Лазер

Лазер (от англ. laser, акроним Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation — «усиление света посредством вынужденного излучения») — это устройство, генерирующее когерентное, монохроматическое и узконаправленное электромагнитное излучение оптического диапазона. В основе работы лазера лежит принцип вынужденного (стимулированного) излучения фотонов возбуждёнными атомами или молекулами активной среды, помещённой в оптический резонатор. Лазерное излучение отличается высокой степенью пространственной и временной когерентности, что позволяет фокусировать его в пятна чрезвычайно малого диаметра и достигать огромной плотности мощности.

История

Теоретические предпосылки

Возможность существования вынужденного излучения была предсказана Альбертом Эйнштейном в 1917 году в рамках квантовой теории излучения. Он показал, что наряду со спонтанным излучением и поглощением существует третий процесс — стимулированное излучение, при котором фотон, взаимодействуя с возбуждённым атомом, вызывает испускание второго фотона с идентичными характеристиками (частотой, фазой, поляризацией и направлением). Однако для практической реализации требовалось создать среду с инверсной населённостью, где число возбуждённых атомов превышает число невозбуждённых. В 1939 году советский физик Валентин Фабрикант предложил метод создания инверсной населённости, а в 1951 году он совместно с коллегами подал заявку на изобретение способа усиления света, но патент был выдан лишь в 1959 году.

Первые реализации

В 1954 году американские физики Чарльз Таунс, Джеймс Гордон и Герберт Цайгер создали первый мазер — квантовый генератор, работающий в микроволновом диапазоне на аммиаке. В 1958 году Таунс и Артур Шавлов опубликовали теоретическую работу, обосновывающую возможность создания оптического мазера — лазера. Первый действующий лазер был продемонстрирован 16 мая 1960 года американским физиком Теодором Майманом. В качестве активной среды он использовал искусственный кристалл рубина (оксид алюминия, легированный ионами хрома), накачка осуществлялась импульсной ксеноновой лампой. Лазер Маймана генерировал импульсы красного света длиной волны 694,3 нм.

В том же году в СССР учёные Николай Басов, Александр Прохоров и их коллеги создали полупроводниковый лазер на арсениде галлия, а также разработали теоретические основы лазерной генерации. В 1961 году был запущен первый газовый гелий-неоновый лазер, созданный Али Джаваном, Уильямом Беннеттом и Дональдом Эрриотом. В 1964 году Таунс, Басов и Прохоров получили Нобелевскую премию по физике за фундаментальные работы в области квантовой электроники, приведшие к созданию мазеров и лазеров.

Устройство и принцип действия

Основными элементами любого лазера являются три компонента:

1. Активная (лазерная) среда — вещество, в котором создаётся инверсная населённость. Это может быть твёрдое тело (кристалл, стекло), жидкость (растворы красителей), газ (атомарный, молекулярный, ионный) или полупроводник.
2. Система накачки — источник энергии, переводящий атомы активной среды в возбуждённое состояние. Используются оптическая накачка (мощные лампы, другие лазеры или светодиоды), электрический разряд (в газовых и полупроводниковых лазерах), химические реакции, ядерное излучение.
3. Оптический резонатор — чаще всего пара зеркал, расположенных по обе стороны активной среды. Одно зеркало полностью отражает излучение, другое — частично пропускает (обычно 1–5 %). Резонатор обеспечивает многократное прохождение фотонов через активную среду, усиливая излучение, и формирует узкую направленность пучка.

Принцип работы: Энергия накачки переводит атомы активной среды с нижнего энергетического уровня на верхний. При достижении инверсной населённости один спонтанно испущенный фотон, двигаясь вдоль оси резонатора, вызывает лавину вынужденных переходов. Излучение многократно отражается от зеркал, усиливаясь при каждом проходе. Часть излучения выходит через полупрозрачное зеркало, формируя лазерный луч.

Классификация лазеров

По типу активной среды

• Твёрдотельные лазеры: рубиновый (694 нм), неодимовый на иттрий-алюминиевом гранате (Nd:YAG, 1064 нм), титан-сапфировый (перестраиваемый, 650–1100 нм). Отличаются высокой мощностью и компактностью.
• Газовые лазеры: гелий-неоновый (632,8 нм), углекислотный (CO₂, 10,6 мкм), аргоновый (488 и 514 нм). CO₂-лазеры — одни из самых мощных непрерывных лазеров (до сотен киловатт).
• Полупроводниковые (лазерные диоды): на основе арсенида галлия (GaAs), нитрида галлия (GaN). Наиболее распространённый тип благодаря миниатюрности, высокому КПД и низкой стоимости. Используются в бытовой электронике, оптоволоконной связи, лазерных указках.
• Жидкостные (лазеры на красителях): активная среда — раствор органических красителей. Отличаются возможностью перестройки длины волны в широком диапазоне.
• Волоконные лазеры: активная среда — оптическое волокно, легированное ионами редкоземельных элементов (эрбий, иттербий). Отличаются высоким качеством луча, стабильностью и отводом тепла.

