Лазеры и их применение

«Лазер — это устройство, в котором энергия, например тепловая, химическая, электрическая, преобразуется в энергию электромагнитного поля — лазерный луч.»
Н.Г. Басов
В 1960 г. Мейманом был создан первый аналогичный прибор, работающий в оптическом диапазоне, — лазер (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation — усиление света с помощью вынужденного излучения). Лазеры называют также оптическими квантовыми генераторами.

Атомы поглощают световую энергию только определенными порциями — квантами.
Когда атом поглощает световой квант — фотон, его внутренняя энергия увеличивается.
Атом, у которого запас энергии больше, чем в основном состоянии, называют возбужденным.

Первый шаг к лазеру
Пучок света, проходя через любое вещество, ослаблялся , но в случае с некоторыми кристаллами выяснилось, что световой луч не ослабляется, а усиливается! В падающем пучке появляется дополнительная энергия. Такой кристалл с дополнительной подсветкой — первый шаг к лазеру.

В построенном Мейманом первом лазере рабочим телом был цилиндр из розового рубина. Диаметр стержня был порядка 1 см, длина — около 5 см. Рубин представляет собой окись алюминия (Al2O3), в которой некоторые из атомов алюминия замещены атомами хрома. При поглощении света ионы хрома переходят в возбужденное состояние.

Схема лазера на рубине

При достаточной мощности лампы большинство ионов хрома переводится в возбужденное состояние.
Процесс сообщения рабочему телу лазера энергии для перевода атомов в возбужденное состояние называется накачкой.
Излученный при этом фотон может вызвать вынужденное испускание дополнительных фотонов, которые в свою очередь вызовут вынужденное излучение

В результате образуется каскад фотонов.
До вспышки лампы ионы хрома находятся в основном состоянии (черные кружки на рис.а).
Свет накачки (сплошные стрелки на рис.б) переводит большинство ионов в возбужденное состояние (светлые кружки).
Каскад начинает развиваться, когда возбужденные ионы спонтанно излучают фотоны (штриховые стрелки на рис.в) в направлении, параллельном оси кристалла.
Фотоны размножаются за счет вынужденного излучения. Этот процесс развивается (рис.г и д), так как фотоны многократно проходят вдоль кристалла, отражаясь от его торцов.

Процесс образования каскада фотонов

В 1961 г. Джаваном был создан первый газовый лазер, работающий на смеси гелия и неона.
В 1963 г. были созданы первые полупроводниковые лазеры.

В настоящее время список лазерных материалов насчитывает много десятков твердых, жидких и газообразных веществ. Одни лазеры работают в импульсном, другие—в непрерывном режиме.

Если цилиндрический сосуд наполнить смесью гелия и у неона, внутрь его поместить металлические электроды и подать на них высокое напряжение, то смесь газов начнет светиться красноватым светом, почти таким же, как и неоновая реклама .

Гелий-неоновый лазер:
а - схема лазера на смеси гелия и неона;

б - схема энергетических уровней гелия и неона.

Позже,химики заключили ион неодима в атомную кольчугу. Эта кольчуга позволяет ему удержать энергию возбуждения.

Было получено такое химическое соединение, в котором ион неодима находится среди связанных с ним атомов кислорода, а они в свою очередь связаны со сложными органическими группами атомов — лигандами.

Но лиганды не ограничиваются ролью защитников неодима. Они обладают еще замечательным свойством: поглощая излучение в широких областях спектра, лиганд возбуждается и при этом либо сразу переходит в основное состояние, либо долго остается в возбужденном состоянии.

Частота электромагнитных колебаний излучения рубинового лазера 430 ТГц (4,3 • 1014 Гц) — в миллион раз превосходит частоту, на которой работает телевидение в наше время. Поэтому в принципе один лазерный луч способен транслировать миллионы телевизионных программ и миллиарды радиопередач.

Применение лазеров
Они используются в технике для сварки, резки, и плавления металлов;
В медицине - как бескровные скальпели, при лечении глазных и кожных болезней.
Лазерная локация позволила измерить скорость вращения планет, уточнить характеристики движения Луны и планеты Венера.

Лазеры используются также в различных приборах для тонких физических исследований.
Наконец, применяя лазеры для нагрева плазмы, пытаются с их помощью решить проблему управляемого термоядерного синтеза.

Список использованной литературы
Ахматова А.С., «Физика, часть2. Оптика и волны», М., 1973г., изд. «Наука».
Громов С.В., «Физика 11», 3 издание, М., 2002г., изд. «Просвещение».
«Детская энциклопедия» Т.3 «Вещество и энергия», издание 3, М., 1973г., изд. «Педагогика».
Мякишев Г.Я., Синяков А.З., Учебник для углубленного изучения физики «Оптика. Квантовая физика», М., 2002г., изд. «Дрофа».