Що таке лазер?

Незважаючи на все різноманіття цих приладів, в основі їх роботи лежить той самий фізичний принцип - вимушене випромінювання атомами речовини квантів електромагнітного випромінювання.

Цей принцип визначив назву приладу.

Слово "лазер" утворене з початкових літер англійської фрази, що в перекладі означає "посилення світла за допомогою вимушеного випромінювання".

Квантовий характер процесів, що відбуваються в приладі, відбився і в іншій його назві - квантовий генератор оптичного випромінювання (часто для стислості його називають ОКГ - оптичний квантовий генератор) .

Вперше ідея створення лазерів була висунута радянським ученим В. А. Фабрикантом у 1940 р., проте на той час реалізувати її не вдалося.
На початку 50-х років. ХХ століття радянські вчені - академіки Н. Г. Басов та А. М. Прохоров та незалежно від них американський фізик Ч. Таунс запропонували такі методи впливу на речовини (гази, кристали та ін.), які дозволяють отримати досить сильне випромінювання та створити пристрої , що використовують це випромінювання.
Цим вченим за роботи, які призвели до створення лазерів, було присуджено Нобелівську премію.

Як же влаштований та працює лазер? Головний елемент його конструкції - активне, або робоче, тіло.
У перших лазерах його роль виконував рубіновий стрижень діаметром близько 5 мм і довжиною близько 5 см. Кристал рубіну висвітлюється імпульсною газорозрядною лампою, що дає короткі спалахи світла. Синьо-зелене світло лампи поглинається кристалом рубіна і перетворюється на унікальне за своїми властивостями червоне лазерне випромінювання. І наступної миті за спалахом лампи з рубінового стрижня виривається потужний лазерний промінь.

Чим чудовий цей промінь? Насамперед промені лазера монохроматичні, або однокольорові, оскільки всі кванти лазерного світла мають абсолютно одну і ту ж частоту коливань (або довжину хвилі), і тому його можна фокусувати в дуже маленьку точку з великою питомою потужністю (питома потужність - відношення потужності до площі).

Відомо, що біле світло, наприклад, сонячне, насправді складається з променів різного кольору - від червоного до фіолетового, або, кажучи суворіше, з електромагнітних коливань з різною довжиною хвилі. Через це сонячне світло важко сфокусувати в крапку розмірами, скажімо, 10-20 мкм - промені синього світла збиратимуться у фокус далі від лінзи, ніж червоні, і фокусна пляма розмивається.
Відомо також, що найкраще фокусуються строго паралельні промені світла (тобто промені, що мають малу розбіжність світлового потоку). Але, як правило, такі промені несуть дуже мало енергії.
І лише промені лазера і досить паралельні і мають велику потужність, отже, і велику яскравість.
І нарешті, промені лазера сильні, потужні, найяскравіші ще й тому, що світлові коливання у них когерентні, тобто знаходяться строго в однаковій фазі.

Що це означає? Киньте у воду камінь, а слідом за ним – інший. Ви побачите, як хвилі від них, сходячись у певній точці, почнуть гасити одна однк, якщо на гребінь однієї хвилі потрапляє западина іншої. Говорять, що коливання не збігаються по фазі.
Так відбувається і зі світлом, що складається з хвиль, що не збігаються по фазі, некогерентних. У більшості джерел світла кванти випускаються атомами неузгоджено: одні трохи раніше, інші пізніше.
В результаті в такому промені світла відбуватиметься те саме, що й на поверхні води: одні коливання будуть, складаючись, посилюватись і давати велику яскравість, інші, навпаки, послаблюватимуться.

У лазері енергія газорозрядної лампи протягом певного часу накопичується в атомах робочого кристала. А потім, майже миттєво, завдяки механізму вимушеного випромінювання відбувається лавиноподібне випромінювання квантів світла - монохроматичних, когерентних, що формують строго паралельні пучки.
Завдяки цьому пучок лазера має надзвичайно високу питому потужність - до 108-1012 Вт/м2. Це в сотні мільйонів разів перевищує потужність, яку можна отримати, фокусуючи найсильнішими лінзами сонячного світла.

Ось така можливість сконцентрувати в малому обсязі величезну кількість енергії та визначила сферу застосування лазерного випромінювання. Сюди відноситься, наприклад, лазерна обробка надтвердих матеріалів. У медицині лазер замінює хірургічний скальпель, а лазерне випромінювання лікує відшарування сітківки ока. У рекламі та інших галузях промисловості ми використовуємо лазер для гравіювання, різання та маркування різних матеріалів.