YAG-лазер

Аббревиатура LASER

Английское выражение Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation переводится как «Усиление света посредством вынужденного излучения». По первым буквам этого выражения образована аббревиатура LASER.

Попросту говоря, лазер производит поток света, обладающий чрезвычайной концентрацией.

Принцип работы лазера

Чтобы понять, как работает лазер, посмотрим на его структуру. Типичный лазер выглядит так: трубка, внутри которой размещен твердый кристалл, чаще всего рубин. С обоих торцов она закрыта зеркалами: прозрачным и не полностью прозрачным. Под воздействием электрической обмотки атомы кристалла генерируют световые волны. Эти волны перемещаются от одного зеркала к другому до того момента, пока не наберут интенсивность, достаточную для прохождения через не полностью прозрачное зеркало.

Как создается лазерный луч

Электроны всех атомов (на картинке — черные точки на внутренних окружностях) занимают основной энергетический уровень.

Под действием энергии из разрядной трубки электроны перемещаются на более высокие энергетические орбиты (на картинке — внешние окружности).

Электроны начинают покидать высокие энергетические орбиты и спускаться к основному уровню. При этом они начинают испускать свет и побуждают к этому остальные электроны. Образуется общий результирующий пучок света с одинаковой длиной волны у каждого источника. Чем больше новых электронов вернется к низким орбитам, тем мощнее свет лазера.

Резкость фокусировки

Длина световой волны в лазерном пучке только одна, следовательно, и цвет также один. Этот свет четко фокусируется линзой почти что полностью в одной точке.

(См. рисунок: слева — свет лазера, справа — естественный свет). Если сравнить свет лазера с естественным светом, то будет видно, что последний не способен иметь настолько резкий фокус.

Благодаря концентрации в узком луче огромной энергии лазер способен передать этот луч на гигантские расстояния, избегая рассеяния и ослабления, присущих многоцветному свету — естественному. Эти качества лазера превращают его в незаменимый инструмент для человека.

Активная среда

Для лазерного излучения необходима так называемая «активная среда». Только в ней оно может происходить. Как же создается активная среда? Прежде всего, нужно специальное вещество, которое обычно состоит из кристаллов рубина или алюмоиттриевого граната. Собственно, это вещество и есть активная среда.

Сформированный из него цилиндр или стержень вставляют в резонатор. Резонатор состоит из двух параллельных друг другу зеркал. Переднее зеркало наполовину прозрачно, а заднее не пропускает свет. Рядом с со стержнем (цилиндром) монтируется импульсная лампа. Цилиндр и импульсная лампа окружены зеркалом. Оно чаще всего изготовлено из кварца, на который нанесен слой металла. При помощи зеркала свет собирается на цилиндре.

Энергетические уровни атомов

Важный момент: состав активной среды таков, что у каждого ее атома есть как минимум три энергетических уровня. В спокойном состоянии атомы активной среды располагаются на низшем энергетическом уровне Е0. Как только включается лампа, атомы поглощают энергию ее света, поднимаются на уровень Е1 и довольно долго пребывают в таким возбужденном состоянии. Именно это и обеспечивает лазерный импульс.

Инверсная заселенность

Инверсная заселенность — фундаментальное физическое понятие. Это такое состояние среды, когда число частиц на каком-то верхнем энергетическом уровне атома (любом из существующих) больше, чем на нижнем. Собственно, активной и называется та среда, в которой уровни являются инверсно заселенными.

Фотоны с световой пучок

Электроны атома не располагаются хаотично. Они занимают определенные орбиты, окружающие ядро. Атом, получающий квант энергии, с огромной вероятностью переходит в состояние возбуждения, характеризующееся сменой орбиты электронами — с самой низкой (метастабильной или основной) на обладающую более высоким уровнем энергии. На такой орбите длительное нахождение электронов невозможно, поэтому происходит их самопроизвольное возвращение к основному уровню.

В момент возвращения каждый электрон испускает волну света, называемую фотоном. Одним атомом запускается цепная реакция, и электроны многих других атомов также перемещаются на орбиты с более низкой энергией.

Одинаковые световые волны движутся огромным потоком. Изменения этих волн согласованы во времени и в результате формируют общий мощный световой пучок. Этот пучок света и зовется лазерным лучом. Мощность луча у каких-то лазеров настолько огромна, что им можно разрезать камень или металл.

Классификация лазеров

Существует несколько видов лазера, отличающихся друг от друга по принципу агрегатного состояния активной среды и по способу ее возбуждения. Перечислим основные.

Твердотельные лазеры

С этих лазеров все начиналось. Активная среда в них была твердой и состояла из кристаллов рубина и небольшого количества ионов хрома. Накачка осуществлялась при помощи импульсной лампы. Самый первый рубиновый лазер собрал американец Т. Майман в 1960 году.

