Время показало жизнеспособность нового излучателя.Появилось целое
семейство лазеров: твердотельные, газовые, жидкостные, химические.
Величина их различна - от размеров с крупинку соли до нескольких
десятков метров. Не одинаков и характер излучения. Одни лазеры излучают
свет непрерывно, другие - в виде импульсов, длительность которых может
составлять 10 -12 с.
Несмотря на разнообразие свойств, все лазеры покоятся на трех китах.
Один из них - активная среда (рис. 1). Это рабочее вещество лазера. В
первых лазерах активной средой был рубин. Со временем круг рабочих
веществ расширился, сейчас их более 150. Это газы, газовые смеси,
растворы органических и неорганических красителей, полупроводники,
стекла и т. д.
Рассмотрим, какие процессы происходят в активной среде, когда через нее
проходит свет. Попытаемся описать их на языке фотонов. Представим себе
простую физическую модель, согласно которой среда состоит из атомов,
имеющих несколько энергетических уровней. Атом, находящийся на нижнем
уровне, поглощает порцию энергии - фотон - и скачкообразно переходит на
более высокий уровень. Что станет с атомом, который оказался на верхнем
уровне? Ясно, что поглотить фотон он не может, однако фотон может
вынудить атом перейти на нижний уровень. При этом испускается
соответствующая энергия. Появившийся новый фотон будет точной копией
фотона, столкнувшего атом на нижний уровень: та же энергия и то-же
направление движения. Ударясь об атомы, эти фотоны порождают лавину
фотонов-близнецов, летящих в одном направлении. Энергия их суммируется.
Этот процесс получил название вынужденного излучения.
Может возникнуть и другая ситуация: атомы самопроизвольно
возвращаются на нижний уровень. Энергия испускаемых при этом фотонов
будет одинакова, но направление движения - разное. Происходит спонтанное
излучение.
Между этими двумя процессами есть существенное отличие. Первый процесс -
управляемый, второй имеет случайный характер. Случаен момент перехода
атомов, случайно направление движения родившихся фотонов. Если число
атомов на верхнем энергетическом уровне больше, чем на нижнем, создается
условие для усиления света.
Численное превосходство атомов можно создать с помощью системы накачки -
другого кита, на котором покоится лазер. Система накачки возбуждает
активную среду и вызывает генерацию энергии. Чаще всего накачка
осуществляется мощным источником света или интенсивным электрическим
разрядом. Последнее время стали использовать энергию химических реакций,
энергию, выделяющуюся при сверхзвуковом расширении газа, а также сами
лазеры.
Третий кит - оптический резонатор. Обычно это плоские или сферические
зеркала. В лазере им отведена роль положительной обратной связи. Как уже
отмечалось, возбужденные накачкой микрочастицы активной среды излучают
фотоны, которые, в свою очередь, перемещаясь в среде, вынуждают соседние
микрочастицы также испускать фотоны. Этому в значительной мере
способствуют зеркала резонатора. Они возвращают фотоны в активную среду,
заставляя многократно проходить через нее, порождая все новые и новые
фотоны. Но из возникшего потока фотонов усиливается только та его часть,
которая распространяется вдоль оси резонатора, чем объясняется узкая
направленность лазерного излучения. Фотоны, которые родились в иных
направлениях, проходят в активной среде сравнительно короткий путь и
уходят, не усиливая излучения. Когда энергия излучения становится больше
энергии суммарных потерь в резонаторе, часть ее выходит через зеркало с
меньшим коэффициентом отражения.
Резонатор - это своеобразный колебательный контур. Он упорядочивает
бурно развивающиеся в активной среде процессы вынужденного излучения и,
настроенный на определенную длину волны, способствует получению
монохроматического излучения.
