Принцип дії та основні властивості лазера.

Квантову електроніку можна з'ясувати, як розділ електроніки, у якому фундаментальну роль грають явища квантового характеру. Ця книга присвячена розгляду приватного аспекту квантової електроніки, а саме опису фізичних принципів дії лазерів та їх характеристик. Перш ніж зайнятися детальним обговоренням предмета, доцільно приділити деяку увагу елементарному розгляду ідей, на яких ґрунтуються лазери.

У лазері використовуються три фундаментальні явища, що відбуваються при взаємодії електромагнітних хвиль з речовиною, а саме процеси спонтанного та вимушеного випромінювання та процес поглинання.

Принцип роботи лазера

Розглянемо в будь-якому середовищі два довільні енергетичні рівні 1 і 2 з відповідними населеностями N 1 і N 2 . Нехай у цьому середовищі в напрямку осі z поширюється плоска хвиля з інтенсивністю, що відповідає щільності потоку фотонів F. Тоді відповідно до виразів (1.3) - (1.6) зміна щільності потоку dF, обумовлена ​​як процесами вимушеного випромінювання, так і процесами поглинання, у шарі dz (заштрихована область на рис. 1.2) визначається рівнянням

dF=σF(N 2 -. N 1) (1.7)

З рівняння (1.7) випливає, що у випадку N 2 > N 1 середовище поводиться як підсилювальне (тобто dF/dz > 0), а у випадку N 2<. N 1 - как поглощающая. Известно, что при термодинамическом равновесии населенности энергетических уровней описываются статистикой Больцмана. Так, если N 2 e и N 1 e - населенности двух уровней при термодинамическом равновесии, то мы имеем

N 2 e /N 1 e = exp[-(E 2 -E 1)/kT], (1.8)

де k – постійна Больцмана, а T – абсолютна температура середовища. Отже, бачимо, що у разі термодинамічного рівноваги N 2<. N 1 . В соответствии с (1.7) среда поглощает излучение на частоте ν, что обычно и происходит. Однако если удастся достигнуть неравновесного состояния, для которого N 2 >. N 1 то середовище буде діяти як підсилювач. В цьому випадку говоритимемо, що в середовищі існує інверсія населеностей, маючи на увазі, що різниця населеностей (N 2 -. N 1 > 0) протилежна за знаком тієї, яка існує в звичайних умовах (N 2 -. N 1< 0). Среду, в которой осуществлена инверсия населенностей, будем называть активной средой.

Якщо частота переходу ν = (Е 2 - Е 1)/h потрапляє у НВЧ-діапазон, відповідний підсилювач називається мазером. Слово мазер (англ. maser) утворене з початкових літер слів наступної фрази: microwave amplification by stimulated emission of radiation - посилення мікрохвиль вимушеним випромінюванням. Якщо ж частота переходу відповідає оптичному діапазону, то підсилювач називається лазером. Слово лазер (англ. laser) утворено аналогічно, тільки початкова літера "м", що походить від першої літери в слові microwave, замінена буквою "л", що походить від слова light (світло).

Для того щоб підсилювач перетворити на генератор, необхідно ввести відповідний позитивний зворотний зв'язок. У НВЧ-діапазоні це досягається тим, що активне середовище поміщають об'ємний резонатор, що має резонанс при частоті. У лазері зворотний зв'язок зазвичай одержують розміщенням активного середовища між двома дзеркалами з високим коефіцієнтом відбиття (наприклад, між плоскопаралельними дзеркалами, як показано на рис. 1.3. Така система дзеркал зазвичай називається резонатором Фабрі-Перо оптичним резонатором або відкритим резонатором). В цьому випадку плоска електромагнітна хвиля, що розповсюджується в напрямку, перпендикулярному дзеркалам, почергово відбиватиметься від них, посилюючись при кожному проходженні через активне середовище. Якщо одне з двох дзеркал зроблено частково прозорим, то на виході системи можна виділити пучок корисного випромінювання. Наприклад, у лазері генерація починається тоді, коли посилення активного середовища компенсує втрати у ньому (скажімо, втрати, зумовлені частковим виходом випромінювання з резонатора через дзеркало). Відповідно до виразу (1.7) посилення випромінювання за один прохід в активному середовищі (тобто відношення вихідний та вхідний щільностей потоку фотонів) дорівнює exp[σ(N 2 - N 1)∙l], де l-довжина активного середовища. Якщо втрати в резонаторі визначаються лише пропусканням дзеркал, то поріг генерації буде досягнутий під час виконання умови

