Лазер — это устройство, преобразующее различные виды энергии (электрическую, световую, теп­ловую, химическую и другие) в энергию когерентного электромагнитного излучения оптического диапазона.

В простых источниках света (нагретые тела — лампы накаливания и другие) атомы получают энергию за счет возбуждения валентных электронов, находящихся на внешних электронных оболочках. Перейдя в возбужденное состояние, электрон атома приблизительно через 10-8-10-7 с. без любого внешнего воздействия, спонтанно (самопроизвольно) возвращается в основное состояние, излучая фотон. Атомы возбуждаются и излучают фотоны независимо друг от друга, поэтому из­лучаемые ими фотоны некогерентны друг с другом.

Вероятными процессами взаимодействия атома с фотоном, у которого энергия равна разности энергий основного E1 и возбужденного E2 состояний (уровней энергии) атома hv = E2-E1 являются следующие:

1. Поглощение света. Электрон атома, который находится в основном состоянии с энергией Ev способен поглотить фотон, при переходе в возбужденное состояние с энергией Е2 > Е1. Интенсивность поглощенного излучения оказывается пропорциональной концентрации n1 атомов, которые находятся в основном состоянии.

 

Лазер

 

2. Спонтанное излучение. При отсутствии внешних полей либо столкновений с другими частицами электрон, который находится в возбужденном состоянии, через время примерно равное 10-8-10-7 с самопроизвольно возвращается в основное состояние, излучая при этом фотон (см. рис. б).

Спонтанным излучением называется излучение, которое испускается при самопроизвольном переходе атома из одного состояния в другое. Спонтанное излучение различных атомов происходит некогерентно, так как все атомы начи­нают и заканчивают излучать независимо друг от друга.

3. Индуцированное излучение.  В 1917 году Эйнштейном было предсказано, что возбужденный атом способен излучать под действием падающего на него света (см. рис. в).

Индуцированным (вынужденным) излучением называют излучение атома, которое возникает при переходе на более низкий энергетический уровень под действием внешнего электромагнитного излучения.

Интенсивность индуцированного излучения оказывается пропорциональной концентрации n2 атомов, которые находятся в возбужденном состоянии. При этом световая волна, которая образуется при индуцирован­ном излучении, обладает той же частотой, поляризацией, фазой и направлением распространения, что и падающая на атом волна. Это говорит о том, что интенсивность падающего излучения увеличивает­ся, то есть возникает оптическое усиление.

 

Принцип действия лазера.

В 1939 г. российским физиком В. А. Фабрикантом экспериментально было замечено усиление электромагнитных волн (оптическое усиление) в результате процесса индуцированного излучения. Первый лазер, который работал на кристалле рубина в видимом диапазоне, создал в 1960 году американский физик Теодором Мейманом.

Усиление излучения, падающего на среду, будет происходить в том случае, если число частиц на возбужденном уровне n2 станет больше числа частиц на основном уровне энергии: n2 > n1. Подобное состояние системы является инверсной населенностью. В состоянии термодинамического равно­весия, когда система занимает основное состояние с минимальной энергией Е1, то есть когда n1 > n2, усиления света не произойдет.

Инверсной населенностью энергетических уровней называют неравновесное состояние среды, при кото­ром концентрация атомов в возбужденном состоянии оказывается больше, чем концентрация атомов в основ­ном состоянии.

Но самопроизвольные переходы не дают атомам накапливаться в возбужденном состоянии. Если возбужденное состояние оказывается метастабильным, то этим можно пренебречь.

Метастабильное состояние - это возбужденное состояние электрона в атоме, в котором он может находиться намного дольше (например, 10-3 с), чем в обычном возбужденном состоянии (10-8 с).

Именно на этом основывается принцип действия рубинового лазера. Рубин, который используется как активный элемент в лазере, является монокристаллом Al2O3, в котором часть ионов алюминия замещена ионами Cr3 .

 

Лазер

 

При помощи лампы-вспышки (оптической накачки) ионы хрома пе­реводятся из основного состояния E1 в возбужденное — E3. Через 10-8 с. ионы, передавая часть энергии кристаллической решетке, переходят из возбужденного состояния E3 в метастабильное состояние E2< E3, где начинают накапливаться. Малая вероятность пере­хода с этого уровня на основной приводит к инверсной заселенности (n2 > n1) этого уровня. Случайный фотон с энергией hv = Е21 может вызвать лавину индуцированных когерентных фотонов. Индуциро­ванное излучение, распространяющееся вдоль оси цилиндрического монокристалла рубина, многократно отражается от его торцов и быс­тро усиливается.

Один из торцов рубинового стержня делают зеркальным, а другой — частично прозрачным. Через него выходит мощный импульс когерентного монохроматического излучения красного цвета с длиной волны 694,3 нм.

Сейчас есть много разных типов и конструкций лазеров.

 

Особенности лазерного излучения:

  1. исключительной монохроматичностью и когерентностью;
  2. пучок света лазера имеет очень малый угол расхождения (около 10-рад);

Лазер — самый мощный искусственный источник света. Напряженность электрическо­го поля в электромагнитной волне, излучаемой лазером, превышает напряженность поля внутри атома.