A szokásos digitális optikai jelrögzítés el sem képzelhető lézer nélkül. A sorozatnak a CD-ről szóló eddigi részeiben a kompaktlemez történetéről, előállításáról, a lemezről és annak kódolásáról volt szó. Most egy ideig a lejátszásának eszköztárát fogom bemutatni, hiszen ezek lényegében azonosak az összes elterjedtebb digitális optikai megoldásokban. Érdemes ezt a lejátszás alapvető eszközével, a lézerrel kezdeni.

A lézer történetének kezdőpontja Albert Einstein munkásságához köthető, aki 1917-ben Max Planck nyomán írt először az elektromágneses sugárzás elnyeléséről és kibocsájtásáról, és ő vezette be az indukált emisszió fogalmát, valamint annak lehetőségét.

Ha pasi vagy, biztosan emlékszel arra, hogy amikor kiskamasz voltál, egyre többet kezdtél enni, egyre nagyobbra nőttél, és egyre erősebb lettél. A megzabált táplálék következtében egyre többre voltál képes, s ha az ennivaló elfogyasztását abszorpciónak nevezzük, akkor azt is mondhatjuk, hogy magasabb energiaszintre kerültél. Aztán egy reggelen arra ébredtél, hogy gyönyörűségeset álmodtál, aminek bizonyítéka a lepedőn szabad szemmel is jól látható, vajszínű vagy sárgás, ragacsos folt volt. Valami kijött belőled a spontán magömlés termékeként, legyen e folyamat neve spontán emisszió. Elég hamar rájöttél arra, hogy az emisszió sok esetben a kis kacsód segítségével is előidézhető.

Még kellemesebb, ha ezt egy másik emberrel való együttműködéssel, külső behatással éred el. Ezt hívhatjuk indukált emissziónak. Egy bizonyos életkor után azonban egyre ritkábban lehet ily természetes módon elérni az indukált emissziót, ráadásul úgy, hogy minél tartósabb legyen. Ehhez mesterséges szerekre, pl. szildenafil-citrátra, legismertebb márkanevén Viagrára van szükség.

Niels Bohr dán fizikus 1913-ban kitalált egy könnyen érthető atommodellt.

Ennek lényege, hogy az atommag körül csak meghatározott pályákon keringhetnek az elektronok. Noha e sorozatban többször leírtam, nem árt megismételnem, hogy a drazséként ábrázolt atommag körüli pályákon keringő édi kis elektronok modelljei gólyamesék, sajnos, a tényleges atomszerkezetben nincs se drazsé, se mindenféle pálya, hanem energiaszintek és más nyalánkságok vannak, de valahogy mégis érzékletessé kellett tenni a dolgot, mert a fizika nyelvén, a matekon nem mindenki ért. A foton a fény legelemibb részecskéje, valami olyan, ami képes energiát közvetíteni, de nincs nyugalmi tömege, és az energiája arányos a frekvenciájával. Az alábbi videó eléggé jól meséli el, hogy mi a foton.

A foton abszorpciója azt jelenti, hogy amikor egy elektron randizik egy fotonnal, akkor az elektron elnyeli a fotont, ezáltal az elektron magasabb energiaszintű pályára kerül, ahol kering még egy ideig. Amikor az elektron alacsonyabb energiaszintű pályára esik vissza, közelebb az atommaghoz, akkor a két energiaszint közötti különbséggel valamit kezdenie kell az atomnak, s ekkor egy foton, egy fényrészecske távozik. Ez az emisszió, pontosabban, a spontán emisszió. A spontán emisszió során kilökött foton frekvenciája, fázisa teljesen véletlenszerű. Einstein ennél bonyolultabb, pontosabb összefüggéseket állapított meg, mindenféle képletekkel és együtthatókkal ajándékozta meg a világot, s ami a lényeg: rájött arra, hogy ha valamilyen külső behatással masszírozzuk az atomot, pl. külső fotonokkal böködjük, gerjesztjük, akkor ezek a külső fotonok kölcsönhatásba lépnek a megpiszkált atommal, és fotonokat löknek ki magukból. Ez az indukált emisszió. Az indukált emisszió során kisugárzott foton a beérkezővel azonos energiájú, hullámhosszú, fázisú, polarizációjú és terjedési irányú „hasonmás” foton, más szóval a két foton koherens. Ez az a tulajdonság, amely lehetővé teszi az optikai erősítés létrejöttét és a lézerrendszerek előállítását. Nem örökmozgóról van szó, hiszen az indukált emisszióhoz külső forrás kell, a gerjesztéshez használt foton nem nyelődik el, és az indukált emisszió csak addig tart, ameddig van külső gerjesztő forrás.

