Для реалізації генерації електромагнітних хвиль з використанням підсилювача, як відомо з радіофізики, необхідно завести вихідний сигнал підсилювача на його вхід та утворити петлю зворотного зв'язку. В оптиці такий зворотний зв'язок створюється з використанням інтерферометра Фабрі-Перо, що створює резонатор. На малюнку 1.11. представлена ​​принципова схема пристрою лазера, що складається з: 1) активного середовища довжиною L; 2) джерела накачування, наприклад, імпульсної лампи; 3) двох дзеркал з коефіцієнтами відображення R 1 і R 2 утворюють інтерферометр Фабрі-Перо.

Мал. 1.11. Принципова оптична схема лазера

Для лазерної генерації необхідні три умови:

1. наявність активного середовища з інверсною населеністю; 2. присутність зворотного зв'язку; 3. перевищення посилення над втратами

Лазерна генерація почнеться тоді, коли посилення активного середовища компенсує втрати в ньому, посилення випромінювання за один прохід в активному середовищі (тобто відношення вихідний та вхідний щільностей потоку фотонів) дорівнює

ехр (1.12)

Якщо втрати в резонаторі визначаються лише пропусканням дзеркал, то поріг генерації буде досягнутий під час виконання умови

R1R2exp = 1 (1.13)

Ця умова показує, що поріг досягається тоді, коли інверсія населення наближається до критичної.Як тільки досягнуто критичної інверсії, генерація розвинеться зі спонтанного випромінювання. Справді, фотони, які спонтанно випромінюються вздовж осі резонатора, посилюватимуться. Цей механізм лежить в основі лазерної генерації.

1.4.1. Методи створення інверсного населення.

Досі ми розглядали дворівневі системи, однак у таких системах неможлива лазерна генерація. У стані термодинамічної рівноваги N 1 > N 2тому при впливі електромагнітного поля число вимушених переходів знизу вгору (1 - 2) більше числа вимушених переходів зверху вниз (2 - 1): при цьому населеність нижнього рівня зменшується, а верхнього - зростає. При досить велику об'ємну щільність енергії електромагнітного поля може статися вирівнювання населеностей рівнів , коли числа вимушених переходів 1 - 2 і 2 - 1 рівні, тобто. настає динамічна рівновага. Явище вирівнювання населеностей рівнів називають насиченням переходу.Таким чином, при впливі електромагнітного поля на дворівневу систему можна досягти насичення переходу, але не інверсії населеностей.

1.4.1. Трирівнева система.

На малюнку 1.12. зображена діаграма, що демонструє роботу, що оптично накачується, трирівневого лазера (наприклад, рубінового). У вихідному стані всі атоми в лазерній речовині знаходяться на нижньому рівні 1. Накачування переводить атоми з нижнього рівня на рівень 3, що складається з багатьох підрівнів, що утворюють широку смугу поглинання. Цей рівень дозволяє використовувати як накачування джерело з широким спектром випромінювання, наприклад, імпульсну лампу. Більшість збуджених атомів швидко переходить на середній рівень 2 без випромінювання. Але остаточно квантова система повертається на нижній рівень 1 з випромінюванням фотона. Цей перехід є лазерним переходом.


Якщо інтенсивність накачування менша за поріг лазерної генерації, то випромінювання, що супроводжує перехід атомів з рівня 2 на рівень 1, спонтанно. Коли інтенсивність накачування перевищує поріг генерації, випромінювання стає стимульованим. Це відбувається, коли населення рівня 2 перевищує населення рівня 1. Цього можна досягти, якщо час життя лише на рівні 2 буде більше, ніж час релаксації з рівня 3 до рівня 2, тобто.

Мал. 1.12. Діаграма енергетичних рівнів трирівневого лазера.

Число атомів N 3 лише на рівні Е 3 мало проти числом атомів інших рівнях, тобто.

(1.15)

Основна ідея трирівневої системи полягає в тому, що атоми ефективно накачуються з рівня 1 на метастабільний рівень 2 швидко проходячи рівень 3. І в цьому випадку система представляється як дворівнева. Для генерації необхідно, щоб населення рівня 2 була більшою, ніж населеність рівня 1. Таким чином, в трирівневій системі для лазерної генерації необхідно, щоб більше, ніж половина атомів з нижнього енергетичного рівня 1 була переведена на метастабільний рівень 2.

