Laser

Čo je to svetlo
Svetlo je pre nás najdôležitejším zdrojom informácií o okolitom svete. Preto sme o ňom dlhu dobou takmer nič nevedeli . Až v 17.storočí sa podarilo Isaacovi Newtonovi rozložiť biele svetlo hranolom na spektrum farieb a ukázať, že svetlo sa skladá z mnohých farieb. Newton si teda predstavoval, že svetlo ma časticový (korpuskulárny) charakter, pričom každá farba je zastúpená časticami s inou veľkosťou. Zo svojou teóriou dokázal vysvetliť vtedy všetky známe vlastnosti svetla. Vznikol tu teda spor či svetlo je častica alebo vlna. Tento spor rozhodol až na začiatku 19. storočia Thomas Young, ktorý vyslovil myšlienku interferencie svetla, čo je záležitosť čiste vlnová. Dokázal, že svetlo pridané ku svetlu môže dať tmu. Interferencia je typickým príkladom takzvaného lineárneho javu, kde sa účinky jednotlivých vĺn jednoducho sčítajú. Tie vznikajú iba pri malej intenzite svetla. V opačnom prípade dochádza k rôznym nelineárnym javom. Predtým než sa objavili prvé lasery, nepoznala optika dostatočne silné svetelné zdroje, ktoré by umožňovali pozorovať nelineárne javy. Naproti každý rádiotechnik je zvyknutý bežne pracovať s takýmito nelineárnymi javmi v oblasti rádiových vĺn, ako je modulácia, zmenšovanie, násobenie kmitočtov a ďalšie.

V 19. storočí prevládla vlnová teória svetla. Ostávala teda jedna otázka: „Čo sa vlní?“ Najprirodzenejšou predstavou vlnenia nám dáva akustika. Vzduch sa striedavo zhusťuje a zrieďuje pozdĺž smeru šírenia sa zvukovej vlny. Zvuk je vlnenie pozdĺžne , pričom svetlo je vlnenie priečne, pretože sa u ňom uplatňuje jav polarizácie svetla. Polarizácia je možná iba u priečneho vlnenia, nikdy nie u pozdĺžneho. Zvuk sa teda nedá polarizovať. Problém priečneho vlnenia je ten, že si nedokážeme predstaviť žiadnu látku, ktorá by sa mohla priečne vlniť. Svetlo sa navyše šíri i vákuom a predstava, že by sa vlnila prázdnota je ešte absurdnejšia. Fyzici teda museli vymyslieť špeciálnu všadeprítomnú, nehmotnú a nepolapitelnú substanciu, ktorú nazvali svetelný éter. Vtedy už bola známa súvislosť medzi elektrickými a magnetickými silami. Tieto sily boli vysvetľované rôznym napätím v zvláštnom prostredí, ktoré sa nazývalo elektromagnetický éter.
Našťastie však na prelome 50. a 60. rokov prichádza James Clerk Maxwell so svojou teóriou elektromagnetického poľa. Všetky známe javy a zákony sa dajú vypočítať z Maxwellových, po matematickej stránke geniálnych rovníc. Éter sa zrazu stal zbytočným. Elektromagnetické pole je forma hmoty odlišná od látky v akomkoľvek skupenstve. Prejavom elektromagnetického poľa sú iba elektrické a magnetické sily a nič viac. Aby sa fyzici presvedčili o pravdivosti Maxwellovej teórie bolo treba potvrdiť ešte niektoré nové závery, ktoré z nich vyplývali. Jedným z nich bola práve existencia priečneho elektromagnetického vlnenia, šíriaceho sa rýchlosťou svetla. Odtadiaľ bol vlastne už len krôčik k záveru, že svetlo je vlnenie elektromagnetického poľa.