По режиму работы

• Непрерывные — генерируют излучение постоянно (He-Ne, CO₂, лазерные диоды).
• Импульсные — излучают короткие мощные импульсы. Длительность импульса варьируется от микросекунд до фемтосекунд (10⁻¹⁵ с). Фемтосекундные лазеры позволяют достигать пиковой мощности в тераватты и используются в прецизионной микрообработке и научных исследованиях.

По длине волны

• Ультрафиолетовые (10–400 нм): эксимерные лазеры (ArF, KrF), применяются в литографии и офтальмологии.
• Видимого диапазона (400–700 нм): He-Ne (красный), аргоновый (сине-зелёный), лазерные диоды.
• Инфракрасные (700 нм – 1 мм): Nd:YAG, CO₂, волоконные лазеры.

Применение лазеров

Промышленность и технологии

Лазеры широко используются для резки, сварки, гравировки и маркировки металлов, пластмасс, керамики и других материалов. Лазерная резка обеспечивает высокую точность (до 0,1 мм) и минимальную зону термического влияния. В микроэлектронике лазеры применяются для скрайбирования кремниевых пластин и сверления микроотверстий в печатных платах. Аддитивные технологии (3D-печать) используют лазерное спекание или плавление металлических порошков.

Медицина

В хирургии лазеры используются как «скальпели» для бесконтактного рассечения тканей с одновременной коагуляцией сосудов (CO₂-лазеры). В офтальмологии эксимерные лазеры (LASIK) корректируют форму роговицы. В дерматологии лазеры удаляют татуировки, сосудистые звёздочки, пигментные пятна и волосы. В стоматологии — для лечения кариеса и отбеливания зубов. Низкоинтенсивное лазерное излучение применяется в физиотерапии для стимуляции регенерации тканей.

Связь и информационные технологии

Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) используют полупроводниковые лазеры для передачи данных на большие расстояния с высокой скоростью (до сотен гигабит в секунду). Лазеры применяются в оптических приводах (CD, DVD, Blu-ray) для считывания и записи информации. Лазерные принтеры формируют изображение на фотобарабане.

Наука и исследования

Лазеры — ключевой инструмент спектроскопии, позволяющий изучать структуру вещества с высоким разрешением. Фемтосекундные лазеры используются для изучения сверхбыстрых процессов (химических реакций, динамики электронов). Лазерное охлаждение и захват атомов (лазерные ловушки) позволили создать конденсат Бозе — Эйнштейна и сверхточные атомные часы. Лазеры применяются в лидарах (лазерное сканирование атмосферы и поверхности Земли) и в гравитационно-волновых обсерваториях (LIGO).

Военное дело и оборона

Лазеры используются в системах наведения и целеуказания, лазерных дальномерах и прицелах. Разрабатываются боевые лазеры для поражения беспилотников, ракет и оптико-электронных систем. В России ведутся работы по созданию лазерного комплекса «Пересвет», предназначенного для ослепления спутников и беспилотников.

Бытовая техника

Лазерные указки, лазерные уровни, лазерные дальномеры, сканеры штрих-кодов, лазерные проекторы.

Безопасность и вредное воздействие

Лазерное излучение представляет опасность для зрения и кожи. Даже маломощные лазеры (класс 2) могут вызвать временное ослепление. Мощные лазеры (классы 3B и 4) способны нанести необратимое повреждение сетчатки глаза, вызвать ожоги кожи и воспламенить горючие материалы. В России и международных стандартах (IEC 60825) установлена классификация лазеров по степени опасности и требования к защитным очкам и экранам. Наибольшую опасность представляют невидимые инфракрасные и ультрафиолетовые лазеры, так как рефлекс моргания не срабатывает.

Интересные факты

• Самый мощный лазер в мире — National Ignition Facility (США) — способен генерировать импульсы мощностью 500 тераватт при длительности несколько наносекунд. Он используется для исследований термоядерного синтеза.
• В 2018 году российские учёные из Института прикладной физики РАН создали фемтосекундный лазер с пиковой мощностью 1 петаватт (10¹⁵ Вт).
• Лазерная указка мощностью 5 мВт может ослепить пилота самолёта на расстоянии до 1,5 км, поэтому её использование для наведения на воздушные суда является уголовным преступлением.
• Первый лазерный диск (Laserdisc) был выпущен в 1978 году, но не получил широкого распространения из-за высокой стоимости.
• В 1960-е годы в СССР разрабатывались лазерные системы ПРО (противоракетной обороны), в том числе с ядерной накачкой.

Источники

• Таунс Ч. «Квантовая электроника» (сборник трудов), 1964.
• Борн М., Вольф Э. «Основы оптики», 1973.
• Ярив А. «Квантовая электроника», 1980.
• Звелто О. «Принципы лазеров», 5-е издание, 2010.
• ГОСТ Р МЭК 60825-1-2013 «Безопасность лазерной аппаратуры».
• Материалы Физического института им. П. Н. Лебедева РАН (ФИАН).