Лазеры. Свойства лазерного излучения. Квантовая физика

Лазер - устройство, в котором энергия (тепловая, химическая, электрическая) преобразуется в энергию электромагнитного поля - лазерный луч. Лазеры работают либо в импульсном режиме (рубиновый лазер), либо действуя непрерывно (полупроводниковые). Свойства лазерного излучения:

1. Лазеры способны создавать пучки с очень малым углом расхождения (около 10^-5 рад).

2. Свет лазера обладает исключительной монохроматичностью.

3. Лазеры являются самыми мощными источниками света. В течение промежутка времени продолжительностью порядка 10^-11 с у некоторых типов лазеров достигается мощность излучения. 

4. Лазерный луч является самым емким носителем информации.

Чтобы получить лазерный луч надо атом возбудить. В разных лазерах атомы возбуждаются разными способами. В газовом - электрическим зарядом. В полупроводниковом - электрическим током.

Принцип работы лазера и основные виды лазеров.

По принципу своей работы лазер достаточно схож с ранее созданным мазером, отсюда и его альтернативное название – оптический мазер. Для обоих устройств характерно излучение избыточной энергии атомов, находящихся в возбужденном состоянии посредством внешнего воздействия.  Что есть свет? Это особая форма материи. Он состоит из своего рода сгустков, которые называются квантами. Любое вещество состоит из атомов; атомы вещества, излучая или поглощая свет, испускают или, соответственно, поглощают цельные кванты. Длина волны (следовательно – цвет) излучения определяется энергией его кванта. При отсутствии каких-либо дополнительных условий атомы вещества с долями квантов не взаимодействуют. Атомы, одинаковые по своей природе, излучают или поглощают кванты лишь конкретной длины волны. Наглядным примером может служить газоразрядная лампа, например, однородно заполненная неоном. Излучающий квант света атом расходует энергию; напротив, поглощая квант, он приобретает излишнюю энергию. Поскольку энергия переносится порциями и от атома, и к нему, то он способен пребывать только в одном состоянии: в основном, для которого свойственна минимальная энергия, или в одном из возбужденных. Если атом пребывает в основном состоянии, то после поглощения кванта света он переходит в состояние возбуждения. А, соответственно, при излучении кванта – все наоборот. Таким образом, чем большее количество квантов вблизи атомов, тем больше число атомов, совершающих переходы с повышением или же с понижением энергии. Само присутствие света вынуждает атомы принимать участие в энергетических переходах. Отсюда и название подобных процессов – вынужденное поглощение и вынужденное излучение. В процессе вынужденного поглощения количество квантов снижается и, как следствие, интенсивность света тоже снижается. Некоторое количество атомов, попав в освещение, начинает вынужденно излучать суммарно большее количество энергии, чем вынужденно поглощает. Так возникает лазерный эффект, то есть усиление света посредством вынужденного излучения данного множества атомов.  Лазерная генерация способна возникнуть лишь в том множестве микрочастиц, где число возбужденных атомов выше, чем находящихся в основном состоянии. Отсюда следует сделать вывод, что это множество следует сначала подготовить, предварительно накачав в него энергию, черпаемую от внешнего источника. Данная операция носит именно это название – накачка. Главное различие всех типов лазера именно в способе накачки. Накачкой могут служить: электромагнитное излучение с длиной волны, отличающейся от лазерной; электрический ток; пучок релятивистских (чрезвычайно быстрых) электронов; электрический разряд; химическая реакция в пригодной для генерации среде.

Виды лазеров(класификация )

Газовые лазеры (лазер СО2)

Неоспоримым достоинством газов как активной среды лазера является высокая оптическая однородность. Поэтому для тех научных и технических применений, для которых необходимы максимально высокая направленность и монохроматичность излучения, газовые лазеры представляют самый больший интерес. После первого газового лазера, основой которого была смесь гелия и неона (1960), было создано большое количество разнообразных газовых лазеров. В них использовались квантовые переходы нейтральных атомов, молекул и ионов, имеющих частоты в широком диапазоне: от ультрафиолетовой до далёкой инфракрасной частей спектра. Среди лазеров непрерывного действия видимой и ближней инфракрасной областей спектра наибольшее распространение получил гелио-неоновый лазер. Этот лазер представляет собой заключённую в оптический резонатор газоразрядную трубку, заполненную смесью Не и Ne.  В излучении газового лазера наиболее отчётливо проявляются характерные свойства лазерного излучения — высокая направленность и монохроматичность. Существенным достоинством является их способность работать в непрерывном режиме. Применение новых методов возбуждения и переход к более высоким давлениям газа могут резко увеличить мощность газового лазера. С помощью газового лазера возможно дальнейшее освоение далёкого инфракрасного диапазона, а также диапазонов ультрафиолетового и рентгеновского излучений.