R 1 R 2 (2σ(N 2 - N 1)∙l) >1 (1.9)

де R 1 і R 2 - коефіцієнти відбиття дзеркал інтенсивності. Ця умова показує, що поріг досягається тоді, коли інверсія населеностей наближається до деякого критичного значення, яке називається критичною інверсією і визначається співвідношенням

(N 2 - N 1) кр =-ln(R 1 R 2)/2σl (1.10)

Як тільки досягнуто критичної інверсії, генерація розвинеться зі спонтанного випромінювання. Справді, фотони, які спонтанно випромінюються вздовж осі резонатора, посилюватимуться. Цей механізм лежить в основі лазерного генератора, званого зазвичай просто лазером. Однак тепер слово лазер широко застосовується до будь-якого пристрою, що випромінює вимушене випромінювання - чи то в далекому або ближньому ІЧ-, УФ-і навіть в рентгенівському діапазонах. У таких випадках ми говоритимемо відповідно про інфрачервоні, ультрафіолетові та рентгенівські лазери. Зауважимо також, що назви твердотільний, рідинний та газовий лазер визначаються агрегатним станом активного середовища.

Схеми накачування

Розглянемо завдання у тому, як у цьому середовищі можна отримати інверсію населеностей. На перший погляд може здатися, що інверсію можна створити при взаємодії середовища з досить сильною електромагнітною хвилею частоти v, що визначається виразом (1.1). Оскільки при термодинамічній рівновазі рівень 1 заселений більше, ніж рівень 2, поглинання переважає над вимушеним випромінюванням, тобто під дією хвилі падіння відбувається більше переходів 1 - 2, ніж переходів 2-1, і можна сподіватися здійснити таким шляхом інверсію населеностей. Однак неважко помітити, що такий механізм не працюватиме (принаймні в стаціонарних умовах). Коли настануть умови, за яких населеність рівнів виявляться однаковими (N 2 =N 1), процеси вимушеного випромінювання та поглинання почнуть компенсувати один одного і відповідно до (1.7) середовище стане прозорим. У такій ситуації зазвичай говорять про дворівневе насичення.

Рис. 1.4. Трирівнева (а) та чотирирівнева (б) схеми лазера.

Таким чином, використовуючи лише два рівні, неможливо отримати інверсію населення. Звісно, ​​постає питання: чи можна це здійснити з використанням більш ніж двох рівнів із необмеженого набору станів даної атомної системи? Ми побачимо, що в цьому випадку відповідь буде ствердною і можна буде відповідно говорити про три та чотирирівневі лазери в залежності від числа робочих рівнів (рис. 1.4). У трирівневому лазері (рис. 1.4, а) атоми у будь-який спосіб переводяться з основного рівня 1 на рівень 3. Якщо вибрано середовище, в якому атом, який опинився в збудженому стані на рівні 3, швидко переходить на рівень 2, то в такому середовищі можна отримати інверсію населеностей між рівнями 2 і 1. У чотирирівневому лазері (рис. 1.4,6) атоми також переводяться з основного рівня (для зручності називатимемо його нульовим) на рівень 3. Якщо після цього атоми швидко переходять на рівень 2, то між рівнями 2 та 1 може бути отримана інверсія населеностей. Коли в такому чотирирівневому лазері виникає генерація, атоми в процесі вимушеного випромінювання переходять з рівня 2 на рівень 1. Тому для безперервної роботи чотирирівневого лазера необхідно, щоб частинки, що опинилися на рівні 1, швидко переходили на нульовий рівень.

