Лазеры и их виды

Лазером называется источник света, отличающийся своими свойствами от ламп накаливания, пламени, естественных источников. Свойства лазерного луча действительно уникальны — он способен строго прямолинейно распространяться на значительное расстояние.

Расходимость пучка лазерного света очень мала, расстояние до Луны он преодолевает с фокусировкой за сотни метров. Теплота лазерного луча позволяет пробивать отверстия практически во всех известных материалах, а по своей световой интенсивности он превосходит все известные источники света.

Название лазер образовано от английской аббревиатуры LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation), что в переводе на русский язык означает «усиление света с помощью вынужденного излучения».

В зависимости от типа активной среды все лазеры делятся на несколько групп:

• твердотельные;
• жидкостные;
• газовые;
• полупроводниковые.

Используемая активная среда — это совокупность элементарных частиц либо кристаллов, приобретающих усиливающие свойства под воздействием света. Атомы имеют определенный дискретный набор энергетических уровней, на которых располагаются электроны в состоянии с минимальной энергией. При воздействии света на атом электроны начинают перемещаться на более высокие уровни, за счет чего частица переходит в возбужденное состояние. При излучении квантов света происходит обратная реакция. Переход электронов на более низкие уровни при излучении света может быть как спонтанным, так и вынужденным, под влиянием внешнего воздействия.

При спонтанном излучении кванты распространяются в случайном направлении. При вынужденном излучении кванты начинают испускаться в том направлении, что и квант, стимулировавший излучение.

Повышенная концентрация атомов в возбужденном состоянии позволяет увеличить количество переходов электронов на нижние энергетические уровни, сопровождающихся излучением энергии. Таким образом, создается инверсная населенность, приводящая к усилению света. В свою очередь, вещество в состоянии инверсной населенности переходит в активное состояние, а среда, состоящая из этого вещества, становится активной средой.

Создание инверсной населенности энергетических уровней атомов вещества получило название накачка. Она может осуществляться различными способами, по которым также выделяются различные виды лазеров:

• оптический;
• тепловой;
• химический;
• электрический и так далее.

Способ накачки выбирается в зависимости от типа лазера.

Задачи накачки

Все активные атомы первоначально находятся на нижнем лазерном уровне, являющемся основным энергетическим уровнем. Под воздействием накачки атомы переходят в возбужденное состояние и перемещаются на уровень три, обладающий большей энергией. Там атомы выделяют кванты света, вновь возвращаясь на первый либо на второй лазерный уровень. При этом, чтобы на втором уровне накапливались возбужденные атомы, необходимо создать релаксацию атомов, превышающую скорость распада энергетического уровня. При соблюдении этих требований инверсная населенность позволяет создать необходимые для усиления излучения условия.

Для возникновения генерации обеспечивается обратная связь, благодаря чему один акт вынужденного излучения не вызывает новые акты. Этот процесс обеспечивается с помощью оптического резонатора, в который помещается активная среда.

Оптический резонатор — это система из двух зеркал, между которыми помещается активная среда лазера. Световые волны многократно проходят через резонатор, распространяясь вдоль оси и обеспечивая высокую мощность излучения. По достижении необходимой мощности часть излучения выходит из резонатора через поверхность полупрозрачного зеркала. При этом в процессе генерации участвуют только кванты, параллельные оси резонатора. Как правило, КПД лазера составляет 1%. При необходимости этот показатель можно увеличить до 30%, но это потребует отказаться от тех или иных характеристик.