1.4.2. Чотирирівнева система.

Чотирирівнева лазерна система, за схемою якої працюють більшість лазерів на склі та кристалах, активованих іонами рідкісноземельних елементів, представлена ​​на малюнку 1.13.

Мал. 1.13. Діаграма енергетичних рівнів чотирирівневого лазера

Слід зазначити, що у трирівневій системі лазерна генерація відбувається між збудженим рівнем 2 та нижнім рівнем 1, який завжди заселений. А в чотирирівневій системі лазерний перехід здійснюється на рівень 1, який знаходиться вище за нижній рівень і який може бути зовсім не заселений або заселений, але значно менше, ніж найнижчий рівень. Таким чином, для створення інверсної заселеності достатньо порушити невелику кількість активних атомів, оскільки вони практично відразу переходять до рівня 2. Тобто. поріг генерації чотирирівневої лазерної системи буде значно нижчим, ніж у трирівневій.

Лазер – один з найбільш яскравих та корисних винаходів XX століття, що відкрило перед людством величезну кількість нових напрямків діяльності.


Насамперед, давайте розберемося, що це таке – лазер?



Лазерний промінь є когерентним, монохромним, поляризованим вузьконаправленим світловим потоком. Якщо говорити людською мовою, це означає наступне:

  • Когерентний - тобто такий, де частота випромінювання всіма джерелами синхронна (а треба розуміти, що світло - це електромагнітна хвиля, що випускається атомами і має свою частоту).
  • Монохромний – отже, зосереджений у вузькому діапазоні довжини хвилі.
  • Поляризований – який має спрямований вектор коливання електромагнітного поля (саме це коливання – і є світлова хвиля).

Одним словом, це промінь світла, що випускається мало того, що синхронними джерелами, так ще й у вузькому діапазоні, причому спрямовано. Такий надзвичайно сконцентрований світловий потік.


Влаштування лазера.

Толку від самого фізичного поняття про лазер було б небагато, якби його не вміли створювати. Основою пристрою служить оптичний квантовий генератор, який, використовуючи електричну, хімічну, теплову або іншу енергію, виробляє лазерний промінь. А виробляє він його за допомогою вимушеного або, як ще кажуть, індукованого випромінювання – тобто коли атом, до якого потрапляє фотон (частка світла), не поглинає його, а випромінює ще один фотон, який є точною копією першого (когерентний). Таким чином відбувається посилення світла.

Лазери зазвичай складаються з трьох частин:

  • Джерело енергії чи механізм накачування;
  • Робоче тіло;
  • Система дзеркал чи оптичний резонатор.



За що відповідає кожна з цих частин:


Джерело енергіїщо очевидно з назви, подає необхідну для роботи пристрою енергію. Для лазерів застосовуються різні видиенергії, що залежать від того, що саме використовується як робоче тіло. Такою первісною енергією, серед іншого, може бути й інше джерело світла, і навіть електричний розряд, хімічна реакція тощо. Тут треба згадати, що світло – це передача енергії та фотон – не лише частка або, інакше кажучи, квант світла, а й частка енергії.

Робоче тіло– це найважливіша складова лазера. Воно якраз і є тілом, у якому знаходяться атоми, що випромінюють когерентні фотони. Для того, щоб процес випромінювання когерентних фотонів відбувся, робоче тіло піддається енергетичному накачування, яке призводить, грубо кажучи, до того, що більшість атомів, з яких складається робоче тіло, перейшли в збуджене енергетичне стан із загальним знаменником. У цьому стані перехід до зворотного – основного – не збудженого стану відбудеться, якщо через атом пройде фотон, що відповідає за своєю енергією різниці між цими двома станами атома. Таким чином, збуджений атом, при переході в основний стан додає до фотону, що «пролітав через нього», його точну копію.

Саме робоче тіло визначає всі найважливіші характеристики лазера, такі як потужність, діапазон і т.п. Вибір робочого тіла проводиться з міркувань, які нам диктуються тим, що ми хочемо отримати від цього лазера.


