§ 34. Лазеры

Звычайныя крыніцы святла (свечка, лямпа напальвання), якія атачаюць чалавека ў быце, выпускаюць некагерэнтнае выпраменьванне. А што адбудзецца, калі ўзгадніць (сінхранізаваць) выпраменьванні ўзбуджаных атамаў паміж сабой? Якія новыя ўласцівасці выпраменьвання пры гэтым з’явяцца?

Пры ўзаемадзеянні з актыўным рэчывам (асяроддзем) знешняе выпраменьванне ўзмоцніцца, паколькі да зыходных фатонаў дададуцца індуцыраваныя фатоны з тоеснымі характарыстыкамі. Тоеснасць фатонаў прыводзіць да таго, што пры іх узаемадзеянні з новым узбуджаным атамам атрымліваецца замест 2 ужо 4 фатоны, затым 8, 16 і г. д. Гэта дазваляе выкарыстоўваць вымушанае выпраменьванне для ўзмацнення электрамагнітных хваль і стварэння генератараў монахраматычнага кагерэнтнага выпраменьвання — лазераў.
Слова лазер з’яўляецца скарочаным запісам англійскай фразы —  Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (laser), якая перакладаецца так: узмацненне святла шляхам вымушанага выпускання выпраменьвання.

Разгледзім прынцыповую схему работы лазера (мал. 206). Для рэалізацыі зваротнай сувязі ў лазеры актыўнае рэчыва 1 размяшчаецца ў аптычным рэзанатары (мал. 206, а). Рэзанатар складаецца з двух паралельных плоскіх люстраў, адно з якіх — цалкам адбіваючае («глухое») 2, другое — паўпразрыстае 3, прызначанае для выхаду выпраменьвання 5 (гл. мал. 206, в) з рэзанатара.
Напампоўка 4 стварае інверсію заселенасцей узроўняў у актыўным асяроддзі. На пачатковай стадыі генерацыі фатоны, спантанна выпушчаныя атамамі актыўнага асяроддзя, распаўсюджваюцца ў розных напрамках (гл. мал. 206, а, б). Але толькі фатоны, якія распаўсюджваюцца перпендыкулярна да люстраў, шматразова праходзяць праз актыўнае асяроддзе ў выніку адбіцця ад люстраў рэзанатара (гл. мал. 206, в).
Выпрамененая атамамі энергія назапашваецца ў рэзанатары і, уздзейнічаючы на актыўнае асяроддзе, выклікае новыя індуцыраваныя пераходы. Адбываецца лавінападобнае «размнажэнне» фатонаў у рэчыве. Далей пучок монахраматычнага лазернага выпраменьвання выходзіць вонкі праз паўпразрыстае люстра

Магутнасць індуцыраванага выпраменьвання павінна перавысіць магутнасць непазбежных страт на паглынанне, рассейванне выпраменьвання, награванне люстраў рэзанатара і г. д. Таму для эфектыўнай генерацыі інтэнсіўнасць падаючага на рэчыва выпраменьвання накачкі павінна перавышаць некаторае парогавае значэнне.

Такім чынам, для працы лазера неабходна наяўнасць актыўнага асяроддзя, рэзанатара і перавышэння парога генерацыі ў сістэме.

Асноўнымі характарыстыкамі лазернага выпраменьвання з’яўля­юц­ца кагерэнтнасць, малая разыходнасць (вузкая скіраванасць), монахраматычнасць, магчымасць атрымліваць звышкароткія імпульсы, вялікая магутнасць.

Па тыпе актыўнага асяроддзя лазеры можна падзяліць на газа­выя, цвёрдацельныя, паўправадніковыя, вадкасныя, хімічныя, газадына­мічныя, а па спосабе напампоўкі — на аптычныя, электрычныя, хімічныя, ядзерныя, газадынамічныя.

Лазеры знаходзяць шырокае ўжыванне ў га­ла­графіі, перадачы аптычнай інфармацыі, апрацоўцы матэрыялаў (зварка, рэзанне, свідраванне і г. д.), медыцыне, лакацыі, рэкламе.
Пры рабоце з лазерамі неабходна быць уваж­лівымі і асцярожнымі. Найвялікшую небяспеку лазернае выпраменьванне ўяўляе для вачэй і скуры. Пры пападанні ў вока прамень лазера факусіруецца ў пляму вельмі малых памераў, што можа за долі секунды прывесці да апёкаў сятчаткі вока, частковай ці поўнай незваротнай страты зроку. Прамое, а ў некаторых выпадках і рассеянае выпраменьванне лазераў вялікай магутнасці здольна выклікаць апёкі скуры. Яно ўяўляе таксама пажарную небяспеку.
Знак небяспекі, які папярэджвае аб лазерным выпраменьванні, прыведзены на малюнку 207.

Беларускі фізік, акадэмік Мікалай Аляксандравіч Барысевіч у 1978 г. адкрыў з’яву «стабілізацыі» электронна-ўзбуджаных шмататамных малекул. Ён упершыню атрымаў генерацыю выпраменьвання шмататамных малекул у газавай фазе. Распрацаваў газавыя і адначастотныя гелій-неонавыя лазеры са значнай выходнай магутнасцю. У 1957 г. беларускі фізік, акадэмік Барыс Іванавіч Сцяпанаў вывеў уні­версальную суадносіну паміж спектрамі паглынання і выпускання складаных малекул і паўправаднікоў, якая атрымала назву суадносіны Сцяпанава. Ён сумесна з А. М. Рубінавым і В. А. Мастоўнікавым адкрыў новы клас генерыруючых злучэнняў — арганічныя фарбавальнікі. У 1964 г. Нобелеўская прэмія па фізіцы была прысуджана М. Г. Басаву, А. М. Прохараву і Ч. Таўнсу «за фундаментальныя працы ў галіне квантавай электронікі, якія прывялі да стварэння лазера»

Пытаннi да параграфу

1. Растлумачце прынцып дзеяння лазера.
2. У чым заключается роля метастабільных станаў у генерацыі лазернага выпраменьвання?
3. Для чаго ў лазеры неабходны аптычны рэзанатар?
4. Чым адрозніваецца лазернае выпраменьванне ад выпраменьванняў, ствараемых іншымі крыніцамі святла?
5. Дзе выкарыстоўваюцца лазеры?