§ 34. Лазеры

Обычные источники света (свеча, лампа накаливания), окружающие человека в быту, испускают некогерентное излучение. А что произойдет, если согласовать (синхронизировать) излучения возбужденных атомов между собой? Какие новые свойства излучения при этом появятся?

При взаимодействии с активным веществом (средой) внешнее излучение усилится, поскольку к исходным фотонам добавятся индуцированные фотоны с тождественными характеристиками. Тождественность фотонов приводит к тому, что при их взаимодействии с новым возбужденным атомом получается вместо 2 уже 4 фотона, затем 8, 16 и т. д. Это позволяет использовать вынужденное излучение для усиления электромагнитных волн и создания генераторов монохроматического когерентного излучения —  лазеров.

Слово лазер является сокращенной записью английской фразы — Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (laser), которая переводится так:  усиление света путем вынужденного испускания излучения.

Рассмотрим принципиальную схему работы лазера (рис. 206). Для реализации обратной связи в лазере активное вещество 1 размещается в оптическом резонаторе (рис. 206, а). Резонатор состоит из двух параллельных плоских зеркал, одно из которых — полностью отражающее («глухое») 2, другое — полупрозрачное 3, предназначенное для выхода излучения 5 (см. рис. 206, в) из резонатора.

Накачка 4 создает инверсию населенностей уровней в активной среде. На начальной стадии генерации фотоны, спонтанно испущенные атомами активной среды, распространяются в различных направлениях (см. рис. 206 а, б). Но только фотоны, которые распространяются перпендикулярно зеркалам, многократно проходят через активную среду в результате отражений от зеркал резонатора (см. рис. 206, в).

Излученная атомами энергия накапливается в резонаторе и, воздействуя на активную среду, вызывает новые индуцированные переходы. Происходит лавинообразное «размножение» фотонов в веществе. Далее пучок монохроматического лазерного излучения выходит наружу через полупрозрачное зеркало.

Мощность индуцированного излучения должна превысить мощность неизбежных потерь на поглощение, рассеяние излучения, нагревание зеркал резонатора и т. д. Поэтому для эффективной генерации интенсивность падающего на вещество излучения накачки должна превысить некоторое пороговое значение.

Таким образом, для работы лазера необходимо наличие активной среды, резонатора и превышения порога генерации в системе.

Основными характеристиками лазерного излучения являются когерентность, малая расходимость (узкая направленность), монохроматичность, возможность получать сверхкороткие импульсы, большая мощность.

По типу активной среды лазеры можно разделить на газовые, твердотельные, полупроводниковые, жидкостные, химические, газодинамические. А по способу накачки — на оптические, электрические, химические, ядерные, газодинамические.

Лазеры находят широкое применение в голографии, передаче оптической информации, обработке материалов (сварка, резка, сверление и т. п.), медицине,  локации, рекламе.

При работе с лазерами необходимо быть внимательными и осторожными. Наибольшую опасность лазерное излучение представляет для глаз и кожи. При попадании в глаз луч лазера фокусируется в пятно очень малых размеров, что может за доли секунды привести к ожогам сетчатки глаза, частичной или полной необратимой потере зрения. Прямое, а в некоторых случаях и рассеянное излучение лазеров большой мощности способно вызывать ожоги кожи. Оно представляет также пожарную опасность.

Знак опасности, предупреждающий о лазерном излучении, приведен на рисунке 207.

Белорусский физик, академик Николай Александрович Борисевич в 1978 г. открыл явление «стабилизации» электронно-возбужденных многоатомных молекул. Он впервые получил генерацию излучения многоатомных молекул в газовой фазе. Разработал газовые и одночастотные гелий-неоновые лазеры со значительной выходной мощностью. В 1957 г. белорусский физик, академик Борис Иванович Степанов вывел универсальное соотношение между спектрами поглощения и испускания сложных молекул и полупроводников, которое получило название соотношение Степанова. Он совместно с А. Н. Рубиновым и В. А. Мостовниковым открыл новый класс генерирующих соединений — органические красители. В 1964 г. Нобелевская премия по физике была присуждена Н. Г. Басову, А. М. Прохорову и Ч. Таунсу «за фундаментальные работы в области квантовой электроники, приведшие к созданию лазера».

Вопросы к параграфу

1.  Объясните принцип действия лазера.
2. В чем заключается роль метастабильных состояний в генерации лазерного излучения?
3.  Для чего в лазере необходим оптический резонатор?
4. Чем отличается лазерное излучение от излучений, создаваемых другими источниками света
5. Где применяются лазеры?