A lézerek működésének alapjai

Sokakat érdekel, hogy a lézerek hogyan is működnek. A „Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation” (vagyis „fénykibocsátás indukált emisszióval”) kifejezés nagyon pontosan írja le az elvet, bár elsőre bonyolultan hangzik.

A fényt (pl. a nap vagy egy lámpaizzó fényét) többnyire fehérnek látjuk. Ha azonban prizmán vezetjük át ezt a fénynyalábot, jól látszik, hogy számtalan színből áll. Ennek az az oka, hogy a fény valójában elektromágneses sugárzás, és a különböző hullámhosszú sugarak különböző színt adnak. Az emberi szem azonban ennek a spektrumnak csak egy kis részét látja, mivel a különböző hullámhosszú sugárzás túl rövid, vagy éppen túl hosszú a szem érzékelése számára. Ha a sugárzás hullámhossza túlzottan hosszú, akkor az ultraibolya, ha pedig túl rövid, akkor a spektrum infravörös tartományáról beszélünk.

A lézer fénye azonban ezzel ellentétben csak egy színű, vagy másképpen fogalmazva a spektrum csak egyetlen hullámhosszát tartalmazza (vagyis monokromatikus). Ezt az adott hullámhosszt pedig a lézerberendezésben levő gerjesztett atomok által kibocsátott (vagyis emittált) energia határozza meg. Bizonyos lézerek látható fényt bocsátanak ki, mások azonban az ultraibolya vagy az infravörös tartományban adnak fényt, vagyis a szem számára fényük nem érzékelhető. A szupermarketekben a pénztárnál a vonalkód leolvasására használt lézert szemünk (a fény hullámhossza miatt) vörösnek látja, fénye tehát az ember szem számára is észlelhető tartományban van. Az orvosi lézerberendezések többsége azonban inkább az infravörös tartományhoz közel dolgozik, ezért tehát fényük – szemünk számára – nem érzékelhető.

Minden lézer berendezés alapvetően három részből áll:

• lézeranyagból (1.)
• energiaforrásból, mely a lézeranyagot gerjeszti (pumpálja) (2.)
• optikai tükrökből, melyek a létrejövő lézerfényt tükrözik (3. és 4.) – (optikai rezonátor)

És bár a lézeranyag szilárd, folyékony vagy gáznemű is lehet, a mai modern lézerek nagy része hengeres formájú szilárd anyagot, lézerkristályt használ. Ezt az anyagot aztán az energiaforrás pumpálja, vagyis energiaközléssel gerjeszti. Ennek is lehet több formája, elektromos kisülés, külső fényforrás vagy akár – ritkán – kémiai reakció. Az energiapumpálás során a lézeranyag atomjai gerjesztett állapotba kerülnek. Az atomok minden bennünket körülvevő tárgynak az apró építőelemei, de folyamatos mozgásban is vannak: vibráló és forgó mozgást végeznek, még az olyan szilárd tárgyakban is, mint pl. az asztal vagy akár a szék, amelyen ülünk. Az atomok gerjeszthetőek, és ez a gerjesztett állapot különböző szintű lehet. Alapvetően minél nagyobb energiát közlünk egy atommal, a gerjesztés annál erősebb. A működő lézerberendezésben nagyszámú gerjesztett atomot kell létrehoznunk. Képzeljünk el egy bolygót, ami körül hold kering. A hold esetünkben az elektron, a bolygó pedig az atom. Az elektronnak az atom körül meghatározott pályája van, az atom energiaszintjének megfelelően. Ha az atom energiát nyel el (gerjesztjük), az elektron magasabb és magasabb pályára kerül, egészen addig, míg bizonyos mennyiségű energia „megszökik”, ún. fotonok formájában. Pontosan erre van szükségünk, hogy a lézerfényt előállítsuk. Ezért hát a lézeranyagot energiával pumpáljuk. Eközben az atomok körüli elektronok egy része gerjesztettebb állapotba kerül, mint a többi. Ennek az energiának egy része fotonok formájában kibocsátódik, és a tükröket elérve oda-vissza csapódik a lézeranyagban, az optikai rezonátorban. A fotonok ezen mozgása azonban további és további elektronokat hoz gerjesztett állapotba, az egyre több foton pedig kaszkádreakciót (láncreakciót) indít el: (amplification vagyis erősítés, az „A” betű a LASER betűszóban). A lézeranyagot magában foglaló optikai rezonátor egyik oldalán azonban a tükör féligáteresztő. Ez azt jelenti, hogy a fotonok egy része – ahelyett hogy visszaverődne – kilép a tükrön keresztül. Ezek a fotonok alkotják aztán a lézerfényt. (5.)

A gerjesztett elektron által kibocsátott energia mértékétől függően a fotonoknak meghatározott hullámhosszuk, vagyis színük lesz; (a fény tehát monokromatikus), egy fázisban mozognak, (koherens) és egy irányban (kollimált). A lézerfényt tehát tudományos igényességgel e három szóval jellemezhetjük. Azt a folyamatot pedig, ahogyan az atomokat és elektronokat gerjesztjük indukált emissziónak hívjuk (angolul stimulated emission, vagyis innét az „S” és az „E” betű a LASER szóban.

Ha az emberek többsége a lézerre gondol, egy folyamatos fénysugár jut az eszébe. A lézerek ezen típusát „folyamatos üzemű”-nek nevezzük. Egyre gyakoribb azonban, hogy a lézerek ún. „pulzáló módban” dolgoznak, vagyis igen gyorsan ki- és bekapcsolnak. A pulzáló mód egyik fő előnye, hogy így a leadott csúcs energia lényegesen magasabb lehet, mint az a folyamatos üzemű berendezések esetében elérhető volna.

Napjainkban a számítástechnika fejlődése ad óriási lökést a lézerberendezések fejlesztéshez; a mai legkorszerűbb gépek tehát korábban elképzelhetetlen lehetőségekkel ruházzák fel az ipari vagy éppen az orvosi felhasználót.