Atomski prelazi. Laserski efekt

Energetski nivoi

Posmatrajmo donju sliku. Data je šema energetskih nivoa u atomu

Sl. 1 Dijagram energetskih nivoa atoma

Najniže energetsko stanje $E_{1}$ je osnovno stanje; sva ostala stanja su eksitaciona. Energetski nivoi su diskretni. Oni ukazuju na dozvoljena stanja.

Neka su prikazani nivoi oni koje poseduje atom koji je obasjan svetlošću. Mogu da budu apsorbovani atomom samo oni upadni fotoni koji imaju energiju $\varepsilon$ jednaku razmaku između dva nivoa, $\varepsilon =\Delta E=hf$.

Stimulisana apsorpcija

Proces apsorpcije fotona iz fluksa upadne svetlosti možemo zvati stimulisana apsorpcija. Šema stimulisane apsorpcije je data na Sl. 2.

Sl. 2 Dijagram stimulisane apsorpcije fotona u atomu;

Tačke predstavljaju elektrone; jedan elektron je prešao sa osnovnog stanja u eksitovano stanje kad je atom apsorbovao foton energije $hf=E_{2}-E_{1}$.

Spontana emisija

Atom „bira” po energiji koji upadni foton može da apsorbuje, i kad se to desi popuni se eksitaciono stanje. Pre ili kasnije, elektron će napustiti eksitacioni nivo i vratiće se na osnovni nivo, uz emisiju svetlosti:

Sl. 3 Dijagram spontane emisije fotona iz atoma

To je proces spontane emisije. Atom je prethodno bio u eksitovanom stanju $E_{2}$; kad se elektron vrati na osnovno stanje, atom emituje foton energije $hf=E_{2}-E_{1}$.

Tipično, stomilioniti deo sekunde je mera života elektrona na eksitovanom nivou.

Stimulisana emisija

Postoji i treći proces*, stimulisana emisija.* Posmatrajmo Sl. 4. Atom je prethodno bio u eksitovanom stanju. Taj nivo je metastabilni (dugoživući). Upadni fotoni energije $f=\Delta E/h$ stimuliše atom da emituje još jedan foton energije $hf=E_{2}-E_{1}$.

Sl. 4 Dijagram stimulisane emisije fotona

Dakle, foton u blizini pospešuje elektron da „siđe”, pa napokon nastaju dva fotona istih karakteristika. Emitovani foton je u fazi sa upadnim fotonom. Onda sledi lanac ovakvih procesa. Formira se snažno, koherentno zračenje — to je laserski efekat.

Laseri

Videli smo da atom može da apsorbuje foton — to je stimulisana apsorpcija. Takođe, postoji proces stimulisane emisije.

To su jednako verovatni procesi. Ako u fizičkom sistemu ima više atoma u osnovnom stanju nego u eksitovanom stanju, biće u jedinici vremena više akata apsorpcije nego akata eksitacije. No, ako ima više eksitovanih atoma od atoma u osnovnom stanju, biće viće akata stimulisane emisije nego akata stimulisane apsorpcije.

Stanje kad je više eksitovanih atoma nego onih u osnovnom stanju zove se inverzna naseljenost. To je bitan pojam ideje lasera.

U stvari, tri uslova moraju da se steknu kod generatora laserskog zračenja: 1. Sistem mora biti u stanju inverzne naseljenosti; 2. Eksitovano stanje mora biti metastabilno stanje, da bi verovatnoća stimulisane emisije bila veća od verovatnoće spontane emisije; 3. Emitovani fotoni moraju da se dovoljno dugo zadrže u aktivnoj sredini, pomoću rezonatora. Rezonatorska šupljina se realizuje ugrađivanjem laserskih ogledala na pogodnim mestima gde svetlost izlazi iz aktivne sredine.

Šematski prikaz krucijalnih elemenata lasera dat je na Sl. 5:

Sl. 5 Šematski dijagram konstrukcije lasera

Centralni element, cev sadrži atome koji čine aktivnu sredinu. Potreban je spoljašnji izvor da „pumpa” atome i pravi inverznu naseljenost (izvor može biti optički, električni…). Ogledala daju povratnu spregu za talas stimulacije.

Sl. 6 Uz objašnjenje rada He-Ne lasera

Poznata konstrukcija ove vrste jeste gasni helijum-neonski laser. Na Sl. 6 vidimo uprošćeni dijagram energetskih nivoa neona u aktivnoj sredinui. Smeša ova dva gasa je u staklenoj cevi koja na dva kraja ima ogledala. Spoljašnji napon tera elektrone da se kreću kroz gas, da se sudaraju sa atomima i da ih eksituju. Atomi neona se eksituju na nivo $E_{3}$. Stimulisana emisija nastaje kad atom neona prelaze na nivo $E_{2}$ i stimuliše okolne atome na isti proces. Nastaje koherentno zračenje na talasnoj dužini 632,8 nanometara.

Prvi laser je napravljen 1960. Do danas, imamo znatan progres ove tehnologije. Postoje laseri koji rade u IC, vidljivoj i UV oblasti. Primene su značajne i mnogobrojne: u medicini, industriji, telekomunikacijama, energetici, vojsci, nauci…

Jedinstvene su osobine laserske svetlosti. Ekstremna monohromatičnost, velika usmerenost; laserska svetlost može da se fokusira i tako proizvede velika svetlosna gustina.

Prvu jasnu ideju, „proročku” reč o stimulisanom zračenju izrekao je Ajnštajn 1918. U Prilogu sledi prevod ovog značajnog Ajnštajnovog rada koji je pripremio otkriće lasera. Rad je preveo sa nemačkog jezika dr V. Babović, profesor univerziteta.

Domaći zadatak

Rubinski laser daje svetlost talasne dužine 694,3 nanometra. Koliko elektronvolti iznosi razlika dva nivoa koji daju laserski efekt?

(Odgovor: 1,789 eV.)