Принцип работы лазера¶
Лазер (акроним от англ. Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation — «усиление света с помощью вынужденного излучения») — устройство, генерирующее когерентный, монохроматический и узконаправленный световой поток. Основа его работы — явление вынужденного (стимулированного) излучения, открытое Альбертом Эйнштейном в 1917 году. Лазерный луч отличается от обычного света тем, что все его фотоны имеют одну и ту же длину волны, фазу и направление, что обеспечивает высокую плотность энергии и возможность фокусировки в точку размером с длину волны.
¶Квантово-механическая основа
Работа лазера опирается на три процесса взаимодействия атомов с электромагнитным излучением:
- Поглощение — атом переходит из основного возбуждённого состояния, поглотив фотон.
- Спонтанное излучение — возбуждённый атом самопроизвольно переходит в основное состояние, испуская фотон со случайной фазой и направлением (так светят обычные лампы).
- Вынужденное излучение — фотон, проходящий мимо возбуждённого атома, «вынуждает» его испустить второй фотон, идентичный первому по длине волны, фазе и направлению. Это ключевой процесс: один фотон превращается в два одинаковых.
Чтобы вынужденное излучение доминировало над поглощением, необходимо создать инверсию населения — состояние, когда возбуждённых атомов больше, чем атомов в основном состоянии. В обычных условиях при равновесии таких атомов мало, поэтому требуется внешняя энергия.
¶Основные элементы лазера
Любой лазер состоит из трёх обязательных компонентов:
| Элемент | Назначение |
|---|---|
| Активная среда | Материал, в котором происходит вынужденное излучение (газ, кристалл, полупроводник, жидкость) |
| Источник накачки | Устройство, создающее инверсию населения (вспышечная лампа, электрический разряд, другой лазер, ток в полупроводнике) |
| Резонатор | Две параллельные зеркала по краям активной среды; одно полностью отражающее, другое частично пропускающее |
Принцип действия резонатора: фотоны, летящие вдоль оси, многократно отражаются между зеркалами, каждый раз проходя через активную среду и усиливаясь за счёт вынужденного излучения. Фотоны, летящие под углом, выходят из резонатора и гаснут. Через частично пропускающее зеркало наружу выходит узкий пучок — лазерный луч.
¶Процесс генерации
- Источник накачки передаёт энергию активной среде, переводя атомы в возбуждённое состояние.
- При достижении инверсии населения случайный спонтанный фотон, летящий вдоль оси резонатора, запускает цепную реакцию вынужденного излучения.
- Фотоны многократно усиливаются в резонаторе, пока усиление не превысит потери.
- Излучение через выходное зеркало формирует лазерный луч.
Процесс может быть непрерывным (при непрерывной накачке) или импульсным (при кратковременной, например, вспышечной лампе или ударной волне).
¶Виды активных сред
- Газовые — гелий-неоновый (632,8 нм, красный), углекислотный (10,6 мкм, ИК), аргоновый. Применяются в лабораториях, указках, промышленной резке.
- Твёрдотельные — неодимовый (Nd:YAG, 1064 нм), рубиновый (первый лазер в истории, 1960 год, Theodore Maiman), титан-сапфировый. Широко используются в медицине и промышленности.
- Полупроводниковые (лазерные диоды) — самые массовые: CD/DVD-приводы, лазерные указки, оптоволоконная связь, LiDAR.
- Химические — энергия выделяется за счёт химической реакции (фтороводородный лазер).
- Диодные массивы — используются для накачки твёрдотельных лазеров.
¶Характеристики лазерного излучения
- Монохроматичность — узкий спектр (для газовых лазеров — доли нанометра).
- Когерентность — одинаковые фаза и частота всех фотонов.
- Направленность — расходимость луча может составлять доли миллирадиан.
- Высокая плотность мощности — при фокусировке в точку возможны мощности, превышающие солнечное излучение в миллиарды раз.
¶Применение
Лазеры применяются в самых разных областях:
- Промышленность — резка, сварка и маркировка металлов, неметаллических материалов.
- Медицина — офтальмология (лазерная коррекция зрения), хирургия, дерматология.
- Связь — передача данных по оптоволокну.
- Наука — интерферометрия (LIGO — установка, зафиксировавшая гравитационные волны), спектроскопия, ядерный синтез (инерциальное удержание).
- Военное дело — системы наведения, противоракетная оборона.
- Быт — лазерные принтеры, указки, сканеры штрих-кодов.
¶Интересные факты
Первый работающий лазер был создан Теодором Майманом 16 мая 1960 года в лаборатории Hughes Aircraft; активной средой служил рубиновый кристалл. Термин «лазер» был предложен Гордоном Гоулдом в 1957 году. В 2018 году за создание оптического пучка с чрезвычайно высокой интенсивностью Нобелевскую премию по физике получили Артур Эшкин, Жерар Мурру и Донна Стрикленд.
Источники:
- Бойко Е. И., Смирнов Г. Б. «Физика лазеров»
- Сiegis R. A. «Optical Physics of Lasers»
- Энциклопедия «Британника»: статья «Laser»
- сайт NobelPrize.org — премия по физике 2018 года