a) Laserin toimintaperiaate ja laserin valon tärkeimmät ominaisuudet.

b) Oheisessa kuvassa on esitetty argonlaserin yksinkertaisettu energiatasokaavio. Kuvaan on merkitty lasersiirtymät a ja b. Laske siirtymiä vastaavat aallonpituudet. Minkä väristä on näissä siirtymissä syntyvä valo?



Ratkaisu

a) Laservalon tuotto perustuu kaasun viritystilojen purkaantumiseen. Laserputkessa on kaasua, jota viritetään sähkövirralla. Viritystilat eivät purkaannu välittömästi (viritystilan kesto luokkaa millisekunti). Kun jokin atomin viritystila purkaantuu, emittoituu fotoni. Fotonin energia on yhtä suuri kuin energiatilojen välinen energiaero. Fotoni etenee putkessa, jossa on edelleen virittyneitä atomeja. Fotoni voi ohittaessaan virittyneen atomin purkaa sen. Myös uuden fotonin energia on sama kuin virittyneessä tilassa olevan atomin energiatilojen välinen energiaero. Tällä tavoin syntyy fotoneja, jotka voivat edelleen purkaa viritystilassa olevia atomeja. Tapahtumaa kutsutaan stimuloiduksi emissioksi.

Laserputken päissä on peilit. Toinen peileistä on osittain heijastava ja laskee läpi noin 1-2 prosenttia fotoneista. Nämä peilin läpäisseet fotonit muodostavat valon, joka havaitaan lasersäteenä. Koska peili laskee läpi vain tietystä suunnasta tulevia fotoneja, syntyy kapea fotonien keila eli lasersäde. Peilistä heijastuneet fotonit risteilevät putkessa ja voivat edelleen purkaa virittyneitä atomeja.

Stimuloidussa emissiossa syntyvien fotonien energia on yhtä suuri kuin kaasun energiatilojen välinen energiaero. Täten kaikilla fotoneilla sama energia ja sama aallonpituus säteilykvantin energian ja aallonpituuden välisen yhteyden perusteella.
[[$ \Delta E=\dfrac{hc}{\lambda} $]]​
Stimuloitu emissio tuottaa laservaloa, jonka fotoneilla on sama vaihe.

b) Säteilykvantin energian ja aallopituuden välinen yhteys
[[$ E=\dfrac{hc}{\lambda}\\ \lambda = \dfrac{hc}{E} $]]​

Emittoituneen fotonin aallonpituus vastaa energiatilojen välistä energiaeroa.
[[$ \lambda = \dfrac{hc}{\Delta E} $]]​

Lasketaan energiaerot energiatasokaaviosta.
[[$ \Delta E_a=35,9 \ \mathrm{eV}-33,5 \ \mathrm{eV}=2,4 \ \mathrm{eV}\\ \Delta E_b=36,05 \ \mathrm{eV}-33,5 \ \mathrm{eV}=2,55 \ \mathrm{eV} $]]

[[$ h= 4,135667662 \cdot 10^{-15} \ \mathrm{eVs}\\ c=2,99792458 \cdot 10^8 \ \mathrm{\frac{m}{s}} $]]​

Emittoituneiden fotonien aallonpituudet ovat
[[$ \lambda_a=5,1660082\cdot 10^{-7} \ \mathrm{m}\approx 517 \ \mathrm{nm}\\ \lambda_b=4,8621254\cdot 10^{-7} \ \mathrm{m}\approx 486 \ \mathrm{nm}$]]​

Aallonpituus 517 nm on syaanin ja vihreän värin rajalla. Aallonpituus 486 on sinisen värin alueella. Syntyvä valo on sinivihreää.