5. Lasery

W dotychczasowych lekcjach analizowaliśmy przypadki, w których pole elektromagnetyczne znajduje się dokładnie w jednym modzie rezonatora. W rzeczywistości jednak klasyczne źródła światła, takie jak żarówki, emitują promieniowanie o szerokim widmie częstości. Pojawia się zatem naturalne pytanie: czy możliwe jest skonstruowanie urządzenia, które emituje fale o jednej, wybranej częstości? Celem tej lekcji jest przedstawienie mechanizmu działania lasera — urządzenia, które umożliwia generowanie światła o wysokim stopniu koherencji, monochromatyczności i kierunkowości.

Zasada działania lasera opiera się na zjawisku emisji wymuszonej, którą poznaliśmy analizując model Jaynesa–Cummingsa. Atom znajdujący się w stanie wzbudzonym \(|{e}\rangle\) może przejść do stanu podstawowego \(|{g}\rangle\) emitując foton. Jeżeli pole elektromagnetyczne znajduje się w stanie próżni \(|{0}\rangle\), emisja ta zachodzi spontanicznie. Jednak w obecności fotonów w rezonansowym modzie wnęki — tj. w stanie \(|{n}\rangle\) — z prawdopodobieństwem proporcjonalnym do \(n+1\) zachodzi emisja wymuszona, która prowadzi do powstania fotonu będącego kopią wcześniej istniejącego: o tej samej częstości, fazie, kierunku i polaryzacji. Największa efektywność procesu występuje, gdy częstość pola \(\omega\) odpowiada różnicy poziomów energetycznych atomu, czyli gdy układ znajduje się w warunkach rezonansu.

Aby jednak emisja wymuszona mogła prowadzić do generacji kolejnych fotonów, konieczne jest odwrócenie naturalnego stosunku obsadzeń poziomów energetycznych, czyli uzyskanie tzw. inwersji populacji. W warunkach równowagi termodynamicznej, zgodnie z rozkładem Boltzmanna, większość atomów znajduje się w stanie podstawowym, a procesy absorpcji i emisji równoważą się statystycznie. Inwersja populacji wymaga dostarczenia energii do układu — proces ten nazywamy pompowaniem.

W praktyce wykorzystuje się zazwyczaj strukturę trójpoziomową, która ułatwia uzyskanie inwersji. Atom początkowo znajduje się w stanie podstawowym \(|{g}\rangle\). W procesie pompowania jest wzbudzany do wyższego stanu \(|{e_1}\rangle\). Następnie, poprzez szybki i niepromienisty proces relaksacji, przechodzi do metastabilnego stanu \(|{e_2}\rangle\), który ma znacznie dłuższy czas życia. To właśnie między poziomami \(|{e_2}\rangle\) i \(|{g}\rangle\) zachodzi emisja fotonów. Jeżeli liczba atomów w stanie \(|{e_2}\rangle\) przewyższa liczbę w stanie \(|{g}\rangle\), warunek inwersji populacji zostaje spełniony i emisja wymuszona może dominować.

Aby zapewnić warunki do wzmacniania fali świetlnej, układ atomów umieszczony jest w rezonatorze optycznym, zbudowanym z dwóch zwierciadeł — jedno całkowicie odbijające, drugie częściowo przepuszczalne. W rezonatorze tworzą się fale stojące tylko dla częstości spełniających warunek rezonansu wnęki. W takich warunkach emisja wymuszona zachodzi wielokrotnie, prowadząc do lawinowego namnażania fotonów. Częstość oscylacji populacji atomowych — tzw. oscylacje Rabi’ego — wzrasta wraz z natężeniem pola w rezonatorze, co wzmacnia proces emisji.

Wiązka światła wydostająca się przez częściowo przepuszczalne zwierciadło ma właściwości fali laserowej: jest monochromatyczna, spójna (koherentna) czasowo i przestrzennie, oraz silnie skolimowana. Tak powstające promieniowanie znajduje zastosowanie w wielu dziedzinach — od technologii informatycznych po medycynę i spektroskopię precyzyjną.