i i “559-Copic-naslov” — 2010/6/2 — 14:13 — page 1 — #1 i i i i i i List za mlade matematike, fizike, astronome in računalnikarje ISSN 0351-6652 Letnik 9 (1981/1982) Številka 4 Strani 207–213 Martin Čopǐc, priredil Marjan Hribar: LASER Ključne besede: fizika. Elektronska verzija: http://www.presek.si/9/559-Copic-Hribar.pdf c© 1982 Društvo matematikov, fizikov in astronomov Slovenije c© 2010 DMFA – založništvo Vse pravice pridržane. Razmnoževanje ali reproduciranje celote ali posameznih delov brez poprejšnjega dovoljenja založnika ni dovo- ljeno. FIZIKA LASER V 4. š t ev i lk i Presek a l et ni ka 1980 / 81 smo spoz na l i ne ka t e re lastno sti la sersk e svetlo be. Danes si ogle j mo , ka ko la se r de- l uj e. Za zgl ed si vzemimo šo l ski 1aser, ki ga vsi dobro poznamo. Na- pi s na njem pravi, da je to p l i n s k i laser i n da je v njem meša- nic a helija in neona. Ko odprem o ohišj e, opazimo najprej tanko stekleno ce v, v katero s ta za varjen a ele ktri čna p r ik l j u č k a . Kr~ jišči ce vi zapirata majhni zrc a lc i . Eno od zrcal je pop olno, dru go pa po lp r e pus t no . Ko l ase r vk lj u č imo, steče po -p l i nu ele k- tri čni tok in pl i n zas ve t i v rd e či sv e tl ob i . Vzdo l ž ce vke izh a - j a na k ra j išč u s polp repustnim zrc a lo m curek z n a č i l n e rdeče sve! lobe. Zanj o vemo, da je monok.romat-i čna in k ohe r e n t na • Svetloba, ki izh aja iz ce vke v drugih smereh, se ne razlikuje od s ve t l obe navadnih svetil. V spektru te svet lobe najdemo množico spektra l- nih črt, ki so znači lne za he l ij i n za neon. Le po j i h vid imo, ko s spektros kopom opazuje mo s ve t l obo , ki prihaja iz l a s e r j a od strani . Zakaj pl i n v ce vi sveti, ko t e č e s kozen j e l ek t r i čn i tok? Atomi plina v cev i do ž iv l j a j o ne pre st an o tr ke z ele ktr oni in s po z i - tivni mi i oni . Pri t em lah ko pre idejo i z osnovnega stan ja v v z bu - je no s tanje z v ečjo energij o. V vzbujenem stanju pa atom ne more ostati da lj ča s a . že po prete ku okoli l0 - 8s preide v stanje z manjš o energijo, lahko kar v osnovno stanje. Pr i tem odda svet- l obo . Frekven ca svet lobe je s orazmerna z energ ijsko ra z l iko me d začetnim i n končnim stanjem . čim večje je števi lo vzbujen ih stanj, 207 tem več je v spektru svet lo be, ki jo seva vzbuje ni pl i n , znači 1- nih spektralnih črt z izbran imi frekvenca mi a li va lovnim i dolži- nami . Svetlobo, ki jo atom izseva pri prehodu iz stanja z V 1SJO ener- gijo v stanje z nižjo energijo, l a hko atom t udi absorbira . V za- četku mora bit i seveda atom v stanju z nižjo energijo, iz tega pa preide z absorpcijo svet lobe v stanje z višjo energijo . Sli- ki la in lb ponaz~rjata pr imer, ko pre haja atom z absorpcijo i n s s e vanj em svet lobe med osnovnim stanje m in en i m od vz bujenih sta nj. Ta kemu sevanju pravimo s p on t a n o seva nje. Zan imiva pa je še ena vrsta dogodkov: pri prehodu iz vzb ujenega stanja v ener - gijsko ni žj e l e ž e č e stanje atom izseva svet lobo . Pri obratnem prehodu atom to svet lobo absorbira . La hko pa se zgod i, da odda - na sve t loba pospeSi izsevanje svet lobe pr i atom u, ki je v vzbu- j en em stanj u. Odda no svet lobno valovanje je v tem pr imeru v fa- z i z valovanjem, ki je pospeš i lo prehod. Temu pojavu pravimo sti mu l iran a sevanje. Shematično ga kaže s lika lc . .-.....-..--1 I~ ~I~f oton a) absorpcija S li ka 1 b ) spontana emis ija cl st imuli rana emisija Svet loba, ki jo od dajajo vzbujeni atom i pri spontanem sevanju, j e neko heren tna . To si l a hko predstav lja mo z glad ino vode, na katero padajo de ž ne kaplje. Z mesta, kj e r pade deževna kaplja na gladino, se š irijo na vse strani krožni va lovi. Med va lova- nji, ki j ih povzročajo posa mezne kap lje, ni nobene fazne pove- zave - so nekoherentna . Za stimuli rana sevanje, ki je koherent- no, pa moramo v naši deževni prispodobi zahtevati , da padajo kap lj ice dežja ubr a no . Ta kr a t bodo i me l a t ud i valovanja, ki iz- hajajo iz točk na gladini, kamor zadevajo kaplje, do ločeno faz - no povezavo . Ta ke ga "de ž j a v naravi seveda ni. V atomskem svetu 208 pa smo našli stimu li ra no va l ovanje . Pr i de l ujočem l a s e r j u pre - vl adu j e sti mulir an o sevanje nad sp ontan im sevanj em in ab s orpc i- jo . Takr a t lahko dobi mo koherent no s vetlob no va lova nje. Da se to zgodi , mora v pl inu število ato mov v začetnem vzbuje- nem sta nju dovo l j pr es eg at i š