Studiul naturii ondulatorii a luminii cu ajutorul laserului He-Ne

I. Scopul lucrarii

Cercetarea naturii ondulatorii a luminii

Studierea fenomenului de difractie a luminii in doua ipostaze experimentale folosind:

a). flux paralel de radiatie incidenta, caracteristic montajului Fraunhofer;

b). flux de lumina divergent, caracteristic montajului Fresnel

Studierea fenomenului de interferenta a luminii

Observatie importanta privind siguranta de functionare si de utilizare a laserilor! ESTE INTERZISA ILUMINAREA DIRECTA A OCHIULUI CU FASCICUL LASER!

In cadrul experimentelor utilizam o sursa laser cu gaz He-Ne cu putere de radiatie 1 mW avand lungime de unda λ = 632,8 nm, caracterizat cu largime de banda Δλ = 5·10^-4 nm. Intrucat divergenta fasciculului este foarte redusa (valoare θ = 10^-3 radiani), cristalinul ocular cu distanta focala de cca. 1 cm concentreaza fluxul de lumina pe retina ochiului, astfel puterea de 1 mW focalizata pe o arie de determina o densitate de putere luminoasa cca. 1 kW/cm ² O astfel de densitate de putere cauzeaza distrugere iremediabila la suprafata retinei.

Totodata este recomandat sa se evite reflexia fasciculului laser de pe suprafetele puternic reflectante (exemplu oglinzi), care ar orienta fasciculul laser in directia altor persoane din laborator.

Trebuie avut in vedere ca unele surse laseri pot prezenta puteri radiative marite, exemplu laserul cu gaz de CO₂ poate atinge puteri de ordinul kilowattilor. Prin urmare protejarea ochiului uman fata de radiatia laserului este primordiala, folosirea ochelarilor de protectie contra radiatiilor laser este obligatorie, respectiv a mastilor de protectie in situatiile in care personalul poate fi expus accidental la radiatii laser in regim de impulsuri puternice.

II. Fundamente teoretice legate de natura ondulatorie a luminii

II. 1. Studiul fenomenului de difractie

a). Fenomenul de difractie pe o fanta dreptunghiulara

Fenomenul de difractie consta in ocolirea obstacolelor de catre frontul undei de propagare si patrunderea acestuia in regiunile de umbra.

Difractia-Fraunhoffer are loc in cazul dispunerii ecranului de observatie la o distanta mare fata de obiectul investigat care determina difractia. Astfel, in conditii de laborator este indeplinita conditia incidentei fasciculelor paralele, daca are loc relatia >> l, unde d este dimensiunea lineara a obiectului care determina difractia (exemplu latimea fantei dreptunghiulare, sau diametrul orificiului circular, etc.), iar l este distanta dintre ecranul de observatie si obiect.

Daca sursa de lumina punctiforma I este dispusa in punctul focar al unei lentile convergente C (numita lentila condensoare), fasciculul de lumina divergent se transforma intr-un fascicul paralel al carui front de unda este paralel pe suprafata ecaranului cu fanta dreptunghiulara F. Difractia radiatiei pe deschiderea fantei va determina diferite directii unghiulare α pentru care frontul undei difractate contribuie constructiv la formarea maximelor de intensitate. Observarea figurii de difractie pe un ecran E paralel cu planul fantei necesita folosirea unei lentile convergente de proiectie L

Fig. 1. Schita dispozitivului experimental pentru observarea fenomenului de difractie-Fraunhoffer in cazul incidentei normale a frontului de unda

In aceste conditii este valabila relatia matematica a difractiei, care descrie dispunerea directiilor unghiulare corespunzatoare maximelor de difractie:

Difractia pe o deschidere tip fanta de grosime a uniform iluminata cu un flux monocromatic, determina formarea unor maxime si minime de intensitati. In cazul iluminarii fantei cu radiatia avand frontul de unda plan paralel cu suprafata fantei, distributia intensitatii luminoase pe ecranul de observatie este descrisa de ecuatia:

unde este data de relatia

Intensitatea maxima se observa pentru acele distante liniare x_i masurate in planul ecranului fata de centrul de observare a maximului central, care satisfac relatia:

,

unde k este un numar intreg diferit de zero. Maximul central se obtine pentru valoarea k = 0, iar pozitia si intensitatea relativa a maximelor respectiv minimelor de difractie pentru diferite ordine sunt mentionate in tabelul 1.

