Лазеры

Лазеры

Лазер – оптический квантовый генератор света.  Это самый мощный источник света, созданный искусственно. Физической основой его работы является индуцированное, или вынужденное, излучение.

В фантастическом романе А.Н. Толстого «Гиперболоид инженера Гарина», вышедшем в 1927 г., описан тепловой луч огромной мощности, способный разрушить всё на своём пути. Не правда ли, похоже на описание лазерного луча?

Но аппарат, придуманный автором, представлял собой систему зеркал, в фокусе которых собиралась энергия и направлялась в нужную точку. В действительности же такой мощный луч с помощью оптической системы создать невозможно по многим причинам. Не существует материалов, способных выдержать нереально высокую температуру и отразить почти без потерь тепловой луч. Кроме того, из-за рассеивания в среде радиус действия оптического луча был бы равен всего нескольким метрам.

Возможно, первый лазер, созданный в 1960 г., внешне и напоминал фантастический гиперболоид, но на этом их сходство и заканчивалось, так как в основу работы лазера положен совсем иной физический принцип.

Лазерное излучение

Лазеры 

Лазерное излучение

Что же представляет собой лазерное излучение?

Лучи обычного света расходятся от источника во всех направлениях. Кроме того, они состоят из волн различной длины. Лазерный луч – узкий световой пучок большой мощности. Все его лучи движутся в одном направлении и имеют одинаковую длину волны.

Согласно теории Бора только в стационарных, или стабильных, состояниях атом может находиться достаточно долго. А находясь в возбуждённом состоянии, он стремится избавиться от избыточной энергии и перейти на стабильный, более низкий энергетический уровень. Постороннего воздействия для этого не требуется. Переход происходит самопроизвольно. При этом испускается квант энергии. Такое излучение называют спонтанным.

Но атом можно заставить совершить такой переход, воздействуя на него внешним электромагнитным полем. Если возбуждённый атом сталкивается с пролетающим мимо фотоном, и энергия этого фотона равна энергии, которую излучает сам атом при самопроизвольном переходе, то такой атом переходит в стабильное состояние. При этом он излучает ещё один абсолютно идентичный фотон, имеющий такую же частоту и направление. Сталкиваясь с другими возбуждёнными атомами, эта пара фотонов вызовет появление двух новых фотонов. Таким образом, их станет уже четыре, затем восемь, шестнадцать и т.д. Возникнет лавина фотонов-близнецов, неотличимых от исходного, и летящих в одном направлении. Такое излучение называется индуцированным, или вынужденным. Его существование было предсказано Альбертом Эйнштейном ещё в 1916 г. Индуцированное излучение и лежит в основе работы лазера.

Как устроен лазер

Лазеры

Рубиновый лазер

"Усиление света посредством вынужденного излучения", - так переводится с английского на русский словосочетание «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation», из начальных букв которого и составлено слово «лазер».

Лазер – сложное устройство. Он состоит из трёх частей: активной, или рабочей, среды, системы накачки и оптического резонатора.

Активная среда

Лазеры

Схема устройства простейшего лазера

Что происходит с атомами вещества под воздействием света?

Здесь возможны 3 варианта.

Атом, находящийся в стабильном состоянии Е1 поглощает фотон и переходит в возбуждённое состояние Е2.

Лазеры

Атом из возбуждённого состояния Е2 самопроизвольно переходит в стабильное состояние Е1, излучив при этом фотон.

Лазеры

Столкнувшись с внешним фотоном, возбуждённый атом переходит в состояние Е1 и излучает фотон вынужденно. Фотонов становится 2.

Лазеры

Так как при нормальных условиях (в состоянии динамического равновесия) количество атомов в возбуждённом состоянии намного меньше, чем атомов, находящихся в стабильном состоянии, то фотоны будут поглощаться чаще, чем испускаться. В результате свет затухнет, пройдя через вещество.

Чтобы под воздействием света вещество само начало излучать свет, необходимо, чтобы количество возбуждённых атомов в нём намного превышало количество невозбуждённых. Такая среда называется средой с инверсной населённостью уровней энергии. Её также называют активной, или рабочей

Инверсную среду создают, подводя энергию от внешнего источника. Этот процесс называют накачкой.

Механизм «накачки» лазера

Лазеры

Трёхуровневая система накачки рубинового лазера

Источником «накачки» могут служить энергия света, энергия электрического тока, механическая или тепловая энергия, энергия ядерных или химических реакций.

Если атомы активной среды возбуждаются светом, то такая накачка называется оптической. При оптической накачке свет от источника концентрируется на рабочем теле лазера с помощью оптической системы. Источником света могут быть дуговые или газоразрядные электролампы, КПД которых высок, светодиоды и солнечный свет.

Оптическая накачка используется в рубиновом лазере.

Система оптической накачки состоит минимум из трёх энергетических уровней. Для чего это нужно? Почему недостаточно двух уровней?

