A lézer
A fotonok és atomok illetve molekulák kölcsönhatásánál történhet.
- abszorpció: a foton az atomot vagy molekulát egy magasabb energiájú állapotba gerjeszti, miközben maga elnyelődik.
A két állapot közti energiakülönbség DE = hn, ahol n a foton frekvenciája;
- spontán emisszió: a molekula vagy atom “magától” tér vissza egy alacsonyabb energiájú állapotba, foton kibocsátása közben, a foton frekvenciája n = DE / h;
- indukált emisszió: a magasabb energiájú állapotból az alacsonyabb energiájú állapotba egy fotonnal való kölcsönhatás révén kerül a molekula vagy atom, miközben az indukáló fotonnal teljesen azonos fotont bocsát ki.
Az indukáló foton frekvenciája n = DE/h, és ugyanez a gerjesztett foton frekvenciája is.
Az indukált emisszióval keletkezett fotonnak nemcsak a frekvenciája, hanem a neki megfelelő hullám terjedési iránya, fázisa és polarizációja is megegyezik az indukáló fotonéval.
A lézerben tulajdonképpen fotonsokszorozás történik az indukált emisszió révén, mert a gerjesztett fotonok újabbakat hoznak létre.
Az indukált emissziónak és az abszorpciónak azonos a hatáskeresztmetszete, valószínűsége pedig a kiindulási állapotok számától függ. Normális esetben kevesebb atom vagy molekula van a magasabb energiájú állapotban, mint az alacsonyabb energiájúban, így egy spontán emisszióval keletkező foton számára az abszorpció valószínűsége jóval nagyobb, mint a spontán emisszióé.
Spontán emisszió létrehozásához gerjesztett állapotokban lévő atomok, molekulák jelenléte szükséges.
Ahhoz, hogy a spontán emisszió valószínűsége nagyobb legyen, mint az abszorpcióé, több atomnak kell lennie a magasabb energiájú állapotban, mint az alacsonyabb energiájúban – populáció inverziót kell létrehozni.
Ehhez az kell, hogy a magasabb energiájú állapot élettartama viszonylag hosszú legyen (metastabilis állapot).
Ez akkor teljesül, ha a gerjesztett állapotból tiltott az átmenet az alacsonyabb energiájú állapotba.
Ebbe a metastabil állapotba hozni az atomokat pl. másféle, gerjesztett állapotú atomokkal való ütközéssel lehet, ha a két gerjesztett állapot energiája közel azonos.
A magasabb energiájú állapot feltöltése az optikai pumpálás.
A lézerhez szükséges még egy rezonáns üreg, egy két végén tükröző felülettel ellátott cső.
A tükrökről visszaverődve, a cső tengelyével párhuzamosan haladó fotonok újabbakat keltenek, míg a más irányba haladó fotonok kiszóródnak vagy elnyelődnek a cső falán.
A cső hosszának olyannak kell lenni, hogy állóhullámok alakuljanak ki benne. A lézer hangolásával ki lehet választani a kívánt hullámhosszat a lehetséges hullámhosszak közül.
Fotonsokszorozás a lézer üregében
A He-Ne lézerben a gázkeverék 90%-a helium és 10%-a neon.
A lézerben elektromos kisülést hoznak létre, mely gerjeszti a He atomokat. A Ne atomoknak vannak olyan állapotai, melyek energiája kb. megegyezik a He atomok gerjesztett állapotának energiájával. ütközéssel a He atomok ebbe az állapotba tudják gerjeszteni a Ne atomokat. Ezek a Ne állapotok metastabilisak, így a sokkal nagyobb koncentrációban lévő He atomokkal való ütközések révén feltöltődnek és létrejön a populáció-inverzió.
Spontán emisszióval keletkezik néhány elsődleges foton, és ezek indukált emisszióval újabbakat keltenek.
A szekunder fotonok megint új fotonokat indukálnak. Csak a tengely mentén haladó fotonok hatékonyak, ezek lépnek ki a lézerből az egyik végtükrön lévő ablakon keresztül (a többi elnyelődik a lézercső falában) – az eredmény egy nagyon párhuzamos, monokromatikus és koherens fénynyaláb.
A He-Ne lézert leginkább a 632,8 nm-es hullámhosszon használják, mely a Ne 2p5 5s elektron konfigurációjú állapotából a 2p5 3p állapotba való átmenetnek felel meg. A He-Ne lézer az infravörös tartományban is működtethető a 1152,3 nm és a 1117,7 nm-es hullámhosszokon, ezek a 2p5 4s konfigurációjú állapotokból a 2p5 3p állapotokba való átmenettel keletkeznek.