A kérdés évtizedeken keresztül az volt, hogy hogyan lehet megcsinálni, hogy az indukált emisszió tartós legyen, mert ha megvan az atomfizika Viagrája, akkor pikk-pakk, készen van a lézer.

A LASER angol mozaikszó, a Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation rövidítése, amely tömören össze is foglalja annak működését: fénykibocsátás vagy fényerősítés indukált emisszióval. A lézerfény alapvetően nem különbözik attól a fénytől, amit a Nap vagy egy asztali lámpa sugároz, egyedisége az alkotóelemek, a fényrészecskék katonás rendezettségében rejlik. A Napból jövő természetes fény egyrészt szórt, másrészt rengeteg hullámhosszon, rengeteg színt sugároz egyszerre, amik összeadódva fehér fény érzetévé válnak a szemünkben. Feltéve, hogy napozás közben belenézünk.

A lézerek viszont jellemzően egyszínűek, kizárólag egy nagyon szűk frekvenciatartományt foglalnak el, s a sugarak összetartók is, vagyis a fényrészecskék útja párhuzamos.

A múlt század ötvenes éveinek a végén három kutató, Charles Hard Townes, Arthur Leonard Schawlow és Richard Gordon Gould közel egyszerre kezdte kifejleszteni a lézert. Az első két fizikus a Bell Laboratórium munkatársa volt, a harmadik doktorandusz hallgató volt a Columbia Egyetemen.

A cél ugyanaz volt: létrehozni a látható fény tartományában működő MASERt. Ez volt ugyanis a lézerek elődje; az L (light), azaz fény helyett az M betű a mikrohullámú sugárzásra utalt. Townes és Schawlow 1958-ban nyújtott be egy szakcikket először az akkor még “optikai masernek” nevezett találmányukról, Gould viszont valamivel korábban, 1957-ben, Townes-al való találkozása után jegyezte le ötleteit egy lehetséges lézerről, majd 1959-ben be is nyújtotta a szabadalmat. Ezt az USA szabadalmi hivatala visszautasította, és a Bell Laboratóriumnak ítélte a szabadalmi jogokat. Gould fellebbezett, és hosszas, majd’ harminc évig tartó huzavona után, 1987-re valóban neki ítélték a találmányt.

Az első, működőképes lézert azonban nem ők készítették, hanem Theodore Harold Maiman mutatta be 1960. május 16-án.

Mivel a lézersugárra elsősorban a haditechnikában hajaztak, természetesen a Szovjetunióban is folyt kutatás, és sokáig Nyikolaj Gennagyijevics Baszovnak, illetve Alekszandr Mihajkovics Prohorovnak tulajdonították a lézer létrehozását. Ők ketten Townessel megosztva kaptak Nobel-díjat 1964-ben, a lézer és a mézer megalkotásához vezető kvantum-elektronikai kutatásokért.

Csupán 2010-ben hozták nyilvánosságra azokat a feljegyzéseket, miszerint Leonid Dmitrijevics Hazov és Inna Mihaljovna Belouszova már 1960-ban működtetett egy szovjet lézerberendezést, és elképzelhető, hogy az USA-ban is volt egy korábbi változat, mint amit eddig nyilvánosságra hoztak.

