Что такое лазер? Принцип генерации лазерного излучения.

Лазер — одно из важнейших изобретений человечества, известное как «самый яркий свет». В повседневной жизни мы часто видим различные применения лазеров, такие как лазерная косметология, лазерная сварка, лазерные уничтожители комаров и так далее. Сегодня давайте подробно разберемся в лазерах и принципах их работы.

Что такое лазер?

Лазер — это источник света, использующий лазерное излучение для генерации специального светового луча. Лазер генерирует лазерный свет, подавая энергию от внешнего источника света или источника питания в материал посредством стимулированного излучения.

Лазер — это оптическое устройство, состоящее из активной среды (например, газа, твердого тела или жидкости), способной усиливать свет, и оптического отражателя. Активной средой в лазере обычно является специально подобранный и обработанный материал, характеристики которого определяют выходную длину волны лазерного излучения.

Свет, излучаемый лазерами, обладает рядом уникальных характеристик:

Во-первых, лазеры представляют собой монохроматический свет со строго определенными частотами и длинами волн, что позволяет удовлетворить некоторые особые оптические потребности.

Во-вторых, лазер представляет собой когерентный свет, и фаза световых волн очень постоянна, что позволяет поддерживать относительно стабильную интенсивность света на больших расстояниях.

Во-третьих, лазеры представляют собой высоконаправленный источник света с очень узкими пучками и превосходной фокусировкой, что позволяет достичь высокого пространственного разрешения.

Лазер — это источник света.

Принцип генерации лазерного излучения

Генерация лазерного излучения включает в себя три основных физических процесса: стимулированное излучение, спонтанное излучение и стимулированное поглощение.

Sстимулированное излучение

Стимулированное излучение является ключом к генерации лазерного излучения. Когда электрон на высоком энергетическом уровне возбуждается другим фотоном, он испускает фотон с той же энергией, частотой, фазой, состоянием поляризации и направлением распространения в направлении этого фотона. Этот процесс называется стимулированным излучением. Иными словами, фотон может «клонировать» идентичный фотон посредством процесса стимулированного излучения, тем самым достигая усиления света.

Sспонтанное излучение

Когда электрон атома, иона или молекулы переходит с высокого энергетического уровня на низкий, он испускает фотоны определенной энергии, что называется спонтанным излучением. Излучение таких фотонов является случайным, и между испускаемыми фотонами отсутствует когерентность, что означает, что их фаза, состояние поляризации и направление распространения являются случайными.

Sстимулированное всасывание

Когда электрон на низком энергетическом уровне поглощает фотон с разностью энергетических уровней, равной его собственной, он может быть возбужден до высокого энергетического уровня. Этот процесс называется стимулированным поглощением.

В лазерах для усиления процесса стимулированного излучения обычно используется резонансная полость, состоящая из двух параллельных зеркал. Одно зеркало является зеркалом полного отражения, а другое — зеркалом полуотражения, которое может пропускать часть лазерного излучения.

Фотоны в лазерной среде отражаются друг от друга между двумя зеркалами, и каждое отражение порождает новые фотоны в процессе стимулированного излучения, тем самым обеспечивая усиление света. Когда интенсивность света возрастает до определенного уровня, лазерный луч генерируется через полуотражающее зеркало.