четверг, 19 января 2012 г.

Что такое лазер?

Давление света, сконцентрированное на маленькой площадке, достигает миллиона атмосфер. Лучом можно проколоть или разрезать лист из самого твердого и тугоплавкого металла.
Фантастика? Нет, это последнее достижение квантовой электроники, известное под названием «лазер», или, иначе, оптический квантовый генератор. Лазеры, чье действие основано на особенностях вынужденного (индуцированного) излучения, появились в 1960 году. Их изобретению предшествовали фундаментальные работы советских ученых Валентина Александровича Фабриканта (род. 1907), Николая Геннадиевича Басова (род. 1922), Александра Михайловича Прохорова (род. 1916), американского ученого Чарльза Таунса (род. 1915).
В частности, лазеры нашли применение
  • для установления сверхдальней связи.
  • позволили исследовать поверхность Луны.
  • ими оснащают искусственные спутники Земли и космические корабли.
  • лазеры передают сигналы на Землю с огромных расстояний и позволяют управлять движением аппаратов, корректировать их траектории.
  • в промышленности
  • в медицине
  • лазерная гравировка телефонов и ноутбуков
  • в ВПК
  • и т. д.
    Мечта о концентрации энергии света зародилась еще в глубокой древности. Ее отражение мы находим в известной легенде об Архимеде (287 − 212 гг. до н.э.), который сжег направленными при помощи зеркал лучами солнца корабли римского флота во время осады Сиракуз. А кто не читал роман А. Толстого «Гиперболоид инженера Гарина»! С помощью своего изобретения − гиперболоида − Гарин вознамерился властвовать над миром...
     В фантастической литературе можно найти много описаний действия лучей «разрушения и смерти». Все они, однако, включая гиперболоид инженера Гарина, грешат против законов физики и прежде всего против основного ее закона − закона сохранения энергии. С помощью обычных средств современной оптики − зеркал, линз и призм − невозможно беспредельно концентрировать энергию источников света, какими бы мощными они ни были. Нельзя сконцентрировать с помощью зеркала солнечные лучи в один тонкий и острый луч и послать его на расстояние в несколько километров. Расчеты показывают, что для объекта, находящегося на расстоянии всего один километр, потребовалось бы зеркало диаметром 500 м, а для того чтобы вызвать загорание дерева, нужно было бы обладать источником света, яркость которого в миллион раз превышает яркость Солнца.
     Принципиальная схема лазера крайне проста: активный элемент, помещенный между двумя взаимно параллельными зеркалами; зеркала образуют так называемый оптический резонатор; одно из зеркал делают слегка прозрачным, сквозь него из резонатора выходит лазерный луч. Чтобы началась генерация лазерного излучения, необходимо «накачать» активный элемент энергией от некоторого источника {его называют устройством накачки).
     Рассмотрим для примера лазер, в котором активным элементом служит гранат с неодимом. Гранат − прозрачный кристалл, его химическая формула: Y3Al5O12; в качестве примеси в него вводят ионы неодима. Они-то и являются так называемыми активными центрами. Поглощая излучение специальной газоразрядной лампы-осветителя, ионы неодима возбуждаются (в этом и состоит в данном случае процесс накачки активного элемента − так называемая оптическая накачка). Возбужденный ион возвращается затем в исходное состояние, высвечивая фотон определенной частоты. Этот фотон может вызвать (вынудить) возвращение в исходное состояние многих других возбужденных ионов − и тогда родится лавина фотонов одинаковой частоты, летящих в одном и том же направлении (явление вынужденного испускания света). Возможен и иной вариант: фотон поглощается каким-либо невозбужденным ионом (явление резонансного поглощения). Важно, чтобы вынужденное испускание преобладало над резонансным поглощением. А для этого надо произвести накачку активного элемента так, чтобы возбужденных ионов неодима стало больше, чем невозбужденных.
     Но и это еще не все. Важно также, чтобы процессы вынужденного испускания развивались преимущественно лишь в каком-то определенном направлении в пространстве. Для этого как раз и предназначаются зеркала резонатора. Их общая оптическая ось выделяет в пространстве направление, в котором формируется лазерный луч.
     Представим себе, что первичный фотон случайно родился в направлении, отличном от направления оси зеркал резонатора. Он вызовет рождение некоторой лавины фотонов, но все эти фотоны довольно скоро покинут активный элемент, выйдут за пределы среды. Иное дело, если первичный фотон случайно родился в направлении оси резонатора. Такой фотон вызовет рождение лавины фотонов, летящих вдоль оси резонатора. Отразившись от зеркала, они возвратятся в активный элемент и вызовут рождение новых фотонов. Таким образом, между зеркалами будет двигаться фотонная лавина, быстро нарастающая за счет процессов вынужденного испускания. Выходя из резонатора через одно из зеркал, эта лавина и формирует лазерный луч.
     Такова вкратце физика работы лазера. Теперь становится понятным и сам термин «лазер». Это слово составлено из начальных букв английской фразы: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, что в переводе означает «усиление света в результате вынужденного излучения».
    Лазерное излучение отличается необычайно высокой монохроматичностью − отношение разброса длин волн, представленных в лазерном луче, к средней длине волны крайне мало и составляет всего 10−6 − 10−8 (специальными мерами может быть уменьшено даже до 10−9 ). Излучение лазера характеризуется также исключительной направленностью − угол расходимости луча во многих случаях не превышает долей угловой минуты. Во всем этом проявляется высокая когерентность излучения лазера; можно даже сказать, что генерируемые лазером световые волны имеют практически форму идеальных синусоид − со строго определенной частотой и плоским фронтом.
     Высокая когерентность излучения лазера объясняется особенностями вынужденного испускания света, а именно тем, что все вынужденно испущенные фотоны имеют одинаковую частоту и одинаковое направление движения.

Комментариев нет:

Отправить комментарий