Лазер — принцип действия и применение¶

Лазер — это источник когерентного монохроматического излучения, работающий на принципе принудительного излучения, возбуждённых атомов и молекул. Название образовано от англ. laser — аббревиатуры Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (усиление света с помощью стимулированного излучения). Ключевые свойства лазерного излучения — высокая степень когерентности (как временной, так и пространственной), малая расходимость луча, узкий спектральный диапазон и большая плотность энергии.

¶История

¶Теоретическая основа

В 1917 году Альберт Эйнштейн в работе о квантовой теории излучения описал явление стимулированного (вынужденного) излучения — процесс, при котором фотон, взаимодействуя с возбуждённым атомом, вызывает испускание второго фотона с той же частотой, фазой, направлением и поляризацией. Эта работа стала теоретической основой будущего лазера.

¶Создание

В 1954 году Чарлз Таунс и его сотрудники в Колумбийском университете создали первый мазер (microwave amplification by stimulated emission of radiation) — прибор, работающий в микроволновом диапазоне. В 1958 году Таунс и Артур Шаллоу предложили принцип оптического мазера, а в 1960 году Теодор Мейман в лаборатории Hughes Aircraft Company создал первый работающий лазер — рубиновый лазер с длиной волны 694,3 нм.

Параллельно в СССР над созданием лазеров работали Николай Басов и Александр Прохоров, разработавшие теорию квантовых генераторов и создавшие мазеры. В 1964 году Басов, Прохоров и Таунс были удостоены Нобелевской премии по физике «за фундаментальные работы в области квантовой электроники, приведшие к созданию мазеров и лазеров».

В том же 1960 году в СССР был создан гелий-неоновый лазер, а в 1961 году — первый твердотельный лазер на неодимовом стекле (Израиль Багров, Сергей Захаров и др.).

¶Принцип действия

Лазер работает на основе трёх ключевых процессов:

1. Насыщение (инверсия населённости) — создание ситуации, когда число атомов в возбуждённом состоянии превышает число атомов в основном состоянии. Обычно это достигается с помощью внешнего источника энергии (накачки).
2. Стимулированное излучение — фотон, проходящий мимо возбуждённого атома, «вынуждает» его испустить второй фотон с идентичными характеристиками.
3. Резонатор — система из двух зеркал (одно полностью отражающее, другое полупрозрачное), между которыми многократно отражается свет, многократно усиливаясь и формируя узкий когерентный луч.

¶Устройство и классификация

Лазер состоит из активной среды, системы накачки и оптического резонатора. Активная среда может быть газовой (гелий-неон, углекислый газ, аргон), твёрдотельной (рубин, неодимовое стекло, титан-сапфир), жидкой (красители) или полупроводниковой (лазерные диоды). Система накачки — это лампа накачки, электрический разряд или другой источник энергии.

По типу активной среды лазеры делятся на:

По режиму работы различают лазеры непрерывного и импульсного действия. Импульсные лазеры могут работать в режиме генерации одиночных импульсов, гигантских импульсов (Q-переключение) или ультракоротких импульсов (фемтосекундные лазеры).

¶Применение

Лазеры нашли применение практически во всех отраслях науки и техники:

• Промышленность — резка, сварка, гравировка и маркировка металлов, полимеров и других материалов; лазерная обработка полупроводников.
• Медицина — офтальмология (лазерная коррекция зрения, коагуляция сетчатки), хирургия, дерматология, стоматология.
• Связь — оптоволоконная связь, где лазерные диоды служат источниками модулированного сигнала.
• Наука — спектроскопия, голография, лазерная интерферометрия (например, обсерватория LIGO, в которой в 2015 году были впервые зарегистрированы гравитационные волны).
• Военное дело — системы наведения, дальномеры, лазерное оружие.
• Быт — лазерные принтеры, указки, диски (CD, DVD, Blu-ray).

¶Интересные факты

Первый рубиновый лазер Меймана был собран из частей, купленных в магазинах и лабораторных остатков, а его мощность составляла около 1 кВт в импульсе. Лазерная указка мощностью 5 мВт формально относится к 3B классу опасности и может повредить сетчатку при прямом попадании луча в глаз. В 2018 году была создана первая в мире лазерная пушка, способная сбивать дроны, — система HELIOS ВМС США.

¶Источники

1. Басов Н. Г., Прохоров А. М. «Квантовая электроника» — М.: Наука, 1972.
2. Сеченов М. В. «Лазеры» — М.: Высшая школа, 1990.
3. Сивухин Д. В. «Общий курс физики. Оптика» — М.: Физматлит, 2003.
4. Siegman A. E. «Lasers» — University Science Books, 1986.
5. Тихонов В. П. «Лазерная физика» — СПб.: Издательство СПбГУ, 2008.