A lézer egy különleges elektromágneses sugárzás, melynek jelentése (LASER= Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) a “stimulált sugárzással való fényerősítés”-ben keresendő. A folyamat teljes megértése céljából ismerkedjünk meg az atomi szerkezettel, és annak néhány specialitásával.

Elektronok energiaszintje

A lézerfény fizikájának megértéséhez először nézzük meg az atomok energiaszintjeit, valamint hogy az ezekben az energiaszintekben bekövetkező változás hogyan vezet a lézerfény létrejövéséhez.

Ha az atommag és az elektronok közti kapcsolatot energiaszintekben kifejezve felírjuk, akkor a kvantummechanika egynémely tétele által ezek az energiaszintek diszkrétnek tekinthetők. A 1. ábrán egy egyelektronos atom egyszerűsített energiaszint-diagramja látható.

Radiatív átmenetek

Az elektron rendes körülmények között a lehető legalacsonyabb energiaszinteket foglalja el. Ebben az esetben az atom alapállapotáról beszélünk. Az elektronok azonban magasabb energiaszinteket is elfoglalhatnak, szabadon hagyva néhány alacsonyabb szintet. Az elektronok az energia elnyelésével vagy kibocsátásával az egyik energiaszintről a másikra válhatnak. Az atom energiaszintjének megváltozásának e két módját nevezzük radiatív átmenetnek.
Háromféle radiatív átmenet van. Az abszorpció és a spontán emisszió jól ismert, a stimulált emisszió, kevésbé ismert. Ez, a radiatív átmenetek harmadik fajtája a lézer működésének alapja. A következőkben mindháromfajta átmenet tárgyalásra kerül.

Abszorpció

Az elektron különböző külső forrásokból nyelhet el energiát. A lézer működése szempontjából az elektronok energiautánpótlásának leginkább két módja lényeges:
Az első ezek közül egy foton teljes energiájának átvitele egy keringő elektronba. Az elektront az energiájának megnövekedése magasabb energiaszintre való „ugrásra” készteti; ekkor az atomról azt mondjuk, hogy „ gerjesztett” állapotban van. Mivel az elektron csak pontos energiamennyiség hatására fog átugrani egy megengedett energiaszintről egy másikra, ezért csak az elektron számára elfogadható energiájú vagy hullámhosszú fotonok nyelődnek el.
A második mód egyfajta elektromos kisülés: ebben az eljárásban az energiát elektromos mező által gyorsított elektronok ütköztetésével biztosítják.
Az eredmény mindkét típusú gerjesztésnél az, hogy az energia elnyeléséből következően egy elektron magasabb energiaszintre kerül, mint amilyenen addig volt, és az atom, amelynek az elektron része, szintén gerjesztettnek mondjuk.

Spontán emisszió

Az atomi szerkezet egésze a lehető legkisebb energiájú állapotra törekszik. Egy gerjesztett elektron különféle módokon próbálja magát „ visszagerjeszteni”. Például az energia bizonyos része hővé alakulhat. Egy másik mód a foton spontán emissziója. A foton — amit a gerjesztett állapotból visszaálló atom kibocsát — energiája pontosan egyenlő lesz a gerjesztett és az alacsonyabb energiájú állapotok közötti energiakülönbséggel. A fotonnak ezt a felszabadulását nevezzük spontán emissziónak.

A spontán emisszióra (és abszorpcióra) egy példa a foszforeszkáló anyagoknál látható. Az atomokat a napból vagy egy lámpából érkező megfelelő energiájú fotonok gerjesztik. Később, a sötétben, visszaállnak látható fényű fotonok spontán kibocsátása útján. Egy másik példa a közönséges neonfény. A neon atomjait a csövön keresztüli elektromos kisülés gerjeszti. Itt is látható fényű fotonok kibocsátásával állnak vissza.

Megjegyzendő, hogy a gerjesztő hatás egyik példában sem egy egyedülálló energia, tehát az elektronok a sok energiaszint bármelyikére gerjedhetnek.

A visszaálláskor felszabaduló fotonok a számos diszkrét frekvencia közül bármelyiket felvehetik. Ha kellően sok diszkrét frekvencia áll rendelkezésre megfelelő eloszlásban, az emisszió a szem számára fehér fénynek tűnhet.

Stimulált emisszió

1917-ben Einstein feltette, hogy a gerjesztett atomból felszabaduló foton, kölcsönhatásba lépve egy másik, ugyanúgy gerjesztett atommal, előidézheti a másik atom visszaállását egy foton felszabadítása útján. A másik atom által kibocsátott foton azonos lenne a frekvenciát, energiát, irányát és fázisát tekintve a hatást kiváltó fotonéval, ésa hatást kiváltó foton változatlanul folytatná útját. Ahol egy volt, most kettő van. Ezt mutatja a 2. ábra. Ez a két foton utána további atomokat stimulál emisszióra.