Ako vzniká svetlo
Vieme, že zohriaté telesá žiaria. Žiari tak naše slnko, plameň sviečky i vlákno žiarovky. Vedľa svetelného žiarenia vznikajú i žiarenia tepelné(infračervené). Ako svetelné zdroje sú veľmi neekonomické, pretože na sveteľný výkon vydajú iba nepatrnú časť dodávanej energie. Ak zahrejeme teleso, dôjde ku zrýchleniu chaotického pohybu atómov a molekúl. Tie do seba narážajú a pri nárazoch získavajú nadbytočnú vnútornú energiu, dostávajú sa do vybudeného (excitovaného) stavu. Tuto získanú energiu tak vyžiaria vo forme elektromagnetického žiarenia. Na druhej strane môžu atómy taktiež elektromagnetické žiarenie pohltiť a zvýšiť tak svoju vnútornú energiu. Zákony vyžarovania a pohlcovania energie sa stali predmetom skúmania mnohých fyzikov na konci minulého storočia, medzi nimi Gustáva Kirchhoffa, Wilhema Wienna, Ludwiga Boltzmanna, Josepha Stefana a ďalších.

Zahrievané telesá môžu byť z rôzneho materiálu, môžu mať rôzny tvar, objem a váhu. Čo môže mať ich vyžarovanie spoločné? Gustav Robert Kirchhoff však došiel k poznaniu, že spektrum žiarenia vychádza z uzavretej dutiny, do ktorej keď nahliadneme malým otvorom, má rovnaké vlastnosti bez ohľadu na materiál z ktorého sú steny dutiny tvorené a bez ohľadu na veľkosť dutiny. Jediná veličina, ktorá určuje charakter pozorovaného žiarenia je teplota stien dutiny, kde sú pohlcované inými atómmi. Vznikne teda rovnovážny stav, ktorý sa zmení iba so zmenou teploty stien dutiny.
Na konci minulého storočia sa zdalo, že fyzika už dosiahla svojho vrcholu svojho vývoja a že všetky základné zákonitosti prírody sú spoznané. Newtonova klasická mechanika vysvetľovala pohyb ako nebeských telies tak i molekúl a atómov. Maxwellova teória brilantným spôsobom popisovala elektromagnetické pole a jeho účinky. Fyzika sa javila ako veda, ktorá už ani nestojí za to študovať. Zdalo sa, že svet, ktorý nás obklopuje je tvorený dvoma základnými formami. Jedna ako látka zložená z atómov a molekúl a na druhej strane ako pole. Obe tieto formy sú rovnoprávne a na seba závislé. Niekoľko málo prírodných javov (čiarové spektrum atómov, fotoelektrický jav) sa však nedali na základe týchto predstáv vysvetliť. Kameňom úrazu sa však nakoniec stalo žiarenie čierneho telesa. Pokusy vysvetliť charakter spektra tohto žiarenia stroskotávali alebo boli úspešné len čiastočne. Niekde zrejme nastala chyba.

17.12. 1900 vyslovil vtedy 42 ročný Max Planck hypotézu, ktorá umožňovala vypočítať presne vzorec udávajúci spektrum žiarenia čierneho svetla. Podstata hypotézy bola, že svetlo je tvorené malými čiastočkami energie nazývanými kvantá. Energia každého kvanta je úmerná kmitočtu daného žiarenia. Toho dna vznikla kvantová fyzika, ktorá zahájili kvantovú éru. Podľa predstáv kvantovej fyziky má svetlo dvojaký charakter. Svetlo je teda zároveň časticou i vlnou. Spor Newtona a Huygense bol nakoniec vyriešený dômyselnou syntézou. Planckove kvantá boli neskôr nazvané fotóny. Fotóny letia priestorom a pri zrazení s inou časticou sa chovajú ako častice. Medzi sebou ale fotony interferujú ako vlny. Ak by dopadli na dve štrbiny, dokážu sa zariadiť tak, že prejdú oboma štrbinami zároveň a na stienitku vytvoria difrakčný obrazec. Kvantová mechanika neskôr ukázala, že tato dvojakosť nieje vlastnosťou iba fotónov, ale i elektrónov a nukleónov a vôbec všetkých prírodných objektov a že s pohybom mechanickým je spojený i pohyb vlnový.

