Лазеры
Название «лазер» происходит от английского «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation» — «Усиление света в результате вынужденного излучения».
Лазер – это устройство, которое вырабатывает лазерное излучение. Лазерное излучение имеет большую мощность, чем обычный свет, потому что все его лучи имеют одинаковую длину волны и движутся вместе. Благодаря этому лазерные лучи можно сфокусировать, превратив с высокой точностью в узкий пучок. (Лучи обычного света состоят из нескольких длин волн, которые, выходя из источника света, распространяются во всех направлениях.) Лазерный луч можно сфокусировать на такой маленькой площади, что он будет способен сделать 200 отверстий на булавочной головке!
В зависимости от используемых для изготовления лазера материалов и энергии лазерные пучки (лучи) могут иметь разную интенсивность. Некоторые пучки, сделанные из невидимых инфракрасных лучей, могут генерировать столько тепла, что они способны прорезать насквозь металл. А поскольку лазерные пучки можно регулировать с большой точностью, эти самые инфракрасные лучи можно использовать вместо скальпеля при очень тонких хирургических операциях. Лазеры, вырабатывающие лучи видимого света, также очень полезны как в научных работах, так и в повседневной жизни.
Создание лазера
Появление лазеров было предсказано ещё Альбертом Эйнштейном в 1916 году: он изложил свою концепцию вынужденного излучения. Вынужденное, или индуцированное, излучение - генерация нового фотона при переходе квантовой системы (атома, молекулы, ядра и т.д.) из возбуждённого в стабильное состояние (меньший энергетический уровень) под воздействием индуцирующего фотона, энергия которого была равна разности энергий уровней.
Через 12 лет, в 1928 году, существование вынужденного излучения было подтверждено экспериментально, а 16 мая 1960 года Теодор Майман продемонстрировал работу первого оптического квантового генератора — лазера. Пожалуй, именно с этой даты можно вести отсчёт активного развития физики лазеров.
Устройство лазера
Практически любой лазер состоит из трёх основных элементов: источник энергии (механизм "накачки"), рабочее тело, система зеркал ("оптический резонатор"). Рассказываем о каждом из них подробнее.
Источники энергии в лазерах могут быть использованы следующие:
-
электрический разрядник
-
импульсная лампа
-
дуговая лампа
-
другой лазер
-
химическая реакция
-
взрывчатое вещество
Что именно будет использоваться в качестве источника энергии зависит от того, что в отдельно взятом лазере выступает рабочим телом. Это же определяет и способ подвода энергии к системе: в гелий-неоновых лазерах, к примеру, используют электрические разряды в гелий-неоновой газовой смеси.
От того, какое рабочее тело использовано в лазере, зависит рабочая длина его волны, а также остальные свойства. Рабочее тело подвергается "накачке" энергией, чтобы получить эффект инверсии электронных населённостей, который вызывает вынужденное излучение фотонов и эффект оптического усиления.
Принцип работы лазера
Физической основой работы лазера служит как раз предсказанное Эйнштейном явление вынужденного (индуцированного) излучения, о суть которого мы пояснили в самом начале. Индуцированное излучение отличается от спонтанного излучения, в котором излучаемые фотоны имеют случайные направления распространения, поляризацию и фазу.
Первоисточником генерации является процесс спонтанного излучения, поэтому для обеспечения преемственности поколений фотонов необходимо существование положительной обратной связи, за счёт которой излучённые фотоны вызывают последующие акты индуцированного излучения. Для этого активная среда лазера помещается в оптический резонатор.
Отражаясь от зеркал, пучок излучения многократно проходит по резонатору, вызывая в нём индуцированные переходы. Излучение может быть как непрерывным, так и импульсным. При этом, используя различные приборы для быстрого выключения и включения обратной связи и уменьшения тем самым периода импульсов, возможно создать условия для генерации излучения очень большой мощности. Этот режим работы лазера называют режимом модулированной добротности.
Сфера применения
Лазеры широко применяются в самых различных сферах человеческой деятельности. Немного подумав, мы без особо труда сможем назвать несколько лазеров, с которыми сталкиваемся если не каждый день, то с завидной регулярностью: проигрыватели CD и DVD дисков, лазерные принтеры, считыватели штрих-кодов в супермаркетах и лазерные указки.
Лазеры широко применяются в медицине и косметологии:коррекция зрения, лечение катаракты и отслоения сетчатки, лечение сосудистых и пигментных дефектов кожи, лазерный пилинг, удаление пигментных пятен.
Лазеры находят применение для измерения времени, давления, температуры, скорости потоков жидкостей и газов, угловой скорости (лазерный гироскоп), концентрации веществ, оптической плотности, разнообразных оптических параметров и характеристик, в виброметрии и других областях.