Устройство и принцип действия лазера

Опубликовано 07.05.2010 Ведущий Антон Панкратов

Лазер (другое название - оптический квантовый генератор)- устройство, преобразующее энергию накачки: (световую, электрическую, тепловую, химическую и др.) в энергию когерентного, монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучения.
Годом возникновения лазера можно считать 1916 год, когда Альберт Эйнштейн предсказал существование явления вынужденного излучения - физической основы работы любого лазера, а уже в 1928 году это экспериментально подтверждено Рудольфом Ладенбургом и Гансом Копферманном. В 1960 году американский физик Теодор Майман продемонстрировал работу первого оптического квантового генератора - лазера.
В рубиновом лазере качестве активной среды использовался рубин (оксид алюминия с небольшой примесью хрома). Этот лазер работал в импульсном режиме на длине волны в 694,3 нанометра.
С момента изобретения лазера почти каждый год появлялись всё новые его виды, приспособленные для различных целей. В 1961 г. был создан лазер на неодимовом стекле, а в течение следующих пяти лет были разработаны лазерные диоды, лазеры на красителях, лазеры на двуокиси углерода, химические лазеры и др.
Физической основой работы лазера служит явление вынужденного (индуцированного) излучения.
Суть явления состоит в следующем:
Выбирается атом (молекула, ион), среди энергетических состояний которого есть 2 энергетических уровня (Е1 и Е2), между которыми возможен излучательный переход. Под воздействием индуцирующего фотона атом, находящийся в возбужденном энергетическом состоянии Е2, может уменьшить свою энергию и перейти в стабильное состояние Е1, а избыток энергии (в размере разности Е2 и Е1) испустить в виде фотона.
Созданный фотон имеет те же энергию, импульс, фазу и поляризацию, что и индуцирующий фотон (который при этом не поглощается), т.е. оба фотона являются когерентными.
Все лазеры состоят из трёх основных частей:
Первая часть - система накачки (например, лампа вспышки) - это устройство, поставляющее энергию в лазер для переработки ее в когерентную волну;
В твердотельных лазерах накачка осуществляется за счёт облучения мощными газоразрядными лампами-вспышками, сфокусированным солнечным излучением (так называемая оптическая накачка) и излучением других лазеров (в частности, полупроводниковых).
Вторая важная часть лазера: активная (рабочая) среда, которая вбирает в себя энергию накачки и переизлучает ее в виде когерентного излучения; В настоящее время в качестве рабочей среды лазера используются все агрегатные состояния вещества: твёрдое, жидкое, газообразное и даже плазма.
Третья часть лазера - это оптический резонатор - система зеркал, в которой могут возбуждаться электромагнитные волны оптического диапазона. Оптический резонатор обеспечивает положительную обратную связь в лазерах.