Ну і, відповідно, варіантів тут дуже багато: всі агрегатні станів (газ, тверде, рідина і навіть плазма), всілякі матеріали, використовуються також і напівпровідники (наприклад, CD приводах).


Оптичний резонатор- це звичайна система дзеркал, розташованих навколо робочого тіла, адже воно випромінює світло у всіх напрямках, а нам потрібно зібрати в один вузький пучок. Для цього і служить оптичний резонатор.




Застосування лазер знаходить усюди, аби вистачило інженерної думки додуматися як у тих чи інших випадках застосувати цю технологію. Їм є місце і в медицині, і в промисловості, і в побуті, і у військовій справі, і навіть передачі інформації.

Насамперед розглянемо лазер, що працює за чотирирівневою схемою і має для простоти лише одну смугу поглинання накачування (смуга 3 на рис. 5.1). Втім, наступний аналіз залишиться без зміни, навіть якщо ми матимемо справу з більш ніж однією смугою (або рівнем) поглинання накачування, за умови, що релаксація цих смуг на верхній лазерний рівень 2 відбувається дуже швидко. Позначимо

Населення чотирьох рівнів 0, 1, 2 і 3 відповідно через Будемо вважати, що лазер генерує тільки на одній моді резонатора. Нехай – повна кількість фотонів у резонаторі. Вважаючи, що переходи між рівнями 3 та 2 та рівнями 1 та 0 є швидкими, можна покласти . Таким чином, ми маємо такі швидкісні рівняння:

У рівнянні (5.1а) величина є повне число активних атомів (або молекул). У рівнянні (5.16) доданок враховує накачування [див. рівняння (1.10)]. Явні висловлювання для швидкості накачування як у разі оптичного, так і електричного накачування вже були отримані в гол. 3. У тому ж рівнянні член відповідає вимушеному випромінюванню. Швидкість вимушеного випромінювання, як показано в гол. 2, дійсно пропорційна квадрату електричного поля електромагнітної хвилі і, отже, пропорційна Тому коефіцієнт можна розглядати як швидкість вимушеного випромінювання на один фотон в моді. Величина є час життя верхнього лазерного рівня й у випадку визначається виразом (2.123). У рівнянні (5.1) член відповідає швидкості зміни числа фотонів внаслідок вимушеного випромінювання. Справді, як ми бачили, член у рівнянні (5.16) є швидкість зменшення населеності з допомогою вимушеного випромінювання. Оскільки кожен акт вимушеного випромінювання призводить до появи фотона, швидкість збільшення числа фотонів повинна дорівнювати де - обсяг, займаний модою всередині активного середовища (точне визначення модового обсягу дано нижче). Нарешті, член [де - час життя фотона (див. разд. 4.3)] враховує зменшення числа фотонів через втрати в резонаторі.

Мал. 5.1. Схема енергетичних рівнів четирехуровієвого лазера.

Суворе визначення обсягу моди вимагає докладного розгляду, що наводиться у додатку Б. У результаті ми маємо таке визначення

де - розподіл електричного поля всередині резонатора, Е - максимальне значення цього поля, а інтегрування здійснюється за обсягом, що займає активне середовище. Якщо розглядається резонатор із двома сферичними дзеркалами, то відношення дорівнює речовій частині виразу (4.95). Доречно навести як приклад симетричний резонатор, що складається з двох дзеркал, радіуси кривизни яких набагато більше, ніж довжина резонатора. Тоді розмір плями моди буде приблизно постійним по всій довжині резонатора і дорівнює значенням в центрі резонатора. Аналогічно радіус кривизни еквіфазних поверхонь буде досить великим і хвильові фронти можна вважати плоскими. Тоді з виразу (4.95) для моди отримуємо

тут ми поклали З виразів (5.2) та (5.3) маємо

де - Довжина активного середовища. При виведенні цього виразу ми врахували той факт, що є повільно змінною функцією в порівнянні з так що можна покласти Таким чином, поява четвірки в знаменнику виразу (5.4) є результатом наступних двох обставин: 1) наявність множника 1/2 обумовлена ​​тим, що мода має характер стоячої хвилі, так що відповідно до наведених вище міркувань; 2) ще один множник 1/2 з'являється через те, що - це розмір плями для амплітуди поля Е, тоді як розмір плями для інтенсивності поля (тобто очевидно, в раз менший).

