A lézer alapjaiban

Amikor egy fénysugár áthalad valamilyen közegen, akkor gyengül. Azonban Einstein már 1917-ben, - elvi síkon – megelőlegezte, hogy bizonyos feltételek együttállásakor erősödhet is. 1960-ban megszületett az első lézer: a rubinlézer.

A lézerfénynek angolul a l a s e r betűszó felel meg, és a Light Amplification by Sitmulated Emission of Radiation körülírást takarja, - magyarul: fényerősítés indukált emisszióval. Így tulajdonképpen a lézer elnevezés magának a fizikai jelenségnek a létrejöttére utal.

Talán mindenki emlékszik még valamennyire általános iskolai kémia tanulmányaira. Az atomokban a mag körül elektronok keringenek meghatározott elektronpályákon, melyek különböző energiaszintet reprezentálnak. Alapesetben az elektronok a legkisebb energiaszinteket foglalják el. Azonban energia elnyelésével az elektronok magasabb szintre, energia leadásával pedig alacsonyabb szintre kerülhetnek.

Az elektron különböző, külső forrásból vehet fel energiát, amit abszorpciónak nevezünk. A magasabb energiaszintre való ugráshoz pontosan meghatározott energiamennyiség kell. A magasabb energiaszintre ugrott elektront, és az őt tartalmazó atomot gerjesztettnek nevezzük. Mivel az atomi szerkezet mindig a legkisebb energiájú állapotra törekszik, a gerjesztett elektron előbb-utóbb visszaugrik az alacsonyabb energiaszintre, miközben a két szint közötti energiát például foton kibocsátással leadja. Ezt a folyamatot nevezzük spontán emissziónak.

Amennyiben egy gerjesztett atomból felszabaduló foton kölcsönhatásba lép egy másik, ugyanolyan, gerjesztett atommal, akkor azt legerjeszti egy újabb foton felszabadulása mellett. Ez a jelenség a stimulált emisszió. A stimulált emisszió útján felszabaduló foton energiája, frekvenciája, fázishelyzete és haladási iránya azonos a stimulálást kiváltó fotonéval, továbbá az így „megszaporodott” fotonok további kölcsönhatások révén még újabb fotonokat szabadíthatnak fel.

Amennyiben egy megfelelő közeg kellően sok gerjesztett atomot tartalmaz, de a visszaállás csak spontán emisszióval történik, a kibocsátott fény körülbelül egyenlő lesz minden irányban. A stimulált emisszió folyamata azonban megnövelheti egy bizonyos irányban haladó fotonok számát. Ha egy optikai üreg végére tükröket teszünk, egy irányt előnyben részesíthetünk. Azok a fotonok, amelyek nem merőlegesek a tükrökre, kiszöknek az üregbő, azonban a két tükör tengelye mentén haladó fotonok száma nagyon megnövekszik, és fényerősítés történik stimulált sugárzás kibocsátással. Egy anyagban mely sok millió atomot tartalmaz, csak elvétve találhatóak valamilyen oknál fogva gerjesztett atomok, melyek spontán emisszió útján legerjedhetnek. A felszabaduló fotonok általi stimulált emisszióra szinte esély sincs. Azonban ha nagyon sok atomot tudunk külső hatásra gerjesztett állapotba hozni, a stimulált emisszió valószínűsége jelentősen megnőhet. Amikor már sokkal több a gerjesztett atom, mint a nem gerjesztett - akkor populáció inverzióról beszélünk, vagyis a gerjesztettségi sűrűség meginvertálódik.

A fentiek figyelembe vételével érthetővé válik a rubinlézer működése. Egy krómmal (Cr) egyenletesen szennyezett kristályos alumíniumoxid rúd (AL2O3) egyik végén egy teljesen reflektáló tükör, míg a másik végén egy kis mértékben áteresztő tükör van. A rudat villanólámpa veszi körül (optikai pumpa). Amikor a lámpa felvillan, gerjeszti a kristály atomjait. A szennyező króm biztosít egy metastabil szintet a gerjesztett elektronok számára, melyen azok viszonylag hosszú ideig tartózkodhatnak. Ez alatt az idő alatt egyre több atomot gerjesztünk, sok elektron kerül gerjesztett állapotba, populációinverzió alakul ki. Ha egy elektron visszatér alapállapotba, akkor a megfelelő hullámhosszú fotont kibocsátja. Ez a foton eltalál egy másik gerjesztett elektront, létrejön egy stimulált emisszió. A két foton újabb elektronokat talál el, újabb stimulált emissziók történnek. A két tükröző felületre merőlegesen – a kristály hossztengelyével párhuzamosan lavina indul el. A keletkező fény többször visszaverődik a tükröző végekről – fényerősítés jön létre. A kissé áteresztő tükrön keresztül párhuzamos fénynyaláb lép ki a kristályból.

