A lézer létrejöttének fizikai alapjai

A legtöbb atomra jellemző, hogy a valamilyen energiaformában felvett gerjesztő energiát nagyon rövid idő, a másodperc törtrésze alatt vissza is sugározza. Ezért a gerjesztett atomok száma mindig alacsonyabb, mint az alapállapotban lévőké. Vannak azonban olyan speciális anyagok is, amelyeknél az egyik gerjesztett energiaszint alatt egy olyan energiaszint is megtalálható, amelyen az elektron az átlagosnál hosszabb időt is eltölthet. (Ez az úgynevezett metastabil állapot.)

Ha energiát “pumpálunk” egy ilyen rendszerbe, az elektronok többsége először a magasabb energiaszintre kerül, majd erre a metastabil energiaszintre “csorog át” (eközben nem világít). Ez az állapot hosszabb ideig fennmaradhat, ezért előfordulhat, hogy az alapállapotban lévő atomok száma kisebb lesz, mint a metastabil állapotban lévőké. (Ezt a speciális helyzetet populáció inverziónak nevezzük.) Ez az állapot nagyon érzékeny, ezért egy következő gerjesztő energiaadag hatására előfordulhat, hogy valamennyi gerjesztett elektron egyszerre esik vissza alapállapotba (indukált emisszió), miközben teljesen egyforma (egyszínű és koherens) fényt bocsátanak ki.

A folyamat a következő modellhez is hasonlítható: Tegyük fel, hogy egy udvaron, ahol a közelben van egy enyhe lejtésű, alacsony háztető is, azzal szórakozunk, hogy kicsi labdákat dobálunk fel erre a tetőre. A labdák a tetőről gyorsan le is esnek. Ha azonban a tető szélén egy (gyenge kis) eresz is van, a tetőre repült labdák legurulnak ugyan az ereszig, de meg is akadnak benne (metastabil állapot). Ha régóta dobáljuk a labdákat, és már nagyon sok labda van fenn, egyre nagyobb a valószínűsége, hogy a következő labda hatására az eresz leszakad, és az összes labda egyszerre esik le a földre. A labdák energiája eközben azonos, hiszen ugyanabból a magasságból esnek le.