Твердотельные лазеры также изготавливают из стекла с примесью неодима Nd, алюмоиттриевого граната Y2Al5O12 с примесью хрома и неодима — все это также вещества для активной среды твердотельного лазера.

Газовые лазеры

В газовых лазерах активная среда формируется из газов с очень низким давлением или из их смесей. Газы заполняют стеклянную трубку, в которую впаяны электроды. Американцы А. Джаван, У. Беннетт и Д. Эрриот стали первыми создателями газового лазера в 1960 году.

В качестве накачки такого лазера обычно применяют разряд электричества, производимый генератором высоких частот. Излучение газового лазера отличается своей непрерывностью. Плотность газов невысока, так что требуется довольно длинный стержень активной среды. Интенсивность излучения обеспечивается в этом случае за счет массы активного вещества.

Газодинамические, химические и эксимерные лазеры

По большому счету эти три вида можно классифицировать как газовые лазеры:

  • Газодинамический лазер по принципу работы схож с реактивным двигателем. В нем по сути происходит сгорание топлива, в которое добавлены частицы газов активной среды. В процессе сгорания молекулы газов приходят в возбуждение, а потом, будучи охлажденными сверхзвуковым течением, испускают мощнейшее когерентное излучение, тем самым отдавая энергию.
  • В химическом лазере импульс излучения появляется в результате химической реакции. В самом мощном лазере этого типа работает атомарный фтор в реакции с водородом.
  • Работу эксимерных лазеров обеспечивают особые молекулы, которые всегда находятся в возбужденном состоянии.

Жидкостные лазеры

Первые жидкостные лазеры появились почти тогда же, когда и твердотельные — в 60-х годах XX века. Для создания активной среды в них используются разнообразные растворы органических соединений. Плотность такого вещества выше, чем у газа, хотя и ниже, чем у твердых тел.

Поэтому такие лазеры способны генерировать достаточно сильное излучение (до 20 Вт), при том что объем их активного вещества сравнительно невелик. Работать они могут и в импульсном, и в непрерывном режимах. В качестве накачки используются импульсные лампы и другие лазеры.

Полупроводниковые лазеры

В 1962 году появились и первые полупроводниковые лазеры — в результате параллельной работы нескольких ученых из США: Р. Холла, М. Нейтена, Т. Квиста и их групп. Теоретически работа этого лазера была обоснована ранее, в 1958 году, русским физиком Н. Басовым.

В полупроводниковом лазере в качестве активной среды используется кристалл-полупроводник, например арсенид галлия GaAs. Поэтому на первый взгляд его можно было бы отнести к твердотельным лазерам. Однако он принципиально отличается тем, что излучательные переходы в нем происходят не между энергетическими уровнями атомов, а между энергетическими зонами или подзонами кристалла.

Накачка такого лазера производится постоянным электрическим током. Грани кристалла-полупроводника тщательно полируются, и из них получается отличный резонатор.

Лазеры в природе

В нашей Вселенной учеными были найдены лазеры с естественным происхождением. Существуют гигантские межзвездные облака, созданные конденсированными газами. В них инверсная заселенность образуется естественным образом. Свет ближних звезд или другие излучения в космосе выполняют роль накачки, а газовые облака сами по себе являются превосходной активной средой протяженностью в несколько сотен миллионов километров.

Возникает естественный астрофизический лазер, который не нуждается в резонаторе, — вынужденное электромагнитное излучение образуется в них самопроизвольно, как только проходит волна света.

Свойства лазерного излучения

Свет от лазера имеет особенные и очень ценные свойства, выгодно отличающие его от света обычных, тепловых источников.

  • Излучение лазера когерентно и практически полностью монохроматично. Ранее подобные свойства были лишь у радиоволн от хорошо стабилизированных передатчиков.
  • Распространение вынужденного излучения происходит только вдоль оси резонатора. В связи с этим расширение лазерного луча очень слабое, имеет почти незаметную расходимость (несколько угловых секунд).
  • Благодаря вышеназванным свойствам лазерный луч способен фокусироваться в точку невероятно маленького размера. Энергия в точке его фокуса имеет огромную плотность.
  • По причине монохроматичности излучения и чрезвычайной плотности энергии, лазерное излучение может достигать очень высоких температур. К примеру, температура излучения импульсного лазера мощностью порядка петаватта (1015 Вт) составляет более 100 миллионов градусов.

Применение лазеров

Свойства лазерного излучения уникальны. Это превратило лазеры в незаменимый для самых различных областей науки и техники инструмент. Кроме этого, лазеры широко используются в медицине, в быту, в индустрии развлечений, в сфере транспорта.

