Принцип работы лазера

«Лазер - это устройство, в котором энергия, например тепловая, химическая, электрическая, преобразуется в энергию электромагнитного поля - лазерный луч. При таком преобразовании часть энергии неизбежно теряется, но важно то, что полученная в результате лазерная энергия обладает более высоким качеством. Качество лазерной энергии определяется её высокой концентрацией и возможностью передачи на значительное расстояние. Лазерный луч можно сфокусировать в крохотное пятнышко диаметром порядка длины световой волны и получить плотность энергии, превышающую уже на сегодняшний день плотность энергии ядерного взрыва. С помощью лазерного излучения уже удалось достичь самых высоких значений температуры, давления, магнитной индукции. Наконец, лазерный луч является самым ёмким носителем информации и в этой роли - принципиально новым средством её передачи и обработки».

Индуцированное излучение. В 1917 г. Эйнштейн предсказал возможность так называемого индуцированного (вынужденного) излучения света атомами. Под индуцированным излучением понимается излучение возбужденных атомов под действием падающего на них света. Замечательной особенностью этого излучения является то, что возникшая при индуцированном излучении световая волна не отличается от волны, падающей на атом, ни частотой, ни фазой, ни поляризацией.

На языке квантовой теории вынужденное излучение означает переход атома из высшего энергетического состояния в низшее, но не самопроизвольно, как при обычном излучении, а под влиянием внешнего воздействия.

Принцип работы и устройство лазеров

Сталкиваясь с микросистемой, квант света возбуждает атомы и молекулы, отдавая им свою энергию. Наиболее сильное (резонансное) взаимодействие происходит тогда, когда частота колебаний кванта света совпадает с одной из собственных частот колебаний электронов микросистемы. При этом атомы и молекулы, находясь в возбужденном состоянии, становятся вторичными излучателями квантов.

Лазерное излучение характеризуется следующими особенностями:

1. узконаправленностью, которая обусловлена тем, что испускаются лишь волны, многократно отраженные от стенок резонатора и не испытавшие существенного отклонения от оптической оси:
2. монохроматичностью (степенью близости колебаний к идеальным колебаниям), которая обусловлена тем, что выходное излучение является следствием резонансного процесса, связанного с переходом частиц с одного какого-либо энергетического уровня;
3. значительной выходной мощностью, т.к. в излучении участвует практически одновременно большое количество возбужденных частиц, а совпадение фаз отдельных колебаний приводит к значительному увеличению амплитуды выходной волны;
4. когерентностью пространственной (понятие, характеризующее постоянство или изменение по определенному закону основных характеристик волны –амплитуды, частоты, фазы, поляризации - в пространстве) поскольку все волновые фронты плоские и перпендикулярны направлению распределения волн;
5. когерентностью временной, поскольку излучение монохроматично и имеется строгое фазовое соответствие между волнами, испускаемыми в разные интервалы времени.

Слово «лазер» относится как к устройству, так и к физическому эффекту. Лазер — это аббревиатура, которая расшифровывается как «Усиление света посредством вынужденного излучения».

В зависимости от выбора этих отдельных компонентов существуют различные типы лазеров, которые отличаются по достижимой мощности и частотным характеристикам.

Устройство лазера

Обобщенный лазер состоит из лазерной активной среды, системы «накачки» - источника напряжения и оптического резонатора.

Система накачки передает энергию атомам или молекулам лазерной среды, давая им возможность перейти в возбужденное «метастабильное состояние» создавая инверсию населенности.

Химические системы накачки используют энергию связи, высвобождаемую в результате химических реакций для перехода лазерного вещества в метастабильное состояние.

Лазерная среда (генерирующий материал) – обычно лазеры обозначаются по типу используемого лазерного вещества. Существуют четыре таких типа:

• твердое вещество,
• газ,
• краситель,
• полупроводник.

Твердотельные лазеры используют лазерное вещество, распределенное в твердой матрице. Твердотельные лазеры занимают уникальное место в развитии лазеров. Первой рабочей лазерной средой был кристалл розового рубина (сапфировый кристалл, легированный хромом); с тех пор термин «твердотельный лазер» обычно используется для описания лазера, у которого активной средой является кристалл, легированный примесями ионов. Твердотельные лазеры – это большие, простые в обслуживании устройства, способные генерировать энергию высокой мощности. Наиболее замечательной стороной твердотельных лазеров является то, что выходная мощность обычно не постоянна, а состоит из большого числа отдельных пиков мощности.

1) Зуев В.Е. Роль лазеров в исследовании атмосферы и океана // Наука в России №3, 2019.

2) Кавецкий Р.Е., Чудаков В.Г. Лазеры в биологии и медицине, 2019.

3) Лазерная техника сегодня и завтра // Наука и жизнь №6, 2022.

4) Лазерная технология: подписная научно-популярная серия Техника №3/сост. Н.Н. Рыкалин, А.А. Углов, 2018.

5) Матвеев А.Н. Лазеры в общем физическом практикуме, 2017.