Перш ніж продовжити наш розгляд, слід зауважити, що у виразі (5.1 в) нехтується доданком, що враховує спонтанне випромінювання. Насправді ж, як у гол. 1, генерація виникає за рахунок спонтанного випромінювання; тому слід очікувати, що рівняння (5.1) не дають правильного опису виникнення генерації. Справді, якщо в рівнянні (5.1 в) покласти в момент часу ми отримаємо , отже, генерація зможе виникнути. Для обліку спонтанного випромінювання можна було б знову спробувати, виходячи з простої умовибалансу, почати розгляд з члена який у рівнянні (5.16) входить до доданку При цьому може здатися,

що у рівнянні (5.1в) доданок, що враховує спонтанне випромінювання, мало б мати такий вигляд: Однак це неправильно. Насправді, як показано в розд. 2.4.3 [див., зокрема, вираз (2.115)], спонтанне випромінювання розподілено в деякому частотному інтервалі і форма його лінії описується функцією Однак у рівнянні (5.1 в) член, що враховує спонтанне випромінювання, повинен включати лише ту частку цього випромінювання, яка дає внесок у розглянуту моду. Правильне вираження цього члена можна вивести лише з квантовомеханического розгляду електромагнітного поля моди резонатора. Отримуваний при цьому результат є дуже простим і повчальним. У разі коли враховується спонтанне випромінювання, рівняння (5.1 в) перетворюється на вид

Все це виглядає так, начебто члену, який відповідає вимушеному випромінюванню, ми додали «додатковий фотон». Однак задля простоти ми не будемо надалі вводити такого додаткового члена, пов'язаного зі спонтанним випромінюванням, а натомість припустимо, що в початковий момент часу в резонаторі вже присутня деяка невелика кількість фотонів. Як ми побачимо, введення цього не великої кількостіфотонів, яке необхідно лише для виникнення генерації, насправді аж ніяк не позначається на подальшому розгляді.

Займемося тепер висновком явних виразів для величини, яка входить в рівняння (5.16) і (5.1 в). Суворий вираз цієї величини виводиться знову у Додатку Б. Для більшості практичних цілей підходить наближений вираз, який можна отримати, виходячи з простих міркувань. Для цього розглянемо резонатор довжиною в якому знаходиться активне середовище довжиною з показником заломлення. Можна вважати, що мода резонатора утворена суперпозицією двох хвиль, що розповсюджуються в протилежних напрямках. Нехай I - інтенсивність однієї з цих хвиль. Відповідно до виразу (1.7) при проходженні хвилі через шар активного середовища її інтенсивність змінюється на величину де а - переріз переходу на частоті резонатора, що розглядається. Визначимо тепер такі величини: -коефіцієнти пропускання двох дзеркал резонатора за потужністю; - Відповідні відносні коефіцієнти втрат на дзеркалах; 3) Р - відносний коефіцієнт внутрішніх втрат за прохід. Тоді зміна інтенсивності за повний прохід резонатора

Тут і – логарифмічні втрати за прохід, зумовлені пропусканням дзеркал, а – внутрішні логарифмічні втрати. Для стислості називатимемо у, і втратами на пропускання, а - внутрішніми втратами. Як стане ясно надалі, завдяки експоненційному характеру лазерного посилення запис за допомогою логарифмічних втрат значно зручніша для подання втрат у лазерах. Однак слід зауважити, що хоча для невеликих значень пропускання, для великих значень пропускання це неправильно. Наведемо приклад: якщо покласти то отримаємо т. е. , тоді як маємо Слід також зазначити, що з допомогою виразів (5.7) можна визначити повні втрати за прохід:

Визначивши логарифмічні втрати, підставимо вирази (5.7) та (5.8) у (5.6). Вводячи додаткову умову

