Лазеры - это генераторы и усилители когерентного излучения в
оптическом диапазоне, действие которых основано на
индуцированном (вызванном полем световой волны) излучении
квантовых систем - атомов, ионов, молекул, находящихся в
состояниях, отличных от термодинамического равновесия.
Принципиальным отличием лазеров от всех других источников света
(тепловых, газоразрядных и др.), представляющих собой, по сути,
источники оптического шума. Появление лазеров произвело
революцию в оптике: появились не существовавшие до этого мощные
источники когерентного излучения с высокой направленностью,
яркостью, способные концентрировать громадную энергию в
чрезвычайно малых спектральных, временных и пространственных
интервалах.
История
Возникновение вынужденного излучения (то есть, собственно,
лазера) было предсказано еще в 1916 году Энштейном. В 1954 году
советские ученые Н. Г. Басов и А. М. Прохоров вместе с
американским физиком Ч. Тауэрсом предложили использовать
вынужденное излучение для генерации и усиления электромагнитных
волн. За свои разработки они были удостоены в 1964 году
Нобелевской премии. Был создан мазер-генератор, в котором
возбужденные молекулы давали излучение. Термин мазер - это
аббревиатура целого предложения: Microwave Amplification
Stimulated Emission of radiation, что переводится как «усиление
микроволн при помощи индуцированного излучения».
В конце 1960 года был изобретен первый лазер - Т. Мейман сделал
рубиновый аппарат, излучающий в импульсном режиме красный свет.
В начале 1961 года появился неоновый лазер (автор А. Джаван,
США).
Термин «лазер» - аббревиатура «Light Microwave Amplification
Stimulated Emission of radiation». В переводе это означает
«усиление света вынужденным излучением».
Устройство
В состоянии теплового равновесия атомы стремятся перейти в
состояние с наименьшей энергией, поэтому атомная система
поглощает свет. Если поддерживать возбуждение атомов вследствие
его взаимодействия с магнитным полем или пучком заряженных
частиц, то интенсивность света увеличивается. Но для обеспечения
постоянного действия необходимо поддерживать обратную связь, при
котором происходит постоянный поток вынужденного излучения. В
оптической среде эта взаимосвязь обеспечивается двумя зеркалами,
между которыми и образуется активная среда.
Таким образом, лазеры состоят из трех элементов: активная среда,
устройство для создания инверсии и элемент обратной связи.
Центральная часть - это стержень, который сделан из прочного
вещества. Например, часто применяются кристаллы рубина. Стержень
имеет плоскую поверхность, сверху покрыт тонкой пленкой серебра,
которое играет роль зеркала.
Используя внешний источник света, генератор переводит часть
атомов в возбужденное состояние. Атомы начинают самопроизвольно
излучать световую энергию. Атомы и поле, которое создается
вокруг них, начинают взаимодействовать. В самых первых лазерах
излучаемая энергия не превышала 1 ДЖ, то есть имела мощность
всего 1 кВт. Сейчас уже удалось получить большую мощность. При
длительности в 20 нс. излучается энергия до 100 Дж, а импульсная
мощность составила 1 млрд. Вт.
Лазер может работать в так называемом «режиме свободных
колебаний». Очевидно, что в этом случае лазер будет работать в
непрерывном режиме, при импульсной накачке - в импульсном.
Достоинством непрерывного режима является то, что в этих
условиях наиболее полно реализуются такие свойства лазеров, как
монохроматичность, когерентность, направленность и низкий
уровень шумов излучения.
В импульсном режиме в активную среду может быть введена
значительно более высокая мощность накачки и, соответственно,
получены большие мощности генерации. Кроме того, в импульсном
режиме за счет переходных процессов может быть получена инверсия
и генерация на таких переходах, где в стационарном режиме
инверсия достигнута быть не может.
Чаще всего габариты лазерной установки внушительны, но это и
понятно - ведь этому аппарату приходится генерировать довольно
большую мощность.
Сейчас создано огромное количество лазеров: твердотельных,
газовых, жидкостных, полупроводниковых и т. д. Все они
применяются в тех или иных областях. Их широко используют в
различных технических процессах (при сварке, плавлении или
закаливании металлов), в медицине, при скоростной фотосъемке,
голографии, спектографии и геодезии.
С появлением лазеров связано и возникновение новых областей
науки
Лазерная химия. При нагревании системы молекул, состоящих из
большого количества атомов, энергия равномерно
перераспределяется по всем атомам. Тем самым можно разрывать
самые прочные связи и осуществлять огромное количество реакций,
которые до появления лазеров просто невозможно было осуществить.
Лазерное излучение позволяет передать точно дозированное
излучение, а также выборочно воздействовать только на
необходимые участки, оставляя другие «замороженными». Новые
методы позволяют исследовать переходные состояния и
многочисленные химические реакции.
Нелинейная оптика - область физики, изучающая явления, которые
возникают при воздействии сильных световых пучков. Сильное
лазерное излучение изменяет оптические характеристики среды.
Особенное развитие получила медицина с использованием лазерной
технологии. Чаще всего, пожалуй, лазерная методика применяется
для операций на глазах или при лечении ишемической болезни
сердца.
