لیزر، معجزه نور؛ از جراحی تا صنعت و کاوش‌های فضایی
لیزر، معجزه نور؛ از جراحی تا صنعت و کاوش‌های فضایی
اکنون الکترون در تراز سوم قرار دارد، اما دو ترازِ بالاترِ ماده‌ای که انتخاب کرده‌ایم بسیار ناپایدار هستند، بنابراین الکترون در مدت زمان بسیار کوتاهی از تراز سوم به تراز دوم می‌پرد. الکترون پس از قرار گرفتن در تراز دوم، مدت زمان بیشتری در این تراز باقی می‌ماند. در این حالت به تراز دوم که الکترون در آن قرار دارد، «تراز نیمه‌پایدار» (Metastate) می‌گوییم. مدت ماندگاری الکترون در تراز نیمه‌پایدار، حدود ۱۰۰۰ مرتبه بیشتر از حالت عادی است.
درنتیجه، در مدت زمانی مشخص، تعداد الکترون‌هایی که در تراز دوم یا تراز نیمه‌پایدار قرار می‌گیرند بیشتر از تراز پایه است. حال اگر فوتونی با انرژی مشخص به الکترونی در تراز نیمه‌پایدار برخورد کند، الکترون به تراز پایه برمی‌گردد و اکنون دو فوتون با مشخصات یکسان داریم، یکی فوتون اولیه و دومی فوتونی که پس از انتقال الکترون به تراز پایه تولید می‌شود. درنتیجه، در این حالت فوتون‌های بیشتری تولید شده‌اند.
اکنون تعداد زیادی اتم داریم که فوتون‌ها به صورت جفت از آن‌ها خارج می‌شوند و با اتم‌های دیگر برهم‌کنش می‌کنند. به عبارت دیگر، در این حالت فوتون‌ها به صورت تصاعدی در ماده تولید می‌شوند. تا اینجا تعداد زیادی فوتون با انرژی و ویژگی‌های یکسان تولید شده‌اند، اما هنوز به مرحله‌ی تولید لیزر نرسیده‌ایم، زیرا فوتون‌های خروجی در تمام جهت‌ها حرکت می‌کنند و هنوز متمرکز و هم‌راستا نیستند.
برای داشتن لیزر باید فوتون‌هایی را که به صورت تصاعدی تولید شده‌اند در یک راستا قرار دهیم
چگونه می‌توان فوتون‌ها را در یک راستا و جهت قرار داد؟ باید از نیروی خارجی مانند میدان الکتریکی یا نور استفاده کنیم. برای اینکه فوتون‌ها را در یک راستا و جهت قرار دهیم، به یک «حفره‌ی اپتیکی» (Optical Cavity) نیاز داریم. این حفره از دو آینه تشکیل شده که یکی از آن‌ها نیمه‌شفاف است. اگر آینه خیلی شفاف باشد، قبل از اینکه فوتون‌ها به اندازه‌ی کافی تقویت شوند، از سیستم خارج می‌شوند. اگر خیلی بازتابنده باشد، فوتون‌های کمی از حفره خارج می‌شوند و شدت پرتوی لیزر کاهش می‌یابد.
فوتون‌ها با حرکت بین دو آینه، به‌طور مرتب منعکس می‌شوند و با اتم‌های برانگیخته‌ی بیشتری برخورد می‌کنند. به‌دنبال این برخوردها، فوتون‌های بیشتری با انرژی و فاز یکسان تولید می‌شوند. درنتیجه، با گذشت زمان تعداد فوتون‌هایی که در یک راستا حرکت می‌کنند، افزایش می‌یابد.
اگر به‌جای توجه به خاصیت ذره‌ای نور (فوتون)، به ویژگی موجی آن توجه کنیم، بازتاب مداوم نور از دو آینه، آن را به شکل موج ایستاده یا موج ساکن درمی‌آورد. آینه‌ی نیمه‌شفاف در نهایت به فوتون‌ها اجازه می‌دهد تا از آن خارج شوند و به این ترتیب پرتوی نورِ متمرکز و هم‌راستا، یعنی لیزر، تولید می‌شود. بنابراین، با استفاده از حفره‌ی اپتیکی می‌توانیم فوتون‌ها را در یک جهت و راستا متمرکز و لیزر تولید کنیم.