експоненційну функцію в (5.6) можна розкласти в статечний ряд, і ми отримуємо

Розділимо обидві частини цього виразу на інтервал часу, за який світлова хвиля здійснює повний прохід резонатора,

тобто на величину де визначається виразом

Використовуючи наближення отримуємо

Оскільки число фотонів у резонаторі пропорційно інтенсивності рівняння (5.12) можна порівняти з (5.1в). При цьому отримуємо такі вирази:

Величину V ми називатимемо ефективним обсягом моди резонатора. Зауважимо, що формула (5.136) узагальнює отримане розд. 4.3 вираз для життя фотона. Крім того, вираз (5.14) для обсягу резонатора справедливий лише приблизно. Насправді в Додатку Б показано, що (5.13а) слід використовувати більш строгий вираз для V, а саме

тут перший інтеграл береться за обсягом активного середовища, а другий - по об'єму резонатора, що залишився. Зауважимо, втім, що для симетричного резонатора з дзеркалами великого радіусу кривизни обидва вирази (5.14) та (5.15) дають

Досі наш розгляд був спрямований на обґрунтування рівняння (5.1 в) і на виведення явних виразів для і через вимірювані параметри лазера. Однак слід зазначити, що ми вказали також і на межі застосування рівняння (5.1в). Справді, при виведенні рівняння (5.12) нам довелося використати наближення (5.9), згідно з яким різниця між посиленням та втратами невелика. Для безперервного лазера ця умова завжди виконується, оскільки в процесі, що встановився (див. Розд. 5.3.1). А ось для імпульсного лазера умова (5.9) буде справедливою лише тоді, коли лазер працює при малому перевищенні над порогом. Якщо умова (5.9) не виконується, то непридатні та рівняння

Квантові генератори, що випромінюють в діапазоні видимого і інфрачервоного випромінюванняотримали назву лазерів. Слово «лазер» є абревіатурою виразу: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, що означає посилення світла внаслідок індукованого чи, як іноді називають, вимушеного випромінювання квантів.

Пристрій лазера

Узагальнений лазер складається з лазерного активного середовища, системи «накачування» - джерела напруги та оптичного резонатора.

Система накачування передає енергію атомам чи молекулам лазерного середовища, даючи можливість перейти у збуджений «метастабільний стан» створюючи інверсію населеності.

· При оптичному накачуванні використовуються фотони, що забезпечуються джерелом, таким як ксенонова газонаповнена імпульсна лампа або інший лазер для передачі енергії лазерній речовині. Оптичне джерело має забезпечувати фотони, які відповідають допустимим рівням переходу лазерної речовини.

· Накачування за допомогою зіткнень засноване на передачі енергії лазерній речовині в результаті зіткнення з атомами (або молекулами) лазерної речовини. При цьому також має бути забезпечена енергія, що відповідає допустимим переходам. Зазвичай це виконується за допомогою електричного розряду в чистому газі або суміші газів у трубці.

· Хімічні системи накачування використовують енергію зв'язку, що вивільняється в результаті хімічних реакцій для переходу лазерної речовини в метастабільний стан.

Оптичний резонатор потрібен для забезпечення потрібного зусилля в лазері та відбору фотонів, які переміщуються в потрібному напрямку. Коли перший атом чи молекула в метастабільному стані інверсної населеності розряджається, з допомогою вимушеного випромінювання, він ініціює розряд інших атомів чи молекул, що у метастабільному стані. Якщо фотони переміщуються в напрямку стінок лазерної речовини, що зазвичай є стрижнем або трубою, вони губляться, а процес посилення переривається. Хоча вони можуть відбитися від стінок стрижня або труби, але рано чи пізно вони загубляться із системи, і не сприятимуть створенню променя.

