2.4. A lézerek felépítése és működése

A lézerek három fő részből állnak: 1.) lézeraktív (fényerősítő) közeg, 2.) optikai rezonátor és 3.) pumpáló rendszer.

	2.4. ábra   A lézerek alapfelépítése.

A lézeraktív közeg halmazállapota lehet gáz, folyadék vagy szilárd, ugyanakkor olyan anyagnak kell lennie, amely mindig tartalmaz nagyszámú olyan atomot, iont vagy molekulát, amelynek energianívó-rendszerében létrehozható a populációinverzió.

Az optikai rezonátor olyan optikai rendszer, melynek két végén egy-egy tetszőleges görbületi sugarú (amely akár végtelen is lehet: síktükör), a rendszer tengelyére merőleges tükör van, közöttük pedig a lézeraktív közeg helyezkedik el. Az egyik tükör teljesen visszaverő (záró tükör), a másik részben áteresztő (nyitó tükör). Ez utóbbin át csatolódik ki a lézerfény.

 A lézerműködés beindulásához a rezonátoroknak teljesíteniük kell az alábbiakban megállapított küszöbfeltételt. Tekintsünk egy rezonátort, s vizsgáljuk meg egy benne haladó fénynyaláb intenzitásviszonyait egy teljes körüljárás során.

	2.5. ábra   A lézerfény útja a rezonátorban egy körbefutás alatt.

Indítsunk el tehát a 2. sz. tükör felületéről egy I₀ intenzitású fénynyalábot. Ez, belépve az L hosszúságú fényerősítő (inverziós) közegbe, a következő összefüggés szerint erősödik:

,

ahol α az ún. erősítési tényező, L pedig az erősítő közegben megtett út. Ez az I₁ intenzitású nyaláb eléri az 1. sz. tükröt, melyről egy I₂ része visszaverődik.

.

 

Ez ismét belép a fényerősítő közegbe, melyből már megerősödve, I₃ intenzitással lép ki.

.

 

A nyalábunk eléri a 2. sz. tükröt, melyről visszaverődve I₄ intenzitással halad tovább.

.

 

Nyilvánvaló, hogy tényleges erősítésről akkor és csak akkor beszélhetünk, ha az egyszeri körüljárás után nagyobb intenzitást kaptunk, mint amekkorát beküldtünk, azaz:

,

vagyis

.

 

Ez csak akkor következik be, ha teljesül az ún. rezonátorokra vonatkozó küszöbfeltétel:

.

Az α, L, R₁ és R₂ paraméterek ismeretében már meg tudjuk jósolni, megvalósul-e a lézerműködés a vizsgált rendszerünkben.

Az optikai rezonátornak ugyanolyan nyalábmódosító hatása van, mint ha a tükrökkel azonos méretű és távolságú nyílássorozaton haladna át a fény. A nyílássorozaton áthaladva a kezdeti hullámból fokozatosan egyre irányítottabb, rendezettebb térbeli fáziseloszlású hullám alakul ki. Elég sok nyíláson áthaladva már közelítőleg síkhullámnak tekinthető, csupán a széleken jelentkezik a fényelhajlás miatt némi torzulás, ami az irányítottság tovább fokozódását megakadályozza. Az optikai rezonátorban pontosan ugyanez a folyamat játszódik le. A kezdeti hullám sajátságaitól függetlenül kialakul benne egy önmagát reprodukáló hullámtér. Az előzőektől annyi az eltérés, hogy ez a stacionárius hullámeloszlás a rezonátorban lényegében két egymással szembehaladó síkhullámnak felel meg. A síkhullámtól való kis eltérések a hullámot határoló apertúrán fellépő elhajlásból adódnak. Az optikai rezonátor tehát létrehozza a fénysugárzás iránykoncentrációját.

A lézerműködés beindulása

Miután pumpálással létrehozzuk a populációinverziót, a fényerősítő közeg gerjesztett atomjai a környezettől függetlenül a tér minden irányába spontán sugározni kezdenek. A nem tengelyirányú fotonok rövid időn belül elhagyják a fényerősítő közeget. A tengely irányában az aktív közeg mérete általában lényegesen nagyobb a keresztirányú méreteknél, így a tengely irányában spontán kisugárzott fotonok a többi gerjesztett atom indukált emissziója révén további fotonokat keltenek, a tengelyirányú sugárzás erősödik.

	2.6. ábra   A lézerműködés kialakulása.

Minél több foton van a rezonátorban, annál több új foton keletkezik. Az erősödés mértéke a gerjesztett atomok számától és a közeget alkotó atomok tulajdonságától függ. A tükrökről visszaverődve a tengelyirányú sugárzás ismét a közegbe kerül, amelyen áthaladva tovább erősödik. Így egy kezdeti, elemi spontán kisugárzott hullám energiája az ismételt áthaladások során exponenciálisan nő. Természetesen a növekedés nem tart a végtelenségig – amint nő a fényhullám intenzitása, úgy csökken a közeg erősítő képessége, s rövid idő alatt beáll az egyensúly (telítődik az erősítés). A folyamatosan újrakeletkező gerjesztett atomok indukált emissziója éppen pótolja a lézerből kilépő sugárzás miatt, ill. egyéb okokból meglévő veszteségeket, stacionárius működés indul meg. Attól függően, hogy a populációinverzió csak rövid ideig, vagy folyamatosan tartható fenn, léteznek impulzus, kvázi-folytonos és folytonos lézerek.

	2.7. ábra   Állóhullám kialakulása a rezonátorban

Az optikai rezonátornak szelekciós hatása van a sugárzás hullámhosszára is. Ahhoz, hogy az optikai rezonátorban levő hullámok fázishelyesen csatolódjanak vissza, szükséges, hogy a hullám fázisa egy teljes körülfordulás után azonos maradjon, tehát a két tükör távolságának a hullámhossz felének egész számú többszörösének kell lennie:

,

ahol p egész szám.

Ez a rezonancia feltétele, ami nyilvánvalóan megszorítást jelent a hullámhossz számára: nem minden hullámhosszra alakulhat ki stacionárius hullám.