Van még egy fogalom, ami a lézerek működésének megértéséhez szükséges; ennek populációinverzió a neve. Azt gondolhatnád, hogy ilyen elnevezéseket csak romkocsmákban szédelgő, elborult elméjű bölcsészek találhatnak ki, de nem, ez fizikusok agyában született meg, valószínűleg a túlfeszített nemi élet hiánya miatt. Populációinverzió akkor van, ha egy rendszerben (például atom- vagy molekulacsoportban) több részecske van nagyobb energiájú, gerjesztett állapotban, mint kisebb energiájú nem gerjesztett állapotban. S itt visszatérhetünk az indukált emisszióhoz. Kezdetben az atomok az alapállapotból gerjesztett állapotba jutáshoz energiát vesznek fel, ez az úgynevezett pumpálás. (A lézer valóban tiszta szex.) A gerjesztett atomok egy része spontán emisszióval alaphelyzetbe esik vissza, inkoherens fotonokat bocsátva ki. Ezeket a fotonokat visszavezetik az aktív, gerjesztő közegbe. A fotonok egy részét alapállapotú atomok nyelik el, ezek a lézerhatás számára elvesznek. Néhány foton azonban a gerjesztett atomok indukált emisszióját váltja ki, így újabb koherens foton lép ki. Ez optikai erősítést eredményez. Ha az időegység alatt keletkező újabb (erősítő) fotonok száma nagyobb, mint az elnyelődő fotonoké, akkor a végeredmény folyamatosan növekvő számú foton keletkezése. Ilyenkor azt mondjuk, hogy az aktív közeg erősítése egynél nagyobb.

A lézer működését nagyon egyszerűen úgy képzelheted el, hogy egy kis, belülről tükrökkel borított dobozra gondolsz, amelybe néhány fotont zárunk be. Ezek a részecskék a tükrökbe ütközve, azokról visszaverődve, folyamatosan körbejárják a doboz belsejét. Minden egyes ütközés során egy energiaadag szabadul fel, amely a foton pontos másolata. Minden egyes ütközéssel a fényrészecskék száma nőni fog, amíg az meg nem halad egy kritikus pontot. Ekkor a fotonok átszúrják a doboz falát, és fénysugarat hoznak létre.

A lézerek három fő részből állnak: a lézeraktív, fényerősítő közegből, az optikai rezonátorból és a pumpáló rendszerból.

A lézeraktív közeg halmazállapota lehet gáz, folyadék vagy szilárd, de mindig tartalmaznia kell nagyszámú olyan atomot, iont vagy molekulát, amelynek energiaszint rendszerében létrehozható a populációinverzió. Az optikai rezonátor olyan optikai rendszer, melynek két végén egy-egy tetszőleges görbületi sugarú, a rendszer tengelyére merőleges tükör van, közöttük pedig a lézeraktív közeg helyezkedik el. A tükör lehet sík tükör is. Az egyik tükör teljesen visszaverő (záró tükör), a másik részben áteresztő (nyitó tükör). Ez utóbbin át csatolódik, lép ki a lézerfény.

Az optikai rezonátornak ugyanolyan nyalábmódosító hatása van, mintha a tükrökkel azonos méretű és távolságú nyílássorozaton haladna át a fény. A nyílássorozaton áthaladva, a kezdeti hullámból fokozatosan egyre irányítottabb, rendezettebb térbeli fáziseloszlású hullám alakul ki. Elég sok nyíláson áthaladva, a fénysugár már közelítőleg síkhullámnak tekinthető, csupán a széleken jelentkezik a fényelhajlás miatt némi torzulás, ami az irányítottság tovább fokozódását akadályozza meg. Az optikai rezonátorban pontosan ugyanez a folyamat játszódik le. A kezdeti hullám sajátságaitól függetlenül kialakul benne egy önmagát reprodukáló hullámtér. Az előzőektől annyi az eltérés, hogy ez a hullámeloszlás a rezonátorban lényegében két, egymással szembe haladó síkhullámnak felel meg. Az optikai rezonátor tehát meghatározott irányba koncentrálja a fényt. Miután pumpálással létrejön a populációinverzió, a fényerősítő közeg gerjesztett atomjai a környezettől függetlenül, a tér minden irányába spontán sugározni kezdenek. A nem tengelyirányú fotonok rövid időn belül elhagyják a fényerősítő közeget. A tengely irányában az aktív közeg mérete általában lényegesen nagyobb a keresztirányú méreteknél, így a tengely irányában spontán kisugárzott fotonok a többi gerjesztett atom indukált emissziója révén további fotonokat keltenek, a tengelyirányú sugárzás erősödik.