З іншого боку, якщо один із зруйнованих атомів або молекул вивільнить фотон, паралельний осілазерної речовини, він може ініціювати виділення іншого фотона, і вони обидва відіб'ються дзеркалом на кінці стрижня, що генерує, або труби. Потім, відбиті фотони проходять назад через речовину, ініціюючи подальше випромінювання в точності тим же шляхом, яке знову позначиться дзеркалами на кінцях лазерної речовини. Поки цей процес посилення триває, частина посилення завжди буде виходити через дзеркало, що частково відображає. У міру того, як коефіцієнт посилення або приріст цього процесу перевищить втрати з резонатора починається лазерна генерація. Таким чином, формується вузький концентрований промінь когерентного світла. Дзеркала в лазерному оптичному резонаторі повинні бути точно налаштовані для того, щоб світлові промені були паралельні осі. Сам оптичний резонатор, тобто. речовина середовища, що не має сильно поглинати світлову енергію.

Лазерне середовище (генеруючий матеріал) – зазвичай лазери позначаються на кшталт використовуваного лазерного речовини. Існують чотири такі типи:

Тверда речовина,

Барвник,

Напівпровідник.

Твердотільні лазери використовують лазерну речовину, розподілену у твердій матриці. Твердотільні лазери займають унікальне місце у розвитку лазерів. Першим робочим лазерним середовищем був кристал рожевого рубіна (сапфіровий кристал, легований хромом); з того часу термін «твердотільний лазер» зазвичай використовується для опису лазера, у якого активним середовищем є кристал, легований домішками іонів. Твердотілі лазери - це великі, прості в обслуговуванні пристрої, здатні генерувати енергію високої потужності. Найбільш чудовою стороною твердотільних лазерів є те, що вихідна потужність зазвичай не стала, а складається з великої кількості окремих піків потужності.

Одним із прикладів є Неодим – YAG лазер. Термін YAG є скороченням для кристала: алюмоїтрієвий гранат, який служить як носій для іонів неодиму. Цей лазер випромінює інфрачервоний промінь із довжиною хвилі 1064 мікрометри. Крім того, можуть використовуватися інші елементи для легування, наприклад ербій (лазери Er:YAG).

У газових лазерах використовується газ чи суміш газів у трубі. У більшості газових лазерів використовується суміш гелію і неону (HeNe), з первинним вихідним сигналом 6328 нм (нм = 10-9 метра) видимого червоного кольору. Вперше такий лазер був розроблений у 1961 році та став провісником цілого сімейства газових лазерів.

Всі газові лазери досить схожі за конструкцією та властивостями. Наприклад, СО2 газовий лазер випромінює довжину хвилі 10,6 мікрометрів далекої інфрачервоної області спектра. Аргоновий та криптоновий газові лазери працюють з кратною частотою, випромінюючи переважно у видимій частині спектру. Основні довжини хвиль випромінювання аргонового лазера – це 488 та 514 нм.

У лазерах на фарбнику використовується лазерне середовище, що є складним органічним барвником у рідкому розчині або суспензії.

Найбільш значна особливість цих лазерів – їхня «пристосовуваність». Правильний вибір барвника та його концентрації дозволяє генерувати лазерне світло у широкому діапазоні довжин хвиль у видимому спектрі або біля нього. У лазерах на фарбнику зазвичай застосовується система оптичного збудження, хоча в деяких типах таких лазерів використовується збудження за допомогою хімічних реакцій.


Напівпровідникові (діодні) лазери складаються з двох шарів напівпровідникового матеріалу, складених разом. Лазерний діод є діодом, що випромінює світло, з оптичною ємністю для посилення випромінюваного світла від люфта в стрижні напівпровідника, як показано на малюнку. Їх можна налаштувати, змінюючи струм, температуру або магнітне поле, що прикладається.

Різні часові режими роботи лазера визначаються частотою, з якою надходить енергія.

Лазери з безперервним випромінюванням (Continuous wave, CW) працюють із постійною середньою потужністю променя.

У одноімпульсних лазерів тривалість імпульсу зазвичай становить від кількох сотень мікросекунд до кількох мілісекунд. Цей режим роботи зазвичай називається довгоімпульсним чи нормальним режимом.

Одноімпульсні лазери з модуляцією добротності є результатом внутрішньорезонаторного запізнення (комірка модуляції добротності), що дозволяє лазерному середовищу зберігати максимум потенційної енергії. Потім, за максимально сприятливих умов, відбувається випромінювання одиночних імпульсів, зазвичай із проміжком часу 10-8 секунд. Ці імпульси мають високу пікову потужність, часто в діапазоні від 106 до 109 Ватт.

