Принцип действия лазера

Слово “лазер” происходит от первых букв английского названия Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (усиление света с помощью вынужденного излучения). Лазеры называют также оптическими квантовыми генераторами.

Создание лазера стало возможным после того, как были найдены способы осуществления инверсной населенности уровней в некоторых веществах. Лазер обычно состоит из трех основных элементов:

· источник энергии (система накачки);

· активная среда;

· оптический резонатор.

В первом твердотельном лазере Т. Меймана (1960 г., США) рабочим телом (активной средой) был цилиндр из розового рубина. Торцы стержня были тщательно отполированы и представляли собой строго параллельные друг другу зеркала. Один торец покрывался плотным непрозрачным слоем серебра, другой пропускал около 8% упавшей на него энергии. Рубин представляет собой оксид алюминия Al₂O₃, в котором некоторые атомы алюминия заменены атомами хрома. Источником энергии в рубиновом лазере служит импульсная ксеноновая лампа с широкой полосой частот. При достаточной мощности лампы большинство ионов хрома переводится в возбужденное состояние, (такой процесс называется накачкой).

Обратный переход ионов хрома в основное состояние происходит в два этапа. На первом этапе возбужденные ионы хрома отдают часть энергии кристаллической решетке и переходят в т.н. метастабильное состояние. Среднее время жизни иона в метастабильном состоянии (10^–3 с) примерно в 100000 раз превосходит время жизни в обычном возбужденном состоянии. На втором этапе ионы из метастабильного состояния переходят в основное, излучая фотон с длиной волны 694,3 нм. За счет большого различия во временах жизни в возбужденном и метастабильном состояниях возникает инверсная населенность ионов хрома: число ионов в метастабильном состоянии, обладающих большей энергией, становится больше числа ионов в основном состоянии.

Любой фотон, спонтанно перешедший из метастабильного состояния в основное, может вызвать вынужденное излучение дополнительных фотонов, которые в свою очередь вызовут вынужденное излучение и т.д. В результате образуется каскад фотонов. Напомним, что фотоны, возникающие при вынужденном излучении, летят в том же направлении, что и падающие фотоны.

Оптический резонатор – это система зеркал, формирующих фотонный пучок. Фотоны, направления движения которых образуют малые углы с осью рубинового стержня, испытывают многократные отражения от торцов образца. Их путь в кристалле будет очень большим, так что каскады фотонов в направлении оси получают особенное развитие. Когда пучок фотонов становится достаточно интенсивным, часть его выходит через полупрозрачный торец кристалла. Фотоны, испущенные спонтанно в других направлениях, выходят из кристалла через его боковую поверхность.

Лазеры на рубине работают в импульсном режиме. В 1961 г. Джеваном был создан первый газовый лазер непрерывного действия, активной средой которого была смесь гелия и неона. В газовых лазерах инверсная населенность уровней осуществляется электрическим разрядом. В 1963 г. были созданы первые полупроводниковые лазеры (Р. Холл, США). Широкое распространение получили лазеры на красителях, рабочей жидкостью которых являются растворы анилиновых красителей в воде, спирте и других растворителях. Жидкостные лазеры могут излучать импульсы света различной длины волны (от ультрафиолетовой до инфракрасной части спектра). Разрабатываются химические лазеры, в которых источником энергии являются химические реакции. В настоящее время список лазерных материалов насчитывает много десятков веществ. Тип используемого устройства накачки зависит от используемой активной среды. Создано большое количество лазеров, работающих как в непрерывном, так и в импульсном режиме. КПД лазеров колеблется в широких пределах – от 0,01% для гелий-неонового лазера до 75% для лазера на стекле с неодимом.