Лазер

от Уикипедия, свободната енциклопедия

Лазерът (от английски laser — light amplification by stimulated emision of radiation) е източник на монохроматична, кохерентна, насочена светлина. Тоест лазерът изпуска тънък добре насочен, кохерентен лъч с постоянна дължина на вълната (еднакъв цвят), постоянна фаза и голяма яркост, за разлика от некохерентните източници като домакински крушки, които излъчват вълни в почти целият електромагнитен спектър и във всички посоки. Принципът на действие на лазера е комбинация м/у квантово-механични и термодинамични процеси.

[редактиране] Устройство

Лазерът е изграден от следните три основни компонента: активна среда, външен източник на енергия или още наречен източник на напомпване (може да е светлина от газоразрядна лампа, електрически ток, дори топлина) и резонатор (в най-простият си вид той се състои от две огледала, едното от които има коефициент на отражение близък до 100% (наречено глухо), а другото по-малък от 100% (наречено полупропускливо). Така просто описаните три компонента могат да бъдат доста сложна и обемиста система. Лазерните системи в микроелектрониката например могат да заемат цели стаи.

Компоненти:
1. активна среда
2. източник на напомпване
3. 100% огледало
4. полу-пропускливо огледало
5. лазерен лъч

[редактиране] Действие

В основата на действието на лазерите лежи принципът на стимулираното излъчване. Той е обяснен феноменологично от Айнщайн, който извежда своите вероятностни коефициенти (коефициенти на Айнщайн) от чисто термодинамични съображения. Те се отнасят за частица с две възможни енергетични състояния Е1 и Е2, като енергията на частицата в 2 е по-голяма от тази в 1. Тоест при нормални обстоятелства частицата ще заема по - изгодното за нея енергетично състояние (това с по-малка енергия) а именно Е1. Ако фотон с енергия точно равна на разликата между двете състояния Еф=Е2-Е1 попадне върху частицата, то има вероятност тя да погълне фотона и да премине в по-високо-енергетичното състояние, а именно Е2. Тази вероятност се нарича вероятност за принудено поглъщане или коефициент на Айнщайн за принудено поглъщане и се бележи с А12. В Е2 частицата ще остане само известно време понеже то е енергетично по-неизгодно от Е1, след което ще релаксира отново в Е1. Поради валидността на закона за запазване на енергията (ЗЗЕ) разликата Е2-Е1 трябва да се отнесе от второ тяло. В някои случаи това е фотон. Вероятността, енергията да се отнесе от фотон, се нарича вероятност за спонтанно излъчване или коефициент на Айнщаин за спонтанното излъчване. Той се бележи с В21. Ако при попадането на фотон върху частицата, тя вече се намира в състояние Е2, тогава има вероятност фотона да принуди частицата да се върне в Е1, при което да излъчи фотон неразличим от този, предизвикал излъчването. Тази вероятност се нарича вероятност за принудено излъчване, или коефициент на Аийщаин за принудено излъчване и се бележи с А21. Той е равен на А12. Тоест вероятностите за принудено излъчване и принудено поглъщане са равни.

Ако приемем че в системата има повече от една частица и по някакъв начин сме успели да накараме повечето частици да се качат в Е2 тогава казваме че сме постигнали инверсна населеност в системата(в Е2 има повече частици от колкото в Е1). Инверсната населеност е изключително важна за работата на лазера. Без наличие на такава той изобщо няма да работи. Постигането и в някои случаи изобщо не е тривиална задача и създава сериозни проблеми.

Ако вече имаме инверсна населеност в системата и пуснем един фотон с енергия Еф=Е2-Е1 тогава той ще принуди една частица да излъчи принудено при което фотоните ще станат два, те ще принудят още две частици да излъчат, при което фотоните ще станат четири и така нататак докато не се изчерпят частиците в Е2. Този процес на лавинно умножаване на фотоните е процеса на усилване. Ако средата е достатъчно дълга, усилването ще е достатъчно голямо и ще превиши различните загуби в средата (поглъщане, разсейване и други). Това е условието за получаване на лазерна генерация.

В някои случаи (когато средата е с малко усилване) се оказва, че тя трябва да е некомфортно дълга за да се получи генерация. Поради тази причина се осигурява обратна връзка (резонатор). Резонатора е и третата основна част на лазерният генератор. Той осигурява многократно преминаване на лъча през активната среда и съответно многократно усилване (тоест да използваме среда 3м и само едно преминаване през нея е същото като използваме среда 30см, през която лъча преминава 10 пъти, отразен многократно от огледалата на резонатора (усилването е едно и също)).

Като активна среда първоначално е използван натурален рубинов кристал, а впоследствие, синтезиран изкуствено, наречен корунд, който представлява алуминиев оксид Аl₂O₃- безцветен кристал, но при наличието на малки количества примеси на тривалентен хром Cr³⁺ кристалът се оцветява в рубинено червено. Именно този хром е в основата на действието на лазера. С помощта на мощна импулсна газоразрядна ксенонова лампа се осветява кристала, като в резултат електроните от валентната зона преминават на по-високи енегетични състояния като се задържат там 10^-8sec. и се връщат на енергетично по-изгодно състояние в резултат на което се отделя фотон.

[редактиране] История

Тази статия се нуждае от подобрение. Необходимо е: сегашно историческо време. Ако желаете да помогнете на Уикипедия, просто щракнете на редактиране и нанесете нужните корекции.

Първоначално принципът на стимулираното излъчване е приложен за микровълновата област на електромагнитния спектър. Така се е появил мазерът (maser — microwave amplification by stimulated emision of radiation), който излъчва сноп от микровълни. По-късно, когато принципът на действие е разширен и приложен за електромагнитни вълни в оптичния диапазон, се появява и лазерът. Първият лазер е заработил на 16 май през 1960 г., създаден от Теодор Майман в лабораторията на компанията Hughes Aircraft на Хауърд Хюз, която се е намирала в Малибу, щат Калифорния. Това е бил рубинов кристал с оптично напомпване.

Първият лазер в България е пуснат четири години по-късно - през 1964 г. Той също е бил рубинов. След появата си през 60-те години лазерите са се развили много бурно. Смятало се е, че от тях ще станат чудесни оръжия и военните са инвестирали много средства по време на студената война. Появили са се най-различни разновидности на лазери с различни мощности и дължини на вълните в целия оптичен диапазон - от ултравиолетовата област (ексимерни лазери и азотни лазери), през видимата (аргонови и хелий-неонови лазери) до инфрачервената област (Nd;YAG лазери и лазери с въглероден оксид и въглероден диоксид) и много различни приложения. С развитието на полупроводниковата технология се появиха и ПП лазери, които са много използвани в момента за оптично напомпване на други твърдотелни активни среди (използват се вместо лампи).

В наши дни в областта на лазерната техника се работи усилено, понеже те са намерили много широко приложение в медицината, шоубизнеса, промишлеността, химията, биологията и други. Заслужава да се отбележи, че България има сериозен принос в развитието на лазерната техника. В България е бил пуснат първият лазер с па̀ри на меден бромид (CuBr лазер) от проф. Съботинов от БАН. В момента във Физически факултет към СУ функционира супермодерна лаборатория за свръхкъси светлинни импулси (това са фемтосекундни импулси: 1 fs = 1.10^-15 s).