Laser 50-vee

Muistan kuinka pikkukoulun fyssantunnilla esiteltiin aikoinaan laser ja kerrottiin kuinka kallis ja hieno se on. Se oli tajuttoman iso mötikkä ja teho oli suurin piirtein nykyajan pointteri-laserin veroinen. Nykyään laserista on sitten tullut jokapäiväinen kulutushyödyke, joka löytyy melkeen mistä vain: DVD-soittimista, leikkaussaleista ja mittausvehkeistä.

Vaikka ensimmäinen toimiva laser täyttää nyt 50 vuotta, Einstein esitti jo vuonna 1917 laserin toimintaperiaatteen eli stimuloidun emission. Se on oikeastaan aika yksinkertainen ilmiö, mutta usein niin väärinselitetty. Jos on päässyt unohtumaan niin tässä selitys:

Kvanttimekaniikassa fotonin (valokvantin) energia E on Planckin vakio kertaa sen fotonin värähtelytaajuus. Atomin elektronien energiatilat taas ovat Bohrin atomimallin mukaan kvantittuneita eli muodostavat energiatasoja. Fotonin energialla voi potkia atomissa olevia elektroneja ylemmille tasoille, mutta vain jos fotonin energia vastaa kahden energiatason välistä energiaeroa, muuten energia ei säilyisi. Muille fotonin energioille atomi on läpinäkyvä kuin vesi. Kun elektroni on imaissut fotonin se hengaa korkeammalla energiatasolla ja palaa sitten takaisin alimmalle mahdolliselle perustilalle ja emittoi spontaanisti samalla uuden kvantin.

Mutta jos atomi on jo valmiiksi korkealla energiatasolla, joka on täsmälleen fotonin energian verran ylempänä perustilaa tapahtuukin jotain kummallista. Atomien energiatilat ovat epäjatkuvia, joten fotoni ei useinkaan voi pomputtaa elektronia korkeammalle energiatasolle, koska se energiatila on usein kielletty. Sen sijaan fotoni voi potkaista elektronin takaisin perustilaan alemmalle energiatilalle. Energian pitää tietenkin säilyä, joten fotonin lisäksi pitää vapautua täsmälleen yhtä paljon lisää energiaa toisen fotonin muodossa.

Tässä wikipediasta pöllitty kaaviokuva stimuloidusta emissiosta. Se voi tosin olla pikkasen harhaanjohtava. Keskimmäisestä kuvasta voi saada sen käsityksen, että atomi pomppaa aluksi alemmalle tasolle ja vasta sitten emittoi fotonin. Energia ei säilyisi ja sen takia se on mahdotonta. Oikeastaan fotonin kopioituminen kahdeksi samanlaiseksi fotoniksi (duplikoituminen) yhtä aikaa kun elektroni romahtaa alemmalle energiatasolle on se koko jutun clue.

Fotoni on bosoni, mikä tarkoittaa sitä, että samaan kvanttitilaan voi laittaa kuinka monta fotonia tahansa. 0,1,2, sata, miljoona. Kaikki käy. Stimuloidussa emissiossa fotoni duplikoituu ja yhden fotonin tilasta tulee kahden fotonin tila ja samalla elektroni tipahtaa alemmalle energiatasolle. Fotonin duplikoituminen takaa sen, että fotonin suunta, polarisaatio, vaihe ja muut ominaisuudet säilyvät emissiossa. Yksi fotoni sisään, kaksi samanlaista tulee ulos. Nämä kaksi fotonia voi taas tehdä samat temput toisten atomien energioille ja saadaan neljä fotonia ja niin edelleen. Lumivyöry alkaa. Lopputulos on vaihekoherentti valo: se on kuin yksi iso valtava aalto jalkapallokatsomossa eikä satunnainen sekamelska eri taajuuksilla liplattavia aaltoja.

Joku voi tosin sanoa, että ”Ok, but wait! Energia säilyy, mutta että miten niin fotoni duplikoituu, eikö voisi seurata vaikka se, että toinen fotoneista lähteekin johonkin toiseen suuntaan.” Tämä on hyvä kysymys ja kinkkisempi juttu. Siihen voi antaa vain jonkinlaisen käsienheilutteluvastauksen. Energian säilyminen ei tosiaan sulje pois sitä, että toinen fotoneista lähtisikin revittään johonkin toiseen suuntaan kuin törmäävä fotoni. Einstein antoi vuoden 1917 paperissaan termodynamiikan avulla selityksen sille, että näin ei kuitenkaan tapahdu. Jos asiaa vähän yksinkertaistetaan, voidaan sanoa, että Luonto on usein symmetrinen eikä päästä mitään epäsymmetristä tapahtumaan ilman pätevää syytä ja kunnossa olevia papereita. Oletetaan, että stimuloitu emissio olisi epäsymmetrinen. Tehdään trikki nro 3 ja käännetään ajan suunta. Silloin käänteinen reaktio olisi se, että kaksi eri suunnista tulevaa fotonia kohtaisi atomissa ja vain toinen näistä absorboituisi siinä missä toinen jatkaisi muina miehinä matkaa. Hyvin epädemokraattista! Ja mikä mekanismi ylipäätänsä kertoisi kumman fotonin pää menee vadille tässä kun ajan suunta käännetään? Symmetriasta seuraa siis, että stimuloidussa emissiossa molempien fotonien täytyy jatkaa yhdessä samaan suuntaan, mikä takaa laser-valon tärkeimmän ominaisuuden, vaihekoherenssin.

Advertisements