Il principio di funzionamento del laser si basa sull’emissione stimolata.
Si tratta di un fenomeno puramente quantistico. In maniera semplificata
la situazione è questa: gli atomi possono “esistere” in due (o più)
stati, ognuno caratterizzato dalla sua energia. Possiamo dire che lo stato
di più bassa energia è quello in cui tutti gli elettroni
dell’atomo si trovano nelle loro orbite fondamentali, mente gli stati a
più alta energia (detti eccitati) sono quegli stati
in cui gli elettroni si trovano su orbite più ampie, e quindi sono
più lontani dal nucleo.
In realtà questa descrizione non ha senso, poichè gli
elettroni non possono essere descritti come particelle in grado di percorrere
un orbita, ma approfondire questo aspetto ci porterebbe lontano. Basti
sapere che questa descrizione è utile per avere un’idea di quello
che accade, ma le cose non vanno esattamente così.
In condizioni normali gli atomi sono nello stato fondamentale e non
succede niente. Se la temperatura non è troppo bassa può
esserci un piccolo numero di atomi nello stato eccitato. Quando si accende
il laser si attivano alcuni fenomeni che creano l’inversione
di popolazione ovverosia fanno sì che la maggior parte degli
atomi si venga a trovare nello stato eccitato, mentre nello stato fondamentale
ne restano pochissimi.
Alcuni atomi spontaneamente tendono a decadere nello
stato fondamentale, emettendo luce. Tale luce incide sugli altri atomi
e li induce (per emissione stimolata) a decadere nello stato fondamentale,
emettendo ancora altra luce (e così via con una reazione positiva).
Gli atomi che decadono nello stato fondamentale vengono portati nuovamente
nello stato eccitato, con modalità diverse a seconda del tipo di
laser, che è ininfluente agli scopi di questa discussione.
L’operazione con cui si realizza l’inversione di popolazione,
ovverosia l’aumento notevole del numero di atomi eccitati, è comunemente detta pompaggio.