Що таке лазер – доповідь

Цікавий факт: чи знаєте Ви, що до появи лазерів були мазери?

Мазер – квантовий генератор, що випромінює когерентні мікрохвилі (хвилі сантиметрового діапазону)

Мазер – це абревіатура, від англійського microwave amplification by stimulated emission of radiation, що в перекладі означає “посилення мікрохвиль за допомогою вимушеного випромінювання”. Мазер був винайдений в 1950-х роках, на кілька років раніше лазера.

Мазери і лазери працюють за одним і тим же принципом. Відмінність полягає в тому, що мазери підсилюють хвилі різного діапазону. Мазер – це посилення мікрохвиль, а лазер – посилення світла, тобто хвиль видимого діапазону.

Лазер (від ight amplification by stimulated emission of radiation – «посилення світла за допомогою вимушеного випромінювання») – пристрій, що перетворює енергію накачування в енергію монохроматичного, поляризованого і узконаправленного потоку випромінювання.

Серед усіх цих розумних слів для розуміння принципу роботи лазера потрібно виділити два – «вимушеного випромінювання». Це саме те, що лежить в основі роботи лазера.

Саме явище вимушеного випромінювання лежить в основі роботи лазера. В чому суть?

Вимушене випромінювання

Ми знаємо, що атом може перебувати в різних енергетичних станах. У найпростішому випадку станів всього два – основне і порушену. Електрони обертаються навколо ядра атома по орбітах, які відповідають певним енергій. При певних умовах електрон може як би перескакувати з однієї орбіти на іншу і назад. Тобто електрони, що обертаються навколо ядра, можуть переходити з одного енергетичного рівня на інший. Причому якщо електрон переходить з більш високого енергетичного рівня на нижній, виділяється енергія. Для переходу з нижнього рівня на верхній або навпаки, енергію електрону потрібно повідомити.

А тепер уявімо, що у нас є атом у збудженому стані, і на нього налітає фотон з енергією, що дорівнює різниці енергій рівнів атома. У такому випадку наш атом випустить такий самий фотон, а електрон з вищого рівня енергії перейде на більш низький. Це і є вимушене випромінювання. Розрізняють також спонтанне випромінювання, коли збуджений атом мимовільно випускає фотон.

Як це явище працює в лазерах?

Уявімо собі найпростіший лазер, що складається з системи накачування, робочого середовища і оптичного резонатора. Система накачування необхідна, щоб повідомити робочому середовищі енергію, яка буде перетворена в енергію випромінювання, і створити інверсію заселеність енергетичних рівнів. Наприклад, якщо робочим тілом нашого лазера є атоми з усього двома енергетичними станами, то для роботи лазера необхідно, щоб збуджені атоми перевищували за кількістю незбуджені. Інверсія заселеність – основа того, щоб генерація випромінювання в лазері могла початися.

Робочим тілом лазера можуть бути як тверді тіла, так і рідини з газами. Фізична суть роботи всіх цих приладів залишається однією і тією ж. До речі, перший в світі лазер був рубіновим, тобто мав як робоче тіло кристал рубіна.

Коли інверсія заселеність досягнута, збуджені атоми робочого середовища починають випромінювати фотони (спонтанне випромінювання). Щоб процес не «згас», необхідно забезпечити зворотний зв’язок. У найпростішому випадку роль оптичного резонатора грають два дзеркала, одне з яких пропускає частина фотонів (напівпрозорої), а друге – відображає. Таким чином, певна частина випущених фотонів залишається в робочому просторі, індукуючи випромінювання все нових і нових атомів, від чого процес починає розвиватися лавиноподібно і лазер світить.

Сподіваємося, Ви стали трішки ерудований після прочитання цієї статті. Якщо у Вас є більш глибинні і фундаментальні питання по темі «лазери», пам’ятайте – серед наших авторів є люди, готові в будь-який момент відповісти на них.

Посилання на основну публікацію