I уровень. Познакомимся с параграфом

· Лазер (оптический квантовый генератор) – устройство, генерирующее когерентные электромагнит­ные волны за счет вынужденного испускания или выну­жденного рассеяния света активной средой, которая на­ходится в оптическом резонаторе. Слово «Лазер» – аббревиатура слов «Light Amplifi­cation by Stimulated Emission of Radiation» – усиление света вынужденным излучением. Лазеры относятся к квантовым генераторам, первые из которых были созда­ны в 1955 году одновременно в СССР (Н. Г. Басов, А. М. Прохоров) и в США (Дж. Гордон, X. Цайгер, Ч. Таунс). Позже Н. Г. Басов, А. М. Прохоров и Ч. Таунс получили за это открытие Нобелевскую премию.

1. Вынужденное излучение

Излучение фотона и возбуждение атома (переход электрона в состояние с большей энергией) являются обратимыми процессами.

Падающий фотон с энергией возбуждает атом, переводя электрон в состояние с более высокой энерги­ей – возбуждение; электрон возвращается в основное состояние и испускает фотон с энергией –высвечивание.

Согласно квантовой механике эти два процесса ма­тематически эквивалентны. Физическое их различие за­ключается в том, что в первом процессе энергия по­глощается, а во втором – испускается.

Если падающий фотон с энергией попадает в атом, находящийся в возбужденном состоянии, он стимулирует его высвечивание. Возникают два фотона с энергией , которые движутся в одном направлении и находятся в фазе, то есть усиливают друг друга. Имея некоторое количество атомов, часть которых находится в одном и том же возбужденном состоянии, единствен­ным падающим фотоном можно стимулировать вынуж­денное излучение этих атомов. Каждый испущенный фотон может в свою очередь стимулировать испускание фотонов другими атомами, так что система в целом мо­жет почти разом излучить всю энергию возбуждения в виде сгустка фотонов, находящихся в фазе друг с дру­гом.

Вынужденное излучение используется для создания интенсивных пучков когерентного излучения. Если это излучение находится в диапазоне световых волн, то уст­ройство для его получения называется лазером (первые практические устройства, построенные на этом принци­пе, работали на микроволнах и получили название мазеров).

2. Принцип действия лазера

При создании лазера необходимо решить две глав­ные проблемы: 1) «накачать» энергию в систему атомов так, чтобы достаточное число атомов находилось в воз­бужденном состоянии, 2) добиться того, чтобы боль­шинство фотонов испускалось в одном направлении.

Если верхнее (возбужденное) состояние оказывается узким, то падающее излучение также должно иметь строго определенную энергию. Источник белого света в данном случае не подходит, так как он испускает фото­ны в широком интервале энергий, и лишь некоторые из них обладают достаточной энергией для «перекачки» атомов в возбужденное состояние. В 1960 году Ч. Таунс и А. Шавлов из Колумбийского университета обратили внимание на интересное свойство рубина, которое по­зволяло решить эту задачу. Рубин состоит из бесцветной окиси алюминия , которая содержит в виде при­меси небольшое количество хрома .Примесь хрома и придает рубину характерный красный цвет. Оказалось, что энергетические уровни атомов хрома в рубине представляют собой полосы.

Это означает, что состояние атома не связано с од­ной точно определенной энергией, а может иметь лю­бую энергию в некотором диапазоне. Так как полосы достаточно широки, белый свет от источника оптиче­ской накачки содержит большое число фотонов с энер­гиями внутри полос, что позволяет производить накач­ку. Сначала происходит переход с каждой из полос в состояние . Лазерным будет переход ,и соответствующее излучение лежит в красной части спек­тра при ( (ангстрем) ).

Проблема направленности решалась следующим об­разом. Кристаллу рубина придают форму цилиндра со строго параллельными основаниями. Одно ос­нование цилиндра посеребрено и представляет собой зеркало, другое покрыто серебром лишь частично, так что некоторая доля излучения может пройти через него.

Накачка производится с помощью разрядной лампы большой мощности, которая имеет форму спирали, об­вивающей цилиндр.

Как только при самопроизвольном переходе образуется один фотон, начинается усиление света вы­нужденным излучением. Фотоны, движущиеся парал­лельно оси цилиндра, отражаются от его торцов и снова проходят через кристалл. Часть этого излучения выходит через полупрозрачный торец и образует лазерный пучок, однако достаточное число фотонов отражается от тор­цов и поддерживает действие лазера.

Энергия непрерывно накачивается в кристалл ис­точником света и некоторая ее доля испускается в виде лазерного пучка; это излучение когерентно, почти монохроматично и имеет высокую степень направленно­сти.