Применение лазеров

Широкое применение лазеров обусловлено свойствами их излучения — малой расходимостью луча, монохроматичностью и когерентностью излучения. Полупроводниковые лазеры используются в качестве прицелов ручного оруждия и указок, в проигрывателях компакт-дисков, как мощные источники света в маяках. Газовые лазеры применяются в геодезических нивелирах, дальномерах и теодолитах; в метрологии — как эталоны частоты и времени; для записи голограмм. Лазеры на красителях и других рабочих средах используются для зондирования атмосферы. Мощные технологические лазеры на парах металлов и молекулах (в основном на CO2) — для резки, сварки и обработки материалов. Эксимерные лазеры применяются в медицине для терапевтического воздействия и хирургического вмешательства. Лазеры используют для осуществления термоядерной реакции (т. н. «инерциальный способ»), сортировки изотопов, в тонких физических и химичесчких экспериментах.

Основные этапы развития лазерной техники

Первым предположил существование индуцированного (вынужденного) излучения и указал на его когерентность А. Эйнштейн (1916). В 1923 году П. Эренфестподтвердил его выводы. В 1927-1930 годах П. Дирак создал квантово-механическую теорию вынужденного излучения. Условия обнаружения вынужденного излучения и пути его реализации сформулированы Р. Ладенбургом и Г. Копфеманом (Германия) в 1928 году, и В.А. Фабрикантом (СССР) в 1939 году.

Теория молекулярного генератора (мазера) и усилителя мощности была сформулирована Ч. Таунсом (США) в 1951 году, Н.Г. Басовым и А.М. Прохоровым(СССР) в 1953 году. Теорию усиления в газах электромагнитного излучения в радиодиапазоне и в оптическом диапазонах создал В.А. Фабрикант с сотрудниками в 1951 году. Теорию полупроводникового лазера на p-n-переходах сформулировал Дж. фон Нейман (США) в 1953 году.

Первые модели молекулярных генераторов на аммиаке (длина волны 1,25 см) и усилителя мощности построены одновременно и независимо Ч. Таунсом (США), Н.Г. Басовым, А.М. Прохоровым (СССР) в 1954-1956 годах(Нобелевская премия по физике за 1964). Первый квантовый генератор видимого света — импульсный лазер на рубине (длина волны 0,69 мкм) — сконструировал Т. Мейман (США) в 1960 году.

Первый газовый лазер на He-Ne сделал А. Джаван (США) в 1961 году; ионный лазер — У.Б. Бриджес (США) в 1964 году; лазер на свободных электронах — Дж. Мейди (США) в 1976-1977 годах. Полупроводниковые лазеры были предложены Н.Г. Басовым в 1962 году, осуществлены на p-n-переходе Р. Холлом и М. И. Нейтеном (США) в 1962 году.

Постулаты Бора

1. Атомная система может находиться только в особых стационарных, или квантовых, состояниях, каждому из которых соответствует определенная энергия; в стационарных состояниях атом не излучает. 2. Излучение света происходит при переходе атома из стационарного состояния с большей энергией в стационарное состояние с меньшей энергией. При этом энергия испущенного атомом фотона равна разности энергий стационарных состояний, а частота излучения определяется по формуле:

 , где

Ek - энергия атома в более высоком энергетическом состоянии; Еn - энергия атома в более низком энергетическом состоянии.

Свои постулаты Бор применил для объяснения излучения и поглощения света атомом водорода. Второй постулат позволяет вычислить по известным экспериментальным значениям энергий стационарных состояний частоты излучения атома водорода.

Если атом водорода переходит из более высоких энергетических состояний  - в третье: излучение света происходит в инфракрасном диапазоне частот; - во второе - в видимом диапазоне; - в первое - в ультрафиолетовом диапазоне. Если атом переходит в одно из возбужденных состояний, долго оставаться там он не может: атом самопроизвольно (спонтанно) переходит в основное состояние.

Расчеты Бора привели к согласию с экспериментально определенными частотами.

Частоты излучений можно определить по спектрам атомов: на фоне сплошного спектра поглощения видны цветные линии излучения, соответствующие определенным длинам волн или частотам. Поглощение света - процесс, обратный излучению: атом переходит из низших энергетических состояний в высшие. При этом атом поглощает излучение тех же частот, которые излучает при обратных переходах.

На основании теории Бора оказалось возможным построить количественную теорию спектра водорода. Но построить количественную теорию уже следующего за водородом атома гелия на основе боровских представлений оказалось затруднительным.

В современной физике с помощью квантовой механики построена количественная теория излучения и поглощения света. В рамках же классической физики оказалось невозможным ответить на многие вопросы, связанные с поведением электронов внутри атомов, с излучением и поглощением атомов.

Время пребывания атома в возбужденном состоянии (время жизни) порядка  . Если же атом подвергается внешнему облучению, то его время жизни его в возбужденном состоянии становится меньше. При этом возникает вынужденное или индуцированное излучение. Индуцированное излучение наблюдается в квантовых генераторах света - лазерах.