Ми показали, яким чином можна використовувати три чи чотири енергетичні рівні будь-якої системи для отримання інверсії населеностей. Чи система працюватиме за три- або чотирирівневою схемою (і чи буде вона працювати взагалі!), залежить від того, наскільки виконуються розглянуті вище умови. Може виникнути питання: навіщо використовувати чотирирівневу схему, якщо вже трирівнева виявляється досить ефективною для отримання інверсії населення? Проте річ у тому, що у чотирирівневому лазері інверсію отримати набагато легше. Щоб переконатися в цьому, насамперед зауважимо, що різниці енергій між робочими рівнями лазера (рис. 1.4) зазвичай набагато більше, ніж kT, і відповідно до статистики Больцмана [див., наприклад, формулу (1.8)] майже всі атоми при термодинамічному рівноваги перебувають у основному стані. Якщо ми тепер позначимо число атомів в одиниці об'єму середовища як Nt, то у разі трирівневої системи ці атоми спочатку будуть на рівні 1. Переведемо тепер атоми з рівня 1 на рівень 3. Тоді з цього рівня атоми будуть релаксувати з переходом на нижчий рівень 2. Якщо така релаксація відбувається досить швидко, рівень 3 залишається практично незаселеним. У цьому випадку, щоб населеності рівнів 1 і 2 зробити однаковими, на рівень 2 потрібно перевести половину атомів Nt, розташованих спочатку на основному рівні. Інверсію населення створюватиме будь-який атом, переведений на верхній рівень понад цю половину від загальної кількості атомів. Однак у чотирирівневому лазері, оскільки рівень 1 спочатку був також незаселеним, будь-який атом, який опинився у збудженому стані, даватиме внесок в інверсію населеностей. Ці прості міркування показують, що наскільки можна слід шукати активні середовища, які працюють за чотирирівневою схемою. Для отримання інверсії населення можливо, зрозуміло, використання більшої кількості енергетичних рівнів.

Процес, під дією якого атоми переводяться з рівня 1 до рівня 3 (у трирівневій схемі лазера), називається накачуванням. Є кілька способів, за допомогою яких можна реалізувати цей процес на практиці, наприклад, за допомогою деяких видів ламп, що дають досить інтенсивну світлову хвилю, або за допомогою електричного розряду в активному середовищі.

Властивості лазерних пучків

Лазерне випромінювання характеризується надзвичайно високим ступенем монохроматичності, когерентності, спрямованості та яскравості. До цих властивостей можна додати генерацію світлових імпульсів мінімальної тривалості. Ця властивість, можливо, менш фундаментальна, але вона відіграє дуже важливу роль. Розглянемо тепер ці властивості докладніше.

1.4.1. Когерентність.

Для будь-якої електромагнітної хвилі можна визначити два незалежні поняття когерентності, а саме просторову та тимчасову когерентність. Для того щоб визначити просторову когерентність, розглянемо дві точки P 1 і Р 2 обрані з такою умовою, що в момент часу t = 0 через них проходить хвильовий фронт деякої електромагнітної хвилі, і нехай E 1 (t) і Е 2 (t) - відповідні електричні поля у цих точках. Згідно з нашою умовою, в момент часу t = 0 різниця фаз електричних полів у даних точках дорівнює нулю. Якщо ця різниця фаз залишається рівною нулю у будь-який момент часу t > 0, то кажуть, що між двома точками є повна когерентність. Якщо така умова виконується для будь-яких пар точок хвильового фронту, то ця хвиля характеризується повною просторовою когерентністю. Практично для будь-якої точки Р 1 якщо ми маємо достатню кореляцію фаз, точка Р 2 повинна розташовуватися всередині деякої кінцевої області, що включає точку P 1 . У цьому випадку кажуть, що хвиля характеризується частковою просторовою когерентністю, причому для будь-якої точки Р можна визначити область когерентності.