Технологические лазеры

  • Благодаря огромной мощности лазеры непрерывного действия активно используются для того, чтобы разрезать, сваривать или спаивать детали, изготовленные из самых различных материалов. При высокой температуре лазерного излучения становится возможным сваривать даже те материалы, которые нельзя соединить между собой другими методами. Например, сваривание металла и керамики для получения нового материала — металлокерамики, обладающего уникальными свойствами.
  • Для того чтобы изготовить микросхемы, используется лазерный луч, который способен сфокусироваться в одну мизерную точку, имеющую диаметр порядка микрона.
  • Еще одно замечательное свойство лазерного луча — его идеальная прямота. Это позволяет использовать его как самую точную «линейку» в строительстве. Также в строительстве и геодезии при помощи импульсных лазеров производят измерения огромных расстояний на местности, засекая время, за которое световой импульс продвигается от одной точки до другой.

Лазерная связь

Появившиеся лазеры вывели на принципиально новый уровень технику связи и записи информации.

Радиосвязь, развиваясь, постепенно переходила на все более короткие длины волн, поскольку было доказано, что высокие частоты (с наименьшей длиной волны) предоставляют каналу связи наибольшую пропускную способность. Настоящим прорывом стало понимание того, что свет — это такая же электромагнитная волна, просто короче во множество десятков тысяч раз.

Следовательно, через лазерный луч возможно передавать объем информации, в десятки тысяч раз превосходящий объем, передаваемый высокочастотными радиоканалами. В результате этого были усовершенствованы различные виды связи по всему миру.

Также при помощи луча лазера записываются и воспроизводятся компакт-диски со звуками — музыкой, и изображениями — фото и фильмами. Индустрия звукозаписи, получив такой инструмент, сделала гигантский шаг вперед.

Применение лазеров в медицине

Лазерные технологии широко применяются как в хирургии, так и в терапевтических целях.

  • Например, благодаря его уникальным возможностям, луч лазера возможно легко ввести сквозь глазной зрачок и «приварить» отслоившуюся сетчатку, исправить в труднодоступной области глазного дна существующие дефекты.
  • В современной хирургии при сложных операциях используется лазерный скальпель, который минимизирует повреждение живых тканей.
  • Лазерное излучение небольшой мощности ускоряет регенерацию поврежденных тканей. Оно также оказывает воздействие, по свойствам похожее на иглоукалывание, практикуемое восточной медициной, — лазерная акупунктура.
  • В косметологии активно используются диодные и пикосекундные лазеры.

Современные научные исследования

  • Поскольку энергия лазера имеет высокую плотность, а излучение — огромную температуру, становятся возможными исследования веществ в таком экстремальном состоянии, в каком они существуют в раскаленных звездных глубинах.
  • Современные ученые ставят перед собой цель создать термоядерную реакцию. Для этого лазерными лучами необходимо сжимать ампулу со смесью дейтерия с тритием (так называемый термоядерный синтез).
  • Лазер незаменим в генной инженерии и нанотехнологиях (которые работают с объектами размером порядка миллионной доли миллиметра — 10–9 м). При помощи лучей лазера преодолеваются масштабные ограничения — разрезаются, передвигаются и соединяются между собой невидимые для глаза составляющие части генов, биологических молекул и нанотехнологические детали.
  • Лазерные локаторы — лидары, используются для исследований свойств атмосферы.

Военные лазеры

В военных целях спектр применения лазеров очень велик. Например, их используют в разведке — для поиска целей и связи. Но все же в первую очередь при помощи лазеров изобретают и изготавливают новейшие виды оружия. Лучи химических или эксимерных лазеров наземного или орбитального базирования обладают колоссальной мощностью.

Они способны без особых усилий уничтожать или выводить из строя вражеские боевые спутники и самолеты во время военных действий. Уже сегодня ведутся разработки и существуют примеры лазерных пистолетов, которыми планируется вооружать экипажи военных орбитальных станций. И это не сюжет фантастического фильма, а новейшие научные разработки!

Лазеры в индустрии развлечений

Лазеры нашли широкое применение в индустрии развлечений. Многие знакомы с лазерным шоу: такие представления часто сопровождают фестивали, концерты, праздничные мероприятия. Лазерное шоу может быть создано как внутри помещения, так и на свежем воздухе. Организатор способен выбрать оборудование под свои задачи и проецировать изображение любой сложности в любом цветовом диапазоне.

Так, одним из самых ярких и масштабных событий, которое сопровождалось лазерным шоу, стал концерт знаменитого музыканта Jean-Michel Jarre на Воробьевых горах в 1995 году. Он был приглашен Юрием Лужковым по случаю празднования 850-летия Москвы.

Музыкант выступал перед зданием МГУ, во время мероприятия на фасад университета проецировались фрагменты истории города.

