Efectul laser
Efectul laser constă în amplificarea luminii prin emisie stimulată a radiaţiei de către un sistem cuantic (LASER – Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation).
Obţinerea efectului laser într-un sistem atomic dat, presupune existenţa a trei fenomene importante: excitarea atomilor, inversia de populaţie şi emisia stimulată.
După cum am văzut, energia atomului este cuantificabilă putând lua numai anumite valori bine precizate. Trecerea sistemului dintr-o stare în alta sub acţiunea unei cauze interne sau externe poate avea loc cu absorbţia sau emisia unei energii egală cu diferenţa dintre energiile stărilor între care are loc tranziţia.
Tranziţii cuantice
Distingem în general trei tipuri de tranziţii cuantice.
Absorbţia
Absorbţia reprezintă trecerea sistemului dintr-o stare energetică inferioară în una superioară ca urmare a unei interacţiuni ce poate fi radiativă. Sistemul ajunge astfel într-o stare excitată în care rămâne un interval de timp finit, de obicei scurt (timpul de viaţă al unei stări excitate este de ordinul 10-8 s).
Dezexcitarea sistemului presupune emisia unei energii corespunzătoare şi poate avea loc în două moduri.
Emisia spontană
Emisia spontană are loc fără intervenţia unui factor extern. Frecvenţa fotonului emis este dată de postulatul optic ν = (E2 – E1)/h. Radiaţia spontană emisă de un atom este absolut independentă de cea emisă de ceilalţi atomi, astfel încât faza radiaţiilor emise spontan de un ansamblu de atomi este o mărime aleatorie iar radiaţiile sunt incoerente.
Emisia stimulată
În teoria atomului se arăta că nu toate tranziţiile cuantice sunt posibile, interdicţiile fiind fixate de anumite relaţii între numerele cuantice ale nivelelor energetice. Nivelele energetice de pe care atomul nu poate trece spontan, (emiţând un foton) pe nivelele inferioare se numesc nivele metastabile. O stare metastabilă se caracterizează printr-un timp de viaţă foarte lung. Dacă într-un interval de timp mai mic decât timpul de viaţă este stimulat de un factor extern (un foton de frecvenţă ν) el se poate dezexcita înainte de expirarea timpului de viaţă. Emisia se numeşte în acest caz indusă sau stimulată. Fotonii rezultaţi, cel incident şi cel emis, au aceeaşi frecvenţă, iar undele asociate sunt în fază. Cei doi fotoni pot stimula dezexcitarea altor atomi rezultând astfel o multiplicare în avalanşe adică o amplificare a radiaţiei.
Inversia de populaţie
Într-un ansamblu de atomi aflat în echilibru termic, numărul de atomi (populaţia) a căror energie corespunde unui nivel dat este determinat statistic. Populaţia nivelelor descreşte exponenţial cu creşterea energiei. În aceste condiţii probabilitatea de absorbţie a unui foton incident este mai mare decât probabilitatea ca acesta să inducă o emisie. Într-un sistem cuantic aflat în stare naturală nu se poate realiza amplificarea radiaţiei prin emisie stimulată, aceasta fiind puternic atenuată.
Pentru realizarea unei amplificări a radiaţiei prin emisie stimulată este necesară realizarea unei inversii de populaţie – numărul atomilor aflaţi într-o stare energetică dată devine mai mic decât numărul atomilor aflaţi într-o stare energetică superioară (situaţia corespunde unui dezechilibru termodinamic).
În această situaţie fracţiunea de energie radiată prin emisie stimulată poate depăşi fracţiunea absorbită. Sistemul acţionează atunci ca un generator şi amplificator cuantic de fotoni. Mai mult decât atât, deoarece fotonii sunt rezultatul emisiei stimulate, ei au cu toţii aceeaşi frecvenţă, fază, polarizare şi direcţie. Radiaţia rezultată este coerentă, spre deosebire de sursele obţinute în care emisiile atomilor individuali nu sunt corelate.