Лазеры

Ла́зер (англ. laser, акроним от light amplification by stimulated emission of radiation «усиление света посредством вынужденного излучения»), или опти́ческий ква́нтовый генера́тор — это устройство, преобразующее энергию накачки (световую, электрическую, тепловую,
химическую и др.) в энергию когерентного, монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучения.
Физической основой работы лазера служит квантовомеханическое
явление вынужденного (индуцированного) излучения. Излучение лазера может быть непрерывным, с постоянной мощностью, или импульсным, достигающим предельно больших пиковых мощностей.

ИСТОРИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ ЛАЗЕРОВ
1916 год: А. Эйнштейн предсказывает существование явления вынужденного излучения — физической основы работы любого лазера
Строгое теоретическое обоснование в рамках квантовой механики это явление получило в работах П. Дирака в 1927 —1930 гг.
1928 год: экспериментальное подтверждение Р. Ладенбургом и
Г. Копферманном
существования вынужденного
излучения.
Р. Ладенбург
П. Дирак

В 1940 г. В. Фабрикантом и
Ф. Бутаевой была предсказана возможность использования вынужденного излучения среды
с инверсией населённостей для усиления электромагнитного излучения
1950 год: А. Кастлер (Нобелевская премия по физике 1966 года) предлагает метод оптической накачки среды для создания в ней инверсной населённости
А. Кастлер
До создания квантового генератора оставался один шаг: ввести в среду положительную обратную связь, то есть поместить эту среду в резонатор

1960 год: 16 мая
Т. Мейман продемонстрировал работу первого оптического квантового генератора — лазера
В качестве активной среды использовался кристалл
искусственного рубина
В декабре того же года был создан гелий-неоновый лазер, излучающий в непрерывном режиме
Изначально лазер работал в инфракрасном диапазоне, затем был модифицирован для излучения видимого красного света с длиной волны 632,8 нм
Физика лазеров и по сей день интенсивно развивается. С момента изобретения лазера почти каждый год появлялись всё новые его виды, приспособленные для различных целей

Принцип действия
Физической основой работы лазера служит явление вынужденного (индуцированного) излучения.
Суть явления состоит в том, что возбуждённый атом способен излучить фотон под действием другого фотона без его поглощения, если энергия последнего равняется разности энергий уровней атома до и после излучения. При этом излучённый фотон когерентен фотону, вызвавшему излучение (является его «точной копией»). Таким образом происходит усиление света.
Этим явление отличается от спонтанного излучения, в котором излучаемые фотоны имеют случайные направления распространения, поляризацию и фазу

Устройство лазера
Все лазеры состоят из трёх основных частей:
активной (рабочей) среды;
системы накачки (источник энергии);
оптического резонатора (может отсутствовать, если лазер работает в режиме усилителя).
Каждая из них обеспечивает для работы лазера выполнение своих определённых функций.
1 — активная среда; 2 — энергия накачки лазера; 3 — непрозрачное зеркало; 4 — полупрозрачное зеркало; 5 — лазерный луч.
В настоящее время в качестве рабочей среды лазера используются различные агрегатные состояния вещества: твёрдое, жидкое, газообразное, плазма

Виды Лазеров
В качестве активных элементов для лазеров в настоящее время используется множество веществ. По активной среде лазеры подразделяются на четыре группы:
твердотельные лазеры (на активированных стеклах, ионных кристаллах, флюоритах активированными редкоземельными элементами);
газовые (атомарные, молекулярные, газодинамические, ионные, на парах металлов, химические, плазменные);
жидкостные лазеры (на растворе неорганических соединений, органических соединений);
полупроводниковые (инжекционные, гетероструктурные с распределенной обратной связью).
Ионный аргоновый лазер
Один из самых эффективных широко используемых лазеров в настоящее время.
Гелий неоновый лазер
Первый лазер непрерывного действия

Лазер на двуокиси углерода
Такие лазеры могут излучать большое количество энергии и в лабораторном исполнении с длиной газорозрядной трубки несколько метров могут давать излучение в несколько киловатт
Лазер на неодимовом стекле
Одна из наиболее часто используемых систем лазера, которые обеспечивают генерацию излучения в ближней инфракрасной области
Лазер на кристалле граната с неодимом
Применяют чаще всего в технологических системах для испарения тонких пленок., прошивки отверстий, обработки полупроводниковых кристаллов
Рубиновый лазер
Впервые лазерное излучение было получены на рубине (λ=694,3 км). До сих пор это один из наиболее часто используемых лазерных материалов

Применение лазеров
С момента своего изобретения лазеры зарекомендовали себя как «готовые решения ещё неизвестных проблем»
В силу уникальных свойств излучения лазеров, они широко применяются во многих отраслях науки и техники,
а также в быту
проигрыватели компакт-дисков
лазерные принтеры
лазерные считыватели штрих-кодов

лазерные указки
Лазерное сопровождение музыкальных представлений (лазерное шоу)
лазерная резка
лазерная гравировка
лазерная сварка

Лазеры применяются в голографии для создания самих голограмм и получения голографического объёмного изображения
лазер в спектроскопии
Применение монохроматического излучения лазеров позволяет стимулировать квантовые переходы между вполне определёнными уровнями энергии
атомов и молекул
Лазерная локация космических объектов уточнила значения ряда фундаментальных астрономических постоянных
и способствовала уточнению параметров космической навигации, расширила представления о строении атмосферы и поверхности планет Солнечной системы

Применение лазеров в метрологии и измерительной технике не ограничивается измерением расстояний. Лазеры находят здесь разнообразнейшее применение: для измерения времени, давления, температуры, скорости потоков жидкостей и газов, угловой скорости, концентрации веществ, оптической плотности, разнообразных оптических параметров и характеристик, в виброметрии и др.
лазерный гироскоп
лазерный термометр
Лазеры
для измерения времени
Сверхкороткие импульсы лазерного излучения используются в лазерной химии
для запуска и анализа
химических реакций

В медицине лазеры применяются как бескровные скальпели, используются при лечении офтальмологических заболеваний (катаракта, отслоение сетчатки, лазерная коррекция зрения
и др.). Широкое применение получили также в косметологии (лазерная эпиляция, лечение сосудистых и пигментных дефектов кожи, лазерный пилинг, удаление татуировок и пигментных пятен