Tabel 1. Pozitia si intensitatea relativa a maximelor respectiv minimelor de difractie pentru primele trei ordine

Distributia intensitatii luminoase in planul de observatie, pentru cazul incidentei normale a frontului de unda, este descrisa de relatia:

in care care este lungimea de unda a radiatiei monocromatice.

In aceasta relatie termenul din prima paranteza exprima intensitatea radiatiei difractate in cazul unei fante de deschidere a, iar termenul din paranteza a doua corespunde distributiei de intensitate determinata de interferenta a N surse coerente distantate unele de altele la valoarea d

Din analiza acestei relatii se poate observa ca pentru unghiurile de difractie termenul al doilea are valoarea maxima egala cu N². Aceste maxime corespunzatoare unghiurilor se numesc maxime principale. Intre maximele principale se gasesc in general (N-2) maxime secundare, intrucat in acest interval termenul are N -2 valori maxime.

Intensitatea maximelor secundare este mult mai mica decat intensitatea maximelor principale.

b) Difractia produsa pe o deschidere circulara

In cazul difractiei produse pe o deschidere circulara de raza r se pot observa franje de difractie circulare, asanumitele figuri-Airy. Pe ecranul de observatie se identifica o variatie de intensitate prezentata pe figura 2, descrisa de functiile Bessel,. Tabelul 2 contine pozitiile respectiv intensitatea relativa a catorva maxime si minime corespunzatoare primelor inele.

Tabelul 2. Distributia pozitiilor respectiv intensitatea relativa a catorva maxime si minime corespunzatoare primelor franje.

c). Studiul difractiei in cazul retelei optice

Reteaua optica de difractie este o suprafata optica plana sau curba gravata riguros cu caneluri liniare, paralele si echidistante pe suportul optic al retelei. Reteaua este caracterizata prin constanta d de retea, care reprezinta perioada distantei canelurilor trasate, largimea zonei libere a, respectiv numarul de trasaturi N realizate pe unitatea de lungime a retelei: Cand constanta d a retelei este mult mai mica decat lungimea de unda a radiatiei luminoase, reteaua de difractie actioneaza ca o oglinda. Zonele libere negravate ale retelei se comporta conform principiului-Fresnel drept surse elementare coerente de radiatii secundare. Radiatiile incidente cu frontul de unda paralel cu suprafata retelei, se propaga in regiunea din spatele ecranului ca niste unde sferice avand originea in punctele zonei transparente. Suprapunere constructiva a radiatiilor determina directii unghiulare pentru care rezultanta compunerii prezinta maxime de intensitate. Puncte ale ecranului de observatie, pentru care diferenta de drum optic al radiatiilor provenite din doua puncte vecine ele zonelor transparente ale retelei corespunde conditiei:

unde k= 0, ±1, ±2, ±3, ±., vor determina locuri cu iluminare maxima. Acestea vor fi niste franje paralele intunecoase si luminoase colorate in nuanta radiatiei monocromatice, avand orientarea liniilor gravate.

