Lazeris

Lazeris – įrenginys, spinduliuojantis koherentišką šviesą. Paprastai lygiagrečiu srautu lazeris skleidžia monochromatinę (vieno bangos ilgio) šviesą. Pavadinimas „lazeris“ yra angliškos frazės „Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation“ (liet. Šviesos stiprinimas priverstiniu spinduliavimu) trumpinys.

Istorija

Dar 1917 m. Albertas Einšteinas savo straipsnyje „Zur Quantentheorie der Strahlung“ (liet. Kvantinė spinduliavimo teorija) padėjo pagrindus lazerio sukūrimui. Jis iš naujo išvedė Makso Planko spinduliavimo dėsnį pasinaudodamas sugerties, spontaniško ir priverstinio spinduliavimo tikimybės koeficientų sąvokas. Šie koeficientai dabar vadinami Einšteino koeficientais. 1928 m. Rudolph W. Landenburg patvirtino priverstinio spinduliavimo egzistavimą, o 1939 m. Tarybų Sąjungos mokslininkas Valentin A. Fabrikant pasiūlė priverstinį spinduliavimą naudoti trumpų bangų stiprinimui. 1947 m. Wills Lamb ir R. C. Retherford pirmą kartą pademonstravo priverstinį spinduliavimą.
1952 m. Nikolajus Basovas ir Aleksanderis Prokorovas apibūdino lazerio pirmtako – mazerio – veikimo principą. Žodis „mazeris“ reiškia tą patį, kaip ir lazeris, tik raidė „m“ yra iš žodžio „microwave“ (liet. mikrobangos), t. y. mazeris generuoja ir stiprina mikrobangas. Pirmą veikiantį prietaisą 1953 m. Kolumbijos universitete sukonstravo Charles Hard Townes, J. P. Gordon ir H. J. Zeiger. 1955 m. Basovas ir Prokorovas iškėlė optinio kaupinimo, reikalingo užpildos apgrąžai sudaryti, idėją. Tuo metu prasidėjo intensyvūs tyrimai, nuvedę prie lazerio išradimo, tuomet vadinto „optiniu mazeriu“. Dabartinis terminas pasiūlytas 1959 m.
Pirmąjį veikiantį lazerį 1960 m. pademonstravo Theodore Maiman iš Hughes Research Laboratories. Jo aktyvioji terpė buvo dirbtinis rubinas, o kaupinimas vyko išlydžio lempa. Lazeris generavo 694 nanometrų bangos ilgio ilgio raudoną šviesą ir dėl trijų lygmenų sistemos veikė tik impulsine veika.
Lazerinio diodo idėją pasiūlė N. Basovas ir Javanas, o pirmą veikiantį prietaisą 1962 m. pademonstravo Robert N. Hall. Jis buvo pagamintas iš galio arsenido ir generavo 850 nm bangos ilgio šviesą. Pirmieji puslaidininkiniai lazeriai veikė tik impulsiniame režime ir atšaldyti iki skysto azoto temperatūros. Kambario temperatūroje veikiantys lazeriniai diodai išrasti 1970 m.

Veikimas

Vienos iš pagrindinių lazerio sudedamųjų dalių yra aktyvioji terpė ir optinis rezonatorius. Aktyviojoje terpėje, tam tikro dydžio, koncentracijos, formos ir grynumo medžiagoje, išorine energija generuojama ir stiprinama šviesa. Tai vadinama priverstiniu spinduliavimu. Terpei energijos suteikia išorinis energijos šaltinis, vadinamas kaupinimo šaltiniu. Aktyvioji terpė sugeria kaupinimo energiją, dėl to dalis jos dalelių (pvz., atomų) elektronų pakyla į aukštesnius energetinius lygmenis, t. y. dalelės tampa sužadintomis. Kaupinimo šaltiniu gali būti išlydžio lempa, kitas lazeris ir kt. Optinio kaupinimo metu dalelės, sąveikaudamos su šviesa, gali sugerti fotonus ir juos perspinduliuoti. Fotonų perspinduliavimas gali būti spontaniškas arba priverstinis, t. y. stimuliuotasis. Kai kaupinimo metu dalelių sužadintoje būsenoje skaičius viršija žemesnių energijos būsenų dalelių skaičių, yra pasiekiama užpildos apgrąža ir priverstiniam spinduliavimui tenkantis perspinduliuotų fotonų kiekis dėl šviesos, praeinančios aktyviąją terpę, tampa didesnis, nei tenkantis savaiminiam. Dėl šios priežasties šviesa yra stiprinama. Reikia nepamiršti, jog šiuo atveju sužadintas daleles perspinduliuoti fotonus priverčia ne tik kaupinimo šaltinio fotonai, bet jau ir pačios medžiagos perspinduliuoti ir į aktyviąją terpę optinio rezonatoriaus veidrodžių sugrąžinti fotonai. 
Tokiu būdu išspinduliuota šviesa yra koherentiška, t. y. to paties bangos ilgio, fazės ir poliarizacijos.
Dar vienas svarbus lazerio komponentas yra optinis rezonatorius. Juo vykdomas spinduliuojamo šviesos pluošto formavimas, galios kontroliavimas. Iš rezonatoriaus šviesa, priklausomai nuo lazerio konstrukcijos, gali būti išleidžiama nuolatiniame pastovios amplitudės ar impulsiniame režime. Impulsinio veikimo būdu galima pasiekti žymiai didesnę spinduliavimo galią.

Nuolatinė ir impulsinė veika

Lazeriai gali būti konstruojami taip, jog spinduliuotų arba ilgą pastovų impulsą, arba trumpų impulsų seką. Nuolatinės ir impulsinės veikos lazerių sandara gerokai skiriasi, tačiau šviesos generavimo principas išlieka toks pat.

Nuolatinė veika

Nuolatinės veikos režime lazerio išspinduliuojamas šviesos impulsas yra beveik pastovus laiko atžvilgiu. Užpildos apgraža, reikalinga šviesos generacijai ir stiprinimui, yra nuolat palaikoma kaupinimo šaltinio.