Az egész jelenség azért különleges, mert a keletkezett fénysugárnak, a – lézernek, van négy tulajdonsága mely más fénysugarak esetén nincs meg, vagy csak részben, és akkor sem ennyire kiélezetten.

  • a lézerfény majdnem teljesen monokromatikus: vagyis nagyon szűk spektrumú fényről van szó
  • a lézerfény koherens: azaz a fényhullámok azonos fázisban vannak
  • a lézerfény vékony, nagymértékben párhuzamos sugár: így nagyon nagy az energiasűrűség
  • a lézerfény poláros: tehát a hullámok mágneses mezejének iránya állandó

Az idők során sokféle lézert fejlesztettek ki, különböző felhasználási területekre, és a speciális tulajdonságok köre is bővült. A fenti tulajdonságok kiválóan hasznosíthatóak élet minden területén. Megtalálhatóak a hadászatban, a tudomány és a mérés területén kívül az iparban, távközlésben, orvoslásban, a szórakoztató elektronikában, a show technikában és még sorolhatnánk a végtelenségig.

Lézer fajták

Az elsőként megjelent rubinlézeren kívül (694,3 nm), - mely értelemszerűen szilárdtest lézer, - újabb szilárd anyagokat is kipróbáltak, melyek közül a YAG lézerek terjedtek el leginkább. A szilárdtest lézerek hullámhossza a látható és ahhoz közeli UV és IR tartományba esik. Előnyük a nagy intenzitás.

  • Gázlézerek:
    A szilárdtest lézerek megjelenése után hamarosan kísérletezni kezdtek gázokkal is. A gázlézerek közül a hélium-neon (632,8 nm), és a széndioxid lézerek (10.600 nm) lettek a legelterjedtebbek. Amíg a szilárdtest lézereknél a gerjesztést külső fényforrás szolgáltatja, addig a gázlézereknél a gázkisülési csőben atomok elektronok és ionok közötti ütközés során végbemenő energiakicserélődés.
  • Excimer lézerek:
    A gázlézerek egyik speciális fajtáját, - a nemesgáz és halogén atomok vegyülésével keletkező excimer molekulák után, - excimer lézernek nevezték el (xenon-fluorid, xenon-klorid, argon-fluorid). Az excimer lézerek a gázlézereknél rövidebb hullámhosszúságú és jóval nagyobb intenzitású lézerek.
  • Félvezető lézerek:
    A félvezető lézerek gyermekbetegségeiket kinőve, kis méretükkel és nagy hatásfokukkal tűnnek ki. Az utóbbi években teljesítményük is ugrásszerűen megnőtt.
  • Folyadék halamazállapotú festéklézerek:
    A folyadék halmazállapotú festéklézerekben általában valamilyen szerves oldószerben oldott festékmolekulákat használnak a lézersugár előállítására. Gerjesztésük egy másik lézerrel történik. Ezen lézerek legfontosabb tulajdonságai a hullámhossz hangolhatósága és a néhány femto szekundom időtartamú impulzusok előállíthatósága.
  • Kémiai lézerek:
    A kémiai lézerekben vegyi reakciók energiáját használják fel az aktív anyag gerjesztésére. A kémiai lézerek fényének hullámhossza a 3000-10000 nm-es tartományba esik. Tipikus példájuk a haditechnikában alkalmazott gázdinamikus hidrogén-fluorid lézer, amely 1-2 MW átlagteljesítmény kisugárzására képes, 15-20% kémiai hatásfokkal.
  • Plazmalézerek:
    Magas hőmérsékletű plazmákban a többszörösen ionizált atomok energia-átmeneteinek felhasználásával röntgentartományba eső lézersugárzást lehet előállítani. A röntgenlézerek jelentősége hullámhosszuk rövidségében rejlik. Még rövidebb hullámhosszúságú lézersugárzás állítható elő az atommagokon belüli folyamatok kihasználásával, ezek a gammalézerek. Váltakozó mágneses térben haladó elektronok koherens fényt sugározhatnak: ez a szabadelektron-lézer működésének alapelve, amelynek megvalósításához nagy energiájú elektronokra, elektrongyorsítókra van szükség.

Nehéz lenne az összesről – akár csak pár szót is írni, valószínűleg nem sokan vannak, akik mindegyik fajtának és minden felhasználási területnek a specialistájának mondhatnák magukat.