§ 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.

Днем рождения лазера следует считать 16 мая 1960 г. Эта дата стоит в рабочей тетради американского физика Т. Н. Меймана. В созданном им приборе содержались все три необходимых и достаточных компонента для получения эффекта генерации оптического когерентного излучения.

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

В рубиновом лазере используется оптическая накачка светом мощной импульсной лампы-вспышки (лампой накачки), в полупроводниковых лазерах неравновесное состояние достигается при пропускании электрического тока через p - n - переход, а в газовых лазерах атомы рабочего вещества возбуждаются электрическим разрядом. 
Ширина спектра газовых лазеров составляет 10 to the power of negative 3 end exponent space minus space 10 to the power of negative 4 end exponent space нм, твердотельных — 10 to the power of negative 1 end exponent space minus space 10 to the power of negative 4 end exponent space нм. 
Расходимость луча газового лазера составляет единицы угловых минут, твердотельных — до нескольких десятков минут.

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».