In situatia cand frontul undei incidente nu este paralel cu planul retelei si formeaza un unghi β arbitrar, reteaua optica se va comporta ca si o retea avand constanta corespunzatoare incidentei normale a radiatiei. Aceasta afirmatie este valabila pentru conditiile in care unghiul de incidenta satisface relatia:

>>

In situatia cand fluxul incident de lumina are o directie fata de normala planului fantei si observarea maximelor de difractie se executa pentru ditrectii unghiulare de vizare (figura 2), avem relatia:

Fig. 2. Difractia Fraunhoffer pentru cazul frontului de unda cu incidenta oblica pe suprafata retelei de difractie

Retelele de difractie sunt frecvent utilizate in aparatele spectrale (monocromatoare si spectrofotometre, etc.) unde indeplinesc rolul elementului dispersiv. Sunt uzuale retele optice plane si retele optice concave in functie de forma suprafetei optice pe care se realizeaza trasaturile. Retelele optice se pot realiza si pe suprafete metalice prin gravarea acesteia, obtinandu-se rfetele de difractie care functioneaza prin reflexie (fig. 3). NU SE ADMITE ATINGEREA CU MANA A ARIEI TRASATE A RETELEI OPTICE! Amprentele se imprima si modifica calitatile retelei de difractie.

Fig. 3. Reteaua de difractie cu functionare prin reflexie

Sa analizam schema retelei de deifractie cu reflexie! Fie unghiul de incidenta pe reteaua fata de normala la planul retelei si unghiul de difractie. In urma difractiei razele paralele de lumina difractate 1´, 2´, 3´, avand frontul de unda perpendicular pe directia de propagare a fasciculelor, se intorc in mediul de incidenta. Daca diferenta de drup optic corespunzatoare la doua raze de lumina incidente consecutive (exemplu razele1 si 2) este egala cu , diferenta de drum optic corespunzatoare la doua raze de lumina consecutive reflectate (exemplu 1´si 2´,) este egala cu . In relatie - este unghiul de difractie a luminii.

Prin urmare, diferenta de drum optic corespunzatoare la doua raze de lumina consecutive este data de relatia

In situatia in care undele luminoase reflectate sunt in faza, interferenta lor este constructiva:

are loc o amplificare a intensitatii de iluminare a suprafetei.

In cazul interferentei destructive, care se produce daca diferenta de drum optic satisface relatia , are loc o diminuare a intensitatii de iluminare, unde .

Pentru , valoarea unghiului de difractie , corespunzator unui anumit ordin de interferenta este functie de lungimea de unda . Reteaua de difractie formeaza spectrul de difractie al luminii incidente, diferitele lungimi de unde fiind difractate sub unghiurile diferite, dand un spectru direct al radiatiei incidente.

Diferentiind ecuatia retelei optice , adica evaluand variatia unghiului de difractie functie de lungimea de unda a radiatiei incidente, obtinem expresia:

,

care defineste dispersia unghiulara a retelei optice

Teoretic apare limita maxima a dispersiei pentru unghiul de difractie maxim si valoare minima a constantei de retea, insa sunt limitari intrucat distanta d nu poate fi prea mica in raport cu lungimea de unda a luminii (pentru reteaua optica se comporta ca o oglinda, mai mult reflectand lumina decat sa o disperseze!).

Pentru cresterea puterii de rezolvare, se lucreaza cu spectre de ordine superioare, sub unghiuri mai mici de observare.

In cazul retelelor de difractie transparente, numarul maxim de trasaturi este limitat de faptul ca, pe masura ce se apropie de unghiul al profilului trasaturilor, tot mai multa lumina se pierde prin reflexie interna.

Puterea de rezolvare (sau puterea de separare) este definita prin relatia lui Rayleigh, care exprima capacitatea retelei de difractie de a separa doua linii adiacente din spectru:

unde este puterea de rezolutie, numarul total de trasaturi, constanta retelei, lungimea de unda a radiatiilor incidente, unghiul de incidenta, unghiul de difractie.

Valoarea maxima a puterii de rezolutie este determinata de faptul ca faptul ca suma are valoarea maxima limita 2.

Distributia luminii in diferite ordine ale retelei de difractie depinde de profilul microscopic al trasaturilor, fiin caracterizat prin unghiul de profil. Reamintim ca unghiul de difractie este definit fata de normala planului retelei, in timp ce unghiul de reflexie este masurat fata de normala suprafetei trasaturii.

