Что такое лазер?

Несмотря на все многообразие этих приборов, в основе их работы лежит один и тот же физический принцип - вынужденное испускание атомами вещества квантов электромагнитного излучения.

Этот принцип определил и название прибора.

Слово "лазер" образовано из начальных букв английской фразы, что в переводе означает - "усиление света посредством вынужденного излучения".

Квантовый характер происходящих в приборе процессов отразился и в другом его названии - квантовый генератор оптического излучения (часто для краткости его называют ОКГ - оптический квантовый генератор).

Впервые идея создания лазеров была выдвинута советским ученым В. А. Фабрикантом в 1940 г., однако в то время реализовать ее не удалось.
В начале 50-х гг. ХХ столетия советские ученые - академики Н. Г. Басов и А. М. Прохоров и независимо от них американский физик Ч. Таунс предложили такие методы воздействия на вещества (газы, кристаллы и др.), которые позволяют получить достаточно сильное излучение и создать устройства, использующие это излучение.
Этим ученым за работы, приведшие к созданию лазеров, была присуждена Нобелевская премия.

Как же устроен и работает лазер? Главный элемент его конструкции - активное, или рабочее, тело.
В первых лазерах его роль выполнял рубиновый стержень диаметром около 5 мм и длиной около 5 см. Кристалл рубина освещается импульсной газоразрядной лампой, дающей короткие вспышки света. Сине-зеленый свет лампы поглощается кристаллом рубина и преобразуется в уникальное по своим свойствам красное лазерное излучение. И в следующее мгновение за вспышкой лампы из рубинового стержня вырывается мощный лазерный луч.

Чем же замечателен этот луч? Прежде всего лучи лазера монохроматичны, или одноцветны, поскольку все кванты лазерного света имеют абсолютно одну и ту же частоту колебаний (или длину волны), и поэтому его можно фокусировать в очень маленькую точку с большой удельной мощностью (удельная мощность - отношение мощности к площади).

Известно, что белый свет, например солнечный, на самом деле состоит из лучей различного цвета - от красного до фиолетового, или, говоря строже, из электромагнитных колебаний с разной длиной волны. В силу этого солнечный свет трудно сфокусировать в точку размерами, скажем, 10-20 мкм - лучи синего света будут собираться в фокус дальше от линзы, чем красные, и фокусное пятно размывается.
Известно также, что лучше всего фокусируются строго параллельные лучи света (т. е. лучи, имеющие малую расходимость светового потока ). Но, как правило, такие лучи несут очень мало энергии.
И лишь лучи лазера и достаточно параллельны и обладают большой мощностью, следовательно, и большой яркостью.
И наконец, лучи лазера сильные, мощные, самые яркие еще и потому, что световые колебания в них когерентны, т.е. находятся строго в одинаковой фазе.

Что это значит? Бросьте в воду камень, а следом за ним - другой. Вы увидите, как волны от них, сходясь в некоторой точке, начнут гасить друг друга, если на гребень одной волны попадает впадина другой. Говорят, что колебания не совпадают по фазе.
Так происходит и со светом, состоящим из волн, не совпадающих по фазе, некогерентных. В большинстве источников света кванты испускаются атомами несогласованно: одни - чуть раньше, другие - позже.
В результате в таком луче света будет происходить то же, что и на поверхности воды: одни колебания будут, складываясь, усиливаться и давать большую яркость, другие, наоборот, ослабляться.

В лазере энергия газоразрядной лампы в течение определенного времени накапливается в атомах рабочего кристалла. А затем, почти мгновенно, благодаря механизму вынужденного излучения, происходит лавинообразное испускание квантов света - монохроматичных, когерентных, формирующих строго параллельные пучки.
Благодаря этому пучок лазера обладает необычайно высокой удельной мощностью - до 108-1012 Вт/м2. Это в сотни миллионов раз превышает мощность, которую можно получить, фокусируя самыми сильными линзами солнечный свет.

Вот такая возможность сконцентрировать в малом объеме огромное количество энергии и определила сферу применения лазерного излучения. Сюда относится, например, лазерная обработка сверхтвердых материалов. В медицине лазер заменяет хирургический скальпель, а лазерное излучение лечит отслоение сетчатки глаза. В рекламе и других областях промышленности мы используем лазер для гравировки, резки и маркировки различных материалов.