Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

Майман (Maiman) Теодор (родился в 1927)

Условное изображение процессов (a) поглощения, (b) спонтанного испускания и (c) индуцированного испускания кванта

Развитие лавинообразного процесса генерации в лазере

Трехуровневая схема оптической накачки. Указаны «времена жизни» уровней E2 и E3. Уровень E2 – метастабильный. Переход между уровнями E3 и E2 безызлучательный. Лазерный переход осуществляется между уровнями E2 и E1. В кристалле рубина уровни E1, E2 и E3 принадлежат примесным атомам хрома

Первый лазер на рубине, созданный в ФИАНе М.Д.Галаниным, А.М.Леонтовичем, З.А.Чижиковой, 1960 год

Схема устройства на примере рубинового лазера

Лазер обычно состоит из трёх основных элементов:
Источник энергии (механизм «накачки»);
Рабочее тело;
Система зеркал («оптический резонатор»).

Источник накачки подаёт энергию в систему.
электрический разрядник,
импульсная лампа,
дуговая лампа,
другой лазер,
химическая реакция
взрывчатое вещество.

Рабочее тело — основной определяющий фактор рабочей длины волны, а также остальных свойств лазера.
Жидкость, например, в лазерах на красителях. Состоят из органического растворителя, например метанола, этанола или этиленгликоля, в которых растворены химические красители, например кумарин или родамин. Конфигурация молекул красителя определяет рабочую длину волны.
Газы, например, углекислый газ, аргон, криптон или смеси, такие как в гелий-неоновых лазерах. Такие лазеры чаще всего накачиваются электрическими разрядами.
Твёрдые тела, такие как кристаллы и стекло. Сплошной материал обычно легируется (активируется) добавкой небольшого количества ионов хрома, неодима, эрбия или титана. Типичные используемые кристаллы: алюмоиттриевый гранат (YAG), литиево-иттриевый фторид (YLF), сапфир (оксид алюминия) и силикатное стекло. Самые распространённые варианты: Nd:YAG, титан-сапфир, хром-сапфир (известный также как рубин), легированный хромом стронций-литий-алюминиевый фторид (Cr:LiSAF), Er:YLF и Nd:glass (неодимовое стекло). Твердотельные лазеры обычно накачиваются импульсной лампой или другим лазером.
Полупроводники. Материал, в котором переход электронов между энергетическими уровнями может сопровождаться излучением. Полупроводниковые лазеры очень компактны, накачиваются электрическим током, что позволяет использовать их в бытовых устройствах, таких как проигрыватели компакт-дисков.

Оптический резонатор
Оптический резонатор, простейшей формой которого являются два параллельных зеркала, находится вокруг рабочего тела лазера. Вынужденное излучение рабочего тела отражается зеркалами обратно и опять усиливается. Волна может отражаться многократно до момента выхода наружу. В более сложных лазерах применяются четыре и более зеркал, образующих резонатор. Качество изготовления и установки этих зеркал является определяющим для качества полученной лазерной системы.

Дополнительные устройства
Также, в лазерной системе могут монтироваться дополнительные устройства для получения различных эффектов, такие как поворачивающиеся зеркала, модуляторы, фильтры и поглотители. Их применение позволяет менять параметры излучения лазера, например, длину волны, длительность импульсов и т. д.

Механизм накачки He–Ne лазера. Прямыми стрелками изображены спонтанные переходы в атомах неона

Схема гелий-неонового лазера: 1 – стеклянная кювета со смесью гелия и неона, в которой создается высоковольтный разряд; 2 – катод; 3 – анод; 4 – глухое сферическое зеркало с пропусканием менее 0,1 %; 5 – сферическое зеркало с пропусканием 1–2 %

Гелий-неоновый лазер. Светящийся луч в центре — электрический разряд.

Углекислотный лазер

Особенности излучения лазеров
Монохроматичность
Когерентность
Малая расходимость пучка
Мощность излучения

Применение лазеров

Применение лазеров

Трудно поверить, что человек на крыше просто держит в руках лазерную указку, а не стоит рядом с аппаратом, размером с чемодан

лазер

Газовые лазеры

Газовые лазеры

Газовые лазеры

Газовые лазеры

Лазеры на красителях

Лазеры на пара́х металлов

Лазеры на пара́х металлов

Твердотельные лазеры

Твердотельные лазеры

Твердотельные лазеры

Твердотельные лазеры

Твердотельные лазеры

Полупроводниковые лазеры