II: 2. Studiul fenomenului de interferenta

a). Dispozitivul lui Young

Fenomenul de interferenta a undelor electromagnetice inseamna compunerea undelor coerente si formarea unui tablou de maxime si minime a intensitatii rezultante in functie de diferenta de faza a undelor componente.

Thomas Young (1801) a demonstrat caracterul ondulatorie a radiatiei optice. El a folosit un ecran prevazut cu o deschidere S sub forma de fanta ingusta dreptunghiulara, care este iluminat cu o radiatie monocromatica a unei unde plane (figura 3). In spatele primului ecran a fost dispus un al doilea ecran prevazut cu doua fante parelele S₁ si S₂ foarte inguste. Frontul semicilindric al undei de lumina, originar din sursa liniara S ilumineaza fantele S₁ si S₂ si se propaga in directia ecranului de observatie sub forma undelor semicilindrice.

Patrunderea fluxului de lumina in zona de penumbra a fost explicata prin teoria ondulatorie a lui Huygens, conform careia fiecare punct al frontului de unda devine o noua sursa de oscilatie pentru unde secundare si prin suprapunerea undelor secundare se formeaza frontul undei difractate. Principiul Huygens da o explicatie buna in cazul difractiei pe obstacole cu dimensiuni comparabile cu lungimea de unda a radiatiei.

Fig. 3. Schema dispozitivului lui Young pentru demonstrarea interferentei (a),

si tabloul de interferenta a luminii in cazul fantelor dreptunghiulare (b)

La compunerea radiatiilor coerente, diferenta de faza este determinata de diferenta drumurilor optice ale celor doua raze. Intensitatea radiatiei pe ecranul de observatie se poate evalua din considerentul ca, undele provenite de la cele doua surse S₁ si S₂ parcurg distantele inegale S₁P respectiv S₂P.

Daca undele intalnite in timp si in spatiu sunt in concordanta de faza sau prezinta un multiplu intreg de pentru diferenta de faza a oscilatiilor componente, obtinem maxime de intensitate.

Intrucat intensitatea se poate exprima prin patratul amplitudinii rezultante, avem:

Fig. 4. Exprimarea diferentei de drum in experienta lui Young cu doua fascicule: S- sursa monocromatica, L- lentila convergenta de focalizare, S₁, S₂ - fante paralele, avand rol de surse coerente secundare, E - ecran de observatie a figurii de interferenta

Conform figurii 4 diferenta de drum pentru un punct arbitrar P de pe ecranul de observatie se poate exprima prin aplicarea aproximatiilor valabile in cazul unghiurilor mici: , . In expresia precedenta x semnifica distanta liniara in planul ecranului de observatie a punctului P fata de punctul P₀. Prin inlocuirea diferentei de drum in expresia intensitatii constatam ca valoarea maxima a acesteia este de 4a² franja luminoasa), adica maxim obtinem pentru cazul cand valoarea diferentei de faza este un numar intreg de 2. Aceasta conditie se obtine daca diferenta de drum este sau locul punctelor de intensitate maxima .

Valoarea minimului de intensitate (franja intunecoasa) se obtine daca diferenta de faza este un numar impar de , adica in acele puncte pentru care diferenta de drum este , respectiv coordonata punctelor de minim fata de centrul figurii de interferenta este: . In expresile anterioare constanta k ,. este un numar intreg, care specifica ordinul maximelor sau minimelor de interferenta.

Valoarea interfranjei reprezinta distanta dintre franjele vecine de acelasi tip, se poate evalua din cele de mai sus ca interfranja este direct proportionala cu lungimea de unda a radiatiei si cu distanta D dintre planul surselor coerente si planul ecranului de observatie, respectiv invers proportionala cu distanta liniara d dintre fante.

c). Difractia luminii pe o fanta-orificiu tip Fresnel

Conform principiului Huygens-Fresnel fiecare punct al frontului de unda emis de o sursa punctiforma I se comporta ca o noua sursa pentru emisia undelor sferice elementare, iar interferenta radiatiilor acestor surse elementare coerente determina intr-un punct B de observatie efectul rezultant al radiatiei (figura 5).