Planckova kvantová hypotéza síce priviedla fyzikov ku správnemu vzorcu udávajúcu intenzitu jednotlivých častí spektra žiarenia čierneho telesa, avšak bližšie nepopisovala spôsob jeho vzniku. Nevysvetľovala princípy vyžarovania a pohlcovania žiariacich atómov. To sa podarilo až ďalším rozvojom kvantovej teórie na počiatku nášho storočia. Slávny dánsky fyzik Niels Bohr vypracoval v rokoch 1912-1913 planetárny model atómov vodíka. Podľa neho obiehajú elektróny okolo jadra po vymedzených dráhach podobne ako planéty okolo slnka. Ak preskočí jeden elektrón z jednej dráhy na druhú, môže atóm získať či stratiť energiu v podobe elektromagnetického žiarenia. Energia atómov sa zmení práve o vyžiarené alebo pohltené kvantum. Polomer dráhy a ďalšie predmety elektrónu sa musia zmeniť skokom.
V dvadsiatych rokoch bola zásluhou predných teoretických fyzikov, ako bol Lous de Broglie, Max Born, Werner Heisenberg, Erwin Schrodinger, P. A. M. Dirac a ďalší, vytvorená matematická teória kvantovej fyziky, tá ktorá je používaná v dnešnej dobe. Je to veľmi neobvyklá teória, pretože miesto čísel a funkcií pracuje sa so symbolmi zvanými operátormi. Experimenty dokazujú, že pravdivo popisujú zákony mikrosveta. Klasická mechanika stojí na tom, že s matematickou prednosťou možno určiť polohu planét v ľubovoľnom priestore v ľubovoľnom čase. Pri pohyboch v atómoch však presáva klasická mechanika platiť. Elektrón vnútri atómu sa nepohybuje len ako planéta, ale musí byť zároveň vlnou. Nepohybuje sa teda po kruhovej dráhe, ale koná akýsi divný tanec okolo jadra, hneď je tam a hneď zas tu. A napriek tomu je v jeho pohybe istý rad. Ak pohltí atóm svetelné kvantum, začne elektrón poskakovať vo väčšej vzdialenosti od jadra.

Spôsob akým sa elektrón pohybuje pre nás ale nieje dôležitý. Podstatné je, že atóm má určitú energiu, hovoríme, že sa nachádza na určitej energetickej hladine. Tato energia je nemenná, dokiaľ atóm nepohltí, alebo nevyžiari kvantum elektromagnetického žiarenia. K preskoku na vyššiu energetickú hladinu atóm musí pohltiť kvantum s určitou energiou, teda určitej vlnovej dĺžky. Táto vlnová dĺžka sa dá vypočítať zo vzdialenosti hladín atómu.

Medzi vyžiarením (emisiou) a pohltením (absorpciou) kvanta je ale určitý rozdiel. Je zrejmé, že kvantum energie musí byť pohltené ihneď po dopade. Čo ale donúti atóm na vyšší energetickej hladine, aby ju opustil a vyžiaril energiu?, A tu sme u jadra veci. Atóm zostane na vyššej hladine rôznu dobu, podľa toho ako stabilný bude jeho stav. Pre každú hladinu existuje určitá stredná doba života, po ktorej atóm zotrváva. Existujú hladiny o veľmi dlhej dobe života, kde sa atóm udržuje napr. i po dobu 2 sekundy. . Takým hladinám hovoríme metastabilné. Skôr alebo neskôr však atóm vyššiu hladinu opustí a vyžiari elektromagnetické kvantum. Učiní tak sám od seba, spontánne a preto hovoríme o spontánnej emisií žiarenia.
Kedy sa to stane je pre každý atóm vecou náhody. Čo je pre jeden atóm vecou náhody, je pre bilióny atómov železným zákonom. V priemere atómy energiu jednak vyžarujú a jednak pohlcujú za presne neobmedzenú dobu