Laseri

FUNDAMENTARE TEORETICA.

Cu toate ca descoperiri identice au dus la aparitia maserului si laserului, aparitia acestuia din urma a insemnat un aport revolutionar in dezvoltarea fizicii, deoarece spectrul undelor radio a fost extins brusc pana la frecventele din domeniul optic(1013 – 1014 Hz). Astfel, pentru prima data, s-a putut produce o radiatie luminoasa coerenta, printr-un proces care poate fi analizat dupa o schema analoaga, in multe privinte, celei a unui oscilator clasic. Lungimea de unda la care functioneaza aceste dispozitive laser este mult inferioara lungimii de unda a maserilor. Cea mai scurta lungime de unda pana la care s-a putut merge in constructia maserilor este in jur de 1mm. Aceasta limita se explica prin imposibilitatea de a construe cavitati de rezonanta, de dimensiuni egale sau apropiate de lungimea de unda a radiatiei laser. Procesul care are loc intr-un laser, adica intr-un mediu aflat intr-o cavitate rezonanta in care se intretine fortat o inversie de populatie este explicat astfel: in urma pompajului pe nivelul superior, atomii(electronii) revenind pe nivelele inferioare emit radiatie spontan, in toate directiile; o parte din radiatia emisa pe directia oglinzilor este reflectata de acestea si revine in mediu stimuland alte tranzitii. La randul ei, radiatia stimulata va fi iarasi reflectata inapoi in mediu si va stimula noi tranzitii. In felul acesta, se produce un proces in avalansa, care va genera de-a lungul axei oglinzilor o radiatie deosebit de intense. Una din oglinzi fiind putin transparenta(coeficientul ei de transmisie fiind de ordinul procentelor), o fractiune din radiatie iese din dispozitiv(cavitatea rezonanta), aceasta fiind radiatia laser. Emisia stimulata avand loc paralel cu radiatia incidenta, singurele moduri de vibratie pentru care conditia de amplificare globala va putea fi realizata sunt acelea pentru care propagarea are loc paralel cu axa cavitatii. Dupa numeroasele reflexii ale radiatiei intre oglinzi, radiatia iese din cavitate avand calitati cu totul diferite de cele ale radiatiei spontane.

Din consideratiile de mai inainte, rezulta urmatoarele proprietati remarcabile ale unui fascicul laser: A) o deosebita directivitate, data de faptul ca lumina este reflectata in modurile axiale si interactioneaza cu mediul activ de-a lungul axei lui; B) marea intensitate a fasciculului laser, atomii fiind stimulati sa emita cu o mai mare probabilitate, in comparatie cu emisia spontana; C) monocromaticitatea, emisia spontana fiind mult mai intensa in centrul benzii de amplificare, deoarece este un proces de rezonanta; D) un mare grad de coerenta spatiala si temporala.

A. Directivitatea sau paralelismul fasciculului laser este o proprietate care se datoreaza cavitatii laser. Numai undele luminoase care se propaga dupa o directie riguros paralela cu axa cavitatii vor beneficia de o amplificare foarte mare. Aceasta proprietate depinde de calitatea rezonatorului, de planeitatea si paralelismul oglinzilor. Pentru laserii care au rezonatorul format din oglinzi sferice, radiatia nu mai este paralela, divergenta fasciculului depinzand de raza de curbura a oglinzii. Remarcam, deci, ca proprietatea de directivitate nu este neaparat specifica laserilor.

B. Marea intensitate a radiatiei laser se datoreste faptului ca atomii (sau moleculele, sau ionii ) sunt stimulati sa emita cu o probabilitate foarte mare fata de cea a emisiei spontane. Astfel, probabilitatea de emisie stimulata este cu trei – patru ordine de marime mai mare decat cea a emisiei spontane, intensitatea liniei emise in domeniul spectral al radiatiei laser crescand de 106 – 108 ori.

C. Monocromaticitatea se datoreste faptului ca amplificarea in mediul activ este suficienta pentru a compensa pierderile intr-un domeniu foarte ingust de frecvente. Astfel, semilargimea liniei radiatiei laser este de 105 – 106 ori mai mica decat semilargimea liniei atomice. In teoria laserilor se arata ca semilargimea liniei laser depinde de semilargimea liniei atomice ordinare, de factorul de calitate al cavitatii si de puterea de iesire a radiatiei laser. Marea intensitate a radiatiei laser si monocromaticitatea acesteia trebuie intelese in stransa legatura una cu cealalta.

D. Coerenta este o caracteristica de seama a radiatiei laser, deoarece sursele luminoase clasice sunt practic necoerente, emisia de lumina avand loc spontan, necorelat. Daca se considera doua radiatii provenite din doua puncte diferite ale unei surse luminoase si daca cele doua radiatii pot interfera, atunci se spune ca acestea sunt coerente spatial, distanta dintre punctele alese caracterizand proprietatea de coerenta spatiala. Daca radiatia emisa la un moment dat, de un anumit punct al sursei, poate interfera cu radiatia emisa, la un moment ulterior, de acelasi punct al sursei, atunci cele doua radiatii sunt coerente in timp, marimea intervalului de timp care le desparte caracterizand coerenta temporala a sursei.

Laserul utilizand emisia stimulata, sectiunea transversala a fasciculului acestuia este constituita dintr-un plan de unda unic; astfel coerenta spatiala a acestui fascicul este totala. Deoarece fotonii sunt descrisi prin aceeasi unda intr-un interval de timp lung, fasciculul laser poseda si o coerenta temporala ridicata.