ΤΑ LASER ΣΤΗ ΓΑΣΤΡΕΝΤΕΡΟΛΟΓΙΑ

Δρ Δημήτρης Καραγιάννης

Γαστρεντερολόγος

ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ ΤΩΝ LASER

"Η φαντασία είναι σημαντικότερη της γνώσης"

Albert Einstein

ΙΣΤΟΡΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ

Περνάμε την καθημερινή ζωή μας χωρίς να καταλαβαίνουμε σχεδόν τίποτε από τον κόσμο. Ελάχιστα προβληματιζόμαστε για την κοσμική μηχανή που παράγει το φως και κάνει δυνατή την ύπαρξη της ζωής. Πολύ λίγοι από εμάς διαθέτουν κάποιο χρόνο απορώντας γιατί η φύση είναι έτσι που είναι, εάν ο χρόνος κάποια μέρα αρχίσει να τρέχει ανάποδα και το αποτέλεσμα αρχίσει να προηγείται του αιτίου. Πολλοί δεν αισθάνονται άνετα με αυτά τα θέματα, γιατί αγγίζουν τα όρια της ανθρώπινης γνώσης. Ωστόσο ένα μεγάλο μέρος της φιλοσοφίας και της επιστήμης οδηγήθηκαν από την έρευνα αυτών των θεμάτων. Η βαρυτική θεωρία (Νεύτων) και η σχετική θεωρία της βαρύτητας (Einstein) από τη μία και η κβαντική θεωρία από την άλλη σημάδεψαν την τεχνολογική εξέλιξη και τον πολιτισμό μας.

Η εμφάνιση των laser είναι αποτέλεσμα μιας σειράς επιστημονικών μελετών και πειραμάτων που ξεκίνησαν στο τέλος του προηγούμενου αιώνα και κορυφώθηκαν μόλις πριν από 30 χρόνια. Ηταν στις αρχές του εικοστού αιώνα όταν ο Rutherford περιέγραψε το άτομο με τον πυρήνα του και το πλανητικό μοντέλο κίνησης των ηλεκτρονίων γύρω από αυτόν. Το 1900 ο Max Planck εισήγαγε στη φυσική την κβαντική μηχανική, ενώ το 1913 ο Bohr περιέγραψε το άτομο υδρογόνου, όπου γύρω από τον πυρήνα περιστρέφεται σε σταθερή τροχιά ένα ηλεκτρόνιο.

Τα προαναφερόμενα βοήθησαν έναν πολύ μεγάλο επιστήμονα του 20ού αιώνα στη σύλληψη μιας "φανταστικής" θεωρίας που επαληθεύτηκε πολύ αργότερα. Το 1917 ο Albert Einstein εξέδωσε μία μικρή μελέτη "περί διεγερμένης εκπομπής ακτινοβολίας". Η θεωρία αυτή, όπως και πολλές άλλες, δεν έγινε πιστευτή στην εποχή της. Σοβαρό βήμα για την κατανόησή της αποτέλεσαν οι ερευνητικές εργασίες του De Broglie πάνω στη ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, που δημοσιεύτηκαν το 1924.

Η ανακάλυψη το 1950, από τον Kastler, της οπτικής άντλησης έθεσε το θεμέλιο λίθο για την εφαρμογή της θεωρίας της διεγερμένης εκπομπής, στην πράξη. Το 1954 οι Towens και Schawlow κατόρθωσαν να κατασκευάσουν μία συσκευή παραγωγής και ενίσχυσης μικροκυμάτων που την ονόμασαν MASER από τα αρχικά των λέξεων Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation, λέξεις που αποτελούν και τις αρχές της φυσικής πάνω στις οποίες στηρίζεται η παραγωγή του φαινομένου.

Εξι χρόνια αργότερα, το 1960, ο Αμερικανός φυσικός Τheodore Maiman προσάρμοσε τον παραπάνω μηχανισμό στο οπτικό φάσμα και δημιούργησε τον πρώτο μηχανισμό άντλησης φωτός, που τον ονόμασε κατ' ακολουθία LASER από τα αρχικά των λέξεων Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. To πρώτο αυτό laser χρησιμοποιούσε ως βασικό στοιχείο το ρουμπίνι.

