Lasery, czyli wzmocnienie światła poprzez wymuszoną emisję promieniowania, to urządzenia emitujące wysoce skupione, spójne i monochromatyczne światło. W przeciwieństwie do zwykłych źródeł światła, lasery wytwarzają światło, które jest bardzo precyzyjne i można je kontrolować z dużą dokładnością. W tej lekcji omówione zostaną zasady działania laserów, ich rodzaje i zastosowania, szczególnie w dziedzinie optyki.
Sercem działania lasera jest proces emisji wymuszonej. Proces ten polega na wzmocnieniu światła przez wzbudzenie elektronów w ośrodku (gaz, ciało stałe lub ciecz) do wyższego poziomu energii. Kiedy te wzbudzone elektrony powracają na niższy poziom energii, emitują fotony (cząstki światła) o określonej energii. Co ważne, fotony te stymulują inne wzbudzone elektrony do emisji dodatkowych fotonów, tworząc reakcję łańcuchową wzmacniającą światło.
Trzy główne elementy lasera to:
Kluczem do działania lasera jest osiągnięcie stanu zwanego „inwersją obsadzeń”, w którym więcej elektronów w ośrodku wzmacniającym znajduje się w stanie wzbudzonym niż w stanie o niższej energii. Warunek ten jest niezbędny, aby emisja wymuszona dominowała nad absorpcją.
Lasery można podzielić na kategorie ze względu na medium wzmacniające:
Lasery zmieniły wiele aspektów optyki i znalazły szerokie zastosowania:
Chociaż do dogłębnych eksperymentów z laserami potrzebny jest skomplikowany sprzęt, obserwacja wzorców interferencji świateł laserowych może dostarczyć wglądu w ich właściwości.
Wzór interferencyjny: Kiedy światło lasera przechodzi przez dwie blisko siebie rozmieszczone szczeliny (układ znany jako eksperyment Younga z podwójną szczeliną), tworzy wzór interferencyjny na ekranie umieszczonym za szczelinami. Ten wzór jasnych i ciemnych pasm ukazuje falową naturę światła i spójność światła laserowego. Odległość między tymi pasmami można wyrazić równaniem:
\(D = \frac{\lambda \cdot L}{d}\)gdzie \(D\) to odległość pomiędzy sąsiednimi jasnymi lub ciemnymi pasmami, \(\lambda\) to długość fali światła lasera, \(L\) to odległość od szczelin do ekranu, a \(d\) to odległość między dwiema szczelinami.
Zrozumienie laserów i ich zasad nie tylko pozwala zagłębić się w dziedzinę optyki, ale także otwiera drzwi do innowacji w komunikacji, opiece zdrowotnej i różnych eksploracjach naukowych. Ich precyzja i możliwość skrupulatnej kontroli czynią lasery niezbędnymi narzędziami nowoczesnej technologii i badań.