Minél több foton van a rezonátorban, annál több új foton keletkezik. Az erősödés mértéke a gerjesztett atomok számától és a közeget alkotó atomok tulajdonságától függ. A tükrökről visszaverődve, a tengelyirányú fénysugár ismét a közegbe kerül, amelyen áthaladva tovább erősödik. Így egy kezdeti, elemi spontán kisugárzott hullám energiája az ismételt áthaladások során exponenciálisan nő. Szép egyenletek írják le ezt a folyamatot, de a lényeg, hogy a növekedés gyorsul. Természetesen nem tart a végtelenségig – ahogy nő a fényhullám intenzitása, erőssége, úgy csökken a közeg erősítő képessége, s rövid idő alatt beáll az egyensúly. A folyamatosan újból keletkező, gerjesztett atomok indukált emissziója éppen pótolja a lézerből kilépő sugárzás miatti és az egyéb okokból keletkező veszteségeket, és állandósult, külföldiül stacionárius lesz működés. Attól függően, hogy a populációinverzió csak rövid ideig vagy folyamatosan tartható-e fent, léteznek impulzus lézerek, kvázi-folytonos lézerek és folytonos lézerek.

A rezonátornak más szerepe is van. Ahhoz, hogy az optikai rezonátorban levő hullámok fázishelyesen csatolódjanak vissza, az szükséges, hogy a hullám fázisa egy teljes körfolyamat után azonos maradjon. Ez akkor teljesül, ha a két tükör távolsága a hullámhossz felének egész számú többszöröse. A rezonancia feltétel, az állóhullámok kialakulása nyilván nem lep meg téged, hiszen erről a sorozat több, korábbi részében is volt szó.

A lézer hullámhossza függ a rezonátor méreteitől és a működésben részt vevő átmenetek energiaszintjeinek különbségétől. Megfigyelhetted, hogy általában nem a lézersugár frekvenciáját, hanem a hullámhosszát adják meg, mert az optikával foglalkozók számára ez a természetes. Ma már a 110 nm és a 37 µm közötti tartományban, tehát az ultraibolyától az infravörösig sugárzó lézerberendezés készíthető.

A lézersugárzás spektruma ideális esetben egyetlen vonalból áll, melynek szélessége, a sávszélesség, igen kicsiny, azaz a lézerek nagy többsége egyszínű fényt bocsát ki. Ez annak tulajdonítható, hogy az indukált emisszió azonos hullámhosszú és energiájú fotonokat „állít elő”. Ez azonban csak elvileg igaz. Mint minden rezgéskeltőnek, így a lézersugarat előállító szerkezeteknek is ingadoznak a paraméterei, például a hőmérséklet függvényében. Ha sikerülne tényleg csak egyetlen frekvencián sugárzó lézerberendezést készíteni, akkor kiderülne, hogy a természet egészen másképp működik, mint ahogy eddig gondoltuk. A lézerek többségének sugárnyalábja párhuzamos, azaz a nyalábátmérő a lézertől messzebb sem haladja meg jelentősen a kilépési értéket. Ez a rezonátor hatásának egyik következménye. A divergenciát, vagyis a széttartást a sugárnyaláb nyílásszögének mértékével szokták jellemezni. Minél nagyobb a rezonátor hossza és minél több fényt vernek vissza a rezonátor tükrei, annál kisebb a divergencia. Míg egy 1 m-es hélium-neon lézer divergenciája kb. 0,05°, addig egy diódalézernek, amelynek rezonátorhossza kb. 100 μm, a széttartás elérheti a 45°-ot is. Ez az egyik oka annak, hogy a digitális optikai lemezrendszerekben fókuszáló lencséket kell használni. A kimenő teljesítmény nagyságát meghatározza a lézerátmenet, a gerjesztés módja és erőssége, a fényerősítő közeg térbeli paraméterei, az erősítési tényező, a rezonátor elemek tulajdonságai, tehát a lézerrendszer szinte minden fontosabb jellemzője.

A lézerek között egyaránt találhatunk gáz, folyadék és szilárd halmazállapotú aktív közegekre épülő rendszereket.

A szórakoztatóelektronikában elsőként festéklézereket használtak, még a CD megjelenése előtt. A lézeranyag szerves festékoldat. A festéket külső forrással gerjesztik. A festékanyag kémiai összetételének apró változtatásával vagy a festékek különlegesen széles abszorbciós és emissziós spektrumát kihasználva, a rezonátorba helyezett optikai eszközök segítségével gyakorlatilag bármilyen hullámhosszú (színű) lézersugár előállítható. Festéklézereket használnak a lézershow-khoz. Hazánkban elsőként az Omega együttes virított lézerrel kb. fél évszázaddal ezelőtt, és a budapesti planetáriumban volt lézerszínház.

