Лазер

от Уикипедия, свободната енциклопедия
Направо към: навигация, търсене
Лазерни лъчи по време на концерт

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

Устройство[редактиране | edit source]

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-простия 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)- т.нар. система Фабри-Перо (Fabry-Pérot). Така просто описаните три компонента могат да бъдат както миниатюрно устройство с размер под 1 mm, така и доста сложна и обемиста система. Лазерните системи в микроелектрониката например могат да заемат цели стаи.

Действие[редактиране | edit source]

Схема на лазер
Компоненти:
1 - активна среда
2 - източник на напомпване
3 - 100% огледало
4 - полупропускливо огледало
5 - лазерен лъч

В основата на действието на лазерите лежи принципът на стимулираното излъчване (емисия). 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 енергийни състояния - |E_1 \rangle (квантово състояние с енергия E_1) и |E_2 \rangle (състояние с енергия E_2), като E_2 > E_1.

При нормални обстоятелства, частицата ще заема по-изгодното за нея енергийно състояние (това с по-малка енергия, а именно |E_1 \rangle. Ако фотон с енергия точно равна на разликата между двете състояния (\Delta E = E_2 - E_1) попадне върху частицата, то има вероятност тя да погълне фотона и да премине в по-високо енергийното състояние, а именно |E_2 \rangle. Тази вероятност се нарича вероятност за принудено поглъщане или коефициент на Айнщайн за принудено поглъщане и се бележи с A_{12}. В |E_2 \rangle частицата ще остане само известно време, понеже то е енергийно по-неизгодно от |E_1 \rangle, след което ще релаксира отново към |E_1 \rangle. Поради закона за запазване на енергията, разликата \Delta E 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 Айнщайн за спонтанното излъчване. Той се бележи с B_{12}. Ако при попадането на фотон върху частицата тя вече се намира в състояние |E_2 \rangle, тогава има вероятност фотонът да принуди частицата да се върне в |E_1 \rangle, при което да излъчи фотон, неразличим от този, предизвикал излъчването. Тази вероятност се нарича вероятност за стимулирана емисия или коефициент на Айнщайн за принудено излъчване и се бележи с A_{21}. Той е равен на A_{12}. 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 |E_2 \rangle, тогава казваме, че сме постигнали инверсна населеност в системата (в |E_2 \rangle има повече частици, от колкото в |E_1 \rangle). Инверсната населеност е изключително важна за работата на лазера. Без наличие на такава той изобщо няма да работи. Постигането ѝ 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 \Delta E, 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 нататък, докато не се изчерпят частиците в |E_2 \rangle. Този процес на лавинно умножаване на фотоните е процесът 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). Резонаторът е и третата основна част на лазерния генератор. Той осигурява многократно преминаване на лъча през активната среда и съответно многократно усилване (тоест да използваме среда 3 m и само едно преминаване през нея е същото, като използваме среда 30 cm, през която лъчът преминава 10 пъти, отразен многократно от огледалата на резонатора (усилването е едно и също)).

Благодарение на многократното преминаване през активната среда вътре в резонатора лазерното лъчение се формира във вид на лазерен сноп с форма, определена от свойствата на резонатора (вид на огледалата, разстояние между тях, наличие на диафрагма и т. н.) При определени условия в резонатора се формира Гаусов сноп с модова структура, отбелязвана с TEM_{mn}. Снопът с най-малка разходимост е така нареченият нулев Гаусов сноп TEM_{00}.

Като активна среда първоначално е използван натурален рубинов кристал, а впоследствие - изкуствено синтезиран корунд, който представлява алуминиев оксид Al2O3 - 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 кристалът се осветява, като в резултат електроните от валентната зона преминават на по-високи енергийни състояния като се задържат там 10-8 s и се връщат на енергийно по-изгодно състояние, в резултат на което се отделя фотон.

История[редактиране | edit source]

Лазер в лаборатория в НАСА

Първоначално принципът на стимулираното излъчване е приложен за микровълновата област на електромагнитния спектър. Така се появява мазерът (maser = microwave amplification by stimulated emission 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 заработва на 16 май 1960 г. и е създаден от Теодор Майман в лабораторията на компанията Hughes Aircraft на Хауърд Хюз, в Малибу, щат Калифорния и е рубинов кристал с оптично напомпване.

Първият лазер в България е пуснат четири години по-късно — през 1964 г. Той също е рубинов. След появата си през 60-те години лазерите се развиват много бурно. Смятало се е, че от тях ще станат чудесни оръжия и военните са инвестирали много средства по време на студената война. Появяват 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 появяват 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 намират 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 пуснат първият лазер с па̀ри на меден бромид (CuBr лазер) от проф. Никола Съботинов от БАН. В момента във Физическия факултет на СУ функционира модерна лаборатория за свръхкъси светлинни импулси (това са фемтосекундни импулси: 1 fs = 1.10-15 s).