Fig. 5. Schita divizarii frontului de unda in zone inelare Fresnel

Sa consideram frontul de unda sferic al radiatiei monocromatice de lungime de unda emisa de sursa punctiforma I, frontul undei limitam prin deschiderea circulara a fantei cu punctele S respectiv D si sa analizam iluminarea unui punct B situat la distanta b fata de varful calotei sferice din deschiderea circulara. Daca desenam niste zone sferice cu centrele in punctul B, astfel ca zonele sferice sa aiba raze egale cu seria valorilor: b, , , .,

astfel, vom delimita din suprafata calotei sferice a frontului de unda zone inelare de raze din ce ince mai mare. Aceste zone inelare sectionate din suprafata frontului de unda alcatuiesc zonele Fresnel, care au proprietatea de a trimite catre punctul de observatie B radiatii in faze diferite. Si anume, zonele vecine determina in punctul B radiatii de faze opuse, a caror amplitudine este proportionala cu aria zonei inelare. Efectul iluminarii in punctul B de observatie este determinat de amplitudinea si faza oscilatiilor componente insumate. De aceea, daca in calea fasciculelor incidente asezam diferite obstacole care obtureaza anumite regiuni din zonele Fresnel, putem modifica contributia zonelor elementare. Prin insumarea amplitudinilor radiatiilor componente se pot realiza diferite situatii:

- In cazul lipsei oricarei obturari efectul de iluminare in punctul de observatie B este egal cu jumatatea valorii iluminarii determinate de prima zona Fresnel. Acest lucru se datoreaza anihilarii radiatiilor provenite din zonele ce determina faze opuse ale radiatiilor. Din aceste motive putem considera radiatia neobturata drept o radiatie rectilinie, "raza de lumina

- Daca deplasam in lungul segmentulu VB o deschidere circulara mica, vom constata aparitia diferitelor stari de iluminari, alternativ luminoase si intunecoase.

- In cazul dispunerii unui disc circular netransparent in calea fasciculului, vom observa permanent in punctul de centru al umbrei circulare o pata luminoasa.

Zonele Fresnel au proprietatea de a focaliza fluxul radiatiei, comportanduse ca o lentila convergenta.

Efectul de focalizare a zonelor Fresnel se poate evidentia, daca desenam pe o hartie alba niste cercuri concentrice a caror raze geometrice se succed in seria r; ; ;., . Prin innegrirea fiecarei a doua zona inelara astfel formata si micsorand prin fotografierea acestei figuri, pe negativul astfel obtinut vom avea zonele Fresnel, adica obtinem asanumita placa zonala Fresnel. Aceasta placa se va comporta ca o lentila convergenta cu distante focale multiple. Distanta focala principala este determinata de relatia: , iar distantele focale secundare sunt localizate in raport cu distanta focala principala la distantele , unde n

III. Procedeul experimental

III.1. Determinarea latimii fantei

a). Se fixeaza pe bancul optic sursa de radiatie laser in asa fel ca fasciculul de radiatie emis sa fie orientat paralel cu axa bancului optic.

b). Se fixeaza cu ajutorul unui calaret pe bancul optic fanta care permite reglajul fin al deschiderii atat in directia verticalei ca si in directia orizontalei.

c). Ecranul de observatie sa fie dispus perpendicular pe directia fasciculului incident.

d). Sa se dispuna fanta fata de sursa laser la o distanta adecvata (aproximativ 1 m), astfel incat pe ecranul de observatie sa poata masura cat mai précis pozitiile maximelor de difractie.

e). Sa se determine latimea fantei prin masurarea distantei minimelor situate simetric fata de pozitia maximului central (maximul de ordinul 0). Pentru cresterea preciziei determinarilor sa se repete masuratorile pentru pozitiile minimelor de ordin superior, situate la distante mai mari.

f). Sa se compare valoare latimii fantei determinata pe baza fenomenului de difractie cu valoarea

reala.

