Lehet-e olyan lézert építeni, amiben nincs tükör? Ha igen, hogyan?

Félvezető lézer dióda chip. Abban is van tükör, de az chipen belül kerül kialakításra. Azon gondolkodom, hogy melyik lézerről is hallottam, hogy elég az az út hossz, mit egyszer megtesz az anyagban a fény és már attól is létrejön a koherens és monokromatikus fotonok megfelelő erősödése az inverz populációnak nevezett gerjesztésű anyagba, ahol a legtöbb atom gerjesztett állapotban marad még egy ideig, amíg egy induáló beeső foton vele azonos tulajdonságú, (hullámhosszú, polarizációjú és fázisában azonos) foton ibocsájtására nem készteti. Végül is ez a lézer működés.

Minél hosszabb utat tesz meg a lézer fény a fényerősítésre alkalmas gerjesztett anyagban, annál erősebbé válik. Megfelelő út hossz nélkül nem lesz elég a fény erősítés, vagyis a lézer energiája.

Valami rémlik, hogy a neodímium-YYAG lézerekben nem küldik át sokszot a fényt a kristályban, de az nem látható fényű, viszont hatalmas teljesítményű impulzus lézer. Vagyis mikroszekundumok alatt akár kiloWattokat is le tud adni. Azt speciális, nagyon rövid villanási idejű vakucsővel gerjesztik (nem fotóvakuval!).

Végül is minél hosszabb utat meg tesz e fény a lézer működésre alkalmas anyagban, annál nagyobb a fény erősítése. Ahhoz, hogy ne kelljen hatalmas lézert építeni ezért ugyanazt a gerjesztett, populáció inverzió állapotában lévő lézer anyagot használják fel a fény út meghosszabbítására, vagyis visszaküldik a lézer fényt a lézer erősítésre alkalmas anyagba és ott többször, sokszor meg tudja tenni ugyanazt az utat és ott egyre több az ott oda-vissza haladó foton tulajdonságaival azonos polarizációjú, fázisú és hullámhosszúságú fotonok kibocsájtására készteti a lézer anyagot a többszrösen megtett útja során. Tehát minél hosszabb utat meg tesz e fény a gerjesztett anyagban, annál nagyobb lézer erősítést lehet elérni.

-

Mi az a populáció inverzió és egyáltalán miről is beszélük itt. Mit értünk az anyag gerjesztése alatt.

Vegyünk egy egyszerű fényforrást, a közönséges izzószálas lámpát.

Abban az izzószál átfolyó áram hatására felizzik és spintán folyamatosan fotonokat bocsájt ki magából. Vagyis a gerjesztett atomok véletlen szerűen spontán leadják az energiájukat fotonok és infra sugárzás formájábal a legkülönbözőbb hullámhosszokon, szinte foto zajt produkálva főleg az infra és a látható fény spektrumban.

Vagyis a legtöbb gerjesztett atom gyorsan visszatér alap állapotba, miközben véletlen szerű hullámhosszban és polarizációban fényt bocsájt ki. Ezt nevezzük a gerjesztett atomok normál anyagra jellemző gerjesztési benépesülésének.

A lézer működésre alkalmas anyagnál ez másképp működik.

Az az anyag a gerjesztéskor felkerül egy magasan gerjesztett energia szintre, egy külső elektron héjra ugrik az gerjesztéskor az atom elektron állapota, ahonnan spontán vissza zuhan ez közbenső elektronhéjra, egy alacsonyabb gerjesztett szintre, ahol relatív hosszabb ideig is megmarad.

Vagyis a gerjesztett állapotban lévő elektron héjú atomok szintje benépesül. általánosságban ilyen anyagoknál több atom marad gerjesztett állapotban, mint ami spontán alap állapotba kerülne.

Ez olyan, mint pl nézzük az állatkertet példának.

A legtöbb ember a földön áll, de vannak gyerekek akik felmásznak a fákra, sziklákra, erre arra, de a legtöbb ember lába a földön van. Ettől függetlenül néhány gyerek felmászik fákra, sziklákra ide oda, aztán maguktól lejönnek vagy leesek onnan.

Ez jellemző a normál fényforrások atomjainak a gerjesztett állapotára.

Aztán történik, hogy kinyitják az oroszlán ház ketrecét.

Aki csak tud igyekszik magas helyre feljutni, felmászni és nem nagyon akar lejönni onnan. Jóval több ember lesz fent magas helyeken, mint ahányan a földön maradnak. Ez az inverz populáció (fordított benépesülés).

Ezt a példát még nagyon régen egy lézerfizikus barátomtól, Horváth Zolitól hallottam, aki a KFKI-ban dolgozott akkoriban, még a '80-as évek vége felé.

Szóval minél hosszabb utat tesz meg a gerjesztett lézer működésre alkalmas anyagban a lézer fény, annál nagyobb erősítés érhető el.

A lézerfény koherencia tulajdonságait illetően alapvető szerepe van a tükrök (és esetleg valami diszperzív elem pl. rács, Fabry-Perot etalon vagy prizma) alkotta rezonátornak. Szokták lézeroszcillátornak is hívni a lézererősítő anyag és a rezonátor kettősét, mivel van analógia az elektronikus oszcillátorokkal, ahol egy erősítőt csatolnak vissza fázishelyesen.

Ha csak lézererősítőnk van és valami nemkoherens gerjesztés(tehát nem egy másik kisebb gerjesztő lézer), akkor a vonalszélesség sokkal nagyobb marad, mint egy rezonátorral kiegészítve, így a koherencia hossz is sokkal rövidebb. Alkalmazása válogatja, hogy ez elég lehet-e.

Félvezető lézereknél külön tükrök nem mindig vannak, de a jellemzően nagyobb törésmutatójú félvezető kristály és a levegő határfelületén jelentő tükrözés lép fel. Na ezeknek nincs is olyan jó koherenciája és szépen fókuszálható nyalábja, mint ha kapnak külső rezonátort is.