Как свети лазерът

Атоми горе и долу

Всеки атом може да е в основно състояние (долу) или възбуден (горе). Помпата – светлина или ток – качва атоми нагоре. Възбуденият атом рано или късно пада сам и излъчва фотон в случайна посока. Така свети обикновената лампа.

Излъчване в такт

Ако фотон мине покрай възбуден атом, той може да го накара да излъчи втори, еднакъв фотон: в същата посока и със същия цвят. Двата фотона карат още два атома, после четири… Това е лавината на лазера.

Но същият фотон може и да бъде погълнат от атом, който е долу. Двете неща стават еднакво често. Затова светлината се усилва само ако горе има повече атоми, отколкото долу. Това се нарича обърната заселеност.

Защо при две нива лъч няма

При атоми с две нива помпата е светлина със същия цвят като прехода. Тя сваля възбудените атоми надолу толкова често, колкото вдига невъзбудените нагоре. Колкото и силно да помпаш, горе остават най-много половината: при 400 атома и силна помпа – 190, при още по-силна – 199, но никога над 200.

Третото и четвъртото ниво

• Три нива. Помпата качва атомите на най-горното ниво, оттам те бързо падат на ниво, където могат да „чакат“, а помпата не може да ги свали. Така за първи път горе стават повече, отколкото долу. Но долното ниво на прехода е основното, затова горе трябва да са повече от половината.
• Четири нива. Под горното ниво има още едно, което се изпразва веднага. Долното ниво на прехода е винаги празно и стигат малко атоми горе: с огледало, което пропуска 5 %, само 48 от 400. Прагът е над 9 пъти по-нисък, отколкото при три нива.

Огледала и праг

Двете огледала връщат фотоните обратно между атомите, за да предизвикат още излъчвания в такт. Едното отразява всичко, а другото пропуска малко навън – това е лъчът. Без огледала лавина няма: атомите са горе и светят случайно, но лъч няма.

• Праг. До определено изпомпване – нищо, после – лъч. Под прага светлината, която се губи в огледалата, е повече от тази, която атомите добавят.
• Над прага горните атоми спират да растат. Помпаш повече, а горе са все толкова атоми: цялото допълнително изпомпване отива в лъча. Затова, ако удвоиш изпомпването, лъчът става повече от два пъти по-ярък.
• Огледалото трябва да пропуска „точно колкото трябва“. Ако пропуска твърде малко, светлината остава вътре и се губи там. Ако пропуска твърде много, лъчът не може да тръгне. При слаба помпа печели огледалото, което пропуска 1 %, а при по-силна – това с 5 %.

Какво е опростено

В симулацията времето е забавено много хиляди пъти: истинският възбуден атом живее около една хилядна от секундата или по-малко, а фотоните между огледалата – още много по-кратко. Всички фотони са едно число, а 400-те кръгчета са картинка на дяловете. Изводите не се обръщат от това.

Как проверяваш твърдение

Знайко казва: „Ако изпомпваш достатъчно силно, всяко вещество става лазер.“ Звучи логично. За честно сравнение меняй само едно нещо – броя на нивата, силата на помпата или огледалото – и гледай какво става с горните атоми и с лъча.

Безопасност

• Никога не гледай в лазерен лъч и не го насочвай към очите на хора или животни. Окото събира лъча в малка точка и може да се повреди трайно.
• Мигането пази само отчасти – за около четвърт секунда и само при видима светлина. Невидимите лъчи не карат окото да мига.
• Не насочвай лазерна показалка към коли, автобуси, влакове и самолети. Шофьорът или пилотът може да бъде заслепен.
• Безопасните показалки за класната стая са слаби. Лазерната показалка не е играчка: ползвай я само с разрешение и пред възрастен.
• Ако лъч е попаднал в окото и виждаш петно, което не изчезва, кажи на възрастен – може да е нужен очен лекар.