Но в наше время лазерным шоу никого не удивишь. В Нью-Йорке в ноябре 2012-го появилась кратковременная лазерная установка с названием Global Rainbows — 35-километровым лазерным лучом в небо. Установка представляла собой пучок из семи мощных лазерных лучей всех цветов радуги, которые могли быть направлены как в одну сторону, так и в разные.

Конструкция была установлена после того, как на город обрушился ураган «Сэнди» в октябре 2012 года. Гигантская радуга показывала: город пережил катастрофу, и его жизнь продолжается.

Еще одним интересным примером применения лазера в индустрии развлечений стал лазерный костюм для вечеринок, разработанный тайваньским дизайнером по имени Wei-Chieh Shih. Одежда представляет собой лазерную установку и способна освещать все вокруг красным светом, генерируя лучи, направленные в разные стороны.

Лазеры в сфере транспорта

Лазеры могут быть полезны и в сфере транспорта. Так, например, в Нидерландах планируют внедрить установку лазерных излучателей на локомотивах поездов: это позволит убирать мусор и опавшие листья с путей прямо во время движения. Ведь все посторонние предметы, прилипшие к колесам, увеличивают тормозной путь и повышают риск катастрофы.

Лазер может быть использован и при езде на велосипеде. Велосипедными дорожками оснащены далеко не все улицы. А в темное время суток автомобилисты могут не увидеть разметку. В «умных» байках появилась необычная функция: они могут проецировать велосипедную дорожку при помощи лазерной установки. Такой подход повышает безопасность: велосипедист становится видимым и для других участников дорожного движения в темное время суток.

Еще один схожий способ применения лазера предложили создатели инновационной системы уличной безопасности Guardian. Смысл разработки — в установке специальных излучателей на столбах возле светофоров. Когда горит красный свет для пешеходов, проход закрыт лазерным лучом. Как только загорается зеленый, красный свет закрывает путь автомобилистам. Система направлена на повышение безопасности на дорогах: она работает как сдерживающий психологический фактор.

Лазерные гаджеты

Лазер встроен в некоторые современные гаджеты. Так, например, устройство Magic Cube способно проецировать виртуальную клавиатуру на рабочий стол или другую поверхность. Гаджет ориентирован на пользователей планшетов и смартфонов.

Применение лазеров в спорте

Интересное применение лазера придумала компания Nike. Разработка представляет собой мобильную установку, которая может проецировать поля для игры в футбол при помощи лазерных лучей. Площадку можно создать на любой ровной поверхности — как в городе, так и за его пределами.

Принцип работы лазера

вклю­ча­ет два не­об­хо­ди­мых эле­мен­та: ак­тив­ную сре­ду и ре­зо­на­тор. Ак­тив­ная сре­да пред­став­ля­ет со­бой ве­ще­ст­во, на­хо­дя­щее­ся в не­рав­но­вес­ном со­стоя­нии и спо­соб­ное уси­ли­вать про­хо­дя­щее че­рез не­го ре­зо­нанс­ное элек­тро­маг­нит­ное из­лу­че­ние, час­то­та ко­то­ро­го со­от­вет­ст­ву­ет раз­но­сти энер­гий двух кван­то­вых энер­ге­тич. уров­ней час­тиц сре­ды. Пе­ре­ход час­ти­цы с бо­лее вы­со­ко­го на бо­лее низ­кий уро­вень энер­гии мо­жет быть из­лу­ча­тель­ным или бе­зыз­лу­ча­тель­ным. Ис­пус­ка­ние фо­то­на, т. из­лу­че­ние, мо­жет быть как са­мо­про­из­воль­ным (спон­тан­ное ис­пус­ка­ние), так и под дей­ст­ви­ем элек­тро­маг­нит­но­го из­лу­че­ния (ин­ду­ци­ро­ван­ное, или вы­ну­ж­ден­ное, ис­пус­ка­ние). При спон­тан­ном ис­пус­ка­нии час­то­та фо­то­на про­из­воль­на в пре­де­лах кон­ту­ра спек­траль­ной ли­нии, ши­ри­на ко­то­рой оп­ре­де­ля­ет­ся ши­ри­ной энер­ге­тич. уров­ней, уча­ст­вую­щих в пе­ре­хо­де. Про­из­воль­ны так­же на­прав­ле­ние рас­про­стра­не­ния из­лу­че­ния и его фа­за. При вы­ну­ж­ден­ном из­лу­че­нии ис­пу­щен­ные фо­то­ны пол­но­стью то­ж­де­ст­вен­ны фо­то­нам, воз­дей­ст­вую­щим на час­ти­цы сре­ды, т. про­ис­хо­дит уси­ле­ние па­даю­щей элек­тро­маг­нит­ной вол­ны. Ес­ли воз­дей­ст­вую­щая вол­на мо­но­хро­ма­тич­на, то вы­ну­ж­ден­ное ис­пус­ка­ние так­же бу­дет мо­но­хро­ма­тич­ным, имею­щим ту же час­то­ту, то же на­прав­ле­ние рас­про­стра­не­ния и ту же по­ля­ри­за­цию.

