Laser je přístroj, který je zdrojem světla podivuhodných vlastností a stále pestřejšího využití. Objasnění jeho funkce však není zrovna jednoduché - základem „laserování“ jsou děje v samém nitru atomů. Víme už, že světlo vzniká přechodem atomů z vyššího do nižšího energetického stavu. Fotony obyčejného světla spolu nemají mnoho společného, atomy vyzařují energii nezávisle na sobě. Světlo laseru je naproti tomu velmi „disciplinované“, jednotlivé atomy vyzáří energii jakoby na povel. Než se pustíme do podrobností, představme si následující analogii mezi koncertním sálem (nebo třeba tenisovým utkáním) a tyčinkou rubínu:

Světlo běžného zdroje (nekoherentní)
Hlediště koncertního sálu je zaplněno posluchači. Před začátkem koncertu se lidé baví se sousedy nebo listují v programu. V sále vzniká ruch a šum, ale jednotlivé zvuky spolu nijak vzájemně nesouvisí.	Atomy látky jsou náhodně vybuzeny do vyššího energetického stavu a stejně náhodně se vrací do základního stavu. Vyzařované fotony spolu nijak nesouvisí, vzniká „obyčejné“ nekoherentní světlo.
Excitace (buzení) atomů aktivního prostředí
Dirigent poklepal taktovkou a orchestr začal hrát. Posluchači ztichli a nechají na sebe působit tóny hudebního díla.	Světlo výbojky ozáří rubínovou tyčinku, atomy jsou vybuzeny na vyšší energetickou hladinu a zůstávají ve vybuzeném (excitovaném) stavu.
Světlo vznikající stimulovanou emisí (koherentní)
Poslední dirigentovo mávnutí taktovkou a orchestr dohrál závěrečné tóny skladby. Mezi posluchači se ozval první potlesk. Přidávají se další a další, potlesk sílí a na závěr zní sálem nadšený synchronizovaný aplaus.	Některý z vybuzených atomů se náhodně vrátí do základního stavu a vyzáří foton. Tento foton vyvolá stimulovanou emisi u dalšího atomu, vzniklý foton stimuluje emisi u dalšího atomu atd. Fotonů začíná přibývat a v tyčince vzniká stále silnější paprsek koherentního laserového světla.

Laserové světlo vzniká stimulovanou emisí, která ke svému vzniku vyžaduje vnější podnět. Kdyby se zdroj skládal jen z jediného atomu, byl by vznik stimulované emise velmi nepravděpodobný. Ve zdroji je však světlo vyzařováno obrovským množstvím atomů a to stimulovanou emisi usnadňuje. Nejprve je nutné, aby se co nejvíc atomů dostalo do vybuzeného stavu a pak v něm setrvalo dostatečně dlouhou dobu. Látky, ve kterých k tomuto jevu může dojít, se nazývají aktivní prostředí. Energetickým hladinám, na kterých setrvávají atomy delší dobu, se říká metastabilní hladiny. U prvního zkonstruovaného laseru byl aktivním prostředím krystal rubínu a buzení zajišťovala výbojka, podobná jako se používá u fotografických blesků. V současné době se jako aktivní prostředí využívá nepřeberného množství látek všech skupenství.
 

Animace znázorňuje změny energie atomů rubínového laseru: po záblesku výbojky přejdou atomy ze základního stavu E1 na hladinu E2 (absorpce fotonů modrého světla) a z ní prakticky okamžitě na metastabilní hladinu Em. Jakmile se objeví stimulující foton červeného světla, vrátí se všechny vybuzené atomy do základního stavu a přitom „koordinovaně“ vyzáří přebytek své energie ve formě fotonů červeného světla. Do aktivního prostředí vnikl jeden stimulující foton a vystupuje z něho již pět stejných fotonů - došlo k zesílení světla.

Zbývá už jenom jeden problém - jak udržet fotony uvnitř aktivního prostředí dostatečně dlouhou dobu, aby se v něm „nahromadilo“ co nejvíc energie. Řešením je tzv. optický rezonátor se dvěma zrcadly: protější konce rubínové tyčinky jsou zbroušeny přesně rovnoběžně a kolmo na osu tyčinky. Jeden konec je postříbřen a tvoří dokonalé zrcadlo (odrazivost až 99,9 %), druhé zrcadlo je částečně propustné.
 

Animace znázorňuje funkci optického rezonátoru. Levé zrcadlo je nepropustné, pravé polopropustné. Fotony vznikající stimulovanou emisí se odrážejí od zrcadel sem a tam, stimulují další vybuzené atomy a intenzita světla uvnitř tyčinky postupně narůstá. Jakmile přesáhne určitou mez, mocný světelný impulz vyrazí polopropustným zrcadlem ven jako laserový paprsek. Po vyzáření fotonů se atomy vrátí do základního stavu a po záblesku výbojky (buzení) se děj opakuje.

Poslední dvě animace vysvětlují, proč je laserový paprsek tak dokonale soustředěný jen do jednoho směru. Důvodem je opět optický rezonátor se dvěma rovnoběžnými zrcadly. Při stimulované emisi pochopitelně vznikají fotony šířící se nejrůznějšími směry. Na levém obrázku je vidět, co se stane s fotony, které se nešíří ve směru osy krystalu. Když dopadnou na zrcadlo, odráží se od něho podle zákona odrazu („Úhel odrazu se rovná úhlu dopadu“") a po několika odrazech uniknou z tyčinky bez užitku ven. Pravý obrázek ukazuje, že po určité době zůstanou v tyčince jen ty fotony, které se šíří ve směru osy. Dopadají na plochy zrcadel kolmo, odrážejí se od nich přesně zpět a pohybují se v tyčince stále sem a tam.

Fotony unikají z tyčinky

Fotony zůstávají v tyčince

---

2. kapitola

Začátek článku

Obsah