Щоб визначити тимчасову когерентність, розглянемо електричне полі хвилі у цій точці Р в моменти часу t і t + τ. Якщо для даного інтервалу часу різниця фаз коливань поля залишається однією і тією ж у будь-який момент часу t, то кажуть, що існує тимчасова когерентність на інтервалі часу τ. Якщо така умова виконується для будь-якого значення, то хвиля характеризується повною тимчасовою когерентністю. Якщо це має місце лише для певного інтервалу часу т, такого, що 0< τ < τ 0 , то волна характеризуется частичной временной когерентностью с временем когерентности τ 0 . Представление о временной когерентности непосредственно связано с монохроматичностью. Электромагнитная волна с временем когерентности, равным τ 0 , имеет спектральную ширину Δν ~ 1/ τ 0 . В случае нестационарного пучка (например, лазерного пучка, полученного в результате модуляции добротности или синхронизации мод) время когерентности не связано обратно пропорциональной зависимостью с шириной полосы генерации и фактически может быть много больше, чем величина 1/ Δν.

Слід зауважити, що поняття тимчасової та просторової когерентності насправді не залежать одне від одного. Справді, можна навести приклади хвилі, що має повну просторову когерентність, але лише часткову тимчасову когерентність і навпаки. Поняття просторової та тимчасової когерентності дають опис лазерної когерентності лише у першому порядку.

Спрямованість

Ця властивість є простим наслідком того, що активне середовище вміщено в резонатор, наприклад, плоскопаралельний резонатор, показаний на рис. 1.3. У такому резонаторі можуть підтримуватися тільки електромагнітні хвилі, які поширюються вздовж осі резонатора або в дуже близькому до осі напрямку. Для більш глибокого розуміння властивостей спрямованості лазерних пучків (або загальному випадку будь-якої електромагнітної хвилі) зручно розглянути окремо випадки, коли пучок має повну просторову когерентність і коли він має часткову просторову когерентність.

Розглянемо спочатку пучок із повною просторовою когерентністю. Навіть у цьому випадку пучок із кінцевою апертурою неминуче розходиться внаслідок дифракції. Нехай пучок з постійною інтенсивністю та плоским хвильовим фронтом падає на екран, в якому є отвір діаметром D. Відповідно до принципу Гюйгенса хвильовий фронт у деякій площині Р за екраном може бути отриманий шляхом суперпозиції елементарних хвиль, випромінюваних кожною точкою отвору. Через кінцевий розмір D отвор пучок має кінцеву розбіжність θ. Її значення можна визначити за допомогою теорії дифракції. Для довільного розподілу амплітуди маємо

θ=βλ/D (1.11)

тут λ – довжина хвилі, a D – діаметр пучка. β- числовий коефіцієнт порядку одиниці, значення якого залежить від форми розподілу амплітуд та способу, яким визначаються розбіжність і діаметр пучка (для пучка з гаусовим розподілом інтенсивності перерізу, що утворюється в одномодовому резонаторі β=0,61). Пучок, розбіжність якого описується виразом (1.11) називається дифракційно-обмеженим. Якщо хвиля має часткову просторову когерентність, її розбіжність буде більше, ніж мінімальне значення розбіжності, обумовлене дифракцією. За відповідних умов роботи вихідний пучок лазера можна зробити дифракційно-обмеженим.

Яскравість

Визначимо яскравість будь-якого джерела електромагнітних хвиль як потужність випромінювання, що випускається з одиниці поверхні джерела одиничний тілесний кут. Точніше, розглянемо елемент площі dS поверхні джерела у точці Про (рис. 1.7). Тоді потужність dP, що випромінюється елементом поверхні dS у тілесний кут dΩ у напрямку 00", може бути записана наступним чином:

dP = BcosθdSdΩ (1.12)

тут θ - кут між напрямком 00" і нормаллю до поверхні. Величина залежить, як правило, від полярних координат θ і φ, тобто від напрямку 00" і від положення точки О. Ця величина називається яскравістю джерела в точці О у напрямку 00".

