Как устроены лазеры и где их используют

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.

Кстати, лазер - это аббревиатура, которая расшифровывается следующим образом: light amplification by stimulated emission of radiation — усиление света посредством вынужденного излучения.

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.

В конструкции современных лазеров могут быть использованы следующие типы рабочих тел:

• Жидкость. Применяется в качестве рабочего тела, например, в лазерах на красителях. В состав входят органический растворитель (метанол, этанол или этиленгликоль), в котором растворены химические красители (кумарин или родамин). Рабочая длина волны жидкостных лазеров определяется конфигурацией молекул используемого красителя.
• Газы. В частности, углекислый газ, аргон, криптон или газовые смеси, как в гелий-неоновых лазерах. "Накачка" энергией этих лазеров чаще всего осуществляется с помощью электрических разрядов.
• Твёрдые тела (кристаллы и стёкла). Сплошной материал таких рабочих тел активируется (легируется) посредством добавления небольшого количества ионов хрома, неодима, эрбия или титана. Обычно используются следующие кристаллы: алюмо-иттриевый гранат, литиево-иттриевый фторид, сапфир (оксид алюминия) и силикатное стекло. Твердотельные лазеры обычно "накачиваются" импульсной лампой или другим лазером.
• Полупроводники. Материал, в котором переход электронов между энергетическими уровнями может сопровождаться излучением. Полупроводниковые лазеры очень компактны, "накачиваются" электрическим током, что позволяет использовать их в бытовых устройствах, таких как проигрыватели компакт-дисков.

Простейшей формой оптического резонатора являются два параллельных зеркала (их также может быть четыре и больше), расположенных вокруг рабочего тела лазера. Вынужденное излучение рабочего тела отражается зеркалами обратно и опять усиливается. До момента выхода наружу волна может отражаться многократно.

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.