Laser — emisja wymuszona

Co się właśnie stało?

Zwiększyliśmy pompowanie ponad próg — więcej atomów znalazło się na wyższym poziomie energetycznym niż na niższym. To odwraca zwykły, „naturalny” rozkład obsadzeń i uruchamia lawinową emisję fotonów.

Inwersja obsadzeń:

— N₂ to liczba atomów na wyższym poziomie energetycznym E₂, N₁ — na niższym E₁. Normalnie (bez pompowania) zawsze N₁ > N₂ — to rozkład Boltzmanna. Trzeba dostarczyć energii z zewnątrz („pompować”), by to odwrócić.

Emisja wymuszona — dlaczego wiązka jest spójna?

Gdy jest inwersja, jeden przechodzący foton „strąca” wzbudzony atom do niższego stanu, wymuszając emisję kolejnego fotonu — o dokładnie tej samej fazie, kierunku i długości fali co foton wywołujący. Powtarza się to lawinowo:

W ten sposób powstaje spójna (koherentna), jednobarwna wiązka — to właśnie odróżnia laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) od żarówki, w której atomy emitują fotony niezależnie, w przypadkowych fazach i kierunkach.

Dlaczego żarówka nie wystarczy?

W żarówce nie ma inwersji obsadzeń — atomy świecą spontanicznie i niezależnie od siebie, więc emitowane światło jest niespójne (różne fazy, kierunki, długości fali). Bez inwersji nie ma emisji wymuszonej, a bez niej nie ma lasera.

Po co Ci to na maturze:

Zapamiętaj warunek konieczny działania lasera: najpierw pompowanie, potem inwersja obsadzeń, dopiero potem emisja wymuszona i spójna wiązka. To odkrycie (Townes, Basow, Prochorow) nagrodzono Noblem z fizyki w 1964 roku.

Zapamiętaj: bez inwersji obsadzeń nie ma lasera — fotony emisji wymuszonej są identyczne: ta sama faza, kierunek i długość fali.