Як працює лазер?

Лазер (англ. laser, скор. Від Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation – «Посилення світла за допомогою вимушеного випромінювання») – пристрій, що використовує квантовомеханічний ефект вимушеного (стимульованого) випромінювання для створення когерентного потоку світла. Промінь лазера може бути безперервним, з постійною амплітудою, або імпульсним, що досягає екстремально великих пікових потужностей. У багатьох конструкціях робочий елемент лазера використовується в якості оптичного підсилювача для випромінювання від іншого джерела. Посилений сигнал дуже точно збігається з вихідним по довжині хвилі, фазі і поляризації, що дуже важливо в пристроях оптичного зв'язку.

Звичайні джерела світла, такі як лампа розжарювання, випромінюють світло в різних напрямках з широким діапазоном довжин хвиль. Більшість з них також некогерентного, тобто фаза випромінюваної ними електромагнітної хвилі схильна випадковим флуктуаціям. Випромінювання звичайного джерела не може, без застосування спеціальних заходів, дати стійку інтерференційну картину. Крім того, випромінювання нелазерних джерел зазвичай не володіє фіксованою поляризацією. Навпаки, випромінювання лазера монохроматичності і когерентно, тобто має постійну довжину хвилі і передбачувану фазу, а також добре визначену поляризацію.

З іншого боку, деякі типи лазерів, наприклад рідинні лазери на розчинах барвників або поліхроматичних твердотільні лазери, можуть генерувати цілий набір частот (мод оптичного резонатора) в широкому спектральному діапазоні; це властивість робить можливою генерацію надкоротких імпульсів порядку декількох фемтосекунд (10-15 с) за допомогою синхронізації мод.

Лазери створені на стику двох наук – квантової механіки і термодинаміки, але, фактично, багато типів лазерів були створені методом проб і помилок.

Перший працюючий лазер був зроблений Теодором Майманом в 1960 році в дослідницькій лабораторії компанії Хьюза (Hughes Aircraft), яка перебувала в Малібу, штат Каліфорнія із залученням груп Таунса з Колумбійського Університету та Шалоу з компанії Bell laboratories. Майман використовував рубіновий стрижень з імпульсною накачкою, який давав червоне випромінювання з довжиною хвилі 694 нанометра. Приблизно в той же час іранський фізик Алі Яван представив газовий лазер. Пізніше за свою роботу він отримав премію імені Альберта Ейнштейна.

Основна ідея роботи лазера полягає в інверсії електронної населеності шляхом «накачування» робочого тіла енергією, підвідних до нього, наприклад, у вигляді світлових або електричних імпульсів. Робоче тіло поміщається в оптичний резонатор, при циркуляції хвилі в якому її енергія експоненціально зростає завдяки механізму вимушеного випромінювання. При цьому енергія накачування повинна перевищувати певний поріг, інакше втрати в резонаторі будуть перевищувати посилення і вихідна потужність буде вкрай мала.

Гелій-неоновий лазер. Світиться промінь в центрі – це не власне лазерний промінь, а електричний розряд, який породжує світіння, подібно до того, як це відбувається в неонових лампах. Промінь проектується на екран праворуч у вигляді світної червоної точки.

Інверсія електронної населеності також лежить в основі роботи мазерів, які принципово схожі на лазери, але працюють в мікрохвильовому діапазоні. Перші мазери були зроблені в 1953-1954 рр.. Н. Г. Басовим, А.М. Прохоровим, а також незалежно від них американцем Ч. Таунсом і його співробітниками. На відміну від квантових генераторів Басова та Прохорова, які знайшли вихід у використанні більш ніж двох енергетичних рівнів, мазер Таунса не міг працювати в постійному режимі. У 1964 році Басов, Прохоров і Таунс отримали Нобелівську премію з фізики «За основоположну роботу в галузі квантової електроніки, яка дозволила створити генератори та підсилювачі, засновані на принципі мазера і лазера».

Випромінювання лазера може бути настільки потужним, що їм можна різати сталь та інші метали. Незважаючи на те, що промінь лазера можна сфокусувати в дуже маленьку крапку, вона завжди буде мати кінцевий ненульовий розмір внаслідок дифракції. З іншого боку, розмір сфокусованого лазерного променя завжди буде значно менше променя, створеного будь-яким іншим способом. Наприклад, промінь невеликого лабораторного гелій-неонового лазера розійдеться всього приблизно на 1,5 кілометра на відстані від Землі до Місяця. Звичайно, деякі лазери, особливо напівпровідникові, завдяки малим розмірам, створюють сильно розходиться промінь. Однак цю проблему можна вирішити застосуванням лінз.

Джерела інформації:

  • ru.wikipedia.org – визначення лазера;
  • nkj.ru – принцип роботи лазера.

Category: Наука та освіта

Comments (Прокоментуй!)

There are no comments yet. Why not be the first to speak your mind.

Leave a Reply