Всё дело в том, что перейдя из стабильного состояния в возбуждённое, атом через 10-8 с вернётся в стабильное состояние. И каким бы мощным не был источник света, число возбуждённых атомов и атомов в стабильном состоянии будет практически одинаковым. Поэтому создать среду с инверсной населённостью в таких условиях практически невозможно.

Но существует ещё и третье состояние атома, которое называется метастабильным. В этом состоянии атом может находиться 10-3 с. Из метастабильного состояния в стабильное атом переходит, не излучая фотон. Это состояние и используют в системах накачки. Происходит это следующим образом.

Под воздействием внешней энергии атомы переходят из состояния Е1 в состояние Е3. Но находятся они там недолго. Через 10-8 с происходит самопроизвольный переход в метастабильное состояние Е2 без излучения фотона. Так как в этом состоянии атом существует 10-3 с, что в 100 000 раз превышает время нахождения на уровне Е3, то здесь и происходит накопление возбуждённых атомов, создаётся инверсная населённость. Небольшое количество внешних фотонов, энергия которых равна разности Е2 – Е1, вызовет лавину фотонов. Запустится процесс вынужденного излучения.

Оптический резонатор

Возникшая лавина фотонов может очень быстро выйти за пределы рабочей среды, не затронув большое количество возбуждённых атомов.

Для того, чтобы значительно усилить излучение, создают обратную связь. Для этого активную среду помещают в оптический резонатор. В простейшем лазере это пара зеркал, одно из которых полупрозрачное. Они расположены таким образом, чтобы свет, отражаясь от одного зеркала, попадает строго на другое.

Отражаясь от непрозрачного зеркала, лавина фотонов, проходя через активную среду, усиливается и достигает полупрозрачного зеркала. Полупрозрачное зеркало пропускает бόльшую часть излучения наружу. Это и есть лазерный луч. А меньшая часть снова возвращается к другому зеркалу, вынуждая встречающиеся на их пути атомы переходить в возбуждённое состояние. Это приводит к появлению новой лавины фотонов, направленных к полупрозрачному зеркалу. Процесс повторяется многократно. Таким образом генерируется лазерное излучение.

В современных лазерах в качестве активной среды используются все агрегатные состояния вещества: твёрдое, жидкое, газообразное и плазма. Такие вещества называют лазерными материалами. Они и определяют тип лазера (твёрдотельный, жидкостный, газовый, ядерный и др.), его основные характеристики: мощность и рабочую длину волны лазерного излучения.

Применение лазера

Лазеры 

Лазерное шоу

Хотя существование вынужденного излучения, лежащего в основе работы лазеров, было предсказано Альбертом Эйнштейном ещё в 1916 г., первый работающий лазер был создан лишь через 44 года. 16 мая 1960 г. американский физик Теодор Майман продемонстрировал миру лазерный луч красного цвета, исходящий из искусственного рубинового стержня. С этого момента лазерные технологии начали бурно развиваться.

В медицине лазер впервые применили в 1964 г. для лечения заболеваний сетчатки глаза. Но широко использоваться он начал в 70-е годы ХХ века. Лазерный луч можно сфокусировать в точку диаметром около микрона. Поэтому был создан лазерный скальпель, который способен делать разрез тканей с минимальной потерей крови. Это очень важно, когда проводят операции на внутренних органах с большим количеством кровеносных сосудов. Лазерный скальпель абсолютно стерилен. А так как он прозрачен, то в отличие от механического не загораживает во время операции часть оперируемого органа. Да и раны заживают намного быстрее, чем при операции обычным скальпелем. Поэтому лазерный скальпель широко применяется в хирургии, офтальмологии, кардиологии, косметологии, стоматологии и др. Лазерные технологии позволяют проводить в амбулаторных условиях операции, которые раньше считались очень сложными.

Так как лазерный луч иметь очень высокую температуру, в промышленности его применяют для резки и сварки различных материалов, маркировки, гравировки, сверления, лазерной обработки поверхностей металлов (отжиг, закалка, легирование сталей и др.).

С помощью лазерного луча системы современной навигации с высочайшей точностью определяют расстояние до объектов и их местоположение. Так, расстояние до Луны было измерено с точностью до сантиметров.

Лазерная связь совершила переворот в технике. Известно, что чем короче длина волны, тем больше информации можно передать по каналу связи. По оптическому волокну, которое представляет собой тонкие стеклянные нити, лазерный луч способен перенести в десятки тысяч больше информации, чем радиоканал высокой частоты.

Лазерное оружие, лазерная связь, лазерная локация, системы противоракетной обороны – без этого невозможно представить современные вооружённые силы.

Лазер пришёл и в нашу повседневную жизнь. Мы пользуемся лазерными дисками, имеющими огромную плотность записи, лазерными принтерами, скорость печать у которых значительно выше, чем у других разновидностей печатающих устройств. Не вызывает удивления лазерная указка в руках преподавателя или лектора. Лазерная рулетка позволяет быстро сделать замеры помещения одному человеку без помощника.

Сложно перечислить все направления научной и технической деятельности, в которых не применялись бы лазерные технологии. Поэтому лазер, без сомнения, можно считать одним из важнейших изобретений ХХ века.