Лазеры

Введение

Лазерная технология играет ключевую роль в научно-фантастических фильмах и
книгах. Несомненно, благодаря такого рода историям мы теперь ассоциируем лазеры с
футуристическими войнами и гладкими космическими кораблями.
Но лазеры играют ключевую роль и в нашей повседневной жизни. Дело в том, что
они проявляются в удивительном ассортименте продуктов и технологий. Вы найдете их
везде: от проигрывателей компакт-дисков до стоматологических боров,
высокоскоростных металлорежущих станков и измерительных систем. Удаление
татуировок, замена волос, хирургия глаза — все они используют лазеры. Но что такое
лазер? Чем луч лазера отличается от луча фонарика? В частности, что отличает лазерный
свет от других видов света? Как классифицируют лазеры?
Но сначала давайте начнем с основ лазерной технологии: подробнее рассмотрим
основы атома.
Во всей Вселенной существует всего около 100 различных видов атомов. Всё, что
мы видим, состоит из этих 100 атомов в неограниченном количестве комбинаций. То, как
эти атомы расположены и связаны друг с другом, определяет, составляют ли атомы чашку
с водой, кусок металла или шипение, которое выходит из вашей банки с газировкой!
Атомы постоянно находятся в движении. Они постоянно вибрируют, двигаются и
вращаются. Даже атомы, из которых состоят стулья, на которых мы сидим, движутся.
Твердые тела действительно находятся в движении! Атомы могут находиться в различных
состояниях возбуждения. Другими словами, они могут иметь разную энергию. Если мы
приложим к атому много энергии, он может покинуть то, что называется основным
энергетическим уровнем, и перейти на возбужденный уровень. Уровень возбуждения
зависит от количества энергии, подаваемой на атом посредством тепла, света или
электричества.
Самый простой атом состоит из ядра (содержащего протоны и нейтроны) и
электронного облака. Полезно представить, что электроны в этом облаке вращаются
вокруг ядра по множеству различных орбит.
Если мы нагреем атом, мы можем ожидать, что часть электронов с
низкоэнергетических орбиталей перейдет на высокоэнергетические орбитали,
расположенные дальше от ядра.
Как только электрон переходит на орбиту с более высокой энергией, он в конечном
итоге хочет вернуться в основное состояние. Когда это происходит, он высвобождает
свою энергию в виде фотона — частицы света. Вы постоянно видите, как атомы
испускают энергию в виде фотонов. Например, когда нагревательный элемент в тостере
становится ярко-красным, красный цвет вызван атомами, возбужденными теплом,
испускающими красные фотоны. Когда вы видите изображение на экране телевизора, вы
видите атомы люминофора, возбуждаемые высокоскоростными электронами,
испускающие свет разных цветов. Все, что излучает свет — флуоресцентные лампы,
газовые фонари, лампы накаливания — делает это за счет изменения орбиты электронов и
испускания фотонов.
Это очень упрощенный взгляд на вещи, но на самом деле он отражает основную
идею о том, как работают атомы с точки зрения лазеров.

Физический смысл и суть лазерного изучения

Термин «Лазер» произошел из первых букв английских слов Light Amplification
by Stimulated Emission of Radiation, что в переводе означает: «Усиление света за счет
стимулированного излучения».
Лазер создается, когда электроны в атомах в специальных стеклах, кристаллах или
газах поглощают энергию электрического тока или другого лазера и «возбуждаются».
Возбужденные электроны перемещаются с орбиты с более низкой энергией на орбиту с
более высокой энергией вокруг ядра атома. Когда они возвращаются в свое нормальное
или «основное» состояние, электроны испускают фотоны (частицы света).
Физической основой работы лазера служит явление вынужденного
(индуцированного) излучения. Суть явления состоит в том, что возбуждённый атом (или
другая квантовая система) способен излучить фотон под действием другого фотона без
его поглощения, если энергия последнего равняется разности энергий уровней атома до и
после излучения. При этом излучённый фотон когерентен фотону, вызвавшему излучение
(является его «точной копией»). Таким образом происходит усиление света. Этим явление
отличается от спонтанного излучения, в котором излучаемые фотоны имеют случайные
направления распространения, поляризацию и фазу.
Все фотоны имеют одинаковую длину волны и являются «когерентными», что
означает, что гребни и впадины световых волн совпадают. Напротив, обычный видимый
свет состоит из нескольких длин волн и не является когерентным.
Свет движется волнами. Обычный видимый свет, скажем, от бытовой лампочки
или фонарика, состоит из множества длин волн или цветов и является некогерентным, что
означает, что гребни и впадины световых волн движутся на разных длинах волн и в
разных направлениях.
В лазерном луче световые волны «когерентны», что означает, что луч фотонов
движется в одном направлении на одной и той же длине волны. Это достигается путем
отправки возбужденных электронов через оптическую «усиливающую среду», такую ​​как
твердый материал, такой как стекло, или газ.
Длина волны света определяется количеством энергии, высвобождаемой, когда
возбужденный электрон падает на более низкую орбиту. Уровни вводимой энергии могут
быть адаптированы к материалу усиливающей среды для получения желаемого цвета
луча.