En laser är en optisk strålkälla, eller ännu bättre uttryckt en ljusvåggenerator. Den kan sända
ut ljusvågor (= strålning) inom det ultravioletta, det synliga eller det infraröda området. En
viss lasertyp är oftast begränsad till att stråla på en viss våglängd som bestäms av lasermediet,
vilket är laserns hjärta. Lasermediet består av ett material som har förmågan att förstärka ljus
eller strålning av en bestämd våglängd. Förmågan att förstärka ljus ger de två första
bokstäverna i ordet laser - Light Amplification.
Light Amplification
Förstärkare
Energitillförsel
Oscillator
Lasermedium
100%
REFLECTIVE
MIRROR
Delvis
Transparant
spegel
Energitillförsel
Figur 6-1 Ljusförstärkningens princip
Genom att placera två parallella speglar på var sin sida om laser mediet kan man få ljus, som
går vinkelrätt mot speglarna, att studsa fram och tillbaka. De förstärks vid varje passage
genom lasermediet. För att lasern skall kunna släppa ut någon ljusstråle är den ena spegeln,
utkopplingsspegeln, delvis genomskinlig. Strålens riktning bestäms av speglarna.
I princip kan alla atomer, molekyler och joner förstärka ljus. Det gäller bara att få atomerna,
jonerna eller molekylerna i rätt "tillstånd". En titt på de processer som är inblandade då optisk
strålning växelverkar med material behövs för att kunna bestämma vad som menas med
tillstånd. Figur 6-2 visar två energinivåer i en jon, atom eller molekyl. I fortsättningen
kommer dock bara atomer att nämnas, men samma resonemang gäller för joner och
molekyler.
E2
N2
Laserstrålningens våglängd
E2
= h*c
E
E
ENERGI
E1
N1
E1
Absorbtion
Fluorescens
Stimulerad
Emission
Figur 6-2 Definition av energinivåer och excitation
E 2 -E 1 =
E= h*c =h *f
På varje nivå är markerat hur många atomer som det finns på respektive nivå. Då optisk
strålning faller in mot en samling atomer kan en foton absorberas genom att en av atomerna
får en högre energi. Atomen "lyfts upp" till en högre energinivå, dvs. exciteras. (En foton är
det minsta energipaket ljuset kan ha, och energin beror på frekvensen ν enligt E = hν ).
Antalet atomer eller molekyler som befinner sig i det högre energitillståndet E2, beror dels på
antalet i det lägre energitillståndet E1, dels på temperaturen. Vid termisk jämvikt är det alltid
fler atomer/molekyler som befinner sig i det lägre energitillståndet än i det högre.
En förstärkare kan endast fungera om energi tillförs. Max Planck påvisade 1900 att atomära
system inte kan anta vilka energi tillstånd som helst. Energin är alltid "kvantifierad" och en
atom/molekyl kan endast befinna sig i vissa diskreta energitillstånd.
Villkoret för att absorption skall kunna äga rum är att energiskillnaden mellan de två nivåerna
är lika stor som fotonens energi. Fotonens energi beror på ljusets våglängd. Absorptionen sker
alltså vid en bestämd våglängd. Om en atom befinner sig i det övre energitillståndet kan den
spontant falla ner till det lägre tillståndet. Genom att sända ut en foton gör den sig av med sin
överskottsenergi. Fotonen har en våglängd som motsvarar energiskillnaden mellan de två
nivåerna: ΔE = hν = h (c/λ), där c är ljushastigheten.
Den ur lasersynpunkt intressanta processen kallas stimulerad emission. Om en foton med rätt
energi träffar en atom i sitt övre tillstånd, kan den atomen stimuleras till att sända ut en ny
foton som har samma våglängd, fas och riktning som den ursprungliga fotonen. Denna
stimulerade strålningsemission har givit de tre sista bokstäverna i ordet laser–Stimulated
Emission of Radiation.
Det var Einstein som påvisade att det förhåller sig på det här sättet. Han visade dessutom att
sannolikheten för absorptionen och stimulerad emission är lika stor. För att uppnå
förstärkning krävs det att det finns fler atomer i det högre tillståndet än i det lägre. Detta
kallas inverterad population. Det är en onaturlig företeelse men kan upprätthållas med att
ständigt tillföra systemet energi och samtidigt kyla det. Systemet befinner sig då inte i
termiskt jämvikt. Einstein har 1917 presenterat ett arbete om den stimulerade emissionen, som
visade sig helt riktigt. (Laserprincipen var beskriven, men det dröjde över 40 år innan den
första lasern fungerade!)
6.1.1 Pumpning
Vid termisk jämvikt finns det alltid fler atomer på den lägre energi nivån. Genom att använda
fler av energitillstånden hos en atom kan man dock få flera atomer i ett högre energitillstånd
än i ett lägre. Det kallas för inverterad population. Figur 6-3 visar hur en struktur av
energitillstånd kan se ut för att kunna ge inverterad population. Genom att tillföra energi till
atomen kan man få atomen i ett högre energitillstånd. Fortfarande finns dock de flesta
atomerna på sin grundnivå och man har därför inte uppnått någon populationsinversion
mellan nivå 4 och grundnivån.
I energinivådiagrammet på Figur 6-3 hamnar atomen snabbt på nivå E3, vilket är ett tillstånd
med lång livslängd. Här uppnås därför en populationsinversion mellan nivå E3 och E2. Om
livslängden på nivå E2 är mycket kort, kan man uppnå den eftersträvade inversionen ganska
enkelt. För att bibehålla inversionen måste nya atomer hela tiden exciteras till nivå E4. Det
brukar kallas att man pumpar upp atomerna till en högre nivå.
E4
Energi
E3
Pumping
E2
Grundnivå E1
Figur 6-3 Energinivåer i en laser.
6.1.2 Tillföra energi
Det finns två vanliga metoder för att tillföra energin. Den ena metoden är genom elektrisk
urladdning i en gas, där gasmolekylerna är det lasrande mediet. Den andra metoden är att lysa
på lasermediet (t ex en kristall) med en blixtlampa eller en lampa med kontinuerligt ljus.
De vanligast förekommande lasrarna för bearbetning, neodym- och koldioxidlasrarna, är
exempel på de båda pumpprinciperna. CO2-lasern är en gasurladdningslaser och
neodymlasern är en optisk pumpad laser som pumpas med t ex en blixtlampa. I neodymlasern
är det jonen Nd3+ som är laseraktiv. Jonen dopas in i något fast material.
