Jak działa laser? Zasada działania i zastosowanie w technologii

Laser to urządzenie, które wytwarza silnie skupioną i spójną wiązkę światła dzięki emisji wymuszonej. Skrót LASER pochodzi od angielskiego Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, czyli „wzmocnienie światła poprzez wymuszoną emisję promieniowania”.

Czym jest laser?

Światło lasera powstaje w ośrodku czynnym, czyli materiale, którego atomy mogą pochłaniać energię, a następnie oddawać ją w postaci światła. Może nim być gaz, kryształ albo włókno szklane. Wytworzona wiązka składa się z fotonów – pojedynczych porcji energii promieniowania elektromagnetycznego, które można opisywać jako cząstki światła.

W zwykłym źródle, takim jak żarówka, fotony są emitowane w wielu kierunkach i mają różne energie. Laser porządkuje to promieniowanie. Foton może pobudzić wzbudzony atom do emisji kolejnego fotonu o tej samej energii, fazie i kierunku. Właśnie dlatego działanie lasera często porównuje się do „klonowania” fotonów.

Jak powstaje światło lasera?

Podstawą działania jest inwersja obsadzeń. W normalnych warunkach większość elektronów znajduje się w stanie o niższej energii. Układ pompujący dostarcza energię do ośrodka czynnego, przez co część elektronów przechodzi do stanów wzbudzonych. Taki stan nie jest trwały, dlatego elektrony mogą powrócić do niższego poziomu energii.

Podczas tego powrotu elektron emituje foton. Jest to emisja spontaniczna, gdy przejście zachodzi samoistnie. Jeśli jednak wzbudzony atom napotka foton o właściwej energii, może dojść do emisji wymuszonej. Atom emituje wtedy drugi foton o takich samych podstawowych właściwościach jak foton wywołujący proces.

To rozróżnienie ma zasadnicze znaczenie. Emisja spontaniczna tworzy początkowe promieniowanie, ale dopiero emisja wymuszona prowadzi do jego uporządkowanego i wielokrotnego wzmocnienia. Rezonator optyczny, zbudowany zwykle z dwóch zwierciadeł, kieruje fotony z powrotem przez ośrodek czynny, aby mogły wywoływać kolejne emisje.

Proces tworzenia wiązki można przedstawić w kilku etapach:

1. Układ pompujący dostarcza energię do ośrodka czynnego.
2. Elektrony pochłaniają energię i przechodzą do stanów wzbudzonych.
3. Podczas powrotu elektronów na niższe poziomy powstają fotony.
4. Fotony wielokrotnie odbijają się między zwierciadłami rezonatora i wywołują emisję wymuszoną.
5. Część wzmocnionego promieniowania opuszcza rezonator przez zwierciadło częściowo przepuszczalne, tworząc wiązkę laserową.

W praktyce nie wszystkie fotony opuszczają urządzenie. Rezonator zatrzymuje i wzmacnia promieniowanie w określonym kierunku, a zwierciadło wyjściowe przepuszcza tylko jego część. Dzięki temu laser emituje wiązkę o uporządkowanych właściwościach.

Z czego składa się laser?

Podstawowa konstrukcja lasera obejmuje trzy elementy. Ich współpraca umożliwia dostarczenie energii, wytworzenie promieniowania oraz jego wzmocnienie:

• Układ pompujący – dostarcza energię elektryczną, świetlną lub inną formę energii potrzebną do wzbudzenia atomów w ośrodku czynnym.
• Ośrodek czynny – materiał, w którym zachodzi wzbudzenie elektronów i emisja fotonów. W laserze CO₂ jest nim mieszanina gazów, w laserze YAG kryształ, a w laserze światłowodowym specjalne włókno szklane.
• Rezonator optyczny – układ zwierciadeł, który kieruje fotony przez ośrodek czynny i wzmacnia promieniowanie. Jedno ze zwierciadeł jest częściowo przepuszczalne, dlatego może wydostać się przez nie gotowa wiązka.

Czym różni się światło lasera od zwykłego światła?

Najważniejsze właściwości wiązki wynikają z tego, że fotony są wzmacniane w sposób uporządkowany. Zwykłe światło zawiera zazwyczaj wiele długości fal, rozchodzi się w różnych kierunkach, a jego fale nie są ze sobą zsynchronizowane.

Gdzie wykorzystuje się lasery?

Możliwość kontrolowania długości fali, kierunku i skupienia wiązki sprawia, że lasery pracują zarówno w specjalistycznych urządzeniach, jak i w sprzętach codziennego użytku. Przykłady można pogrupować według dziedzin:

• Medycyna – chirurgia, okulistyka, korekcja wzroku, usuwanie zmian i precyzyjne zabiegi na tkankach.
• Przemysł – cięcie i grawerowanie materiałów, znakowanie, wiercenie oraz fotolitografia stosowana przy produkcji układów elektronicznych.
• Elektronika użytkowa – skanery kodów, drukarki, napędy optyczne i odczyt danych z płyt.
• Telekomunikacja i pomiary – przesyłanie danych światłowodami, dalmierze, systemy LIDAR oraz pomiary odległości.

Laser nie jest więc po prostu bardzo jasną latarką. Jego działanie opiera się na kontrolowanym wzbudzaniu atomów, emisji wymuszonej i wielokrotnym wzmacnianiu fotonów w rezonatorze. To właśnie ten proces nadaje wiązce cechy potrzebne w medycynie, przemyśle, elektronice i technice pomiarowej.