Лазер
Человек изобрел много разных источников света — от уже ушедших в прошлое свечей и керосиновых ламп до современных ламп накаливания и ламп дневного света. В начале 60‑х годов нашего столетия появились новые источники оптического излучения — лазеры. В отличие от прежних источников света, применявшихся в основном для освещения, лазеры предназначаются для совсем иных целей. Лазерным лучом разрезают материалы (от обычных тканей до стальных листов), сваривают, выполняют хирургические операции; лазерное излучение применяют для точнейших измерений, используют в современных вычислительных комплексах и линиях связи.
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 это зеркало 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 него в качестве примеси 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 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 вынудит 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 вынудят рождение новых количеств 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 английского выражения «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation», что в переводе означает «усиление света в результате вынужденного излучения».
Лазеры отличаются большим разнообразием — по внешнему виду, размерам, конструкции. Наряду с лазерами-малютками, свободно умещающимися на ладони, существуют лазеры-гиганты, длина которых достигает нескольких десятков метров, а масса измеряется тоннами. Разнообразие лазеров объясняется применением разных типов активных элементов и разных способов накачки, а также разнообразием тех практических задач, которые решаются при помощи лазеров. В качестве активных элементов используют кристаллы на диэлектриках и специальные стекла (твердотельные лазеры), полупроводники (полупроводниковые лазеры), жидкие растворы красителей (жидкостные лазеры), газовые смеси (газоразрядные лазеры). Газовые смеси находятся в специальных стеклянных трубках (газоразрядных трубках), они «накачиваются» за счет электрических разрядов. В полупроводниковых лазерах обычно используют накачку либо за счет бомбардировки полупроводника электронным пучком, либо за счет создания электрического напряжения на контакте двух полупроводников разного типа.
Среди твердотельных лазеров отметим, кроме лазера на гранате с неодимом, лазер на рубине. Активными центрами в нем являются ионы хрома. Из газоразрядных лазеров широко применяют на практике гелий‑неоновый лазер и CO2‑лазер. В первом активная газовая среда состоит из атомов гелия и неона; роль активных центров играют атомы неона. Во втором активная среда состоит в основном из молекул азота и углекислого газа; последние являются активными центрами. Укажем длины волн наиболее интенсивных спектральных линий, генерируемых различными лазерами: на гранате с неодимом — 1,06 мкм, на рубине — 0,69 мкм (красная линия), на гелии и неоне — 3,39, 1,15, 0,63 мкм (красная линия), на углекислом газе — 9,4 и 10,4 мкм.
<addc>l</addc>
Лазерное излучение отличается необычайно высокой монохроматичностью — отношение разброса длин волн, «представленных» в лазерном луче, к средней длине волны крайне мало; оно составляет всего 10−6–10−8, а специальными мерами может быть уменьшено даже до 10−10. 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 считать, что генерируемые лазером световые волны имеют практически форму идеальных синусоид — со строго определенной частотой и плоским фронтом. По сравнению с лазерным излучением других, обычных источников света является существенно неупорядоченным; его можно рассматривать как «оптический шум».
Высокая когерентность излучения лазера объясняется особенностями вынужденного испускания света — тем фактом, что все вынужденно испущенные фотоны имеют одинаковую частоту и одинаковое направление движения. В свою очередь, когерентность лазерного излучения объясняет те богатые возможности, которые оно обнаруживает при практическом использовании (см. Лазерная технология) .
Приведем всего два примера. Первый касается возможности использования лазерного луча для передачи информации. В частотном диапазоне, соответствующем дециметровым волнам (частоты от 108 до 109 Гц), «умещается» около 100 телевизионных программ; в этом же диапазоне могли бы работать около 100 000 радиостанций. Использование когерентного лазерного излучения с частотой 1015 Гц могло бы значительно повысить информационную емкость канала связи. В таком канале можно, в принципе, «уместить» 1011 радиопрограмм или 108 телепрограмм. Другой пример касается возможности сильной концентрации световой энергии в лазерном луче. Существующие мощные CO2‑лазеры могут непрерывно генерировать световую мощность порядка 1кВт. При диаметре светового пучка 1 мм интенсивность такого излучения оказывается равной 105 Вт/см2. Этого достаточно, чтобы плавить многие металлы. Благодаря когерентности лазерный световой пучок можно сильно сфокусировать — в пятно диаметром, скажем, 30 мкм. Тогда интенсивность окажется порядка 1010 Вт/см2. Это позволяет испарить любой материал.
Первый лазер появился в 1960 г. Однако историю рождения лазерной техники следует отсчитывать от начала 50‑х годов. Дело в том, что способ усиления излучения при помощи вынужденного испускания был сначала реализован не в оптическом, а в сверхвысокочастотном — СВЧ‑диапазоне. Соответствующие генераторы излучения (их назвали мазерами; буква «М» означает здесь «микроволновой») были созданы в 1955 г. одновременно в СССР (Н. Г. Басов, А. М. Прохоров) и в США (Ч. Таунс). В создании мазеров и лазеров большую роль сыграли советские ученые: Н. Г. Басов, А. М. Прохоров. В. А. Фабрикант, Б. М. Вул, О. Н. Крохин, Ю. М. Попов и другие.
