laser (akronim od engl. Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation: pojačanje svjetlosti stimuliranom emisijom zračenja), uređaj za stvaranje i pojačavanje koherentnoga elektromagnetskog usko usmjerenog zračenja velike jakosti i uskoga frekvencijskog spektra. Osniva se na kvantnim pojavama pri prijenosu energije zračenjem. Laserski snop može ostati uzak na velikim udaljenostima.
Povijest razvoja
Induciranu stimuliranu emisiju predvidio je u svojim radovima već 1917. Albert Einstein. Postignuta je u području mikrovalova, s pomoću masera, 1953. Stimuliranu emisiju u vidljivom području teorijski su obradili Arthur Leonard Schawlow, Charles Hard Townes i Aleksandr Mihajlovič Prohorov 1958., a Theodore Harold Maiman konstruirao je 1960. prvi laser kojemu je laserski medij (aktivna tvar) bio kristal rubina stimuliran bijelom svjetlošću. Prvi plinski laser, sa smjesom helija i neona, bio je konstruiran 1961., prvi poluvodički 1962., a prvi tekućinski 1963. Teorijskom razvoju kvantne optike znatno je pridonio Roy Jay Glauber.
Načelo rada
U većini tvari atomi ili molekule kratko su vrijeme u pobuđenom stanju, što otežava ili onemogućuje stimuliranu emisiju. Za laserski medij (plin, kristal, plazma) bira se tvar koja ostaje pobuđena relativno dugo, što omogućuje postizanje dovoljnog broja atoma ili molekula u pobuđenom stanju i razvoj stimulirane emisije. Stimulirana emisija zbiva se kada na atom ili molekulu u pobuđenom energijskom stanju, tj. u stanju u kojem su elektroni na višoj energijskoj razini, djeluje dodatnim izvorom energije (npr. bijelom svjetlošću ili elektromagnetskim poljem). Time broj atoma u pobuđenom stanju N2 postaje veći od broja atoma u nepobuđenom stanju N1 (inverzija populacije). Za prijelaz u pobuđeno stanje fizikalno je nevažno kako je dovedena energija (→ optičko pumpanje), dok pri prijelazu iz pobuđenog u nepobuđeno stanje nastaje kvantni skok, tj. emisija fotona kojima energija odgovara razlici između energijskih stanja atoma. Općenito vrijedi Boltzmannov zakon:
,
gdje je h Planckova konstanta, ν frekvencija, k Boltzmannova konstanta, T termodinamička temperatura.
Glavni je dio lasera optički rezonator (optičko pojačalo) koji je najčešće posuda u obliku valjka ispunjena laserskim medijem za pojačavanje svjetlosti i s parom zrcala na oba kraja. Obično je jedno od dva zrcala polupropusno. Svjetlost se odbija naprijed-natrag između zrcala, svaki se put pojačavajući u mediju, i kroz polupropusno zrcalo izlazi iz lasera. Laserski dobiveni fotoni imaju jednak smjer, frekvenciju (zbog međudjelovanja atoma u laseru frekvencije fotona nisu potpuno jednake, frekvencijski je opseg manji od 1 kHz), polarizaciju i energiju. Time se dobiva monokromatsko elektromagnetsko zračenje uskoga paralelnog snopa praktički identičnih fotona i velike gustoće energije po širini spektralne linije.
Vrste lasera
Po načinu rada razlikuju se neutralni atomski laseri, kod kojih spektralni prijelazi nastaju na neutralnim atomima, ionski laseri, kod kojih se rabe spektralni prijelazi na ioniziranim atomima plina, plinski molekularni laseri, koji rade u području molekularnoga spektra, laseri s Blumleinovom pobudom, kod kojih se na laserski plin djeluje izbojem pločastoga kondenzatora i time dobiva impulsno elektromagnetsko zračenje, plinsko-dinamički laseri, kod kojih inverzija populacije nastaje ekspanzijom vrućeg plina ili plazme kroz mlaznicu brzinom većom od brzine zvuka i dr. Po vrsti aktivne tvari laseri se dijele na plinske, tekućinske, poluvodičke i općenito lasere s čvrstim tvarima, npr. staklo, prirodni ili umjetni kristali. Posebna su vrsta kemijski laseri, kod kojih se inverzija populacije postiže izravno ili neizravno tijekom egzotermne kemijske reakcije. Postoje i laseri (npr. s titanijem dopiranim kristalom safira kao aktivnom tvari) koji mogu kontinuirano mijenjati valnu duljinu od 700 do 1000 nm, što se rabi u laserskoj spektroskopiji. Osim lasera koji zrače kontinuirano, konstruirani su i laseri koji zrače u kratkim impulsima trajanja od 10–16 do 10–9 s, i time vrlo velike snage od nekoliko petavata (1015 W) u pulsu.
Primjena
U tehnologiji se laser rabi za finu obradbu metalnih površina, precizno zavarivanje i rezanje i u proizvodnji poluvodičkih čipova. Laserski pisači mogu ispisivati dokumente na plošni medij ili izrađivati trodimenzionalne predmete, laserski čitači mogu očitavati optičke diskove ili barkodove. U telekomunikacijama se laserski izvor svjetlosti i modulirano lasersko zračenje rabe za prijenos informacija. Pritom se modulacija može postići promjenom amplitude (intenziteta) zračenja (što se najčešće rabi zbog jednostavnosti), promjenom frekvencije ili promjenom polarizacije zračenja. Prijenos je moguć izravnim zračenjem ili vođenjem kroz svjetlovode (npr. u telefonskim vodovima). U atomskoj i molekularnoj fizici laserska spektroskopija omogućuje analizu atomske i molekulske strukture, u atosekundnoj fizici laser se rabi u proizvodnji ultrakratkih elektromagnetskih impulsa. U medicini laser služi ponajviše kao kirurški instrument za precizne operacije (npr. oka) ili dermatološku obradbu, uklanjanje površinskih tumora ili tetovaže, u stomatologiji za obradbu zuba, u meteorologiji za mjerenje udaljenosti i brzine gibanja oblaka (→ lidar), u optičkoj astronomiji u uređaju za računalnu korekciju deformacije slike izazvane atmosferskim utjecajima, u holografiji, za precizne mjerne instrumente (npr. daljinomjere), u građevinarstvu za poravnanje terena pri gradnji cesta, kod protuprovalnih alarmnih uređaja itd. Zbog niske cijene, osobito poluvodičkoga lasera, rabi se npr. i u dječjim igračkama.
Posebno značenje laser ima u vojnoj industriji, kao dio daljinomjera, nadzornih uređaja, označivača cilja, u telekomunikacijama i za stvaranje zaprečnih polja i štita od balističkih raketa.
