לייזר
הסבר פיזיקלי

ישנן דרכים רבות ליצירת אור (נורה חשמלית למשל). אך רוב מקורות האור שיש בידינו מפיקים אור שקרניו בעלות אורכי גל שונים, מופען לא מתואם והן מתפזרות לכל הכיוונים. באמצעות שימוש בלייזר ניתן לייצר אור מונוכרומטי (בעל אורך גל יחיד) וקוהרנטי (בעל מופע מתואם) שכמעט אינו מתפזר.
במילים פשוטות יותר, ניתן לומר כי במקור אור "רגיל" הפוטונים אינם מתואמים ביניהם – כל פוטון מגיע עם מופע, אורך גל וכיוון משלו. הלייזר פולט אור בו כל הפוטונים מתואמים, ולכן זהו מקור אור עוצמתי הרבה יותר. ניתן להסביר את הגידול בעוצמה בשתי דרכים פשטניות. בדרך הראשונה, אפשר לחשוב על אצטדיון כדורגל רוחש והומה כאשר המונים גודשים אותו. כל אדם מדבר עם שכניו בקול אך הקולות לא מתואמים והרעש הכללי אינו בעוצמה רבה. לעומת זאת, לאחר הבקעת שער, האצטדיון כולו שואג גול במתואם והקול המתקבל הוא אדיר. בדרך השנייה, עוצמת קרינת האור מתכונתית לריבוע המשרעת של גל הקרינה. כאשר יש גלים לא מתואמים, העוצמה הכללית היא סכום העוצמות של הגלים בנפרד. כאשר הגלים מתואמים, מחברים את המשרעות ואז מעלים בריבוע, והתוצאה גבוהה בהרבה. הנה דוגמה מספרית של חמישה גלים במשרעת של 1, 2, 2, 3, 2 ביחידות מתאימות. אם הגלים אינם מתואמים העוצמה היא סכום הריבועים, 22. אבל אם הגלים מתואמים העוצמה גדולה בהרבה כי היא ריבוע הסכום, 100.
במרכז אטום נמצא גרעין ומסביבו חגים אלקטרונים במסלולים מסוימים הנקראים "רמות אנרגיה" (ראו איור 1).
אם אלקטרון נמצא ברמת האנרגיה הנמוכה ביותר (הקרובה ביותר לגרעין) ויקבל אנרגיה, הוא יוכל לעלות לרמת אנרגיה גבוהה יותר, אך כיוון שזה אינו מצבו המקורי והיציב, תוך זמן קצר אותו אלקטרון ייפול בחזרה לרמת האנרגיה היסודית.
כאשר אלקטרון נופל מרמה גבוהה לרמה נמוכה יותר הוא מאבד אנרגיה – בדיוק אותה האנרגיה שהיא ההפרש בין הרמות.
למשל, אם אלקטרון נופל מרמה בעלת אנרגיה  E_{1} לרמה בעלת אנרגיה  E_{2}, האנרגיה אותה יאבד האלקטרון היא בדיוק  \Delta E=E_{2}-E_{1}. אותה אנרגיה ש"הולכת לאיבוד" נפלטת בצורת פוטון, חלקיק אור (ראו איור 1).
האנרגיה של הפוטון תלויה בתדירות שלו. כיוון שפוטון הוא חלקיק של אור, אור בתדרים שונים יהיה מורכב מפוטונים בעלי אנרגיה שונה.
אנרגיה של פוטון ניתנת על ידי:
E_{p}=hf
כאשר:
f – תדירות האור (מחזורים לשנייה – Hz)
h – קבוע פלאנק
את אורך הגל של הפוטון ניתן למצוא לפי המשוואה
c=\lambda f
כאשר:
f – תדירות האור (מחזורים לשנייה – Hz)
λ – אורך הגל של הפוטון (מטרים)
c – מהירות האור (299,792,458 מטרים לשנייה)
התהליך המתואר באיור 1, בו אלקטרון נופל בין רמות אנרגיה ופולט פוטון נקרא "פליטה ספונטנית".
ישנה גרסה מורכבת יותר של התהליך, הנקראת "פליטה מאולצת".
נניח שאלקטרון נמצא במצב מעורר – אותו אלקטרון עלה לרמת אנרגיה גבוהה וטרם הספיק ליפול. אם בזמן שהאלקטרון במצב מעורר עובר באזור פוטון בעל אנרגיה מתאימה (כזו ששווה להפרש הרמות), הפוטון יגרום לאלקטרון "ליפול" לרמת אנרגיה נמוכה יותר ולפלוט פוטון נוסף בתהליך. הפוטון שייפלט יהיה בעל אותה אנרגיה (כלומר בעל אותו אורך גל), אותו מופע ואותו כיוון כמו הפוטון המקורי (ראה איור 2).
שימוש באפקט הפליטה המאולצת מאפשר "להכפיל" פוטונים שוב ושוב – מפוטון אחד יצאו שניים, ולאחר מכן 4, ואז 8 וכן הלאה. מכיוון שפליטה מאולצת גורמת לפליטת פוטונים זהים, כל חלקיקי האור יהיו בעלי אותו צבע, מופע וכיוון.
