1. Что обозначает термин «лазер»?
Термин «лазер» — аббревиатура от английского «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation» — усиление света с помощью индуцированного излучения.
2. Что означает индуцированное излучение?
Чтобы понять физический принцип действия лазера, нужно рассмотреть некоторые основные положения квантовой механики. Ядра всех атомов окружены электронами, вращающимися по определенным орбитам. Орбиты эти достаточно постоянны, и электроны редко перескакивают на другой уровень. Исключение составляют наиболее удаленные от ядра электроны, которые могут перемещаться между орбитами при передаче или при испускании определенного количества энергии. Эта энергия обычно представлена фотоном. Индуцированное поглощение происходит, когда отдельный фотон достигает атома и сообщает отдельному электрону энергию для перехода на более высокую орбиту. Новое состояние электрона на новой орбите нестабильно, он стремится вернуться на более низкий, устойчивый энергетический уровень. Спонтанное излучение возникает при переходе электрона без всякого внешнего воздействия из возбужденного состояния в основное с испусканием фотона. Энергия фотона равна разнице энергий электронных орбит. Хотя обе эти идеи выглядят простыми, базовая концепция лазерного излучения может быть сложна для восприятия. При переходе электронов из метастабильного состояния в основное под воздействием электромагнитного излучения соответствующей частоты возникает вынужденное излучение. Это состояние характеризуется тем, что количество атомов с возбужденными электронами преобладает над количеством атомов с электронами, находящимися в спокойном состоянии. Сложность разработки лазерной системы заключается в создании среды, в которой многие электроны находятся в состоянии возбуждения, но в целом еще сохраняют устойчивость. При вынужденном излучении фотон света достигает атома с возбужденным электроном, и этот электрон переходит на более низкую орбиту, а два одинаковых фотона покидают систему. Эти два фотона в последующем способны достигать двух других атомов с возбужденными электронами, приводя к быстрому умножению числа фотонов по типу цепной реакции. Все генерируемые фотоны идентичны. При достаточно интенсивном возбуждении можно одновременно перевести в такое состояние большую часть атомов. Так происходит накопление энергии. На этом основан принцип процесса, который известен под акронимом ЛАЗЕР.
3. Как происходит усиление света в лазерной системе?
В лазерной системе используется оптический резонатор для усиления и направления света. Это цилиндрическая камера, включающая лазерный проводник с параллельными зеркалами на каждом конце и поглощающим покрытием. Фотоны отражаются между зеркалами, и все лучи, не являющиеся строго параллельными, поглощаются покрытием. Параллельные пучки излучения продолжают участвовать в процессе вынужденной эмиссии, отражаются зеркалами, образуя стоячие волны. При образовании стоячей волны происходит усиление света. Один из концов оптического резонатора снабжен механизмом периодического высвобождения света из камеры.