Από αυτό το σημείο και μετά τα γεγονότα εξελίχθηκαν γοργά. Το 1961 κατασκευάσθηκε το πρώτο laser που χρησιμοποιούσε ως βασικό στοιχείο διέγερσης το ευγενές αέριο αργό και το 1963 ο Zweng, χρησιμοποιώντας αυτό το laser, πραγματοποίησε τις πρώτες φωτοπηξίες στον αμφιβληστροειδή. Το 1964 ο Mac Guff παρουσίασε μελέτες καταστροφής όγκων με laser ρουμπινιού. Το 1972 εισήχθη το laser CO2 στη χειρουργική. Την επόμενη χρονιά εμφανίσθηκαν οι οπτικές ίνες που έδωσαν καινούρια ώθηση στις εφαρμογές και έτσι το 1975 άρχισε η εφαρμογή του Nd-Yag laser στις επεμβατικές ενδοσκοπήσεις.

Από εδώ και πέρα οι εφαρμογές συνεχώς αυξάνονται, η κατανόηση της καινούριας αυτής δύναμης βελτιώνεται, νέα μηχανήματα παρουσιάζονται, καινούριες ιδιότητες αποκαλύπτονται, αλλά τα laser ακόμη και σήμερα συνεχίζουν να παραμένουν "η λύση που αναζητά το πρόβλημα".

1. ΦΥΣΙΚΗ

1.1 ΒΑΣΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ

1.1α Το Ατομο

Ο Αριστοτέλης@1 πίστευε ότι όλη η ύλη στο σύμπαν αποτελείται από τέσσερα βασικά στοιχεία: τη γη, τον αέρα, τη φωτιά και το νερό. Στα στοιχεία αυτά δρούσαν δύο βασικές δυνάμεις: η δύναμη της βαρύτητας, δηλαδή η τάση της γης και του νερού να πέφτουν προς τα κάτω, και η δύναμη της ελαφρότητας, δηλαδή η τάση της φωτιάς και του αέρα να υψώνονται προς τα επάνω. Αυτός ο διαχωρισμός του σύμπαντος σε ύλη και δυνάμεις χρησιμοποιείται ακόμη και σήμερα. Ο Αριστοτέλης πίστευε ακόμη ότι η ύλη είναι συνεχής, ότι θα μπορούσαμε δηλαδή να τη διαιρέσουμε σε συνεχώς μικρότερα κομμάτια χωρίς κανένα όριο. Μερικοί Ελληνες φιλόσοφοι, όμως, όπως ο Δημόκριτος, υποστήριξαν ότι η ύλη δεν είναι συνεχής αλλά "κοκκώδης", αποτελείται δηλαδή από ένα μεγάλο πλήθος "ατόμων" διάφορων ειδών (α-τομο= αυτό που δεν είναι δυνατό να τμηθεί).

Για πολλούς αιώνες η συζήτηση συνεχιζόταν χωρίς καμία πλευρά να μπορεί να παρουσιάσει αποδείξεις για αυτά που υποστήριζε. Το 1803 ο Βρετανός φυσικός και χημικός John Dalton προσπάθησε να εξηγήσει το γεγονός ότι τα χημικά στοιχεία ενώνονται σε ορισμένες μόνο αναλογίες. Υπέθεσε, λοιπόν, ότι είναι άτομα που συμπλέκονται μεταξύ τους και διαμορφώνουν πιο σύνθετες συγκεντρώσεις ύλης, τα μόρια. Παρ' όλα αυτά η διαμάχη των δύο πλευρών δεν διευθετήθηκε οριστικά παρά μόνο στις αρχές του 20ού αιώνα, όταν πολλαπλασιάστηκαν οι πειραματικές ενδείξεις για την ύπαρξη ατόμων. Πολύ σημαντική ήταν η συμβολή του Einstein, όταν το 1905, λίγες μόνο εβδομάδες πριν από τη δημοσίευση της διάσημης εργασίας του για τη σχετικότητα, έδειξε ότι το φαινόμενο που ονομάζουμε "κίνηση Brown" (η ακανόνιστη, τυχαία κίνηση των μικροσκοπικών σωματιδίων σκόνης πάνω στην επιφάνεια ενός υγρού) μπορεί να εξηγηθεί από την κίνηση των ατόμων του υγρού και τη σύγκρουσή τους με τα σωματίδια της σκόνης.

