Laserul este un dispozitiv care produce lumină foarte ordonată: aproape de o singură culoare, cu undele în fază și cu un fascicul care se împrăștie extrem de puțin. Numele vine din inițialele expresiei engleze „light amplification by stimulated emission of radiation”, adică amplificarea luminii prin emisie stimulată de radiație.
Primul laser funcțional a fost realizat în 1960, pe baza unor idei formulate de Albert Einstein cu aproape patru decenii înainte. Mai jos vezi cum funcționează, ce îl deosebește de un bec și unde este folosit.
Lumină obișnuită și lumină de laser
Un bec sau Soarele emit lumină amestecată: multe culori, în toate direcțiile, cu unde care pornesc la momente întâmplătoare. Seamănă cu o mulțime de oameni care strigă fiecare altceva. Laserul seamănă mai degrabă cu un cor care cântă același sunet, la unison.
Proprietățile lui sunt:
- monocromatic: lumina are practic o singură lungime de undă, deci o singură culoare;
- coerent: undele sunt în fază, adică crestele și văile se succed în același ritm;
- direcțional: fasciculul rămâne îngust pe distanțe mari, spre deosebire de lumina unei lanterne.
Pentru bazele despre lumină și culori, poți citi articolul despre lumină și culori.
Emisia stimulată, ideea de bază
Un atom are niveluri de energie permise. Când un electron din atom primește energie, el trece pe un nivel superior. După un timp, revine și eliberează energia sub forma unui foton, o particulă de lumină. Această eliberare spontană se întâmplă la momente imprevizibile, de aceea lumina obișnuită este dezordonată. Structura atomului se află detaliată în articolul despre atom.
Einstein a arătat că există și un al doilea mod. Dacă un foton cu energia potrivită trece pe lângă un atom deja excitat, îl poate determina să emită un al doilea foton, identic cu primul: aceeași culoare, aceeași direcție, aceeași fază. Din unul rezultă doi, apoi patru, și tot așa. Aceasta este emisia stimulată.
Inversiunea de populație
Ca amplificarea să câștige față de absorbție, mediul trebuie să aibă mai mulți atomi excitați decât atomi aflați în starea de bază. Situația este neobișnuită și se numește inversiune de populație. Se obține prin „pompare”, adică prin furnizarea continuă de energie, de exemplu printr-o lampă intensă, un curent electric sau o altă lumină.
Cum este construit un laser
Un laser simplu are trei componente principale.
| Componentă | Rol |
|---|---|
| Mediu activ | Gaz, cristal sau semiconductor ai cărui atomi pot fi excitați |
| Sursă de pompare | Furnizează energia care creează atomi excitați |
| Rezonator optic | Două oglinzi care trimit lumina înainte și înapoi prin mediu |
Una dintre oglinzi reflectă aproape tot, cealaltă lasă să treacă o mică parte. Fotonii care merg paralel cu axa sunt reflectați de mai multe ori, stimulează tot mai multe emisii și cresc în număr. O parte din lumina amplificată iese prin oglinda semitransparentă sub forma fasciculului. Funcționarea oglinzilor și a lentilelor este explicată în articolul despre reflexie și refracție.
Tipuri de lasere
Mediul activ dă numele și proprietățile laserului:
- lasere cu gaz, de exemplu cele cu amestec de heliu și neon, cu fascicul roșu;
- lasere cu stare solidă, care folosesc un cristal dopat, utile pentru puteri mari;
- lasere cu semiconductor, minuscule, din cititoarele de discuri, indicatoarele și comunicațiile prin fibră optică;
- lasere cu fibră, folosite la tăiere și sudură în industrie.
Fiecare tip emite pe anumite lungimi de undă, de la ultraviolet la infraroșu. Despre alte tipuri de radiații vezi și articolul despre spectrul electromagnetic.
Unde se folosește laserul
Utilizările sunt numeroase și variate:
- citirea codurilor de bare la casa de marcat;
- transmiterea datelor prin fibre optice, care formează o parte importantă a infrastructurii internetului;
- tăierea și gravarea materialelor în industrie;
- măsurarea distanțelor, de la aparate de topografie până la telemetrul care a măsurat distanța până la Lună cu reflectori lăsați acolo;
- aplicații medicale, de exemplu corecția vederii și unele intervenții chirurgicale, efectuate numai de specialiști;
- cercetare, unde laserele extrem de scurte permit observarea unor procese chimice rapide.
Pentru povestea comunicațiilor care a precedat aceste tehnologii, vezi articolul despre telefon și radio.
Siguranța în folosirea laserelor
Un fascicul concentrat poate lovi retina într-un punct foarte mic și poate produce leziuni permanente, chiar la putere mică, dacă este privit direct sau prin reflexie. Indicatoarele laser nu sunt jucării. Nu le îndrepta niciodată spre ochi, spre persoane, animale sau spre vehicule, inclusiv avioane, unde un astfel de gest este periculos și, în multe țări, sancționat. Pentru probleme ale vederii, consultă un medic oftalmolog.
Ce merită reținut despre laser
- Laserul produce lumină monocromatică, coerentă și foarte direcțională.
- Principiul este emisia stimulată, descrisă de Einstein, în care un foton declanșează emisia unui foton identic.
- Sunt necesare un mediu activ, o sursă de energie și un rezonator cu oglinzi.
- Aplicațiile merg de la fibre optice și coduri de bare la industrie, medicină și cercetare.
- Fasciculul poate răni ochii, deci trebuie folosit cu precauție.
Întrebări frecvente
Laserul este o lumină mai puternică decât a Soarelui?
Nu neapărat. Un indicator laser are putere mică. Particularitatea este concentrarea: toată energia este strânsă într-un fascicul îngust și ordonat, de aceea poate încălzi sau tăia la putere mare.
De ce punctul laser pe perete pare „granulat”?
Fenomenul se numește speckle. Lumina coerentă se reflectă pe suprafața rugoasă a peretelui și undele interferează între ele, creând puncte mai luminoase și mai întunecate care par să tremure.
Se pot vedea fasciculele laser în aer?
Doar dacă există particule de praf, fum sau picături de apă care împrăștie lumina spre ochi. În aer foarte curat, fasciculul este invizibil, iar punctul se vede doar acolo unde lovește o suprafață.
Cine a inventat laserul?
Realizarea primului laser este atribuită lui Theodore Maiman, în 1960. Teoria a pornit de la Einstein, iar alți cercetători au construit înaintea lui dispozitivul înrudit, maserul, care funcționează cu microunde.
Laserul este același lucru cu o rază X?
Nu. Razele X sunt un tip de radiație cu lungime de undă foarte mică. Laserul este un mod de a produce lumină coerentă, care poate fi în vizibil, infraroșu, ultraviolet și chiar în domeniul razelor X, în aparate speciale.