Ес­ли час­ти­ца на­хо­дит­ся в ниж­нем энер­ге­тич. со­стоя­нии, то под дей­ст­ви­ем внеш­ней элек­тро­маг­нит­ной вол­ны мо­жет про­ис­хо­дить ре­зо­нанс­ное по­гло­ще­ние, со­про­во­ж­даю­щее­ся пе­ре­хо­дом час­ти­цы в верх­нее энер­ге­тич. со­стоя­ние. При ре­зо­нанс­ном по­гло­ще­нии энер­гия воз­дей­ст­вую­щей вол­ны умень­ша­ет­ся, а при ин­ду­ци­ро­ван­ном ис­пус­ка­нии уве­ли­чи­ва­ет­ся. Ве­ро­ят­ность ре­зо­нанс­но­го по­гло­ще­ния точ­но рав­на ве­ро­ят­но­сти ин­ду­ци­ро­ван­но­го ис­пус­ка­ния. По­это­му бу­дет ли пре­об­ла­дать в ре­аль­ной сре­де про­цесс вы­нуж­ден­но­го ис­пус­ка­ния или ре­зо­нанс­но­го по­гло­ще­ния, за­ви­сит от со­от­но­ше­ния на­се­лён­но­стей верх­не­го и ниж­не­го энер­ге­тич. уров­ней. Пре­об­ла­да­ние вы­ну­ж­ден­но­го ис­пус­ка­ния, не­об­хо­ди­мое для ра­бо­ты Л. , воз­мож­но при боль­шей на­се­лён­но­сти верх­не­го со­стоя­ния по срав­не­нию с ниж­ним при учё­те их ста­ти­стич. ве­сов (ин­верс­ная на­се­лён­ность). Ин­вер­сия на­се­лён­но­стей в сре­де мо­жет быть дос­тиг­ну­та при под­во­де к ней энер­гии или при ис­поль­зо­ва­нии энер­гии, за­па­сён­ной в сре­де за­ра­нее. Про­цесс соз­да­ния не­рав­но­вес­ной сре­ды на­зы­ва­ет­ся на­кач­кой. Спо­со­бы на­кач­ки мо­гут быть са­мы­ми раз­ны­ми: внеш­нее элек­тро­маг­нит­ное из­лу­че­ние, ин­жек­ция но­си­те­лей за­ря­да, хи­мич. ре­ак­ции, элек­трич. раз­ряд, бы­строе ох­лаж­де­ние и др.

Вто­рой не­отъ­ем­ле­мой ча­стью Л. яв­ля­ет­ся ре­зо­на­тор – уст­рой­ст­во, осу­ще­ст­в­ляю­щее по­ло­жи­тель­ную об­рат­ную связь, т. воз­вра­щаю­щее часть вы­хо­дя­ще­го из­лу­че­ния в ак­тив­ную сре­ду и обес­пе­чи­ваю­щее пе­ре­ход воз­мож­но­го про­цес­са уси­ле­ния элек­тро­маг­нит­но­го из­лу­че­ния в про­цесс его ге­не­ра­ции.