III.2. Studiul difractiei luminii in cazul fantei dreptunghiulare

a). Sa se aseze fanta dreptunghiulara in calea fasciculului laser si sa se deseneze figura de difractie observata.

b). Sa se determine dimensiunile fantei dreptunghiulare pe baza relatiei prezentate in descrierea teoretica a referatului.

III.3. Studiul difractiei luminii in cazul retelei reticulare

a). Sa se aseze in calea fasciculului laser reteaua reticulara.

b). Sa se deseneze tabloul figurii de difractie si sa se interpreteze rezultatele observate.

III.4. Studiul figurii de difractie in cazul orificiului circular

a). Sa se aseze in calea fasciculului laser la o distanta de cca. 100 cm ecranul care este prevazut cu orificiul circular de raza R = 100 microni.

b). Sa verifice prin calcule ca razele inelelor de difractie observate de Airy pentru primele trei minime respectiv maxime de difractie sunt conforme cu relatia teoretica prezentata in partea teoretica: , unde valorile lui A pentru diferite maximele respectiv minime de difractie sunt date in tabel:

c). Sa se evalueze abaterea relativa dintre valorile masurate si cele calculate.

d). Cu ajutorul valorilor lui A date in tabelul de mai sus si a figurii de difractie observate sa se determine raza orificiului circular cu care s-a obtinut tabloul de difractie.

III.5. Sa se studieze fenomenul de interferenta cu ajutorul dispozitivului lui Young

a). Sa se dispuna interferometrul Young in calea fasciculului de lumina la o distanta de cca. 1m si sa studieze tabloul de interferenta observat.

b). Pe baza relatiei de calcul definita in partea teoretica a referatului sa se determine distanta dintre fantele verticale ale dispozitivul lui Young

c). Folosind in locul interferometrului Young o retea optica cu trasaturile orientate pe verticala, prin dispunerea acestuia in calea fasciculului laser la o distanta de cca. 0 m, sa se studieze fenomenul de interferenta in situatia cand reteaua este rotitita in jurul axei sale verticale. Sa se discute cele observate.

III.6. Studierea fenomenului de difractie pe baza experimentelor clasice Fresnel

a). Sa se dispuna o lama cu muchii nete in calea fasciculului laser la o distanta de cca. 1 m si sa se studieze pe ecranul de observatie dispus la cca. 2 m de sursa laser forma si natura figurilor de difractie. Pentru o observare mai detailata sa se foloseasca o lentila convergenta cu distanta focala scurta pentru proiectarea pe ecran a franjelor formate in apropierea lamei. Lentila convergenta trebuie dispusa intre obiect si ecran in vecinatatea obiectului (cca. 1 cm de lama) pentru proiectarea imaginilor formate in plane apropiate de obiect. Pentru inceput se prinde pe ecran imaginea obiectului, apoi prin indepartarea lentilei se vor proiecta imaginile planelor din spatele lentilei.

b). Sa se aseze in locul lamei un varf de ac ascutit si sa repete experimentul precedent. Sa se faca constatari si sa se explice cele observate.

c). Sa se repete experimentele prin dispunerea unui orificiu circular de diametru cca. D mm, si sa se faca constatari respectiv sa se explice cele observate si in acest caz.

d). Folosind lama-zonala Fresnel sa se studieze efectul de focalizare a razelor de lumina cu ajutorul lamei-zonale Fresnel. In acest scop sa se aseze pe bancul optic in calea fasciculului laser in pozitie centrata pe acelas ax optic o lentila convergenta, lama-zonala Fresnel si ecranul de observatie. Fasciculul laser se va focaliza cu ajutorul lentilei convergente avand distanta focala scurta, iar pata de lumina formata de lentila se va proiecta cu ajutorul lamei zonale Fresnel pe ecranul de observatie. Prin deplasarea ecranului in diferite pozitii sa se studieze efectul de focalizare a fasciculului determinat de lama zonala Fresnel. Prin identificarea diferitelor imagini clare sa se determine distantele focale ale lamei zonale Fresnel, folosind formula lentilelor.