t ev i l o atom ov V k o n č n e m stanju. Pri pli nu , v ka t e r em pr e hajajo a t om i le me d dvema stanj ema - osnovnim in vzbujenim - se to ne more zgodi t i . št evil o atomo v V vzb ujen em s ta nju je lahko k večjemu ena ko š te vi l u at omov v os- novnem s ta nj u . Do pre sežk a š t e vi la a tomov v z ač etn e m vzbu j enem stan j u pa l ah ko pr id e , č e ima at om še tr e t ji ni vo . Tak pr i me r kaže sl. 2. Vz buj a n j e s po n ta na em is ija V s t a n ju 2 j e v e č ele k t ro nov ko t v s t a n j u 1 - o b r n j e na za se d ba . S I j ka 2 Atome s pra vi mo v viš je vzb ujen o stan j e z e le ktri čn im tokom a l i s s ve t l obo . Iz V1 SJe ga vzbujenega stanja s spo ntan im se vanj em hit ro pr eid e j o na nižje vzbuj eno s t a nje . č e j e to s t anj e t ak š- no, da s o pr e hodi s sev anjem v osn ovno stanje t e žavni , se šte - Vil o ato mov v te m stan ju v pr i mer ja vi s š t ev i l om at om ov v os- novnem st anj u br ž po veča . Ra zme r e v t akem si st emu at omov s i l ahko pon az or imo na tak le na- č i n. Smuč i šče i ma š i r ok zgorn ji in oze k spo dnji de l . Smučarj i s e po š irokem zgor nj em del u s m u č iš č a hi tr o s pus t ijo na srednj i ni vo , tam pa mo r a jo p o č a k ati, da se l a hko s pus tij o po spodnjem delu. Ob nede l ja h , ko j e š t ev i l o s m u č ar je v vel iko, se bo nabra - l a vrs ta za s pust po s podnjem del u pr oge, ob dnu smučišča pa 20 9 vrste ne bo. Smučišče z ozkim zgornj im delom in širok im spod- njim de lom pa nam lahko rab i kot model za nastanek druge možne obratne zasedbe v sistemu s trem i nivoj i. če je vlečnica, ki voz i smučarje navzgor, dovol j hi tra, se bodo na bi ra 1i ob zgor- nj i postaji, ob pre hod u v širš i de l smučišča pa vrste ne bo. Tej s l iki ustreza sistem atomav, pri ka terih je prehod iz viš- jega vzbujenega stanja V nižje vzbujeno stanje oteže n, lahek pa je iz nižjega vzb ujenega stanja v osnovno stanje . Za de lovanje l a s e r j a je pomembno, da je števi lo atomav v višjem vzbujenem stanju več je od števi la ato mav v nižjem vzbujene m sta nju. Vsa- ko tako zasedbo nivojev, pri kater i je število atomov v stanji h z manjšo energ ijo, i me nuj emo o b r n j e no a l i inver tirano zasedbo.* V sistemu atomov z in ve r ti r a no zasedbo nivojev l a hko prev lada stimulirano seva nje na d spon tanim sevanje m i n na d absorpcijo, če je l e dovo lj ve l ika gostota svet lobnega toka s frekvenco, ki je sora zmerna z energ ijsko razliko med nivojema. Tako gostoto l ah ko dosežemo, če zapremo sistem at omov v posodo z idealno od- boj ni mi stenami. Pr a vza pr a v zadoščata l e dve zrc a li . zrcalo spontano se~ zrcalo laserski- žarek ~ S lika 3 - o pt ič ni r e s o n a t o r - Ta ko stan je smo seveda lahko dosegI i le s hudim posegom v sis- tem atoma v. V sistemu atomov, ki je prepuščen samemu sebi, je štev i lo atomov v stan ju z večjo energijo vselej manjše ko t štev i 10 at omov v stan j u z ma n j š o energijo. Za zasedbo nivoje v vel ja podobna zakonitost kot za zrač n i tlak na Zemlji - čim višje gremo, tem manjši je. 21 0 Sl. 3 ponaz a rj a, kaj se dogaj a s s ve t l obni m val ovanj em v svet- leči s novi med zrcaloma . Svetl oba , ki j o pri s pont anem prehod u izseva a tom, pre j a l i s le j uid e iz ce vi. V s me r i os i se svet- lo bni val s s t imul ira ni m se va njem ojaču j e. Med zr cal oma dobimo s to j e če svetlob no valovanje na podobe n nač i n , kot dobimo sto je- č e zv o č n o va lo va nje v pišča li . Tako "sv et lo bno piš čal " z z rca- lo ma na kr a j i š č i h ime nuje mo opti čni res o nato r . Del 's vetlobe pr i - haja i z resona t o r ja s kozi en o od zr cal , ki j e de lno pro pus t no . Sve t lo bni tok v curk u je odv isen od iz datn os ti črpanja a t omov iz osn ovneg a vzbujen e ga sta nja v zgor nj e vz buj e no stanje. Laser ne more oddaj a ti sve t lobe, č e s e por u š i ravnov esje med močjo čr­ pan j a, s ti mu l i ra ni m sevan j em, a bs orpc i j o in močj o, ki jo odna ša curek . Las e r za r adi te ga t udi ne more del ovat i s pol jubn o majhn o moč jo. ~animi vo je , kako je dosežena i nve r t i r an a zasedenost ni vojev v . lelij-n e onskem la s erju . V las erju j e plinska mešanica približno I razme rju 10 atomov helija na at om ne ona . V električnem t oku r r e ha j a j o ob tr ki h z elektroni mn ogi a t omi v vz buj e na st anj a . )ravil oma pr e i de v vzbu jena s t anj a z ve čjo energi j o manj atomo v