miniatura|Làsers miniatura|Làsers en un espectacle musical. El làser (acrònim anglès de Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation «amplificació de llum per emissió estimulada de radiació») és una font de llum que utilitza un efecte quàntic, l'emissió estimulada, per emetre un raig de llum coherent i normalment d'alta monocromaticitat i direccionalitat. Aquestes propietats el diferencien d'altres fonts de llum habituals, que emeten sempre llum incoherent o de molt baixa coherència. El primer làser funcional va ser un làser de robí, creat per Theodore H. Maiman el 1960 en el laboratori Hughes de Malibú, Califòrnia, i des de llavors ha conegut un desenvolupament extraordinari, i s'ha introduït en nombroses aplicacions, des dels lectors de CD o lectors de codi de barres fins a sofisticats experiments de recerca en física. Per extensió, la llum emesa per un làser s'anomena llum làser.
Principi de funcionament miniatura|Esquema bàsic d'un làser (d'He-Ne). S'hi poden observar els elements bàsics: la cavitat ressonant amb els miralls i el medi actiu. Tot làser es basa en dos fenòmens físics que es produeixen gràcies a dos elements que el formen: un és el procés d'emissió estimulada que té lloc a l'anomenat medi actiu (el medi que provoca l'emissió làser) i l'altre el procés d'amplificació i interferència que té lloc a la cavitat ressonant.
Emissió estimulada Quan un fotó interacciona amb un àtom es poden produir dos fenòmens: l'absorció o l'emissió estimulada. En el primer cas el fotó és absorbit per l'àtom i aquest augmenta la seva energia (un electró puja a un nivell energètic superior). En el segon cas l'àtom disminueix la seva energia (un electró baixa a un nivell energètic inferior) i emet un fotó d'energia, longitud d'ona, direcció i fase idèntiques a les del fotó incident, de manera que abans de la interacció teníem un fotó i després en tenim dos d'idèntics.
En el medi actiu del làser s'aconsegueix, jugant hàbilment amb els nivells electrònics dels àtoms, que el procés d'emissió estimulada superi el procés d'absorció; aquesta situació s'anomena inversió de població, és a dir, hi ha més àtoms en estats excitats que en estats de menor energia, de manera que si inicialment partim d'un sol fotó, després de passar a través del medi actiu n'haurem obtingut una quantitat considerable. Per aconseguir la inversió de població cal subministrar energia al medi actiu, procés que s'anomena bombament i s'aconsegueix amb una descàrrega elèctrica o llum (un flaix, un altre làser, etc.).
Ressonància En aquest punt és on entra en joc la cavitat ressonant o interferòmetre. Aquesta consisteix, en la majoria de tipus més simples de làsers, simplement en dos miralls col·locats als extrems del medi actiu; un d'aquests miralls és perfectament reflector i l'altre deixa passar una certa quantitat de llum, aquesta part de la llum és precisament la que surt del làser, la que es pot veure i utilitzar.
La importància dels miralls rau en el fet que si no hi haguessin miralls el feix de llum que s'està amplificant només passaria una vegada per l'interior del medi actiu; en canvi, col·locant els miralls es confina el feix de llum i està obligat a realitzar un camí d'anada i tornada entre els miralls; a cada pas pel medi actiu el feix s'amplifica cada vegada més gràcies a l'emissió estimulada.Jugant hàbilment amb la distància entre miralls i la seva reflectivitat s'aconsegueix l'equilibri entre l'amplificació del feix i la pèrdua d'energia a través del mirall (la llum útil aprofitable que emet).