В ко­рот­ко­вол­но­вом ра­дио­диа­па­зо­не обыч­но при­ме­ня­ют­ся ре­зо­на­то­ры, раз­ме­ры ко­то­рых срав­ни­мы или мень­ше дли­ны воз­бу­ж­дае­мых в них волн. Дос­та­точ­но дол­го счи­та­ли, что для оп­тич. диа­па­зо­на, где дли­на вол­ны по­ряд­ка 1 мкм, та­кой ре­зо­на­тор из­го­то­вить не­воз­мож­но, и при су­ще­ст­во­вав­шем уров­не тех­но­ло­гии это со­от­вет­ст­во­ва­ло дей­ст­ви­тель­но­сти. В 1958 А. Про­хо­ров пред­ло­жил ис­поль­зо­вать т. от­кры­тые ре­зо­на­торы. Раз­ме­ры та­ко­го ре­зо­на­то­ра мно­го боль­ше дли­ны вол­ны воз­бу­ж­дае­мых в нём элек­тро­маг­нит­ных ко­ле­ба­ний, а ре­зо­нанс­ные свой­ст­ва со­хра­ня­ют­ся, да­же ес­ли его раз­ме­ры пре­вы­ша­ют дли­ну вол­ны воз­бу­ж­дае­мых элек­тро­маг­нит­ных ко­ле­ба­ний вплоть до 106 раз и бо­лее. Про­стей­ший от­кры­тый ре­зо­на­тор со­сто­ит из двух от­ра­жаю­щих по­верх­но­стей (зер­кал), ко­то­рые на­хо­дят­ся на рас­стоя­нии, зна­чи­тель­но пре­вы­шаю­щем дли­ну вол­ны из­лу­че­ния. Обыч­но диа­метр зер­ка­ла так­же мно­го боль­ше дли­ны вол­ны. В ак­тив­ной сре­де, по­ме­щён­ной в ре­зо­на­тор, за­па­са­ет­ся энер­гия в ви­де элек­трон­но­го, ко­ле­ба­тель­но­го или элек­трон­но-ко­ле­ба­тель­но­го воз­бу­ж­де­ния. В ре­зуль­та­те вы­ну­ж­ден­но­го из­лу­че­ния энер­гия из­вле­ка­ет­ся из сре­ды и ока­зы­ва­ет­ся в ре­зо­на­то­ре в фор­ме элек­тро­маг­нит­но­го по­ля, ко­то­рое из­лу­ча­ет­ся в ок­ру­жаю­щее про­стран­ст­во, вы­хо­дя че­рез од­но час­тич­но про­зрач­ное зер­ка­ло ре­зо­на­то­ра.

Об­рат­ная связь мо­жет быть реа­ли­зо­ва­на не­по­сред­ст­вен­но в ак­тив­ной сре­де, т. рас­пре­де­лён­ная об­рат­ная связь. Она воз­ни­ка­ет в ак­тив­ной сре­де, оп­тич. плот­ность ко­то­рой пе­рио­ди­че­ски ме­ня­ет­ся в про­стран­ст­ве. От­ра­же­ние воз­ни­ка­ет при пе­ре­хо­де вол­ны от од­но­го участ­ка к дру­го­му, от­ли­чаю­ще­му­ся оп­тич. плот­но­стью. Ко­эф. от­ра­же­ния при од­ном пе­ре­хо­де мал, но т. пе­ре­хо­дов мо­жет быть мно­го, об­щий ко­эф. от­ра­же­ния ока­зы­ва­ет­ся дос­та­точ­но боль­шим.

С раз­ви­ти­ем на­но­тех­но­ло­гий в кон. 1980-х гг. ста­ло воз­мож­ным из­го­тов­ле­ние эф­фек­тив­ных мик­ро­ре­зо­на­то­ров с раз­ме­ра­ми по­ряд­ка оп­тич. дли­ны вол­ны. с та­ки­ми ре­зо­на­то­ра­ми (см. Микро­лазер) об­ла­да­ют су­ще­ст­вен­ны­ми дос­то­ин­ст­ва­ми: ма­лы­ми по­те­ря­ми, вы­со­кой кван­то­вой эф­фек­тив­но­стью из­лу­че­ния и очень низ­ки­ми по­ро­га­ми ге­не­ра­ции. На прак­ти­ке ши­ро­ко при­ме­ня­ют­ся по­лу­про­вод­ни­ко­вые ла­зе­ры с вер­ти­каль­ным ре­зо­на­то­ром. Раз­ра­бо­та­ны мик­ро­ре­зо­на­тор­ные ла­зе­ры, ис­поль­зую­щие по­лу­про­вод­ни­ко­вые на­но­ст­рук­ту­ры (напр. , кван­то­вые точ­ки) в ка­че­ст­ве ак­тив­ных эле­мен­тов (ла­зер на кван­то­вых точ­ках), и ожи­да­ет­ся по­яв­ле­ние пром. тех­но­ло­гий их из­го­тов­ле­ния. Та­кие ми­ниа­тюр­ные ис­точ­ни­ки све­та най­дут при­ме­не­ние в био­ло­гии, ме­ди­ци­не, оп­тич. ли­ни­ях свя­зи, оп­ти­че­ских и кван­то­вых ком­пь­ю­те­рах и др.

Су­ще­ст­ву­ет мно­го разл. схем со­че­та­ния сис­те­мы зер­кал с ак­тив­ной сре­дой, но во всех слу­ча­ях ус­ло­вие воз­ник­но­ве­ния ге­не­ра­ции (ус­ло­вие са­мо­воз­бу­ж­де­ния) об­щее: уси­ле­ние из­лу­че­ния за один про­ход в сис­те­ме зер­кал и че­рез ак­тив­ную сре­ду долж­но пре­вы­шать все по­те­ри энер­гии в ре­зо­на­то­ре за этот про­ход. В об­щий ба­ланс долж­ны быть вклю­че­ны по­те­ри энер­гии на соб­ст­вен­но по­лез­ное ла­зер­ное из­лу­че­ние, вы­хо­дя­щее в ок­ру­жаю­щее про­стран­ст­во, и па­ра­зит­ные по­те­ри энер­гии на рас­сея­ние све­та, его по­гло­ще­ние и т.

