Лазер

Особый свет

Без лазеров уже нельзя представить современную технику, от лазерной указки и CD-плеера до лазерного принтера, от хирургического "лазерного скальпеля" и лазерной сварки металлов до ядерного синтеза с использованием лазеров высокой энергии. Лазеры закрепились в самых различных областях.

Термин "лазер" образован искусственно: это сокращение от Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, что в переводе на русский означает "усиление света вынужденным излучением".

Благодаря усилению света лазерное излучение может достигать чрезвычайно высокой интенсивности. Лазер характеризуется еще одним, совершенно особенным, свойством: в отличие от обычного света карманного фонарика, лазерное излучение распространяется практически параллельно. Световой конус обыкновенного фонарика уже через один километр расширяется до 200 м, тогда как излучение отдельных моделей лазеров достигает 200 м в диаметре лишь через 400000 км. Получается, если посветить с Земли на Луну, лазерное излучение покрыло бы на ней круг диаметром менее 200 м.

Нестабильное состояние

Чтобы понять, как возникает лазерный свет, вспомним, что при оптическом возбуждении фотонами электроны переходят в возбужденное состояние с более высокой энергией. Как нам известно, такое положение сохраняется совсем недолго и поэтому считается нестабильным. Примерно 10^-8 секунды достаточно, чтобы возбужденный электрон вернулся в основное состояние, испустив при этом фотон.

Метастабильное состояние

Помимо этого нестабильного возбужденного состояния существует и другое, так называемое метастабильное. Метастабильное состояние длится в 100 или даже в 100000 раз дольше, чем нестабильное. Его продолжительность может достигать миллисекунды, по атомным меркам это почти вечность. Чтобы попасть в метастабильное, электрон должен сначала перейти в нестабильное, то есть возбужденное состояние. Вместо того чтобы вернуться к основному состоянию, электрон оказывается в метастабильном состоянии, энергия которого чуть ниже, чем в нестабильном. При этом высвобождается не фотон, а просто тепловая, безызлучательная энергия.

"Лазено-активные" материалы

Лазерное излучение возникает лишь тогда, когда в материале есть атомы, электроны которых могут существовать в таком метастабильном состоянии. Один из самых известных лазерно-активных материалов — это рубин, красивый темно-красный драгоценный камень. Рубины, используемые в лазерах, получают искусственным путем, поскольку природные рубины редко имеют нужные размеры.

Рубин — особая разновидность минерала корунд. Он состоит из оксида алюминия (Al₂O₃) и небольшой примеси элемента хром (Cr) – 0,05%. Только в этих сравнительно малочисленных атомах хрома электроны могут переходить в метастабильное состояние.

"Оптическая накачка"

Сначала искусственный рубин облучают интенсивным светом. Этот процесс называют "оптической накачкой", так как во многих атомах хрома электроны "накачиваются" до метастабильного состояния. В рубине лишь каждый тысячный атом алюминия замещается атомом хрома. Однако решающую роль в возникновении лазерного излучения играют именно они, поэтому в нашей модели мы рассмотрим только поведение атомов хрома.

Спонтанное излучение

В результате оптической накачки большинство атомов хрома переходит в метастабильное состояние. Если в возбужденном состоянии находится больше атомов хрома, чем в основном, говорят об инверсии населенностей. Затем электроны самопроизвольно возвращаются в основное состояние, при этом возникают фотоны. Этот процесс называется спонтанным излучением.

Вынужденная эмиссия

Начинается цепная реакция: эти фотоны сталкиваются с электронами, все еще находящимися в сравнительно долгоживущем метастабильном состоянии, переводя и их в основное состояние. При этом выделяются новые фотоны. Данное явление называют вынужденным излучением, поскольку фотоны "вынуждают", заставляют электроны перейти в основное состояние.

Только что возникшие фотоны, в свою очередь, снова вызывают вынужденное излучение — возникает лавина фотонов. Разумеется, все они обладают одинаковой энергией и, следовательно, одинаковой длиной волны.

Когерентный свет

В рубине фотоны многократно отражаются между двумя зеркалами, поэтому лавина постоянно усиливается. Однако часть света все-таки должна покидать рубин в виде лазерного излучения, и для этого используют следующий прием: одно из двух зеркал отражает весь свет, а другое лишь 90%. Таким образом, оставшиеся 10% выходят из рубина как темно-красное лазерное излучение с длиной волны 694,3 нм.

При вынужденном излучении вновь возникшие фотоны движутся в том же направлении, что и фотоны, стимулировавшие эмиссию, чем и объясняется такая необычная параллельность лазерного луча. Далее все возникшие фотоны колеблются в такт — говорят также, что они находятся в одной фазе. Такой свет называется когерентным.