Ha egy megfelelő közeg kellően sok gerjesztett atomot tartalmaz, és a visszaállás csak spontán emisszióval történik, a kibocsátott fény véletlenszerű és körülbelül egyenlő lesz minden irányban, ahogy az 2 ábra mutatja. A stimulált emisszió folyamata azonban megnövelheti egy bizonyos irányban haladó fotonok számát (3 ábra).

Ha egy optikai üreg végére tükröket teszünk, egy irányt előnyben részesíthetünk. Azok a fotonok, amelyek nem merőlegesek a tükrökre, kiszöknek az üregből. Így a két tükör tengelye mentén haladó fotonok száma nagyon megnövekszik, és fényerősítés történik stimulált sugárzáskibocsátással.

Populációinverzió

Gyakorlatilag a stimulált emissziós eljárásnak nemhogy hatékony, de még csak nem is észrevehető a fényerősítő hatása, hacsak az ún. „ populációinverzió” be nem következik. Ha a több millió atom közül csak kettő van gerjesztett állapotban, a stimulált emisszió bekövetkezésének esélye végtelenül kicsi. Minél nagyobb százalékban vannak jelen gerjesztett atomok, annál nagyobb a valószínűsége a stimulált emissziónak.
Normális esetben az elektronok nagy része alapállapotban, vagy a legalacsonyabb energiájú állapotban van, a felsőbb energiaszinteket szabadon hagyva. Mikor az elektronokat gerjesztjük, és feltöltik ezeket a felsőbb energiaszinteket addig a fokig, amikor már több atom gerjesztett, mint ahány nem gerjesztett, s ekkor a gerjesztettségi sűrűségről azt mondhatjuk, hogy meginvertálódik. Ezt mutatja a 4. ábra.

Az aktív közeg és a lézerek 4 főfajtája:

• A szilárd halmazállapotú lézerekben egy szilárd rácsszerkezetben elosztott aktív közeg van. Egy példa erre a rubinlézer, amelyben pontos mennyiségű krómmal egyenletesen szennyeznek egy kristályos alumíniumoxid-rudat. A rubinlézer 694,3 nm hullámhosszú fényt bocsát ki, ez a hétköznapok mélyvörös színének felel meg.
• A gázlézereknél üvegcsőbe töltött gázt vagy gázkeveréket használnak. A gyakori gázlézerek közé tartozik a hélium-neon lézer, aminek a hullámhossza elsősorban 632,8 nm (kb. kék-zöld). Vízgőz használatával a kibocsátott fény még az infravörös tartományba is beállítható. Technológiai szempontból a CO₂ lézernek kitüntetett figyelmet szentelünk, a relatíve nagynak mondható 10-20%-os hatásfokával és a 10⁰-10¹¹ W teljesítményével. A CO₂ lézer esetén c/f=10.6nm, ami már az infravörös hullámtartományban van, így szabad szemmel nem látható.
• A folyadéklézer még viszonylag új, az aktív közege többnyire egy komplex szerves festék. A folyadéklézerek legmeglepőbb tulajdonsága a “hangolhatóságuk”. A festék és koncentrációjának helyes megválasztásával bármilyen hullámhosszú fény előállítható a látható spektrumban vagy a közelében.
• A félvezetőlézerek nem tévesztendők össze a szilárd halmazállapotú lézerekkel. A félvezetőeszközök két egymásra rétegelt félvezetőanyagból állnak. Az egyik anyag elektrontöbblettel rendelkezik, a másik elektronhiánnyal. A félvezetőlézer két kiemelkedő tulajdonsága a nagy hatékonysága és a kis mérete. Az átlagos félvezetőlézerek a piros és infravörös tartományokban dolgoznak. A félvezetőlézerek fénykibocsátása a PN-átmenetben történik, aminek hatására elektronok ugrálnak át a vezetési sávból a vegyértéksávba.

A lézerek 4 legfőbb tulajdonsága:

1. Kis divergencia - a lézerfény nagyrészt párhuzamos fénysugarakból áll, nagyon kis szóródási szöggel (kisebb, mint 10^-3 radián). Ezzel nagy energiasűrűség érhető el szűk sugárban, a sugár által megtett távolságtól függetlenül.
2. Egyszínűség - a lézersugár egy olyan elektromágneses hullám, amely közel egyetlen f frekveciájú (vagyis egyetlen hullámhosszú) összetevőből áll. A lézerek spektrális félértékszélessége kisebb, mint. 4nm.
3. Idő- és térbeli koherencia - a lézer által kibocsátott hullámok fázisa a sugár minden keresztmetszeténél azonos.
4. Polarizáció - a lézer által kibocsátott hullámok mágneses mezejének iránya állandó.