Историческая справка

Ла­зе­ры поя­ви­лись в нач. 1960-х гг. Это­му ис­то­рич. со­бы­тию пред­ше­ст­во­ва­ли глу­бо­кие тео­ре­тич. и экс­пе­рим. ис­сле­до­ва­ния. Уси­ле­ние и ге­не­ра­ция ко­ге­рент­ных элек­тро­маг­нит­ных ко­ле­ба­ний бы­ли реа­ли­зо­ва­ны в ра­дио­диа­па­зо­не за­дол­го до по­яв­ле­ния Л. с по­мо­щью уст­ройств, раз­ме­ры ко­то­рых ма­лы по срав­не­нию с дли­ной вол­ны из­лу­че­ния. Од­на­ко раз­ра­бо­тан­ные и при­ме­нён­ные для это­го ме­то­ды не мог­ли быть пе­ре­не­се­ны в оп­тич. диа­па­зон.

В 1917 А. Эйн­штейн обоб­щил по­ня­тие вы­ну­ж­ден­но­го из­лу­че­ния для кван­то­во­ме­ха­нич. сис­те­мы. Он по­сту­ли­ро­вал, что воз­бу­ж­дён­ная час­ти­ца мо­жет из­лу­чать не толь­ко спон­тан­но, но и под воз­дей­стви­ем взаи­мо­дей­ст­вую­ще­го с ней кван­та внеш­не­го элек­тро­маг­нит­но­го по­ля. Это оп­ре­де­ли­ло но­вое уни­каль­ное свой­ст­во ко­ге­рент­но­го из­лу­че­ния – пол­ную иден­тич­ность воз­дей­ст­вую­ще­го и из­лу­чён­но­го кван­тов.

То­гда же А. Эйн­штей­ном бы­ла ус­та­нов­ле­на связь ме­ж­ду по­гло­ще­ни­ем и ин­ду­ци­ро­ван­ным из­лу­че­ни­ем, что по­зво­ли­ло оп­ре­де­лять ха­рак­те­ри­сти­ки этих про­цес­сов из экс­пе­рим. спек­тро­ско­пич. дан­ных. Од­на­ко оп­ти­ки в то вре­мя счи­та­ли вы­ну­ж­ден­ное из­лу­че­ние кра­си­вой, но бес­по­лез­ной аб­ст­рак­ци­ей, т. в обыч­ных ус­ло­ви­ях плот­ность энер­гии све­та ма­ла и про­пор­цио­наль­ная ей ве­ро­ят­ность ин­ду­ци­ро­ван­но­го из­лу­че­ния так­же ма­ла. Тем не ме­нее ра­бо­та А. Эйн­штей­на яви­лась пер­вым кир­пи­чи­ком в фун­да­мен­те бу­ду­щей нау­ки – кван­то­вой элек­тро­ни­ки.

Не­ко­то­рые ука­за­ния на то, что в силь­но воз­бу­ж­дён­ном га­зе име­ет ме­сто «от­ри­ца­тель­ное по­гло­ще­ние», т. уси­ле­ние из­лу­че­ния, со­дер­жат­ся в ра­бо­те нем. фи­зи­ка Р. Ла­ден­бур­га (1928). Од­на­ко твёр­дая уве­рен­ность в не­об­хо­ди­мо­сти жё­ст­ко­го рав­но­ве­сия из­лу­че­ния со сре­дой не по­зво­ли­ла долж­ным об­ра­зом от­не­стись к это­му яв­ле­нию.

В 1938 рос. фи­зик В. Фаб­ри­кант с со­труд­ни­ка­ми экс­пе­ри­мен­таль­но об­на­ру­жил уси­ле­ние све­та в не­рав­но­вес­ной сре­де (га­зо­вом раз­ря­де) и сфор­му­ли­ро­вал ус­ло­вие уси­ле­ния све­та атом­ной сис­те­мой. Это яви­лось оче­ред­ным ша­гом на пу­ти соз­да­ния ла­зе­ра.

Ре­аль­ная кон­цеп­ция Л. поя­ви­лась лишь в ре­зуль­та­те раз­ви­тия и слия­ния кван­то­вых пред­став­ле­ний в оп­ти­ке и вол­но­вых пред­став­ле­ний в ра­дио­фи­зи­ке. Ре­шаю­щую роль в объ­е­ди­не­нии ре­зуль­та­тов оп­ти­ки и ра­дио­фи­зи­ки сыг­ра­ла ра­дио­спек­тро­ско­пия, изу­чаю­щая спек­тры ато­мов, мо­ле­кул и ио­нов в диа­па­зо­не час­тот 1010–1011 Гц.