Εκείνη την εποχή υπήρχαν ήδη υποψίες ότι και τα ίδια τα άτομα δεν ήταν αδιαίρετα. Μερικά χρόνια πριν ο J.J. Thomson είχε δείξει πειραματικά ότι υπάρχουν κάποια σωματίδια ύλης που ονομάζονται ηλεκτρόνια. Τα ηλεκτρόνια έχουν αρνητικό φορτίο και μάζα μικρότερη από το ένα χιλιοστό της μάζας του υδρογόνου, που είναι το ελαφρύτερο άτομο. Τελικά, το 1911 ο Βρετανός φυσικός Ernest Rutherford έδειξε ότι τα άτομα της ύλης έχουν κάποια εσωτερική δομή. Αποτελούνται από έναν πυρήνα με θετικό ηλεκτρικό φορτίο και γύρω του βρίσκονται τα ηλεκτρόνια. Στην αρχή οι επιστήμονες πίστευαν ότι ο πυρήνας αποτελείται μόνο από πρωτόνια (πρώτο-ον= η βάση της ύλης). Το 1932, όμως, ο Chadwick ανακάλυψε ότι στον πυρήνα βρίσκεται και ένα άλλο είδος σωματιδίων, τα νετρόνια (βραβείο Νόμπελ), που δεν έχουν ηλεκτρικό φορτίο.

Μέχρι πριν από είκοσι χρόνια θεωρούσαμε τα πρωτόνια και τα νετρόνια ως στοιχειώδεις μονάδες ύλης. Σε πειράματα που έγιναν σε γραμμικούς επιταχυντές, όπου πρωτόνια συγκρούοντο με άλλα πρωτόνια ή ηλεκτρόνια με μεγάλες ταχύτητες, φάνηκε ότι στην πραγματικότητα και αυτά τα σωματίδια είναι σύνθετα, αποτελούμενα από τριάδες άλλων σωματιδίων, που ο φυσικός Gell-Mann ονόμασε κουάρκς (από την αινιγματική φράση του James Joyce) και πήρε το βραβείο Νόμπελ 1969 για την εργασία του αυτή. Υπάρχουν αρκετές παραλλαγές των κουάρκς, που χωρίζονται σε έξι "αρώματα" ("επάνω", "κάτω", "παράξενο", "γοητευτικό", "κορυφή", "πυθμένας") και τρία "χρώματα" ("κόκκινο", "πράσινο", "μπλε" ) για κάθε άρωμα. Τα πρωτόνια αποτελούνται από δύο "επάνω" και ένα "κάτω" κουάρκ, ενώ τα νετρόνια από ένα "επάνω" και δύο "κάτω" κουάρκς. Πιο πρόσφατα πειράματα έδειξαν ότι υπάρχουν και σωμάτια αντιύλης (αντικουάρκς), ωστόσο δεν είναι αναγκαία η τόσο πλατειά αναφορά στο θέμα.

Στην αρχή του αιώνα μας φανταζόμαστε ότι τα άτομα μοιάζουν με μικρογραφίες του ηλιακού μας συστήματος, όπου τα ηλεκτρόνια κινούνται γύρω από τον πυρήνα, σε τροχιές, και δεν απομακρύνονται λόγω της έλξης μεταξύ του θετικού φορτίου του πυρήνα και του αρνητικού των ηλεκτρονίων, με τον ίδιο τρόπο που η βαρυτική έλξη συγκρατεί τους πλανήτες γύρω από τον ήλιο. Η δύναμη έλξης των δύο στοιχείων καθοριζόταν από το νόμο του Coulomb, σύμφωνα με τον οποίο δύο ηλεκτρικά φορτία q, q', ευρισκόμενα σε απόσταση R, έλκονται μεταξύ τους με μία δύναμη F που καθορίζεται από τη σχέση:

