras, remdamasis įvairių elementų šviesos spektrų tyrimais, įrodė, kad atomuose vykstantiems procesams nusakyti netinka klasikinės fizikos dėsniai, reikia pasitelkti kvantinę teoriją. Pagal Boro teoriją, elektronai ato­me skrieja aplink branduolį ne bet kokiomis, o tik griežtai apibrėžtomis orbitomis. Elektronų energija gali pasikeisti tik jiems peršokus iš vienos orbitos į kitą. Tokių šuolių metu išspinduliuojamos arba sugeriamos elektromagnetinės bangos. Jeigu elektronai peršoka iš vienos orbitos į kitą, kuriose JM energija yra atitinkamai   E₁ ir E₂, tai išspinduliuoto arba sugerto fotono dažnis proporcingas šių energijų skirtumui:

čia  h — Planko konstanta.

Jei bent vienas elektronas skrieja atokesne orbita nei įprasta, sakoma, kad atomas yra sužadintas. Kvantinėje mechanikoje atomo energijos diskretinės vertės vadinamos energijos lygmenimis. Elektronai turi mažiausiai energijos, t. y. atomo energijos lygmuo yra žemiausias, kai jie skrieja arti­miausia branduoliui orbita. Norint elektroną perkelti į vieną iš tolimesnių orbitų, t. y. sužadinti, reikia suteikti jam diskretinę energijos porciją — kvantą. Tai galima padaryti, pavyzdžiui, medžiagą kaitinant arba apšviečiant tam tikro bangos ilgio šviesa. Atomas negali ilgai būti sužadintas — jis vėl peršoka į normalią būseną, atitinkančią mažiausią energiją, kaip sakoma, peršoka į žemiausią energijos lygmenį. Elektro­nui grįžtant į ankstesnę orbitą, atomas išspinduliuoja tiek pat energijos, kiek buvo sugėręs. Atomas gali išlikti sužadintas nuo 10"15 s iki kelių minučių ar net valandų. Šis laiko tarpas priklauso nuo atomo sandaros ir vadinamas sužadintos būsenos gyvavimo trukme. Kuo mažesnė tikimybė atomui grįžti į normalią būseną, tuo didesnė sužadintos būsenos gyvavimo trukmė. Būsenas, kurių gyvavimo trukmė didesnė nei 10~8 s, įprasta vadinti metastabiliomis.

Kai vienu metu būna sužadinta daug atomų ir jų būsenos esti skirtingos, savaiminis spinduliavimas vyksta iš įvairių lygmenų nepriklausomai. Tuomet gauname įvairiaspalvę ir įvairiakryptę (išsklaidytą) spinduliuote. Taip spinduliuoja šviesą įkaitęs elektros lemputės siūlas. Jo spinduliuote vadinama nekoherentine.

Kaip minėjome, A. Einšteinas įrodė, kad, be savaiminės, gali būti ir priverstinė atomų spinduliuote. Tai reiškia, kad sužadintą atomą galima priversti grįžti į normalią būseną anksčiau, nei prasidės savaiminė spinduliuote. Priverstinę spinduliuote galima sukelti, pavyzdžiui, paveikus sužadintą atomą šviesos kvantu, kuris atitinka sužadintosios ir nesuža­dintosios būsenos energijų skirtumą. Kiekvieno atomo priverstinė spinduliuote yra to paties bangos ilgio, fazės ir krypties, kaip ir žadinančioji spinduliuote. Tokią „visai vienodą" daugelio atomų spinduliuote įprasta vadinti koherentine. Jeigu daug atomų bus tos pačios sužadintos būsenos, tai ir vienas kvantas galės sukelti visų jų spinduliuote vienu metu, o šviesa, sklindanti tokia sužadinta (aktyvia) medžiaga, stiprės. Beje, tai tikrai pasiekiama, kai būna sužadinta daugiau nei pusė atomų. Todėl šviesai stiprinti parenkamos medžiagos, kurių atomai lieka sužadinti pakankamai ilgai. Žadina (kaupina) galinga nekoherentinė spinduliuote, pavyzdžiui, lempa blykstė. Viena plačiai vartojamų lazerių medžiagų yra rubi­nas (aliuminio oksidas su chromo jonų priemaiša). Čia pavaizduotos sužadin­tos chromo jonų būsenos:

Normalią, nesužadintą, chromo jonų būseną atitinka žemiausias energijos lygmuo. Apšvietus rubiną galingos lempos šviesa, chromo jonai sužadinami ir peršoka į lygmenį 3. Iš čia dalis atomų, savaime spinduliuodami, grįžta į lygmenį 7, o dalis peršoka į tarpinį lygmenį 2, atiduodami energiją ru­bino kristalinei gardelei. Šuolio iš lygmens 3 į lygmenį 2 tikimybė yra 200 kartų didesnė, o iš lygmens 2 į lygmenį — 300 kartų mažesnė negu iš lygmens 3 į lygmenį. Todėl lygmenyje 2 susikaupia daugiau sužadintų atomų, ne­gu jų lieka lygmenyje ir susidaro sąlygos priverstiniams šuoliams. Tokios būsenos sistema labai nestabili: pirmas savaiminis šuolis sukelia kitų atomų šuolius (spinduliuote) ir prasideda atomų griūtis. Jeigu medžiaga bus tarp lygiagrečių veidrodžių, ir R₂ , kurių vienas pusskaidris, tai dalis priverstinės spinduliuotės fotonų išeis pro pusskaidrį veidrodį, o dalis atsispindės ir sukels kitų sužadintų atomų spinduliuote. Lazerinė spinduliuote stiprės tol, kol sužadinti atomai išsieikvos. O jeigu sužadintų atomų skaičius bus nuostovus (nuolat kaupinant rubiną galinga lempa), už pusskaidrio veidrodžio rasis nenutrūkstamas raudonos spalvos spindulių pluoštas.