Pół wieku laserów

zasada budowy i działania lasera
Pierwszy laser (rubinowy) zbudował i uruchomił 16 maja 1960 roku Theodore Maiman. Ośrodkiem czynnym był kryształ korundu domieszkowany chromem – rubin.

Zasadniczymi częściami lasera są:

• układ pompujący,
• ośrodek czynny,
• rezonator optyczny.

Układ pompujący dostarcza energię do ośrodka czynnego, w ośrodku czynnym zachodzi akcja laserowa, czyli kwantowe wzmacnianie (powielanie) fotonów, a układ rezonatora optycznego umożliwia wybranie odpowiednich fotonów.

Układ pompujący
Zadaniem układu jest przeniesienie jak największej liczby elektronów w substancji czynnej do stanu wzbudzonego. Układ musi być wydajny, by zapewnić tak zwaną inwersję obsadzeń. Pompowanie lasera odbywa się poprzez błysk lampy błyskowej (flesza), błysk innego lasera, przepływ prądu (wyładowanie) w gazie, reakcję chemiczną, zderzenia atomów, wstrzelenie wiązki elektronów do substancji.

Ośrodek czynny
Oddziaływanie promieniowania z materią można wyjaśnić za pomocą trzech zjawisk: pochłaniania fotonów (absorpcji), emisji spontanicznej oraz emisji wymuszonej fotonu. Foton wyemitowany w wyniku emisji wymuszonej ma taką samą częstotliwość i polaryzację jak foton wywołujący emisję. Atomy w stanie podstawowym pochłaniają takie fotony. Gdy w ośrodku jest więcej atomów w stanie wzbudzonym niż w stanie podstawowym, zachodzi inwersja obsadzeń poziomów energetycznych. Stan wzbudzony jest stanem metastabilnym, co zapewnia magazynowanie energii do czasu wyemitowania jej jako wiązki laserowej i jest warunkiem funkcjonowania urządzenia.

Rezonator optyczny
Wzbudzony ośrodek czynny stanowi wprawdzie potencjalne źródło światła laserowego, jednak do powstania uporządkowanej akcji laserowej potrzebny jest jeszcze odpowiedni układ pptyczny, zwany rezonatorem. Układ ten odgrywa rolę dodatniego sprzężenia zwrotnego dla światła o wybranym kierunku i określonej długości fali. Spośród wszystkich możliwych kierunków świecenia i wszystkich dostępnych dla ośrodka długości fal, jedynie światło o parametrach ustalonych przez rezonator będzie wzmacniane na tyle mocno, by doprowadzić do akcji laserowej.

charakterystyka laserów
Minęło pięćdziesiąt lat od chwili, gdy pierwsza wiązka spójnego światła wyszła z kryształu rubinowego i zapoczątkowała budowę laserów. Obecnie budowane lasery mają wielkość od kilku warstw atomów do kilkuset metrów. Wytwarzają promieniowanie w zakresie od głębokiego promieniowania rentgenowskiego do podczerwieni. W laserze łatwo jest otrzymać promieniowanie o bardzo małej szerokości linii emisyjnej, co jest równoważne bardzo dużej mocy w wybranym, wąskim obszarze widma. W laserach impulsowych można uzyskać bardzo dużą moc w impulsie i bardzo krótki czas trwania impulsu. Słowo „laser” bez dodatkowych określeń odnosi się najczęściej do laserów emitujących światło widzialne. W przypadku innych długości fali stosowane są dodatkowe określenia precyzujące ich zakres pracy.

Laser o największej mocy w impulsie wynoszącej 1,1 petawatów (1015 W), około 2200 razy większej niż moc wyjściowa całej sieci elektroenergetycznej Stanów Zjednoczonych, pracuje na Uniwersytecie w Austin, w Teksasie. Wytwarza energię 186 dżuli w czasie 167 femtosekund (10–15 s). Laser jest wykorzystywany do badania syntezy termonuklearnej, badania natury plazmy oraz badania właściwości gęstej materii brązowych gwiazd karłowatych. Lasery o najkrótszych impulsach wytwarzają impulsy rzędu kilkudziesięciu attosekund (10–18 s) – jedna attosekunda tak się ma do sekundy jak sekunda do wieku wszechświata. Impulsy w paśmie rentgenowskim o czasie trwania 80 attosekund są wytwarzane w Instytucie Maxa Plancka w Monachium. Są wykorzystywane do przesuwania fotonów światła widzialnego do promieniowania rentgenowskiego.