Принципы работы лазеров

Фундаментом работы лазера является вынужденное (индуцированное) излучение, предсказанное Альбертом Эйнштейном в 1917 году. В отличие от самопроизвольного излучения, при котором возбужденный атом или молекула спонтанно испускает фотон, вынужденное излучение инициируется внешним фотоном, совпадающим по частоте с переходом между энергетическими уровнями. В этом процессе возбужденная частица под действием падающего фотона испускает дополнительный фотон, идентичный по частоте, фазе, поляризации и направлению. Таким образом, происходит когерентное усиление света.

Для эффективной реализации этого механизма в лазерах необходимо создать условия, при которых вынужденное излучение преобладает над спонтанным. Этого можно достичь только при наличии инверсии населённостей — состояния, при котором число частиц на верхнем энергетическом уровне превышает число частиц на нижнем. В нормальных термодинамических условиях инверсия невозможна, поэтому в лазерах применяется накачка, т.е. подача энергии извне.

Инверсия населённостей и накачка

Создание инверсии населённостей — центральное условие для запуска лазерной генерации. Это требует, чтобы частицы активной среды пребывали в неравновесном распределении по уровням энергии. Накачка может осуществляться различными способами:

Оптическая накачка, когда энергия передаётся с помощью внешнего источника света, например, вспышки лампы (типично для твердотельных лазеров, например, рубинового).
Электрическая накачка, часто используемая в газовых и полупроводниковых лазерах (например, в He-Ne или лазерах на основе диодов).
Химическая накачка, в которой химическая реакция непосредственно приводит к возбуждению активных молекул.
Ядерная или радиационная накачка, применяемая в некоторых специальных лазерах (например, в рентгеновских лазерах).

Чаще всего используются трёх- и четырёхуровневые системы для эффективного достижения инверсии. В четырёхуровневой системе инверсия достигается легче, так как нижний лазерный уровень быстро освобождается.

Роль резонатора

Следующим ключевым элементом лазера является оптический резонатор, обычно выполненный в виде системы из двух зеркал, одно из которых полупрозрачное. Он выполняет две функции:

Обеспечивает многократное прохождение излучения через активную среду, увеличивая вероятность индуцированного излучения.
Формирует пространственную и спектральную селекцию — из всех возможных мод в резонаторе устойчивыми оказываются только определённые стоячие волны, удовлетворяющие условиям интерференции.

Резонатор усиливает лишь те направления, в которых свет возвращается в активную среду с нужной фазой. Это приводит к пространственной и временной когерентности лазерного излучения. Качество резонатора (его добротность) определяет, насколько эффективно происходит усиление и насколько узкой будет спектральная линия лазера.

Основные элементы лазерной установки

Любая лазерная система включает следующие компоненты:

Активная среда — вещество, в котором происходит усиление света. Это может быть газ, жидкость, твердотельный кристалл, стекло или полупроводник.
Источник накачки, обеспечивающий энергетическое возбуждение активных частиц.
Оптический резонатор, необходимый для усиления и формирования когерентного излучения.
Система охлаждения и стабилизации, особенно важная для мощных или непрерывных лазеров.
Выходной оптический элемент, через который часть усиленного излучения выходит из резонатора в виде узконаправленного луча.

Запуск и режимы работы лазера

Процесс начала генерации в лазере называют пороговым запуском. До достижения определённого уровня накачки излучение лишь усиливается, но не формирует устойчивый выход. Когда число возбуждённых частиц превышает критическое значение, начинают доминировать процессы вынужденного излучения, и наступает лазерная генерация.

Лазеры могут работать в различных режимах:

Непрерывный режим, когда генерация осуществляется постоянно при стабильной накачке.
Импульсный режим, при котором излучение происходит в виде отдельных коротких всплесков. Импульсы могут формироваться естественно (например, за счёт накопления инверсии) или с помощью методов модуляции добротности (Q-switching) и синхронизации мод (mode-locking).
Квазинепрерывный режим, промежуточный между импульсным и непрерывным.

Механизмы генерации: одномодовые и многомодовые лазеры

В зависимости от конфигурации резонатора и активной среды лазер может поддерживать одну или несколько мод:

Одномодовые лазеры обеспечивают исключительно узкую спектральную линию, высокую когерентность и стабильность фазы. Они важны для голографии, интерферометрии, точных измерений.
Многомодовые лазеры генерируют несколько частот одновременно, что может быть полезно в приложениях, не требующих высокой спектральной чистоты.

Формирование мод регулируется условиями на длину резонатора, распределением усиления в среде и характеристиками зеркал.

Свойства лазерного излучения

Лазерное излучение обладает рядом уникальных характеристик:

Монохроматичность — очень узкая спектральная линия, соответствующая одному переходу.
Когерентность — как временная, так и пространственная когерентность излучения.
Направленность — лазерный луч обладает чрезвычайно малым углом расхождения.
Интенсивность — благодаря накоплению энергии и малому расхождению, плотность потока энергии может быть чрезвычайно высокой.
Поляризация — излучение можно легко поляризовать, что важно в оптических системах.

Типы лазеров по физической природе активной среды

Газовые лазеры Используют газовую смесь (например, He-Ne, CO₂, аргоновые). Отличаются стабильностью и высокой когерентностью.
Твердотельные лазеры Применяют кристаллы или стекла с примесями редкоземельных или переходных металлов (рубиновый, Nd:YAG и др.). Обеспечивают высокую мощность.
Полупроводниковые лазеры (лазерные диоды) Широко применяются в оптоэлектронике, телекоммуникациях, системах навигации, принтерах. Отличаются компактностью и высокой энергоэффективностью.
Жидкостные лазеры (лазеры на красителях) Обладают широким спектром генерации и возможностью перестройки длины волны. Используются в научных и медицинских установках.
Химические лазеры Работают за счёт энергии химических реакций. Могут достигать очень высокой мощности, используются в военных и исследовательских целях.
Эксимерные лазеры Используют возбуждённые димерные молекулы, генерируют ультрафиолетовое излучение. Находят применение в литографии и медицине (лазерная коррекция зрения).

Энергетический и квантовый выход

КПД лазеров зависит от используемой активной среды и схемы накачки. Наиболее высокоэффективными считаются полупроводниковые лазеры (до 70% и выше). Твердотельные лазеры имеют КПД около 1–10%, а газовые — до нескольких процентов.

Квантовый выход — это отношение числа испущенных фотонов к числу возбуждённых частиц. Он может достигать значений, близких к единице при хорошей инверсии и низких потерях в резонаторе.

Применения лазеров

Благодаря своим уникальным свойствам лазеры нашли широкое применение в самых различных сферах:

Наука и метрология: спектроскопия, интерферометрия, атомные часы, лазерный пинцет.
Медицина: лазерная хирургия, коррекция зрения, фотодинамическая терапия.
Связь и телекоммуникации: оптоволоконная передача данных, лазерные приёмопередатчики.
Промышленность: резка, сварка, маркировка, 3D-печать.
Военные технологии: дальномеры, лазерное наведение, системы активной защиты.
Информационные технологии: лазерные диски, сканеры, принтеры.
Развлечения и культура: лазерные шоу, голография.

Продолжая развиваться, лазерные технологии находят всё новые формы реализации, включая квантовые лазеры, лазеры на свободных электронах и компактные интегрированные источники когерентного света для фотонных схем.