בבניית לייזר משתמשים בשני רכיבים – חומר מגביר שינצל את אפקט הפליטה המאולצת כדי להגביר אור; ומהוד אופטי שיגרום לאור ללכת הלוך וחזור בתוך אותו חומר מגביר. בצורה כזאת ניתן להגביר את האור שוב ושוב עד שיגיע לעוצמה גבוהה.
כדי לנצל את אפקט הפליטה המאולצת, ניקח חומר העשוי מאטומים מתאימים. באמצעות "שאיבה חשמלית",[דרושה הבהרה]המתבצעת על ידי הפעלת מתח חשמלי אשר נותן אנרגיה לאלקטרונים הנמצאים ברמה הנמוכה, ובכך "מקפיץ" את כל האלקטרונים שבחומר לרמות גבוהות.
כאשר נשגר פוטון בודד לתוך החומר, תיווצר תגובת שרשרת כמו זו שתוארה למעלה ונקבל במוצא הגברה של פוטונים זהים.
כדי לנצל עד תום את החומר המגביר, נרצה שהאור יעבור בו מספר רב של פעמים, הלוך וחזור, וכל פעם יוגבר עוד. לשם כך נשתמש במהוד, התקן בעל שתי מראות הניצבות זו מול זו ותפקידו להוליך אור במסלול מחזורי. כאשר קרן האור נתקלת במראת המהוד היא מסתובבת ומשנה כיוון, וכך האור מתקדם הלוך ושוב.
בלייזר מייצרים את אחת המראות של המהוד כך שתעביר מעט מהאור (90% מהאור משתקף בחזרה ו־10% מהאור עובר, לדוגמה) ושם יהיה מוצא הלייזר – רוב האור במערכת ימשיך להסתובב בתוך המהוד ויוגבר, וחלק קטן ממנו ייצא החוצה כדי לספק לנו קרן לייזר קוהרנטית (ראה איור 3).
בהסבר על פליטה מאולצת לעיל מובאת התייחסות רק לשתי רמות אנרגיה באטום, אך ללייזר נבחרים אטומים בעלי 3 או 4 רמות אנרגיה.
נניח כי במצב היציב כל האלקטרונים באטום נמצאים ברמת היסוד, הנמוכה ביותר,  E_{1}. כדי לייצר אפקט חזק מספיק של פליטה מאולצת, צריך שברמה  E_{2} יהיו יותר אלקטרונים מאשר ברמה  E_{1}. בצורה מתמטית:
N_{2}>N_{1}\Rightarrow N_{2}-N_{1}=\Delta N>0
תנאי זה נקרא "היפוך אוכלוסייה", כיוון שאכלוס האלקטרונים בין הרמות מתהפך. רק אם תנאי זה מתקיים, פוטון שיעבור בסביבה אכן יגרום לפליטה מאולצת וייצור פוטון נוסף.
בלייזר 3 רמות מעלים את האלקטרונים לרמה גבוהה עוד יותר –  E_{3}.
מרמה זו האלקטרונים ייפלו במהירות לרמה  E_{2}, שם הם ימתינו זמן רב יחסית כדי לחכות לפוטון שיגרום להם לפליטה (ראה איור 4).
כדי להבטיח שהאפקט יעבוד, צריך שהנפילה מ E_{3} ל־ E_{2} תהיה מהירה. כלומר, הזמן הממוצע שהאלקטרון שוהה ברמה 3 לפני שהוא נופל לרמה 2 ( \tau _{3}) הוא קצר מאוד.
בנוסף, עלינו להבטיח שהזמן בו שוהה האלקטרון ברמה 2 לפני שנופל לרמה 1 ( \tau _{2}) יהיה ארוך מאוד, אחרת האלקטרונים ייפלו לרמת היסוד לפני שיספיק לפגוע בהם פוטון.
הבעיה בלייזר 3 רמות היא ש־ E_{1} היא רמת היסוד השופעת באלקטרונים, ולכן כדי לקיים את התנאי  \Delta N>0 עלינו להשקיע אנרגיה רבה.
כדי לפתור בעיה זו הומצא לייזר 4 רמות.
בלייזר זה נשתמש ב־ E_{2} בתור "הרמה הנמוכה" וב־ E_{3} בתור הרמה הגבוהה.
זאת אומרת שהפליטה המאולצת תתרחש כאשר אלקטרון ייפול מרמה 3 לרמה 2.
בצורה דומה נקפיץ אלקטרונים לרמה  E_{4}, ממנה הם ייפלו במהירות לרמה  E_{3}. ברמה 3 האלקטרונים ימתינו זמן רב עד אשר יגיע פוטון כדי להפיל אותם לרמה  E_{2} ולפלוט פוטון בדרך (ראה איור 5).
מרמה  E_{2} האלקטרון ייפול במהירות לרמה  E_{1} (רמת היסוד), מוכן להתחיל את התהליך מחדש ולספק לנו הגברה נוספת.
כיוון שבמצב יציב אין ברמה 2 אלקטרונים כלל, צריך להשקיע כמות קטנה בלבד של אנרגיה כדי לקיים את התנאי.
N_{3}-N_{2}=\Delta N>0