Как работает лазер: от накачки активной среды до луча когерентного света
Лазер работает на основе вынужденного (стимулированного) испускания света. Атомы активной среды поглощают энергию от внешнего источника, переходят в возбуждённое состояние, а затем испускают фотоны строго определённой длины волны. Оптический резонатор из двух зеркал многократно отражает эти фотоны через активную среду, усиливая световой поток. Один из фотонов выбивает из возбуждённого атома ещё один идентичный фотон, тот выбивает следующий, и процесс лавинообразно нарастает. Через полупрозрачное зеркало часть усиленного пучка выходит наружу в виде лазерного луча.
Три главных компонента любого лазера
Активная среда определяет длину волны излучения. В газовых лазерах это смесь газов, например гелий-неон, дающий красный луч 632 нм, или углекислый газ, излучающий в инфракрасном диапазоне на 10,6 мкм. В твёрдотельных лазерах активная среда: кристалл, например рубин или иттрий-алюминиевый гранат с добавкой неодима (Nd:YAG). Полупроводниковые лазеры используют переходы электронов между зонами проводника: именно они работают в лазерных указках, сканерах штрихкодов и оптических приводах.
Источник накачки возбуждает атомы активной среды. Для твёрдотельных лазеров применяют импульсные ксеноновые лампы или другие лазерные диоды. Газовые лазеры накачиваются электрическим разрядом. Полупроводниковые перекачиваются прямым током через p-n переход. Главная задача накачки: создать инверсию населённостей, при которой возбуждённых атомов больше, чем атомов в основном состоянии. Только тогда вынужденное испускание превышает поглощение.
Оптический резонатор состоит из двух зеркал, расположенных строго напротив друг друга. Одно зеркало полностью отражает свет, второе полупрозрачное, пропускает от 1 до 50% в зависимости от усиления активной среды. Пространство между зеркалами заполнено активной средой. Многократные проходы туда-обратно заставляют фотоны синхронизироваться по фазе и направлению, формируя когерентный луч с минимальным угловым расхождением.
Почему лазерный луч не рассеивается
Обычный свет состоит из фотонов разных длин волн, движущихся в разных направлениях и несинхронных по фазе. Лазерный луч когерентен: все его фотоны имеют одинаковую длину волны, фазу и летят параллельно. Это даёт три практических свойства. Во-первых, луч практически не расходится: лазерный указатель мощностью 5 мВт даёт пятно диаметром несколько сантиметров на расстоянии 100 метров. Во-вторых, свет можно сфокусировать линзой в пятно диаметром меньше длины волны, доли микрометра, достигая плотности мощности, способной испарить любой материал. В-третьих, частота лазера стабильна настолько, что позволяет точно измерять расстояния интерференционными методами.
Промышленные и научные применения лазеров
Лазерная резка металла — один из самых распространённых технологических процессов. Мощный углекислотный или волоконный лазер (1–20 кВт) фокусируется линзой в пятно диаметром 0,1–0,3 мм. Плотность мощности в точке фокуса достигает 10 МВт/см², что мгновенно расплавляет и испаряет сталь, нержавейку или алюминий. Газовая струя (кислород или азот) удаляет расплав из зоны реза. Точность резки: сотые доли миллиметра. Аналогично работает лазерная сварка и лазерная маркировка.
В медицине лазеры применяют для хирургических разрезов, коагуляции сосудов и офтальмологических операций. В телекоммуникациях полупроводниковые лазеры кодируют информацию в оптические импульсы, передаваемые по стекловолокну со скоростями до сотен гигабит в секунду. В науке лазерные интерферометры позволяют измерять смещения с точностью до долей нанометра — именно на таком принципе построены детекторы гравитационных волн. В строительстве и геодезии лазерные нивелиры и дальномеры стали стандартным инструментом.
