אור רגיל הוא המון סואן
נורה, נר או השמש פולטים אור כי אינספור אטומים משחררים כל אחד חבילה קטנה של אנרגיה, פוטון, בכל פעם שזה במקרה קורה. כל פוטון יוצא ברגע משלו, בכיוון משלו ובצבע המדויק שלו. הגלים אינם מתואמים זה עם זה, והם מתפזרים לכל הכיוונים. זו הסיבה שאלומת פנס מתרחבת ונחלשת.
לייזר מפיק אור שבו הפוטונים צועדים בקצב אחד: צבע אחד, כיוון אחד, ושיא מיושר מול שיא. המילה נוצרה כראשי תיבות באנגלית של “הגברת אור על ידי פליטה מאולצת של קרינה”.
אטומים מעוררים ושתי דרכים לרדת
הלייזר שבסצנה הוא מוט של אודם: תחמוצת אלומיניום ובה מעט יוני כרום מפוזרים, שנותנים לו את צבעו. מנורה בהירה לצידו היא מקור השאיבה. האור הירוק והכחול שלה מעלה יוני כרום לאנרגיה גבוהה יותר. הם גולשים מיד לרמה שמעט מתחתיה, ונשארים בה כשלוש אלפיות השנייה, זמן ארוך מאוד עבור אטום.
יון מעורר יכול לחזור למטה בשתי דרכים. מעצמו, ברגע אקראי, הוא פולט פוטון אדום בכיוון אקראי: זו פליטה ספונטנית, הזוהר האדום העמום של אודם שעובר שאיבה. או שפוטון אדום חולף יכול לדחוף אותו לשחרר את האנרגיה מוקדם, ואז הפוטון החדש הוא העתק מדויק של זה שחלף: אותו כיוון, אותו צבע, אותו מופע. זו פליטה מאולצת, וכך פוטון אחד הופך לשניים, ושניים לארבעה.
למה צריך סף
יש כאן מלכוד. יון שאינו מעורר בולע בדיוק את אותם פוטונים אדומים. כל עוד רוב היונים נמצאים במצב היסוד, פוטון שחוצה את המוט צפוי יותר להיבלע מאשר להשתכפל. באודם, יותר ממחצית מכל היונים צריכים להיות מעוררים לפני שהמוט מגביר בכלל. המצב הזה נקרא היפוך אוכלוסייה.
כאן נכנסות המראות לתמונה. מראה מחזירה לגמרי בקצה אחד ומראה שמחזירה כמעט הכול בקצה השני שולחות את האור הלוך ושוב דרך המוט, כך שהוא משוכפל שוב בכל מעבר. הסף הוא הספק השאיבה שבו כל סיבוב הלוך ושוב מוסיף אור בדיוק כמו שהמראות והמוט מאבדים. מתחתיו, כל אור לאורך המוט דועך, והאודם רק זוהר. מעליו, האור לאורך הציר גדל עד שהוא מנצל את העירור העודף באותו קצב שבו המנורה מספקת אותו.
נסו: הגבירו את הספק השאיבה לאט מאפס וצפו בשני הגרפים שליד הסצנה. חלק היונים המעוררים עולה מעבר למחצית, ואז מפסיק לעלות בסף, ומאותה נקודה כל קילוואט נוסף הולך לאלומה, שגדלה בקו ישר.
מראת היציאה
חלק מהאור צריך לצאת, ולכן מראה אחת מעבירה מעט ממנו: זו האלומה. מראת יציאה דולפת יותר מוציאה יותר אור בכל מעבר, אבל גם מאבדת יותר, ולכן צריך לשאוב את המוט חזק יותר לפני שהוא מגיע ללזירה (פעולת לייזר). עם מראה אטומה יותר הלזירה מתחילה מוקדם יותר, אבל מוציא רק טפטוף. איפשהו ביניהן נמצאת המראה שנותנת הכי הרבה אור ממנורה נתונה.
מה המודל הזה משאיר בחוץ
הסצנה מראה את המצב היציב של משוואות הקצב המקובלות, שעוקבות רק אחרי מספר היונים המעוררים וכמות האור במוט. לייזרי אודם אמיתיים נשאבים בדרך כלל בהבזקים קצרים, והפלט שלהם מגיע כסדרה של שיאים חדים. כדי להפעיל לייזר כזה ברציפות צריך קירור חזק, והמודל מתעלם ממנו, וגם מהאופן שבו עקמומיות המראות קובעת את צורת האלומה. יעילות השאיבה היא הנחה גסה, ולכן הסף והוואטים הם הערכה בלבד ולא נתונים של לייזר מסוים. האור הספונטני של אודם משתרע באמת על חלק קטן בלבד מננומטר של צבע; הסצנה מרחיבה את הפיזור הזה כדי שאפשר יהיה לראות את ההבדל מהצבע היחיד של האלומה.