Лазер. Устройство, принцип работы, свойства, применение лазера

Лазер (от англ. Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) – устройство, использующее явление вынужденного излучения для получения волны света.

С момента своего изобретения лазер нашел множество применений в промышленности, медицине, а также в повседневной жизни. Устройства для чтения дисков CD, DVD и Blu-ray основаны на том, что лазер направляет свой луч на поверхность диска. Этот луч после отражения от поверхности диска меняет свои свойства и, попав на детектор, позволяет считать информацию, записанную на диске.

Во многих исследованиях – и областях применения – физики хотели бы иметь такие волны, как схематически показано на рис. 1:

  1. со строго гармонической (синусоидальной) зависимостью от времени, а также от положения на линии, соответствующей направлению движения волны;
  2. с волновыми поверхностями, которые были бы плоскостями, перпендикулярными направлению движения волн;
  3. с образованием “параллельного луча”, который не расходится в стороны.

Строгое соблюдение этих условий просто невозможно. Тем не менее, свет, производимый лазерами, относительно близок к ним.

Схематическое изображение идеальной волны
Рис. 1. Схематическое изображение идеальной волны

Простое объяснение принципа работы лазера

Лазерное излучение – это когерентное, сильно пучковое электромагнитное излучение с высокой интенсивностью и очень узкой полосой частот. Перемещаясь вдоль электромагнитного спектра, лазерное излучение простирается от дальнего инфракрасного до видимого и рентгеновского спектра.

Слово “лазер” относится как к устройству, так и к физическому эффекту. Лазер – это аббревиатура, которая расшифровывается как “Усиление света посредством вынужденного излучения”.

Для получения света такого качества лазеру необходимо как минимум три компонента.

Во-первых, вам нужна лазерная среда, которая в значительной степени определяет свойства лазера. Путем оптических переходов возбужденных атомов или молекул в энергетически предпочтительные состояния вы генерируете фотоны в этой среде. Существуют различные типы лазерных сред, такие как газы, кристаллы или диоды.

Далее необходим механизм накачки лазера (источник энергии), с помощью которого можно снабжать среду энергией, необходимой для возбуждения переходов. Это может быть, например, лампа-вспышка или электрический разряд в газах.

Наконец, вам нужен оптический резонатор. Это более или менее сложная система зеркал и других оптических элементов. С помощью резонатора вы обеспечиваете обратную связь и, таким образом, вынужденное излучение.

В зависимости от выбора этих отдельных компонентов существуют различные типы лазеров, которые отличаются по достижимой мощности и частотным характеристикам.

Объяснение принципа работы рубинового лазера.

Рубиновый лазер в предельном упрощении показан на рисунке 2.

Упрощенная схема рубинового лазера
Рис. 2. Упрощенная схема рубинового лазера

Его основная часть – рубиновый стержень, обычно несколько миллиметров в диаметре и несколько сантиметров в длину. Его концы очень тщательно отполированы и покрыты слоем серебра. Слева – зеркало, которое полностью отражает свет, справа – зеркало, которое отражает большую часть света, но пропускает немного света. Стержень освещается сильным ультрафиолетовым светом.

Предположим, что в рубиновом стержне случайно появилась волна определенной длины, и бегущая горизонтально вправо. По мере продвижения через среду её амплитуда будет увеличиваться. Волна будет отражаться поочередно от правого зеркала и от левого зеркала. В результате возникнет волна, похожая на стоячую волну, заполняющая весь объем стержня. Часть этой волны выйдет через правое зеркало наружу – это и будет интересующее нас лазерное излучение. Должен действовать закон сохранения энергии – энергия этой волны происходит из энергии ультрафиолетового излучения, освещающего рубиновый стержень.

Устройство лазера

Три компонента – рабочее тело (рабочая среда), механизм накачки и оптический резонатор – являются общими для каждого лазера. Они определяют тип лазера и то, чего вы можете достичь с его помощью. Далее мы расскажем обо всех трех компонентах более подробно.

Устройство лазера
Рис. 2. Устройство лазера: оптический резонатор с рабочей средой и ходом лучей

Рабочее тело (рабочая среда)

Вы генерируете фотоны в рабочей среде лазера. Это излучение происходит через оптические переходы в возбужденных атомах или молекулах. В результате этих переходов частицы переходят в энергетически более благоприятные состояния. Важнейшим условием лазерной среды является возможность создания эффекта инверсии электронных населённостей.

Для этого он должен иметь как минимум три энергетических уровня. Энергетические уровни – это собственные значения энергии квантово-механических систем. Атом или молекула может находиться только на одном из этих уровней. Самый низкий уровень – это основное состояние, а все остальные – возбужденные состояния.

Инверсия электронных населённостей означает, что верхнее состояние оптического перехода с большей вероятностью будет занято, чем нижнее. Такие среды могут быть газообразными, жидкими или твердыми.