El procés d'emissió làser pot resumir-se amb l'esquema que es presenta a continuació:
El bombament excita àtoms i ens crea inversió de població: més àtoms en estats excitats que en estats de menor energia. Els àtoms retornen a un estat inferior d'energia per emissió espontània, emetent fotons de qualsevol fase i en qualsevol direcció. La majoria d'aquests fotons es perden sense més efecte. Algun dels fotons emesos surt aleatòriament en la direcció de l'eix de la cavitat ressonant i queda confinat pels miralls, viatjant endavant i endarrere per la cavitat. En aquest "viatge" provoca l'emissió estimulada de nous fotons en interaccionar amb els àtoms del medi actiu (que recordem segueix en inversió de població a causa del bombament). Les característiques de l'emissió estimulada ens asseguren que els nous fotons seran idèntics (en freqüència, en fase i en direcció) a l'original. Els nous fotons s'afegeixen al procés iniciat pel primer fotó al pas 3. La quantitat de fotons generada creix exponencialment fins que el ritme de creació s'equilibra amb les pèrdues de llum a través d'un dels miralls (la llum làser que surt de l'aparell i que podem aprofitar). L'emissió espontània (aleatòria i omnidireccional) segueix tenint lloc, però és menyspreable comparada amb l'estimulada.
Característiques de la llum làser Per la mateixa naturalesa del procés d'emissió de la llum (l'emissió estimulada), aquesta és d'una gran coherència (és a dir, totes les ones electromagnètiques emeses estan en fase). D'altra banda, el feix dins la cavitat i el feix que surt, si no es condueixen per guies d'ones (com una fibra òptica), acostumen a ser feixos anomenats gaussians (és a dir, la intensitat de llum des del centre del feix cap als seus extrems té forma de campana de Gauss) i tenen una divergència normalment molt petita (són molt col·limats, és a dir, «s'obren» molt poc); cal remarcar que no és possible crear un feix perfectament col·limat a causa de la difracció. Per exemple, un feix d'un làser d'heli-neó habitual divergeix fins a un diàmetre d'1,6 km a una distància de 350.000 km (aproximadament la distància de la Terra a la Lluna); en canvi, el feix d'un làser de semiconductor divergeix molt ràpidament en un angle considerable (fins a 50°).
En general els làsers emeten llum molt monocromàtica, però alguns tipus de làsers, com els làsers de colorants i alguns làsers d'estat sòlid produeixen llum en un ampli espectre de longituds d'ona; això els fa ideals per a generar polsos de llum extremadament curts, que actualment han assolit l'ordre d'un femtosegon (10-15 segons). La monocromaticitat, malgrat ser habitual en molts làsers, no n'és una característica definitòria. També cal remarcar que, tot i que els làsers més habituals emeten llum visible, també existeixen làsers d'infraroigs i d'ultraviolats.
Mode continu i mode polsat La intensitat de sortida del làser pot ser contínua (anomenada CW, continous wave) o polsada, mitjançant tècniques com la commutació Q (Q-switching), la sincronització de modes (mode-locking) o la commutació de guany (gain switching). Per a una mateixa energia del làser, el funcionament polsat permet obtenir potències molt més elevades (recordem que la potència és energia dividida per temps, de manera que amb temps molt petits es poden assolir potències molt altes). Actualment, s'aconsegueixen polsos extremadament curts, de l'ordre del femtosegon (10-15 s).
Història i desenvolupament El 1917, Albert Einstein establí els fonaments teòrics per al làser i el màser en la seva publicació Zur Quantentheorie der Strahlung (Sobre la teoria quàntica de la radiació). L'any 1926 Albert Einstein en derivà les equacions bàsiques per als processos d'interacció radiació-matèria (l'absorció, l'emissió estimulada i l'emissió espontània). Nogensmenys, la idea de combinar aquest procés amb una cavitat que l'amplifiqués no arribà fins després de la Segona Guerra Mundial.
El 1953, Charles H. Townes i els estudiants James P. Gordon i Herbert J. Zeiger van produir el primer màser, un aparell equivalent al làser però per produir microones i no llum visible. Aquest màser, però, no podia emetre radiació de forma continuada. Al mateix temps, Nikolai Bàssov i Aleksandr Mikhàilovitx Prókhorov solucionaren els problemes de l'emissió contínua i aconseguiren crear un estat d'inversió de població permanent. Townes, Bàssov i Prókhorov guanyaren el Premi Nobel el 1964. A finals dels anys 1950 es començà a passar de les microones cap al visible, per intentar construir l'equivalent del màser per a la llum visible: el «màser òptic». El mateix Townes i Arthur Leonard Schawlow, al mateix temps que l'equip soviètic de Bàssov estudiaren diverses aplicacions de nous nivells electrònics dels àtoms i nous dissenys de cavitats ressonants.