IV. Concluzii si observatii

Sa se faca o descriere succinta a observatiilor fundamentele legate de fenomenele studiate.

Sa se indice o metoda experimentala pentru determinarea lungimii de unda a unei surse laser!

Lectura suplimentara recomandata

Termenul "Laser" este format din initialele cuvintelor englezesti Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, adica amplificatoare de lumina prin efect de emisie stimulata a radiatiei. Aceste surse de lumina coerente au caracteristicile fundamentale de a fi monocromatice, cu directionalitate deosebita si intensitate foarte mare. Laseri pe baza de semiconductori valorifica efectul tranzitiei la jonctiunea p-n a semiconductorilor de conductie p respectiv n. Ele sunt de dimensiuni reduse si necesita tensiuni reduse pentru excitarea pompajului optic. Frecvent utilizat este laserul semiconductor homo-jonctiune pe baza de galeniura de arseniu (GaAs) dopat cu atomi de zinc sau telur (Te) si germaniu (Ge).

Ideea de baza a amplificatorilor cuantici consta in recunoasterea faptului ca emisia spontana a radiatiei electromagnetice este legata de distributia energetica a atomilor si moleculelor aflate in conditii termodinamice de echilibru. Pentru un sistem de particule N care prezinta doua stari energetice W₁ respectiv W_2, distributia de particule N₁ si N₂ aflate in starile energetice respective urmareste legea exponentiala data de relatia Boltzmann:

unde este constanta lui Boltzmann, este diferenta de energie emisa sau absorbita la tranzitiile dintre nivelele energetice metastabile W₁ si W₂.

Realizarea unei emisii stimulate sau induse necesita obtinerea unei tranzitii simultane pentru un grup mare de atomi aflati intr-o stare energetica excitata. In urma acestei tranzitii coerente fazele de oscilatie ale emisiilor provenite de la diferiti atomi vor fi corelate si dau nastere unui puls de radiatie de mare intensitate. Aceasta situatie este realizabila prin inversarea numarului de atomi existenti in starile energetice respective, astfel sa se realizeze conditia N₂>N₁ pentru termenul pozitiv . Temperatura exprimata din legea lui Boltzmann indica o valoare pozitiva pentru situatia N₂<N₁, conform expresiei:

Insa, prin procesele fortate de absorbtie a fotonilor de catre moleculele mediului activ (proces numit "pompaj optic") se realizeaza conditia N₂>N₁, adica o populare mai mare pentru nivelul energetic superior W₂. Prin urmare apare o "temperatura negativa" a mediului activ, conditie necesara generarii efectului de amplificare cuantica a radiatiei de emisie laser.

In vederea realizarii efectului laser au fost identificate starile metastabile caracteristice pentru diferiti atomi si molecule. Emisia stimulata la tranzitia atomilor din starea excitata metastabila catre starea fundamentala genereaza o amplificare a radiatiei de frecventa determinata.

Primul amplificator cuantic a fost realizat intre anii 1951.1954 de catre C. H. Townes si colaboratorii sai de la Universitatea Columbia (SUA) pentru radiatii de microunde, sub denumirea de "Maser" (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Primul laser optic a fost realizat de T. H. Maiman (1958) avand o cavitate rezonanta construita pe principiul interferometrului Fabry-Perot prevazut cu un mediu activ pentru stimularea emisiei amplificate. In calitate de mediu activ a fost folosit un cristal de rubin (cristal corund transparent crescut din Al₂O₃ dopat cu ioni de crom Cr³⁺ trivalent, Cr₂O₃ dand o nuanta roza a cristalului dopat).