Laseren

Grundbeskrivelse

For at skabe laserlys kræves helt specielle betingelser, hvor lys på en kontrolleret måde kan vekselvirke med atomer.

Princippet i laserens virkemåde. (Jan W. Thomsen)

På figuren herover er der vist en skematisk tegning af princippet bag en laser. Mediet er typisk atomer, molekyler eller et halvledermateriale, der kan exciteres (anslås) af en ”pumpe”, som bringer elektroner til en højere energitilstand. Pumpen kan f.eks være elektroner, der med høj fart rammer atomer og dermed exciterer dem.

Mediet er anbragt i en laserkavitet - et område mellem to højreflektive spejle. Spejlene opfanger noget af det lys, der udsendes fra de exciterede atomer, og sender lyset ind gennem mediet. Lyset sendes frem og tilbage mellem de to spejle mange tusinde gange. Normalt vil ca. en procent af lyset transmitteres gennem et af spejlene, og det udgør laserens output. Det bærende princip bag laseren udgøres af kvantemekanik.

Uddybende beskrivelse

De tre mekanismer i laseren (Jan W. Thomsen).

Tre grundlæggende principper er i spil - se figuren til venstre.

• Stimuleret absorption. (A)
• Stimuleret emission (B)
• Spontan emission (C)

Ved stimuleret absorption bringes elektronen fra en lavere energitilstand til en højereliggende energitilstand ved, at en foton absorberes.

Ved stimuleret emission passerer en foton med en energi svarende til energiforskellen mellem de to tilstande, og stimulerer derved elektronen til at springe ned i den lavere tilstand. Herved udsendes en foton, der er fuldstændigt magen til den indkommende, så de to fotoner har samme bølgelængde, polarisation og retning. Det er dette, der skaber laserstrålens specielle egenskaber.

Faktisk sker denne proces med en sandsynlighed, der er proportional med antallet af indkomne fotoner. Hvis der er ti indkomne fotoner er den stimulerede emission ti gange mere sandsynlig end det tilsvarende tilfælde, hvor der kun er en foton i spil. På den måde opstår en selvforstærkende effekt, som resulterer i en høj intensitet af strålingen.

Den sidste fundamentale proces er spontan emission, hvor elektron spontant, dvs. på et tilfældigt tidspunkt, ”af sig selv” henfalder til en lavere energitilstand under udsendelse af en foton i en tilfældig retning.

Pumpen som vist på figuren vil konstant bringe elektroner til den højere energitilstand. Med atomer i den øvre energitilstand startes en lavineeffekt. En tilfældig foton, f.eks, fra et spontant henfald, starter processen i laserkaviteten. Først stimuleres en foton inde i kaviteten, dernæst to fotoner osv.

Hele tiden vokser sandsynligheden for at stimulere en ny ”identisk” foton inde i kaviteten så længe pumpen kan bringe elektronen tilbage til den øvre energitilstand. Denne lavineeffekt bremses ved tab i spejlene og lasermediet. Efter kort tid indtræder en ligevægtssituation, hvor strålingen fra laseren er stabil.

Mediet kan også være en gas som pumpes med elektrisk udladning.

Jan W. Thomsen