Механизм накачки

Оптическая накачка – это процесс, с помощью которого вы добавляете энергию в среду. Это делается путем возбуждения рабочей среды с помощью внешнего источника энергии, например, других лазеров или лампы-вспышки. Таким образом, достигается инверсия электронных населённостей без того, чтобы процесс накачки конкурировал с вынужденным излучением. Поэтому, накачивается другой квантово-механический переход, нежели тот, который в конечном итоге используется для излучения фотонов.

Оптический резонатор

С помощью оптического резонатора вы определяете скорость излучения и свойства фотонов. С помощью отражения вы позволяете отдельным фотонам пройти через среду несколько раз. Это индуцирует дальнейшее излучение в нужном направлении и позволяет усилить свет.

Для этого фотоны должны распространяться перпендикулярно отражающей среде. Фотоны, испускаемые таким образом, имеют те же квантовые числа, что и запущенные фотоны. Любые спонтанные выбросы, которые могут произойти, сами по себе не генерируют никаких дальнейших фотонов, так как очень маловероятно, что они будут излучаться перпендикулярно отражающей среде.

Благодаря такому выбору достигается очень узкое направление лазерного луча.

Функции лазера

Вы возбуждаете атомы или молекулы лазерной среды до более высоких уровней энергии. Таким образом, вы создаете лазерный луч. Эти уровни энергии имеют максимально возможное среднее время распада. Таким образом, вы сохраняете вероятность спонтанной эмиссии как можно более низкой, и энергия процесса накачки сохраняется дольше. Непрерывная откачка создает желаемую инверсию электронных населённостей. Это означает, что больше частиц находится в одном из своих возбужденных состояний, чем в основном состоянии.

Теперь для того, чтобы возбужденный атом вернулся из своего возбужденного состояния в основное, необходимо лишь стимулировать его фотоном. При этом он испускает фотон в том же направлении и с той же энергией, что и исходный фотон. В данном случае равная энергия означает, что новый фотон имеет ту же частоту и длину волны, что и исходный фотон. Фазовое положение обоих фотонов также одинаково.

Как описано ранее, фотоны отражаются в резонаторе и проходят через среду несколько раз. Этот процесс приводит к цепной реакции, в ходе которой производится все больше и больше фотонов, которые, в свою очередь, производят все больше и больше фотонов и так далее…

Одна сторона резонатора частично проницаема, что позволяет лазерному лучу отклоняться. В результате отражающее свойство резонатора сохраняется, и происходит дальнейшее излучение.

Спонтанное излучение

Спонтанное излучение – это квантово-механическое явление. Это происходит, когда атомы или молекулы испускают фотоны при переходе с более высоких энергетических уровней на более низкие. Предсказать этот тип излучения невозможно. Это процесс распада, возникновение которого можно оценить с определенной вероятностью.

Итак, спонтанное излучение – это излучение, испускаемое при самопроизвольном переходе атома из возбужденного состояния в основное.

Спонтанное излучение разных атомов происходит некогерентно, так как каждый атом начинает и заканчивает излучать независимо от других.

Математически это можно выразить следующим образом:

спонтанная эмиссия формула

Формула гласит, что число N спонтанных выбросов или возбужденных частиц на объем V и время t пропорционально плотности числа частиц n в возбужденном состоянии.

Вынужденное излучение

Работа лазера основана на вынужденном излучении. Здесь излучение фотона не происходит спонтанно.

Напомним, что при переходе атома из стационарного состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией он излучает квант энергии (фотон). Такое излучение может быть самопроизвольным . При этом атомы излучают фотоны разной частоты, что определяется переходами на разные энергетические уровни.

Можно сделать так, что атом, находящийся в возбуждённом состоянии, будет излучать энергию под воздействием внешних факторов, например под действием падающего на него света. Такое излучение называют вынужденным (индуцированным).

Предположим, что атом может перейти из состояния с энергией 2 в состояние с энергией 1 и испустить при этом фотон
с энергией hv = E2 – E1. Если он взаимодействует с фотоном такой же частоты, то вероятность вынужденного излучения достаточно велика и в итоге получаются два фотона одинаковой частоты. Таким образом, излучаемая световая волна не отличается от
той, которая падает на атом. Она имеет такую же частоту и фазу.

[2]

Для создания вынужденного излучения необходимо увеличить число атомов, имеющих высокий энергетический уровень. Осуществить это можно, используя вещества, атомы которых могут находиться в возбуждённом состоянии достаточно долго, не излучая самопроизвольно.

Продольные моды

В зависимости от конструкции резонатора, в нем может образовываться различное количество стоячих волн определенной длины. Таким образом, определенные длины волн и их кратные значения могут быть особенно усилены таким резонатором. Такие различные формы колебаний называются модами. Имея число продольных мод, вы знаете, сколько волн может колебаться в резонаторе. Колебания вдоль направления распространения излучения называются продольными. Это пики и долины интенсивности с интервалом в половину длины волны.

