Лазеры - все мы слышали о них, многие сталкивались, а некоторые даже работают с этими устройствами. Но что же это такое, и какие основы заложены в их работе? Сегодня мы с вами разберемся в этом вопросе.
Сначала нам нужно понять, что это вообще за зверь такой - лазер? В русский язык такое название пришло из английского - "laser" ( light amplification by stimulated emission of radiation ), что означает, что устройство использует принцип усиления излучения с помощью вынужденного излучения. И вот тут мы наткнулись на следующее определение - вынужденное излучение. Сейчас я постараюсь объяснить, что кроется за этим словосочетанием.
Весь окружающий нас свет получается благодаря спонтанным переходам электронов между энергетическими уровнями внутри атома. Излучение, получающееся в результате таких переходов, может быть направленно в любую сторону трехмерного пространства. Кроме таких самопроизвольных переходов с одного энергетического уровня на другой, могут наблюдаться и вынужденные, обусловленные действием на атом падающего на него излучения.
Основное отличие кроется в том, что самопроизвольные переходы возможны только с более высокого энергетического уровня на более низкий, в то время как вынужденные с равной вероятностью могут происходить в обоих направлениях. При переходе электрона на более высокий уровень происходит поглощение падающего фотона. А вот при вынужденном переходе с одного из возбужденных уровней на более низкий, происходит излучение фотона, дополнительного к тому, который вызвал это излучение. Вот этот процесс испускания дополнительного фотона и будет называться вынужденным излучением.
Вынужденное излучение обладает рядом важных свойств:
- Направление его распространения в точности совпадает с направлением внешнего излучения.
- Частота, фаза, поляризация вынужденного излучения полностью совпадает с теми же параметрами излучения, которое вызвало эти переходы.
Благодаря всему этому, вынужденное и внешнее излучения являются когерентными.
Вообще, лазерам предшествовали мазеры (microwawe amplification by stimulated emission of radiation), устройства, работающие в микроволновом диапазоне по тому же принципу. Первый мазер на пучке молекул аммиака был разработан в 1954 году советскими физиками Н.Г. Басовым и А.М. Прохоровым. Позднее, в 1960 году Мейманом был создан первый лазер. Труды Басова и Прохорова послужили основой для развития квантовой оптоэлектроники и создания полупроводниковых лазеров, из-за чего в 1964 году эти ученые стали лауреатами нобелевской премии.
Основным состоянием электрона в атоме считается его состояние с минимально возможной энергией. И очевидно, что при нормальных условиях большинство атомов в веществе находится именно в этом состоянии. При такой картине преимущественно будет наблюдаться поглощение падающих фотонов, то есть пучок света будет ослабевать. Чтобы происходило усиление пучка необходима так называемая инверсная населенность уровней. Это то состояние, когда большинство атомов находятся в возбужденных состояниях, тогда вероятность испускания дополнительного фотона выше вероятности поглощения внешнего излучения. Именно когда нашли способы создания инверсной населенности уровней, стало возможным создание лазеров.
Если вам интересно как работает первый созданный лазер, то пишите об этом в комментарии! На сегодняшний день существует множество вариантов конструкций лазеров, которые используются во многих отраслях деятельности человека. Лазерное излучение отличается рядом положительных свойств:
- Временная и пространственная когерентность.
- Строгая монохроматичность.
- Большая мощность.
- Узкость пучка.
Каждый из этих пунктов послужил причиной использования лазера в конкретной сфере деятельности.
Когерентность открывает перспективы в области направленной радиосвязи, а именно в космосе.
Монохроматичный свет применяется во многих научных исследованиях.
Большая мощность используется при необходимости высокоточной резки материалов или сварке металлов.
Малый размер пучка используется в медицине для проведения ответственных операций.
Приведенные примеры далеко не исчерпывают области применения этого уникального устройства излучения света, можно привести еще множество примеров. Если вам понравилась эта статья, то не забывайте ее оценивать, так я увижу вашу заинтересованность в таком материале и буду рассказывать вам еще больше на эту тематику. Подписывайтесь на канал, если еще не сделали этого! :)