F= q x q'/R2

Το πρόβλημα με αυτό το μοντέλο ήταν ότι οι νόμοι της μηχανικής και του ηλεκτρισμού προέβλεπαν ότι τα ηλεκτρόνια έπρεπε να χάνουν συνεχώς ενέργεια και να διαγράφουν σπειροειδή τροχιά προς τον πυρήνα, έως ότου συγκρουσθούν μαζί του. Αυτό σήμαινε ότι κάθε άτομο και στην πραγματικότητα όλη η ύλη θα κατέρρεε πολύ γρήγορα σε μία κατάσταση μέγιστης πυκνότητας. Μερική λύση στο πρόβλημα έδωσε ο Δανός φυσικός Niels Bohr τo 1913. O Bohr υπέθεσε ότι τα ηλεκτρόνια δεν πρέπει να ακολουθούν οποιαδήποτε τροχιά, αλλά μόνον ορισμένες σε ορισμένες αποστάσεις από τον πυρήνα. Αυτό το μοντέλο εξήγησε πολύ καλά τη δομή του ατόμου του υδρογόνου, αλλά δεν φαινόταν να εξηγεί μοντέλα πιο σύνθετων ατόμων. Επιπλέον, η ιδέα των "επιτρεπόμενων" τροχιών έμοιαζε αυθαίρετη. Η νέα θεωρία της κβαντικής μηχανικής έλυσε όλα αυτά τα προβλήματα. Αποκάλυψε ότι ένα ηλεκτρόνιο που κινείται γύρω από τον πυρήνα μπορεί να θεωρηθεί ως ένα κύμα, με μήκος κύματος που εξαρτάται από την ταχύτητά του. Ετσι, το μήκος ορισμένων τροχιών γύρω από τον πυρήνα θα ήταν ακέραιο πολλαπλάσιο του μήκους κύματος του ηλεκτρονίου (αν δηλαδή πολλαπλασιάζαμε το μήκος κύματος του ηλεκτρονίου με έναν ακέραιο αριθμό, θα βρίσκαμε το μήκος της τροχιάς). Οι τροχιές αυτές αντιστοιχούν στις σταθερές του Bohr. Στις "μη επιτρεπόμενες" τροχιές τα κύματα εξουδετερώνονται γιατί οι κορυφές των κυμάτων θα συμπίπτουν με τις κοιλίες άλλων κυμάτων, γεγονός που οδηγεί στην αλληλεξουδετέρωση.

1.1β Κβαντική μηχανική

Το 1900 ο Max Planck υπέθεσε ότι η ηλεκτρομαγνητική ενέργεια εκπέμπεται κατά ορισμένα ποσά ενέργειας, τα οποία ονόμασε κβάντα. Κάθε κβάντο μεταφέρει ποσότητα ενέργειας που είναι τόσο μεγαλύτερη όσο μεγαλύτερη είναι η συχνότητα των κυμάτων. Στη δεκαετία του 1920 οι Heisenberg, Erwin Schrodinger και o Paul Dirac επαναδιατύπωσαν τη μηχανική σε μία νέα θεωρία που ονομάσθηκε κβαντική μηχανική. Σύμφωνα με τη νέα θεωρία, τα σωματίδια δεν έχουν πια θέσεις και ταχύτητες διαχωρισμένες μεταξύ τους, σαφώς καθορισμένες και παρατηρήσιμες. Αντί γι' αυτές, έχουν μία κβαντική κατάσταση, που είναι συνδυασμός θέσης και ταχύτητας. Η κβαντική μηχανική δεν προβλέπει για κάθε πείραμα ένα μοναδικά καθορισμένο αποτέλεσμα, αλλά έναν αριθμό αποτελεσμάτων και μας πληροφορεί για το πόσο πιθανό είναι το καθένα. Εισήγαγε, λοιπόν, στην επιστήμη ένα στοιχείο αδυναμίας πρόβλεψης και τυχαιότητας. Ετσι, αντιτάχθηκε στις ντετερμινιστικές θεωρίες του Laplace, που θεωρούσαν ότι τα πάντα στη φύση είναι προβλέψιμα, ακόμη και η ανθρώπινη συμπεριφορά. Ο Einstein αντιτάχθηκε στη νέα θεωρία. Δεν δέχθηκε ποτέ ότι η τύχη κυβερνάει το σύμπαν. Οι απόψεις του συνοψίζονται στην περίφημη φράση του "Ο Θεός δεν παίζει ζάρια".

Οι δυνάμεις που κυβερνούν το σύμπαν είναι τέσσερις:

1. Η βαρυτική αλληλεπίδραση. Αυτή είναι καθολική και επομένως όλα τα σωματίδια την υφίστανται. Τα σωματίδια που την ασκούν ονομάζονται βαρυτόνια. Η δύναμη αυτή είναι πάντοτε ελκτική, έχει πολύ μεγάλη εμβέλεια και μικρή ισχύ και είναι προσθετική. Ετσι, οι ασθενείς βαρυτικές δυνάμεις δύο μεγάλων σωμάτων, όπως ο ήλιος και η γη, μπορεί να προστεθούν και να παράγουν κάποια σημαντική δύναμη.

