L A S E R

Laseraineen atomien kahden peräkkäisen energiatilan välillä on oltava suhteellisen pitkäikäinenviritystila, ns. metastabiili viritystila, jossa elektroni viipyy tietyn ajan (~ 1 ms) ennen putoamistaanalemmalle energiatilalle.Jotta laser voidaan rakentaa, on suuri joukko atomejasaatava siis viritettyyn tilaan riittävän pitkäksi aikaa.Tällaista tilannetta kutsutaan käänteiseksimiehitykseksi (populaatioinversio). Atomeja voidaanvirittää ”nostamalla” elektronit (optinen pumppaus)metastabiilia tilaa EB korkeammalle energiatilalle EC(kuva 3). Kun elektroni on nostettu alemmalta tilaltaviritystilalle EC , niin elektroni putoaa aluksi spontaaninemission takia metastabiilille viritystilalle EB (välitilalle).Tässä vaiheessa atomiin saapuu stimuloiva fotoni,jonka energia E = hf = hc/λ on yhtä suuri kuinmetastabiilin viritystilan ja alemman tilan energiaero Kuva 3. Laserin toimintaperiaate.hf = EB –EA. Tällöin tapahtuu stimuloitu emissio jaelektroni siirtyy metastabiililta tilalta EB alemmalle energiatilalle eli perustilalle EA ja atomistavapautuu fotoni. Lopputuloksena atomista lähtee kaksi samanlaista fotonia (stimuloiva jastimuloitu). Näillä fotoneilla on sama taajuus ∆ aallonpituus ,energia E = hf = hc/λ ja vaihe. Nämä fotonit voivat edelleen purkaa uusien atomien viritystiloja,jolloin tapahtuu ketjureaktio. Ketjureaktio syntyy, kun laiteputken päihin asennetuista peileistätoinen on osittain läpäisevä. Valo saadaan peilien avulla kulkemaan putkessa edestakaisin, jolloinlaservalon intensiteetti kasvaa. Valo tulee ulos osittain läpäisevän peilin kautta.Mitä on optinen pumppaus?Atomien viritys metastabiilin tilan yläpuolella olevalle energiatilalle tapahtuu ns. optisellapumppauksella, esimerkiksi- virittämällä laserin atomit nopeiden elektronien törmäyksillä (kaasulaserit)- valolla, jolloin laserin atomit absorboivat fotoneja (kiinteäaine- ja nestelaserit)- sähkövirralla (puolijohdelaserit)Kuvassa 4 on esitetty laserin rakennekaavio.Laser koostuu putkesta, jossa on väliainetta.Väliaineessa saadaan optisella pumppauksella(esim. sähkövirralla) aikaan metastabiilejaviritystiloja. Kun viritystiloilla on enemmänelektroneja kuin alemmissa energiatiloissasyntyy käänteinen miehitys (populaatioinversio).Kun yksi viritystila purkautuu, syntyvä fotoniaiheuttaa toisen samanlaisen viritystilanpurkautumisen ja näin aina edelleen.Syntyy ketjureaktio. Putken päihin asennetuista Kuva 4. Laserin rakennekaavio.peileistä toinen on osittain läpäisevä. Valo saadaanpeilien avulla kulkemaan edestakaisin, jolloin laservalon intensiteetti kasvaa. Valo tulee ulososittain läpäisevän peilin kautta. Puolijohdelaserissa lasersäde syntyy johtavuusvyöllä olevienelektronien ja valenssivyöllä olevien aukkojen stimuloidun rekombinaation kautta. Syntynyt fotonistimuloi uuden rekombinoitumisen ja prosessi jatkuu edelleen ketjureaktiona (kuva 5).