Осн. прин­ци­пы ра­бо­ты Л. бы­ли сфор­му­ли­ро­ва­ны и реа­ли­зо­ва­ны пер­во­на­чаль­но в мик­ро­вол­но­вом диа­па­зо­не при соз­да­нии ма­зе­ров, где, в от­ли­чие от оп­тич. диа­па­зо­на, в ус­ло­ви­ях тер­мо­ди­на­мич. рав­но­ве­сия воз­бу­ж­дён­ные уров­ни силь­но на­се­ле­ны, а спон­тан­ное из­лу­че­ние сла­бое. Важ­но так­же, что ра­дио­фи­зи­ки от­чёт­ли­во осоз­на­ва­ли ре­шаю­щее зна­че­ние об­рат­ной свя­зи при пе­ре­хо­де от уси­лите­ля к ге­не­ра­то­ру. Эта фун­дам. идея бы­ла реа­ли­зо­ва­на при соз­да­нии мо­ле­ку­ляр­но­го ге­не­ра­то­ра (ма­зе­ра) Дж. Гор­до­ном, Г. Цай­ге­ром, Ч. Та­ун­сом в США (1954) и Н. Ба­со­вым и А. Про­хо­ро­вым в СССР (1955). В ка­че­ст­ве ак­тив­ной сре­ды ис­поль­зо­вал­ся пу­чок мо­ле­кул ам­миа­ка, ин­верс­ная на­се­лён­ность дос­ти­га­лась элек­тро­ста­тич. про­стран­ст­вен­ной сор­ти­ров­кой, об­рат­ная связь обес­пе­чи­ва­лась объ­ём­ным ре­зо­на­то­ром.

Для пе­ре­не­се­ния реа­ли­зо­ван­ных в ра­дио­диа­па­зо­не воз­мож­но­стей в оп­тич. диа­па­зон не­об­хо­ди­мо бы­ло обес­пе­чить пре­об­ла­да­ние вы­ну­ж­ден­но­го из­лу­че­ния над спон­тан­ным (т. раз­ра­бо­тать эф­фек­тив­ные ме­то­ды соз­да­ния ин­верс­ной на­се­лён­но­сти) и обес­пе­чить эф­фек­тив­ную об­рат­ную связь для оп­тич. дли­ны вол­ны из­лу­че­ния.

Для соз­да­ния ин­верс­ной на­се­лён­но­сти Н. Ба­сов и А. Про­хо­ров пред­ло­жи­ли ис­поль­зо­вать ме­тод элек­тро­маг­нит­ной на­кач­ки, из­вест­ный как трёх­уров­не­вая схе­ма на­кач­ки (1955). Блом­бер­ген пред­ло­жил при­ме­нить этот ме­тод для соз­да­ния ма­зе­ров-уси­ли­те­лей на па­ра­маг­нит­ных кри­стал­лах (1956). Хо­тя пред­ло­же­ние Ба­со­ва и Про­хо­ро­ва от­но­си­лось к мо­ле­ку­ляр­ным пуч­кам, оно ока­за­лось уни­вер­саль­ным, при­год­ным для лю­бых атом­ных сис­тем.

Прин­ци­пи­аль­ным ша­гом при соз­да­нии Л. бы­ло так­же пред­ло­же­ние А. Про­хо­ро­ва ис­поль­зо­вать от­кры­тый ре­зо­на­тор, ко­то­рый один в то вре­мя мог обес­пе­чить эф­фек­тив­ную об­рат­ную связь в оп­тич. диа­па­зо­не спек­тра (1958).

Вы­ска­зан­ные идеи бы­ли реа­ли­зо­ва­ны Т. Мей­ма­ном (США) в 1960 при соз­да­нии пер­во­го в ми­ре Л. , в ко­то­ром в ка­че­ст­ве ак­тив­ной сре­ды ис­поль­зо­вал­ся син­те­тич. кри­сталл ру­би­на, к это­му вре­ме­ни под­роб­но изу­чен­ный и ус­пеш­но при­ме­няв­шийся в ка­че­ст­ве ак­тив­ной сре­ды ма­зе­ров. В кон. 1960 А. Джа­ван и др. (США) осу­ще­ст­ви­ли за­пуск га­зо­раз­ряд­но­го ла­зе­ра на сме­си ге­лия и не­она. Это бы­ли пер­вые два Л. , из­лу­чаю­щие в крас­ной об­лас­ти спек­тра, по­сле че­го на­ча­лось ла­ви­но­об­раз­ное раз­ви­тие ла­зер­ной фи­зи­ки.

Оцените статью
( Пока оценок нет )
Как Это Работает?
Добавить комментарий