Podkapitoly:
Princip laseru je poměrně složitý, využívá mnoho fyzikálních poznatků, které když dokážeme správně spojit, dokážeme vytvořit světlo obvykle nevyskytující se v přírodě, rozhodně ne v takovém měřítku.
Princip laseru - interakce fotonu a elektronu
Nejprve než začneme s laserem, bylo by dobré říct si něco o interakci fotonu a elektronu. Nachází-li se někde elektron, do něhož vletí foton, elektron pohltí energii fotonu a přesune se (excituje se) na vyšší energetickou hladinu, přičemž foton musí mít přesně stejnou energii, která je potřebná k přesunu elektronu na jinou vyšší energetickou hladinu.
Tím pádem nám foton zanikne. Avšak tento elektron na vyšší energetické hladině dlouho nezůstane (řádově 10-8 s) a spontánní emisí se elektron přesune zpět na jeho základní energetickou hladinu, přičemž vyšle foton o stejné energii pryč, avšak náhodným směrem!
Tentokrát si vezmeme 2 fotony o stejné vlnové délce rychle letící ve velmi malé vzdálenosti od sebe. První foton vletí do elektronu, elektron se excituje, foton zanikne. Ale než se stihne elektron vrátit zpět na základní hladinu, narazí do něho druhý foton.
Tento druhý foton donutí elektron přesunout se na základní hladinu, čímž elektron vypustí první foton a první foton letí na rozdíl od prvního případu stejným směrem jako druhý foton. Dva fotony letící stejným směrem o stejné vlnové délce s nulovým posunutím nemůžou udělat nic jiného, než se spojit. Fotony mají jak částicový, tak vlnový charakter. Takže při skládání dvou vln dojde ke vzniku jedné, která má dvojnásobnou amplitudu a tady 2x větší energii.
Princip laseru - metastabilní hladina
Zpět k laseru. Laser využívá aktivní prostředí, ve kterém se tvoří paprsek. Aktivní prostředí nemůžou tvořit ledajaké prvky či molekuly. Aktivní prostředí musí obsahovat prvky, které obsahují tzv. metastabilní hladinu. Narazí-li foton do elektronu takového atomu, elektron se excituje na vyšší energetickou hladinu a spadne na metastabilní hladinu. Při tomto přesunu na metastabilní hladinu uvolní elektron opět nějaký foton, který odletí náhodným směrem pryč.
Avšak rozdíl mezi metastabilní hladinou a ostatními vyššími hladinami je ten, že elektron na metastabilní hladině vydrží až 100 000 x déle. Tím pádem máme zajištěno, že elektron počká na další foton, který ho stimuluje a vypustí foton, se kterým se poté spojí. Jenže to je teprve začátek. Další krok je tzv. inverze populace.
Princip laseru - inverze populace
Princip laseru by také nemohl fungovat bez inverze populace. K inverzi populace dochází tehdy, je-li více elektronů atomu na metastabilní hladině než na základní hladině. Jelikož zdroj nám neustále dodává energii např. v podobě fotonů, každý foton nám excituje jeden elektron na vyšší a následně na metastabilní hladinu. Takhle se naskládá většina elektronů na metastabilní hladinu a počká, až přiletí stimulující foton. Nejprve musí stimulující foton přiletět odkudkoliv, poté už se budou fotony stimulovat navzájem. V obyčejném světle se nachází všechny vlnové délky světla, tedy i potřebný stimulující foton, takže se nemusíme bát, že se reakce nespustí. Jakmile přiletí stimulující foton, donutí všechny elektrony sestoupit na základní hladinu a donutí všechny vypustit jeden foton. Všechny tyto fotony, včetně toho stimulujícího se spojí v jednu vlnu s mnohem větší amplitudou. Tím dojde k zesílení světla stimulovanou emisí záření. Ovšem tato vlna nemá zatím potřebný směr, směr je stejný, jakým směrem letěl stimulující foton. Tudíž foton může letět v požadovaném směru laserového paprsku, avšak i někam jinam. Ještě je nutné dodat, že jakmile se elektron vrátí zpět na základní hladinu, zdroj nám opět pošle další foton, který celou akci zopakuje.
Princip laseru - stimulovaná emise
Prozatím tohle všechno proběhlo na jednom atomu. Vezmeme-li tedy v úvahu, že letící zesílený foton nemá směr, zjistíme, že laser zatím nemůže ještě fungovat. Nyní zmnohonásobíme počet atomů, třeba miliónkrát. V každém atomu proběhne ta samá interakce, všechny elektrony jsou nyní přesunuté na metastabilní hladině a čekají. K jednomu přiletí stimulující foton, k druhému taky, klidně ke stům zároveň. Všech těchto sto atomů vypustí zesílené fotony, avšak každý jiným směrem. Letící fotony působí pro ostatní jako stimulující fotony, tudíž donutí ostatní elektrony přesunout se zpět a vypustit fotony, které se přidají ke stimulujícím fotonům. Tyto fotony se opět mnohonásobně zesílí a tímto dochází k zesilování světla. Ale laser pořád nefunguje. Fotony si létají do všech směrů.
Na řadu přichází rezonátor. Rezonátor je soustava dvou zrcadel, z nichž je jedno odrazivé až z 99,9%, druhé zrcadlo je polopropustné. Obě tato zrcadla jsou rovnoběžné vůči sobě. Představme si, co se stane s fotony letící mimo osu rezonátoru.
Buď foton vyletí ihned z laseru, nebo se párkrát odrazí mezi zrcadly a vyletí. Avšak s největší pravděpodobností tu bude i foton letící rovnoběžně s osou laseru, a nebude jediný. Tyto fotony začnou létat neustále mezi zrcadly a „nabalovat“ na sebe ostatní fotony.
Vezmeme-li v úvahu, že špatně letící fotony neustále zanikají a rovnoběžně letící fotony se udržují v aktivním prostředí a stimulují další fotony, zjistíme, že rovnoběžně letících fotonů je čím dál tím více.
Těchto fotonů bude v laseru exponenciálně narůstat, protože jakmile jich tam bude čím dál tím víc, budou rovnoběžné fotony stimulovat další atomy a špatně letící fotony už to nebudou stíhat. Tudíž nejen že špatně letících fotonů bude málo, ale začnou ubývat, jelikož než se samovolně uvolní z nabitého atomu, strhne ho nějaký rovnoběžně letící foton stejným směrem. Proto je nutná již zmíněná metastabilní hladina, aby se nám fotony tak rychle samovolně neuvolňovaly špatným směrem a počkaly, až je strhne foton letící správným směrem. Teď už nám laser funguje. Špatně letící fotony buď vymizí skoro úplně, nebo úplně.
Princip laseru - polopropustné zrcadlo
Jakmile se foton zesílí na určitou úroveň, polopropustné zrcadlo ho vypustí ven a tím nám vznikne požadovaný paprsek.
Proč metastabilní hladina? Kdyby aktivní prostředí neobsahovalo atomy s metastabilní hladinou, špatně letící fotony by se spontánně vypouštěly tak rychle, že by je správně letící fotony nestíhaly strhávat s sebou a laser by potom nefungoval.
Na závěr principu laseru je nutné ještě dodat, že vše, co jsem popsal, proběhne cca v řádu několika milisekund.