Імпульсні лазери періодичної дії або скануючі лазери працюють у принципі так само як і імпульсні лазери, але з фіксованою (або змінною) частотою імпульсів, яка може змінюватися від кількох імпульсів на секунду до такого великого значенняяк 20 000 імпульсів за секунду.

Принцип дії лазера

Фізичною основою роботи лазера є явище вимушеного (індукованого) випромінювання. Суть явища у тому, що збуджений атом здатний випромінювати фотон під впливом іншого фотона без його поглинання, якщо енергія останнього дорівнює різниці енергій рівнів атома до і після випромінювання. При цьому випромінюваний фотон когерентний фотону, що викликав випромінювання (є його «точною копією»). У такий спосіб відбувається посилення світла. Цим явище відрізняється від спонтанного випромінювання, у якому випромінювані фотони мають випадкові напрями поширення, поляризацію та фазу.

Імовірність того, що випадковий фотон викликає індуковане випромінювання збудженого атома, точно дорівнює ймовірності поглинання цього фотона атомом, що знаходиться в незбудженому стані. Тому посилення світла необхідно, щоб збуджених атомів серед було більше, ніж незбуджених (так звана інверсія населенностей). У стані термодинамічної рівноваги ця умова не виконується, тому використовуються різні системи накачування активного середовища лазера (оптичні, електричні, хімічні та ін.)

Першоджерелом генерації є процес спонтанного випромінювання, тому для забезпечення наступності поколінь фотонів необхідне існування позитивного зворотного зв'язку, за рахунок якого випромінювані фотони викликають наступні акти індукованого випромінювання. Для цього активне середовище лазера міститься в оптичний резонатор. У найпростішому випадку він є двома дзеркалами, одне з яких напівпрозоре - через нього промінь лазера частково виходить з резонатора. Відбиваючись від дзеркал, пучок випромінювання проходить по резонатору, викликаючи в ньому індуковані переходи. Випромінювання може бути як безперервним, так і імпульсним. При цьому, використовуючи різні прилади (призми, що обертаються, комірки Керра та ін.) для швидкого вимикання і включення зворотного зв'язку і зменшення тим самим періоду імпульсів, можливо створити умови для генерації випромінювання дуже великої потужності (так звані гігантські імпульси). Цей режим роботи лазера називають режимом модульованої добротності.

Випромінювання, що генерується лазером, є монохроматичним (одною або дискретного набору довжин хвиль), оскільки ймовірність випромінювання фотона певної довжини хвилі більша, ніж близько розташованої, пов'язаної з розширенням спектральної лінії, а, відповідно, і ймовірність індукованих переходів на цій частоті теж має максимум. Тому поступово в процесі генерації фотони даної довжини хвилі домінуватимуть над усіма іншими фотонами. Крім цього, через особливе розташування дзеркал в лазерному промені зберігаються лише ті фотони, які поширюються в напрямку, паралельному оптичній осі резонатора на невеликій відстані від неї, інші фотони швидко залишають об'єм резонатора. Таким чином, промінь лазера має дуже малий кут розбіжності. Нарешті, промінь лазера має певну поляризацію. Для цього резонатор вводять різні поляроїди, наприклад, ними можуть служити плоскі скляні пластинки, встановлені під кутом Брюстера до напрямку поширення променя лазера.


Застосування лазерів

лазер квантовий генератор випромінювання

З моменту свого винаходу лазери зарекомендували себе як готові рішення ще не відомих проблем. У силу унікальних властивостей випромінювання лазерів вони широко застосовуються в багатьох галузях науки і техніки, а також у побуті (програвачі компакт-дисків, лазерні принтери, зчитувачі штрих-кодів, лазерні указки тощо). У промисловості лазери використовуються для різання, зварювання та паяння деталей з різних матеріалів. Висока температура випромінювання дозволяє зварювати матеріали, які неможливо зварити звичайними способами (наприклад, кераміку та метал). Промінь лазера може бути сфокусований на точку діаметром порядку мікрона, що дозволяє використовувати його в мікроелектроніці (так зване лазерне скрайбування). Лазери використовуються для отримання поверхневих покриттів матеріалів (лазерне легування, лазерне наплавлення, вакуумно-лазерне напилення) з метою підвищення їх зносостійкості. Широке застосування отримала також лазерне маркування промислових зразків та гравіювання виробів із різних матеріалів. При лазерній обробці матеріалів на них не виявляється механічна дія, тому виникають лише незначні деформації. Крім того, весь технологічний процес може бути повністю автоматизований. Лазерна обробка тому характеризується високою точністю та продуктивністю.

