Лазеры

Лазеры в физикеСлово «Лазер» — это аббревиатура, которая соответствует английскому названию процесса, происходящего в этом устройстве: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (LASER).

Еще А.Эйнштейн показал, что переходы атомов из возбужденного состояния в другое, характеризующееся меньшей энергией, могут происходить как спонтанно, так и в результате внешнего воздействия электромагнитного излучения (вынужденное излучение). При наличии атомов или молекул, находящихся в разных энергетических состояниях, переходы происходят как с поглощением энергии падающего излучения, так и с усилением потока энергии за счет вынужденного излучения. Вероятности вынужденного излучения и поглощения зависят от концентраций частиц в соответствующих состояниях.

Усиление мощности светового потока возможно только в том случае, когда число актов индуцированного излучения будет превосходить число актов поглощения в такой степени, чтобы скомпенсировать неизбежные потери. Для этого необходимо создать определенное соотношение концентраций частиц в «верхнем» и в «нижнем» энергетическом состоянии, при котором в «верхнем» состоянии частиц больше, чем в «нижнем». При тепловом равновесии верхние энергетические уровни всегда заселены в меньшей степени, чем нижние, поэтому усиление мощности света возможно только в термически неравновесной среде.

Подбором рабочего вещества и способа энергетической накачки добиваются термически неравновесного распределения частиц по энергетическим уровням, при котором верхние уровни «заселены» больше, чем нижние. Говорят, что в этом случае получена инверсия населенностей энергетических уровней.

Для уменьшения потерь излучения, стимулирующего переходы с верхнего энергетического уровня на нижний, устраивают «ловушку» для излучения — резонатор с зеркалами, отражающими почти все падающее на них излучение. Между этими зеркалами помещают рабочее тело. В этом случае стимулирующее излучение многократно проходит через вещество рабочего тела, в котором создана инверсия населенностей энергетических уровней. Частичная прозрачность одного из зеркал обеспечивает вывод части излучения наружу. В некоторых типах лазеров применяются специальные меры для обеспечения определенной поляризации света.

При стимулированном (вынужденном) излучении характеристики вынуждающей волны света и волны, возникшей в результате такого излучения, совпадают. К совпадающим характеристикам относятся: частота, фаза, поляризация. Лазерное излучение характеризуется высокой степенью монохроматичности. В пересчете на частотный диапазон излучения лазер обеспечивает большую плотность излучения, которая может во много раз превысить плотность излучения нагретых тел в том же частотном интервале.

Рабочими телами лазеров могут быть газы, твердые стекла, полупроводниковые материалы. Существуют различные способы энергетической «накачки» лазеров: электрический разряд в газах, освещение рабочего тела внешним источником света, прохождение электрического тока через полупроводник, химические реакции, проходящие в газовой или в жидкой среде, адиабатическое расширение газов и т.д.