В лазерах различают одномодовые лазеры, которые колеблются почти на одной частоте, и многомодовые лазеры.

Поперечные моды

Поперечная мода относится к распределению фазы волны перпендикулярно направлению распространения. Следовательно, режим, который не перпендикулярен зеркалам резонатора, приводит к сдвигу частоты лазера. Причиной этого является увеличение длины резонатора, что теперь приводит к образованию стоячих волн с узлами в профиле лазера.

Если вы используете цилиндрический резонатор, ваш луч в идеале имеет гауссову форму. При использовании мод, не перпендикулярных зеркалам резонатора, вместо них формируются профили с радиальной и угловой зависимостью. Они изменяют длину резонатора, поскольку длина пути между зеркалами изменяется. Это может исказить спектры продольных мод, поскольку различные поперечные моды накладываются друг на друга.

Свойства лазера

Невозможно сделать общее заявление о свойствах лазера. На самом деле они определяются различными аспектами. В первую очередь, резонатор лазера определяет его качества. В этом контексте также неверно, что лазеры всегда представляют собой узконаправленные пучки с малой шириной частоты.

Однако верно то, что лазеры могут быть использованы для превосходного манипулирования светом, а их свойства позволяют очень плотно связывать лучи. Это позволяет достичь очень высокой плотности мощности.

Наиболее важными свойствами лазеров являются когерентность, поляризация и частота или длина волны.

В отличие от других источников света, свет лазера состоит не только из одной длины волны. Волны также почти фазово синхронны друг с другом. Отсюда происходит термин “длина когерентности”. Этот термин дает представление о расстоянии, на котором волны лазера находятся в фазе.

Поляризация поперечной волны описывает направление ее колебаний. В лазерах все волны имеют одинаковую поляризацию. В основном это линейная поляризация, но в зависимости от области применения устанавливаются и другие поляризации. Различные поляризации достигаются с помощью оптических компонентов в резонаторе или на пути луча.

Длина волны лазера определяется рабочей средой. В зависимости от энергетических переходов среда может быть возбуждена для генерации на различных длинах волн или только в очень узкой полосе пропускания.

Опасности, связанные с лазером

В зависимости от мощности лазеры вызывают повреждение биологических тканей.

Мощность в милливаттах уже повреждает глаз. Линза фокусирует параллельный лазерный луч на сетчатке глаза. Это вызывает повреждение сетчатки глаза, что приводит к частичной слепоте.

Более высокие уровни мощности приводят к повреждению кожи, напоминающему солнечный ожог, что также может вызвать рак кожи. Это повреждение может доходить до серьезных ожогов.

Особое внимание следует обратить на рассеянный свет. Лазерное излучение, уже отраженное от стены или другой поверхности, приводит к соответствующему повреждению. Поэтому при работе с лазерами необходимо всегда учитывать меры предосторожности.

Применение лазера

Развитие лазера значительно изменило наш мир. Он проникает во все сферы нашей жизни.

В повседневной жизни лазеры можно встретить в лазерных принтерах и в каждом оптическом приводе – от CD до проигрывателей дисков Blue-Ray. Но вы наверняка знаете и лазерную указку, в названии которой есть слово “лазер”. Лазеры также используются каждый раз, когда вы делаете покупки на кассе для идентификации штрих-кодов на товарах. Конечно, существует множество других применений в повседневной жизни.

Но лазеры также постоянно используются для сбора данных, в промышленности, медицине, науке и военном деле.

Использование лазеров совершило революцию в электронных средствах связи. Оказалось, что лазер можно использовать как мощный генератор высокочастотных волн, в том числе с частотой, равной частоте видимого света. И эта частота может использоваться в качестве несущей частоты при передаче радио- или телевизионных сигналов. Информационная ёмкость такого способа передачи информации многократно превосходит все предыдущие: так, расчёты показывают, что в одном лазерном луче может уместиться до 80 миллионов телевизионных каналов или до 50 миллиардов одновременных телефонных разговоров!

[4]

С помощью лазеров удалось создать трёхмерные изображения, которые называются голографическими. Рассматривая голограмму под разными углами, вы можете видеть изображённый на ней предмет с разных сторон: например, на голограмме можно «заглядывать за предметы, расположенные на переднем плане.

Как видите, лазеры – это не просто устройства из научной фантастики. Лазеры являются неотъемлемой частью нашей повседневной жизни.

Список использованной литературы

  1. Физика, базовый уровень, 11 класс, учебник – Пурышева Н.С., Важеевская Н.Е., Исаев Д.А., Чаругин В.М
  2. В.А. Касьянов углубленный уровень физика 11 класс
  3. William T. Silfvast. Laser Fundamentals. — New York: Cambridge University Press, 1996. — ISBN 0-521-55617-1. (англ.)
  4. Генденштейн Лев Элевич, Дик Юрий Иванович. ФИЗИКА. 11 класс