Напівпровідниковий лазер, який використовується у вузлі генерації зображення принтера Hewlett-Packard.

Лазери застосовуються в голографії для створення самих голограм та отримання гологафічного об'ємного зображення. Деякі лазери, наприклад лазери на барвниках, здатні генерувати монохроматичне світло практично будь-якої довжини хвилі, при цьому імпульси випромінювання можуть досягати 10-16 с, а отже, і величезних потужностей (так звані гігантські імпульси). Ці властивості використовують у спектроскопії, і навіть щодо нелінійних оптичних ефектів. З використанням лазера вдалося виміряти відстань до Місяця з точністю до кількох сантиметрів. Лазерна локація космічних об'єктів уточнила значення астрономічної постійної та сприяла уточненню систем космічної навігації, розширила уявлення про будову атмосфери та поверхні планет Сонячна система. В астрономічних телескопах, з адаптивною оптичною системою корекції атмосферних спотворень, лазер застосовують для створення штучних опорних зірок у верхніх шарах атмосфери.

Надкороткі імпульси лазерного випромінювання використовуються в лазерній хімії для запуску та аналізу хімічних реакцій. Тут лазерне випромінювання дозволяє забезпечити точну локалізацію, дозу, абсолютну стерильність і високу швидкість введення енергії в систему. В даний час розробляються різні системи лазерного охолодження, розглядаються можливості здійснення за допомогою лазерів керованого термоядерного синтезу (найбільш відповідним лазером для досліджень в області термоядерних реакцій, був би лазер, який використовує довжини хвиль, що лежать у блакитній частині видимого спектру). Лазери використовуються і у військових цілях, наприклад, як засоби наведення та прицілювання. Розглядаються варіанти створення на основі потужних лазерів бойових систем захисту повітряного, морського та наземного базування.

У медицині лазери застосовуються як безкровні скальпелі, використовуються при лікуванні офтальмологічних захворювань (катаракта, відшарування сітківки, лазерна корекція зору та ін.). Широке застосування отримали також у косметології (лазерна епіляція, лікування судинних та пігментних дефектів шкіри, лазерний пілінг, видалення татуювань та пігментних плям). В даний час бурхливо розвивається так званий лазерний зв'язок. Відомо, що чим вище несуча частота каналу зв'язку, тим більша його пропускна здатність. Тому радіозв'язок прагне переходити на дедалі короткі довжини хвиль. Довжина світлової хвилі в середньому на шість порядків менша за довжину хвилі радіодіапазону, тому за допомогою лазерного випромінювання можлива передача набагато більшого обсягу інформації. Лазерний зв'язок здійснюється як по відкритим, так і закритим світловодним структурам, наприклад, по оптичному волокну. Світло рахунок явища повного внутрішнього відбиття може поширюватися у ньому великі відстані, мало ослабевая.

Повсякденної виробничої та наукової діяльності. З роками цей "інструмент" все більше удосконалюватиметься, а разом з цим безперервно розширюватиметься і область застосування лазерів. Наростаючі темпи досліджень в галузі лазерної техніки відкривають можливості створення нових типів лазерів зі значно покращеними характеристиками, що дозволяють розширити сфери їх застосування в...




Не тільки для особливо твердих матеріалів, але і для матеріалів, що відрізняються підвищеною крихкістю. Лазерне свердло виявилося не лише потужним, а й вельми делікатним інструментом. Приклад: застосування лазера при свердлінні отворів у підкладках мікросхем, що виготовляються із глиноземної кераміки. Кераміка надзвичайно тендітна. З цієї причини механічне свердління отворів у підкладці мікросхеми.