2. Η ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδραση. Αυτή είναι πολύ ισχυρή δύναμη, με μικρή εμβέλεια. Αποτελεί απωστική δύναμη και ασκείται από τα φωτόνια. Τα φωτόνια δεν μπορούν να ανιχνευτούν άμεσα, όταν όμως ένα ηλεκτρόνιο αλλάζει επιτρεπόμενη τροχιά -από μία μακριά από τον πυρήνα σε μία κοντύτερα- απελευθερώνει ενέργεια εκπέμποντας ένα φωτόνιο που μπορεί να ανιχνευτεί αν έχει το κατάλληλο μήκος κύματος, για να καταγραφεί από τον ανιχνευτή φωτονίων.

3. Η ασθενής πυρηνική αλληλεπίδραση. Αυτή προκαλεί τη ραδιενέργεια. Δεν έχει κατανοηθεί πλήρως, αλλά είναι μία δύναμη που δρα στις μεγάλες ενέργειες. Τα σωματίδια που την ασκούν ονομάζονται μποζόνια (Salam & Weinberg- Nobel 1979).

4. H ισχυρή πυρηνική αλληλεπίδραση. Αυτή είναι η δύναμη που συγκρατεί μεταξύ τους τα κουάρκς μέσα στα πρωτόνια και τα νετρόνια. Επίσης, συγκρατεί μεταξύ τους τα πρωτόνια και τα νετρόνια μέσα στον πυρήνα. Το σωματίδιο που την ασκεί ονομάζεται γλοιόνιο (glue= κόλλα).

2.1 Η ΘΕΩΡΙΑ ΤΟΥ ΦΩΤΟΣ

Για να κατανοήσουμε τι είναι laser και πώς δουλεύει, θα πρέπει πρώτα να ξαναδούμε τις βασικές αρχές που διέπουν το φως.

Το φως παρουσιάζει διττή φύση. Μπορεί να περιγραφεί από την κυματική αλλά και από τη σωματιδιακή θεωρία. Σύμφωνα με την κυματική θεωρία, το φως χαρακτηρίζεται από το μήκος κύματος, τη συχνότητα και το εύρος. Το εύρος του κύματος είναι ίσο με το ύψος των κυμάτων και καθορίζει το πόση ισχύ μεταφέρει. Το μήκος κύματος είναι η απόσταση μεταξύ των κορυφών δύο διαδοχικών κυμάτων και μετριέται σε υποδιαιρέσεις του μέτρου, σε νανόμετρα (nm=10-9 m) ή μικρόμετρα (μm= 10-6m). Η συχνότητα είναι ίση με το ποσό των κυμάτων ανά δευτερόλεπτο. Οι δύο αυτές παράμετροι καθορίζουν και την ταχύτητα του φωτός επί τη βάση της σχέσης v=λf (ν=300.000 Km/s), όπου ν είναι η ταχύτητα, λ το μήκος κύματος και f η συχνότητα. Το μήκος κύματος και η συχνότητα καθορίζουν επίσης το ενεργειακό επίπεδο του φωτός (περιεχόμενη ενέργεια), καθώς και την περιοχή του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος στην οποία κινείται. Αλλαγές στο οπτικό φάσμα (385 έως 760 nm) γίνονται αντιληπτές ως αλλαγές χρώματος. Αυτή η περιοχή του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος δεν είναι η μόνη στην οποία υπάρχει φως. Τα μεγαλύτερα μήκη κύματος, που περιέχουν και λιγότερη ενέργεια, βρίσκονται στο μακρινό υπέρυθρο φάσμα (περίπου 1.000μm), ενώ τα μικρότερα μήκη κύματος με μεγάλη ενέργεια βρίσκονται στην περιοχή των υπεριωδών ακτίνων και των ακτίνων Χ (10-385nm).

Το φως μπορεί να θεωρηθεί, σύμφωνα με τη σωματιδιακή θεωρία, και ως μία δέσμη σωματιδίων με ασήμαντη μάζα. Τα σωματίδια αυτά ονομάζονται φωτόνια και κάθε φωτόνιο μεταφέρει ένα ποσό ενέργειας ή καλύτερα ένα quantum ενέργειας. Τα φωτόνια είναι σαν μικρά πακέτα ενέργειας που "κολυμπούν" μέσα στα κύματα φωτός και αντιπροσωπεύουν έναν από τους πολλούς τρόπους μεταφοράς ενέργειας στη φύση.