Az alábbi felvétel a chicagoi Adler planetáriumban készült.

A CD-játszók első generációjában a gázlézerek egyik változatát, a hélium-neon lézereket használták. Ezek ún. semleges atom lézerek, amelyekből a fényt szobahőmérsékleten is gáz halmazállapotú atomok bocsátják ki. A hélium-neon lézerben a hélium/neon arány 7:1 - 10:1, a nyomás néhány 100 pascal (a levegőnél kisebb). A lézerátmenetet a neonatomok biztosítják, a hélium csak segédanyag.

A hélium-neon lézer a mérete miatt (a legkisebb is kb. 15 cm hosszú) csak átmeneti megoldás volt a digitális optikai lemezrendszerekben. A modern CD, DVD, Blu-ray játszókban és írókban kivétel nélkül félvezető dióda lézereket, lézerdiódákat használnak.

Annak ellenére, hogy a lézerdiódák első, demonstrációs példányai már a lézerek felfedezését követően néhány évvel, 1962-ben elkészültek, a félvezető technika jelentős fejlődésére volt szükség ahhoz, hogy ezen eszközök megbízhatóvá, hosszú élettartamúvá, olcsón előállíthatóvá, és ezáltal gyakorlatilag mindennapi életünk részeivé váljanak. A fénykibocsátás egy félvezető kristályban létrehozott pn átmenetben nyitó irányú feszültség hatására megy végbe, az elektron-lyuk rekombináció során (lásd a sorozat 104-107. részét).

A populációinverzió kialakulása nagy áramsűrűséget, kb. 105 A/cm²-t igényel. Emiatt a lézeraktív közeget kis méretűre kell készíteni: a pn-átmenet vastagsága 1-5 μm, a hossza (a nyitott felületre merőlegesen) 100-1000 μm, a fénykibocsátó (nyitott) felület szélessége kb. 100-200 μm. A félvezetők nagy törésmutatója miatt a kristály-levegő határfelületen nagy a reflexió (30-40 %), ezért elvileg nincs szükség külön tükrökre a rezonátorhoz, a tükröző felületeket általában polírozással alakítják ki. A kis méretű, vonalszerű sugárzó felület miatt a lézernyaláb nagyon széttartó, a divergencia szöge általában nagymértékben különbözik az átmenettel párhuzamos (akár 45°) és merőleges irányban (5-10°). A lézersugarak párhuzamosításához ún. optikai kollimátor rendszert használnak. A párhuzamos nyaláb azért valójában nem teljesen párhuzamos, hiszen a valóságban pontszerű fényforrás nem létezik, az optikai lencsék sem hibátlanok, ezért kollimált nyaláb mindig valamelyest széttartó.

A lézersugár hullámhosszát befolyásolja az aktív zóna hőmérséklete, ezért sok esetben szükséges lehet a hőmérséklet stabilizálására, bár ez a lejátszó készülékekben ritka. Különböző optikai módszerekkel a stabilitás tovább javítható, azonban ezen módszerek nagyságrendileg is megnövelhetik az amúgy jellemzően olcsónak számító, néhány száz, esetleg pár ezer forintot kóstáló lézerdiódák árát.

Míg az első, infravörös lézerdiódák gallium-arzenid (GaAs) kristályon alapultak, napjainkban a félvezetők széles skáláját alkalmazzák, amelyek az alumínium, a gallium, az indium, a szilícium, a nitrogén, a foszfor, az arzén és az antimon különböző keverékein alapulnak. A komponensek változtatásával ezen fényforrások színe az ultraibolyától az infravörösig szinte bármilyen lehet.

A lézerdióda (LD) kimenő teljesítményének vezérléséhez gyakran fotodiódát (PD) használnak, a két dióda ugyanabban a tokban van.

A három kivezetés közül az egyik a lézerdióda katódja, a középső közös (com, common), tehát a lézerdióda anódja és a fotodióda katódja, a harmadik a fotodióda anódja. A lézerdióda előfeszítése és a fotodióda előfeszítése ellentétes.

Ha még nem veszítetted el a fonalat, előzetesként megmutatom, hogy egy CD-játszó optikai rendszere mennyire összetett.