A lézer
A lézerek olyan fényforrások, amelyek igen vékony, nagyon kis széttartású fénynyalábot sugároznak ki, melyben a teljesítménysűrűség igen nagy lehet. A lézer egyszínű (meghatározott frekvenciájú) fényt bocsát ki, melynek koherenciahossza, azaz interferenciaképessége többméteres, szemben a hagyományos fényforrások néhány milliméteres koherenciahosszával. Ezek a tulajdonságok teszik lehetővé, hogy lézerek segítségével háromdimenziós képet, vagyis hologramot készíthetünk. A következőkben a lézerek működésének atomfizikai alapjait tárgyaljuk.
Ha egy atomban lévő elektront gerjesztünk, akkor az elektron általában rövid idő múlva alacsonyabb energiájú állapotba, gyakran alapállapotban ugrik, miközben az atom a két energiaszint különbségével megegyező energiájú fotont sugároz ki. Albert Einstein mutatta meg 1917-ben, hogy ez a kisugárzási folyamat egy ugyanilyen energiájú foton segítségével befolyásolható. Ezt a hatást indukált emissziónak nevezzük. A gerjesztett atomra ugyanolyan hf energiájú foton esik, mint amilyent magából kisugározna. A beesés pillanatában a beeső foton hatására azonnal megtörténik a kisugárzás, ezért nevezzük a folyamatot indukált emissziónak (kibocsátásnak). Ilyenkor a beeső foton nem nyelődik el, hanem ugyanabban az irányban folytatja útját. A kisugárzott második foton is ugyanebben az irányban halad, az első fotonnal megegyező frekvenciával, sőt vele azonos fázisban. A beeső és a továbbhaladó fotonok szempontjából a jelenséget a foton megkétszereződésének tekinthetjük.
A lézerezés azt jelenti, hogy az indukált emisszió egymásután sokszor megtörténik. Így meghatározott frekvenciájú, azonos irányban haladó, egymással megegyező fázisú fotonokat, vagyis lézersugarat kapunk.
A lézerezés megvalósulásához néhány alapvető feltételnek teljesülnie kell. Először is egy aktív közegre, a lézeranyagra van szükségünk, amelynek atomjai vagy molekulái kisugározzák a fényt. Másodszor egy olyan módszerrel kell rendelkeznünk, amellyel a lézeranyag atomjainak jelentős számát gerjesztett állapotba hozhatjuk. A lézeranyag gerjesztési folyamatát pumpálásnak nevezzük. Végül meg kell találnunk a módját, hogyan érhetjük el, hogy a fény ne szökjön ki addig a lézeranyagból, amíg kellően sok indukált emissziós fotonkétszerezés nem történik. Ezt úgy valósíthatjuk meg, hogy a lézeranyagot úgynevezett optikai rezonátorba helyezzük, amelyben tükrökön verődik oda-vissza a fény. A tükrök közös tengelyének irányában kisugárzott fény sok további indukált emissziót okoz, míg a tengelytől eltérő irányú fény gyorsan elhagyja a rendszert.
A lézeranyagnak, vagyis az aktív közegnek különleges összetételűnek kell lennie, hogy az indukált emisszió jelentős számban megtörténjen. Közönséges anyagoknál (termodinamikai egyensúlyban) az alapállapotban lévő atomok száma sokkal nagyobb, mint a gerjesztett atomoké. Ilyenkor a kisugárzott foton sokkal nagyobb valószínűséggel nyelődik el a közegben (vagyis alapállapotú atomot gerjeszt), mint amilyen valószínűséggel indukált emissziót okoz. Tehát általában elnyelődés történik, indukált emisszió csak ritkán. Az indukált emisszió gyakorisága akkor nő meg, ha a magasabb energiájú atomok száma nagyobb, mint az alacsonyabbaké. Ezt a szokásoshoz képest fordított eloszlást inverz populációnak hívjuk. Lézerezés csak akkor történik, ha az aktív közegben inverz populációt tudunk létrehozni, ehhez különleges összetételű közeg kell. Arra van ugyanis szükség, hogy egyes gerjesztett állapotok élettartama nagyságrendekkel hosszabb legyen a szokásos gerjesztési élettartamoknál. Az ilyen hosszú életű gerjesztett állapotokat metastabil állapotoknak hívjuk.
A következőkben az iskolákban leggyakrabban használt lézer, a hélium-neon lézer működésének ismertetésével mutatunk egy példát arra, hogyan lehet inverz populációt létrehozni. Ebben a lézerben 90% hélium és 10% neon alacsony nyomású keveréke az aktív közeg. A gázkeverék egy lezárt üvegtartályban van, amelyben elektródák segítségével nagyfeszültségű gázkisülést hoznak létre a közönséges neoncsövekhez hasonlóan. A gázkeverék összetétele miatt jön létre az inverz populáció.
Nézzük a hélium-neon rendszer energiaszintjeit. A héliumatomokat az elektromos kisülésben az elektronok könnyen tudják gerjeszteni. A 2s1 és 2s3 jelű legalacsonyabb gerjesztett állapotok elegendően hosszú élettartamúak ahhoz, hogy metastabilnak tekinthetők. Ez a két állapot csaknem ugyanolyan energiájú, mint a neonatomok 4s és 5s jelű gerjesztett állapotai. Mivel az energiák ennyire közel esnek egymáshoz, atomok közötti ütközések révén a héliumatom könnyen átadja energiáját egy neonatomnak. Az ütközés során a héliumatom alapállapotba kerül, míg a neonatom gerjesztett állapotba jut. Az ütközésekkel történő pumpálás a neon inverz populációját hozza létre. Ezen a két gerjesztett szinten lévő neonatomok ezután indukált emisszióval energiát sugározhatnak ki, miközben a 4p és 3p jelű állapotba kerülnek, melyekről gyorsan még alacsonyabb állapotba jutnak, fenntartva így az inverz populációt a magasabb gerjesztett szinteken. Így a hélium-neon lézer folyamatos üzemmódban működik.
Egyetlen lézerhullámhosszt úgy választhatunk ki a többi közül, ha speciális tükröket használunk, melyek csak a kívánt átmenet hullámhosszának közelében lévő fényt verik vissza. Lehet olyan tükröket készíteni, melyek a 632,8 nm-es vörös fényt, a He-Ne lézer szokásos hullámhosszát verik vissza, de infravörösben áteresztőek. Ezek az egymással pontosan szemben álló tükrök teszik lehetővé a jelentős számú indukált emissziót, vagyis az optikai rezonátor szerepét töltik be. Az ilyen lézer előállítása viszonylag olcsó, ezért nagyon sok iskolában ilyet használnak. Másféle tükrökkel lehet 543,5 nm-es zöld fényű, illetve 1523 nm-es infravörös fényű hélium-neon lézert is készíteni.
Manapság nagyon sok lézert használunk, sokszor szinte észre sem vesszük. Ilyenek a CD-lejátszókban, DVD-kben, CD-írókban működő lézerek, vagy a lézernyomtatókban lévők. Ezek nem gázlézerek, hanem úgynevezett félvezető lézerek, amelyekben pontosan párhuzamos falúra csiszolt félvezető kristályok adják a lézeres hatást. A párhuzamos falakat fémmel vonják be, ezek tükröznek. A pumpálás a félvezető átmeneti rétegekben történik, úgynevezett elektron-lyuk párok megsemmisülésekor keletkeznek a lézerezésre alkalmas fotonok.