Πριν από την ανακάλυψη του laser ο ενιαίος χαρακτήρας των ηλεκτρομαγνητικών ακτινοβολιών δεν αντικατοπτριζόταν πλήρως στην τεχνολογική πρακτική. Ετσι, για παράδειγμα, τα κύματα των ραδιοηλεκτρικών ακτινοβολιών (μακρά, βραχέα, μεσαία κ.λπ.) μπορεί να τα διαχειρίζεσαι, δηλαδή είναι επιδεικτικά συγκέντρωσης και κατευθυντικότητας από το σημείο παραγωγής τους, ενώ επιπλέον μπορούν να ελέγχονται και να διαμορφώνονται κατά βούληση@2. Δεν συνέβαινε όμως το ίδιο και με τις οπτικές ακτινοβολίες, οι οποίες παράγονταν "ελέω θεού", δηλαδή με απλή υποκλοπή από τις αυθόρμητες διαδικασίες που επιτρέπει ή προσφέρει η ίδια η φύση. Δεν μπορούσαμε να διαμορφώνουμε τα κυματικά χαρακτηριστικά τους, αλλά ούτε τη συγκεντρωτικότητα και την κατευθυντικότητά του. Το εν λόγω γεγονός καθιστούσε τη χρήση της ενέργειας αυτής περιορισμένη. Η ανακάλυψη του φαινομένου laser και η πραγμάτωση των πηγών παραγωγής laser (ακόμη X-aser και γ-aser) επέτρεψαν την επέκταση όλων των τρόπων παραγωγής και διαχείρισης των ραδιοηλεκτρικών ακτινοβολιών σε όλο το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα.

Το laser είναι ακρωνύμιο των λέξεων Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, που στα ελληνικά μεταφράζεται ως Ενίσχυση Φωτός από Εξαναγκασμένη Εκπομπή Ακτινοβολίας. Οι ακτίνες laser είναι καθαρά τεχνητές ακτινοβολίες με πολύ καθαρά κυματικά χαρακτηριστικά, μεγάλη συνεκτικότητα (coherence) και εξαιρετικές δυνατότητες συγκέντρωσης, κατεύθυνσης, απόκλισης, ελέγχου ιδιοτήτων, θέσης και διαμόρφωσης.

3. ΑΡΧΕΣ ΤΗΣ ΔΡΑΣΗΣ ΤΟΥ LASER

Η εξαναγκασμένη εκπομπή είναι φαινόμενο το οποίο αποτελεί τη βάση παραγωγής της ακτινοβολίας laser και περιγράφηκε για πρώτη φορά από τον A. Einstein το 1917@3. Σύμφωνα με την αρχή της εξαναγκασμένης εκπομπής, όταν ένα φωτόνιο προσπέσει σε ένα διεγερμένο ηλεκτρόνιο, το εξαναγκάζει να επιστρέψει στην αρχική θέση του και να εκπέμψει ένα φωτόνιο που θα έχει τα ίδια κυματικά χαρακτηριστικά με αυτό που εξανάγκασε το φαινόμενο. Ετσι, γίνεται κατανοητό πως για να παράγουμε ακτινοβολία laser, πρέπει να έχουμε ένα υλικό που θα το διεγείρουμε και κατόπιν θα το βομβαρδίσουμε με φωτόνια. Θα πρέπει επίσης να μηδενίσουμε τις πιθανότητες παραγωγής άλλων ειδών ακτινοβολητικής μετάπτωσης, όπως η αυθόρμητη εκπομπή και η απορρόφηση.