Finalment, el primer làser funcional el dissenyà i construí el 1960 Theodore H. Maiman als laboratoris de recerca Hughes, a Malibú, Califòrnia, avançant-se als equips de Townes a la Universitat de Colúmbia i de Schawlow als laboratoris Bell. Maiman dissenyà un cristall de robí amb un bombament per flaix per produir una emissió làser vermella de 694 nm. Aquest làser, però, només podia funcionar en règim polsat. Més endavant, l'iranià Ali Javan, juntament amb William Bennet i Donald Herriot, construí el primer làser de gas utilitzant heli i neó.
La idea de làsers de semiconductors fou proposada per Bàssov i Javan, i el primer díode làser el construí Robert N. Hall el 1962. El làser de Hall estava format per un díode d'arsenur de gal·li i alumini i emetia a 850 nm (en l'infraroig proper). Poc després apareixien els primers làsers de semiconductors d'emissió en el visible. Inicialment tots aquests làsers de semiconductors funcionaven en règim polsat; no fou fins al 1970 que aparegueren els primers en emissió contínua.
La primera aplicació quotidiana dels làsers fou per a lectors de codis de barres, iniciada el 1974. Posteriorment els lectors de CD, introduïts el 1982, foren els primers dispositius amb làser que es convertiren en un aparell domèstic a gran escala.
Desenvolupaments recents El 1992 es va aconseguir per primera vegada l'emissió làser sense mantenir el medi actiu en condicions d'inversió de població, en un gas de sodi, i una altra vegada el 1995 en un gas de rubidi, per diversos equips de recerca internacionals. Això s'aconseguí utilitzant un màser extern per provocar "transparència òptica" en el medi introduint i interferint, de manera destructiva, transicions electròniques fonamentals entre dos estats, de manera que s'anul·lés la probabilitat d'absorció per als electrons fonamentals.
Els objectius actuals en la tecnologia i recerca del làser passen per obtenir noves freqüències d'emissió (especialment a freqüències petites, com el blau, el violat i fins i tot l'ultraviolat), aconseguir polsos ultracurts, obtenir potències més elevades, tant en règim polsat com continu, i millorar l'eficiència (és a dir el quocient entre l'energia obtinguda i la subministrada a l'aparell).
Tipus de làsers miniatura|Un làser d'He-Ne. El gas està contingut al cilindre central, però la resplendor és produïda per la descàrrega elèctrica del bombament, no és el feix làser, que és de color vermell i es pot veure sobre la pantalla blanca i sobre la lent.Actualment existeix una gran diversitat de tipus de làsers, que es classifiquen bàsicament segons el tipus de medi actiu utilitzat. Els diferents medis actius permeten obtenir diferents longituds d'ona de la llum emesa, diferents amplades de banda, diferents potències o diferents graus de monocromaticitat, entre altres característiques. Els tipus més importants són els següents:
Làsers de gas: el medi actiu és un gas. Molt habituals, com el làser d'He-Ne o el d'argó, presents en espectacles i discoteques. També el làser de CO₂, que pot arribar a grans potències. Làser d'heli-neó (543 nm i 633 nm) Làser d'argó (458 nm, 488 nm o 514,5 nm) Làser de diòxid de carboni (9,6 µm i 10,6 µm) fins a 100 kW, utilitzat en soldadura i metal·lúrgia. Làser TEA (llum ultraviolada, 337,1 nm) Làser de nitrogen Làser de monòxid de carboni, necessiten refrigeració, fins a 500 kW.
Làsers químics: el medi actiu es bomba amb l'energia obtinguda de reaccions químiques. Làser de iodur d'oxigen (1.315 nm) Làser de fluorur d'hidrogen (2.700-2.900 nm) Làser de fluorur de deuteri (3.800 nm)