Žmonija šviesą suprasti ir pažaboti bandė tūkstančius metų. Turbūt vieną pirmųjų istorijoje svarbių žingsnių žengė senovės graikai. Matematikas Euklidas X a. užrašė seniausią iš žinomų šviesos teorijų. Tiesa, teorija neatitinka dabartinių mokslo žinių, tačiau jos esmė buvo sudėti pagrindus ateities kartoms toliau gilintis į šviesą.
Žmonija šviesą suprasti ir pažaboti bandė tūkstančius metų. Turbūt vieną pirmųjų istorijoje svarbių žingsnių žengė senovės graikai. Matematikas Euklidas X a. užrašė seniausią iš žinomų šviesos teorijų. Tiesa, teorija neatitinka dabartinių mokslo žinių, tačiau jos esmė buvo sudėti pagrindus ateities kartoms toliau gilintis į šviesą.
„Eksplos“ nuotr. / „Eksplos“ derinamo bangos ilgio lazerio sistema
Fotonikos moksle lūžis įvyko, kai XVII a. šviesą nagrinėti ėmėsi Izaokas Niutonas (angl. Isaac Newton) ir Christiaanas Huygensas. Tačiau mokslininkai nesutarė – šviesa yra banga ar dalelė? Ir tik XX a. Maxas Planckas ir Albertas Einsteinas atskleidė tikrąją šviesos prigimtį.
Būtent A.Einsteinas įrodė, kad šviesa yra ir banga, ir dalelė. Šviesa sklinda vakuume ir skaidriose medžiagose kaip elektromagnetinio lauko virpesiai (bangos), o atomai bei molekulės ją spinduliuoja ir sugeria atskiromis mažytėmis energijos porcijomis (dalelėmis), vadinamomis fotonais.
A.Einsteinas savo darbuose atskleidžia ir spontaninio (dar vadinamo savaiminiu; kai sužadintoje būsenoje buvusi dalelė savaime pereina į pagrindinę būseną) bei priverstinio (kai sužadinta dalelė, paveikta fotono, pereina į pagrindinę būseną) spinduliavimo galimybę. Taip pradėtas kloti teorinis pamatas lazeriui sukurti.
Lazeris yra šviesos šaltinis. Tai pradėkime nuo pradžių: kas yra šviesa? Žinome, kad šviesą sudaro fotonai. Taip pat, kad šviesa yra elektromagnetinės bangos. Bangas galima apibrėžti išmatuojant jų ilgį. Pavyzdžiui, matomos šviesos bangos ilgis yra tarp 400 ir 750 nanometrų (nanometras yra viena milijardoji metro dalis).
„Eksplos“ iliustr. / Elektromagnetinių bangų spektras – milžiniškas
Kuo mažesnis bangos ilgis, tuo didesnė fotonų energija. Pavyzdžiui, rentgeno spinduliais vadiname elektromagnetines bangas, kurių bangos ilgis yra nuo 10 nm iki 0,01 nm. Šios elektromagnetinės bangos yra jonizuojančios ir lengvai įsiskverbia į žmogaus kūną. Dar mažesnio bangos ilgio spinduliai, vadinami gama spinduliais, prasiskverbia per kūnus ir, priklausomai nuo intensyvumo, pažeidžia viską savo kelyje.
Kitame spektro gale yra ilgosios infraraudonųjų spindulių bangos ir mikrobangos, kurias vadiname šiluma. Lazeriai gali spinduliuoti šviesą nuo infraraudonųjų spindulių iki ultravioletinių.
Žodis „lazeris“ anglų kalboje yra frazės Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (liet. Šviesos stiprinimas priverstiniu spinduliavimu) akronimas.
Klasikinio lazerio pagrindinės dalys yra trys: optinis rezonatorius – du veidrodžiai (vienas visiškai atspindintis, kitas – dalinai), tarp jų – aktyvioji terpė (gali būti tam tikri kristalai, stiklai, dujos ar puslaidininkiai), ir trečioji – kaupinimo šaltinis aktyviajai terpei sužadinti (dujų išlydžio lempa ar puslaidininkinis lazerinis diodas).
Aktyvioji terpė sugeria kaupinimo šaltinio energiją, dėl to dalis terpės atomų tampa sužadintais (jų elektronai pakyla į aukštesnius energetinius lygmenis). Tačiau atomai nori grįžti į pagrindinę būseną ir tokiu būdu jie išskiria energiją fotono pavidalu. Tai vadinama savaiminiu spinduliavimu. Fotonai sklinda, o kai pataiko į kitus sužadintus atomus, prasideda priverstinis spinduliavimas. Atsispindėdami nuo veidrodžių ir sklisdami aktyviąja terpe, fotonai surenka vis daugiau sufazuotų fotonų. Kai kurie iš šių fotonų iš rezonatoriaus „išlekia“ per dalinai atspindintį veidrodį – juos mes ir vadiname lazerio spinduliu arba pluoštu.
Kai šviesos spindulys (pvz., Saulės) praleidžiamas per prizmę, jis išsiskaido ir pavirsta vaivorykšte. Taip yra todėl, kad skirtingo bangos ilgio šviesa lūžta vis kitokiu kampu. Tačiau pro prizmę praleidus lazerio spindulį, vaivorykštės dažniausiai nepamatytume. Nuolatinės veikos arba nanosekundinių impulsų lazeriai spinduliuoja vienos spalvos arba labai siauro spektro spinduliuotę. Trumpėjant lazerio impulsams, pikosekundžių ar femtosekundžių trukmės impulsų lazerių spinduliuotė turi daugiau spalvų – praleidę per prizmę, skirtingas spektro dedamąsias pamatytume.
„Eksplos“ iliustr. / Prizmė baltą šviesą suskaido į vaivorykštę, o lazerio spindulys įprastai neskaidomas
Kiek kitaip yra su baltos šviesos lazeriais, kuriuos mokslininkams pavyko sukurti tik 2016 m. Tokie lazeriai spinduliuoja baltą šviesą. Tai – daugelio milijonų šviesos bangų ilgių derinys.