Ο Maiman@4 ήταν ο πρώτος που κατάφερε να παράγει ακτινοβολία laser, χρησιμοποιώντας ως υλικό διέγερσης έναν κρύσταλλο από ρουμπίνι. Το όλο φαινόμενο συνέβη μέσα σε έναν κώδωνα, που ονομάσθηκε αντηχείο ή οπτική κοιλότητα ή κοιλότητα συντονισμού. Το αντηχείο είναι ένα έγκλειστο σύστημα που στα δύο άκρα του φέρει δύο ημιδιαφανή διηλεκτρικά κάτοπτρα, τα οποία αντανακλούν στο εσωτερικό της κοιλότητας μέρος της παραχθείσης ακτινοβολίας. Aπό αυτά το ένα αντανακλά κατά 100% την προσπίπτουσα ακτινοβολία, ενώ το άλλο μόνο μέρος αυτής και επιτρέπει σε ένα μέρος να εξέλθει υπό τη μορφή της δέσμης laser. Με τις συνεχείς αντανακλάσεις της ακτινοβολίας μέσα στο αντηχείο πετυχαίνουμε να προσδώσουμε στη δέσμη την ιδιότητα της συγκεντρωτικότητας (collimation). Πειράματα της NASA κατέδειξαν πως εάν σημαδέψουμε το φεγγάρι, που απέχει περίπου 390.000 χιλιόμετρα, με ένα laser Νd-Yag η διάμετρος της δέσμης στο στόχο θα είναι μόλις 400 μέτρα. Αυτό μπορεί να σας δώσει ένα μέτρο της συγκεντρωτικότητας της δέσμης.

Η θεωρία αποδεικνύει ότι η παραγωγή laser είναι δυνατή όταν το ενεργό υλικό βρίσκεται σε κατάσταση "σύμφωνης ενισχυτικής ικανότητας". Η κατάσταση αυτή είναι δυνατή μόνον όταν ο αριθμός των "εν διεγέρσει" ηλεκτρονίων είναι μεγαλύτερος από τον αριθμό των "εν ηρεμία". Η κατάσταση αυτή ονομάζεται αναστροφή πληθυσμού και επιτυγχάνεται με έναν μηχανισμό (κβαντικής) άντλησης που διεγείρει συνεχώς ηλεκτρόνια και πετυχαίνει την αναστροφή του πληθυσμού.

Υπάρχουν, βέβαια, και άλλοι τρόποι παραγωγής laser εκτός από αυτόν που ήδη περιγράψαμε. Για παράδειγμα, τα laser "μορίων", αυτά δηλαδή που χρησιμοποιούν μόρια ως ενεργό υλικό (laser CO2), δεν ακολουθούν τη γνωστή αναστροφή πληθυσμού, αλλά η απορρόφηση ενέργειας εδώ προκαλεί μεταβολές παλμικές στους μοριακούς δεσμούς και προκαλεί στο σύνολο του μορίου μηχανικό stress. Πιο ενδιαφέρων όμως είναι ο μηχανισμός παραγωγής laser στα laser ελευθέρων ηλεκτρονίων@5 (πολύ πρόσφατη τεχνολογία). Εδώ δεν έχουμε ενεργό υλικό, αλλά μία δέσμη ελεύθερων ηλεκτρονίων τα οποία επιταχύνονται σε πολύ μεγάλες ταχύτητες και διέρχονται μέσω ενός μαγνήτη που αλλοιώνει την τροχιά τους. Αυτή η μεταβολή προκαλεί μεταφορά ενέργειας και εκπομπή φωτονίων. Το μήκος κύματος των φωτονίων μπορεί να μεταβληθεί εάν μεταβάλουμε την ταχύτητα της δέσμης ηλεκτρονίων ή την ισχύ του μαγνητικού πεδίου. Τέλος, επειδή τα ηλεκτρόνια δεν κινούνται σε στιβάδες, δεν υπάρχουν περιορισμοί στα ενεργειακά πεδία. Στην πραγματικότητα το laser ελεύθερων ηλεκτρονίων είναι το πιο "μεταβλητό" από όλα τα lasers με ικανότητα να παράγει ακτινοβολία σε οποιοδήποτε μήκος κύματος.

H παραγωγή οπτικής ακτινοβολίας με αυτούς τους τρόπους δίνει ορισμένα χαρακτηριστικά στην δέσμη laser. Αυτά είναι:

Η λαμπρότητα του laser είναι κατά πολύ μεγαλύτερη από ό,τι των κλασσικών φωτεινών πηγών. Αυτό οφείλεται στη συγκέντρωση μεγάλης οπτικής ισχύος μέσα σε ένα κώνο εξόχως μικρού ανοίγματος. Ακόμη και το πιο φθηνό laser παρουσιάζει λαμπρότητα μερικές χιλιάδες φορές μεγαλύτερη από αυτήν του ηλιακού φωτός. Ο συνδυασμός λαμπρότητας και εστιαστικότητας μπορεί να δώσει τρομακτικές συγκεντρώσεις ενέργειας ανά τετραγωνικό εκατοστό.