Яскравість лазера навіть невеликої потужності (наприклад, кілька міліватів) на кілька порядків перевершує яскравість звичайних джерел. Ця властивість переважно є наслідком високої спрямованості лазерного пучка.

Імпульси малої тривалості

За допомогою спеціального методу, що називається синхронізацією мод, можна отримати імпульси світла, тривалість яких приблизно обернено пропорційна ширині лінії переходу 2-1. Наприклад, в газових лазерах, ширина лінії посилення яких відносно вузька, можна отримувати імпульси випромінювання тривалістю - 0,1 - 1 нс. Такі імпульси не розглядаються як дуже короткі, оскільки навіть деякі лампи спалахи здатні випромінювати світлові імпульси тривалістю менше 1 нс. Однак у твердотільних або рідинних лазерів ширини ліній посилення можуть бути в 10 3 - 10 5 разів більше, ніж у газових лазерів, і тому імпульси, що генеруються ними, виявляються значно коротшими (від 1 пс до ~5 фс). Одержання таких коротких імпульсів світла призвело до нових можливостей у лазерних дослідженнях та їх застосуваннях.

Властивість генерації коротких імпульсів, що має на увазі концентрацію енергії в часі, в певному сенсі аналогічно властивості монохроматичності, що означає концентрацію енергії у вузькому діапазоні довжин хвиль. Однак генерація коротких імпульсів є, мабуть, менш фундаментальною властивістю, ніж монохроматичність. У той час як будь-який лазер можна в принципі виготовити таким, що він генеруватиме досить монохроматичне випромінювання, короткі імпульси можна отримувати лише від лазерів з широкою лінією випромінювання, тобто на практиці тільки від твердотільних або рідинних лазерів. Газові лазери, які мають більш вузькими лініями посилення, найкраще підходять для генерації високомонохроматичного випромінювання.

Ширина лінії.

Однорідне розширення.

Будь-які процеси, що скорочують час життя частинок рівнях, призводять до розширення ліній відповідних переходів. Справді, визначення енергії стану має проводитися за час, що не перевищує час життя в цьому стані. А тоді неточність визначення енергії відповідно до співвідношення невизначеностей «енергія - час»

ΔЕΔt ≥ ђ (1.13)

не може бути меншим за ђ /τ. Невизначеність енергії стану призводить до невизначеності частоти переходу, що дорівнює 1/2πτ. Постійна часу є мірою часу, необхідного для того, щоб збуджена система віддала свою енергію. Значення т визначається швидкостями спонтанного випромінювання та безвипромінювальних релаксаційних переходів.

За відсутності зовнішніх впливів спонтанне випромінювання визначає час життя стану. Тому найменша можлива так звана природна ширина лінії Δν 0 визначається ймовірністю спонтанного переходу А:

Δν 0 =А/2π (1.14)

Природна ширина, як правило, суттєва лише на дуже високих частотах (А ~ 3) і для добре дозволених переходів. Зазвичай вплив спонтанного випромінювання на ширину лінії можна знехтувати, так як в реальних умовах релаксаційні переходи більш ефективно скорочують час життя.

Як мовилося раніше, у системах з дискретними рівнями енергії, крім індукованих і спонтанних переходів, істотну роль грають релаксаційні безвипромінювальні переходи. Ці переходи виникають у результаті взаємодій квантової частки з її оточенням. Механізм процесів цих взаємодій залежить від виду конкретної системи. Це може бути взаємодія між іоном та гратами кристала; це можуть бути зіткнення між молекулами газу або рідини і т. д. В кінцевому рахунку результатом дії релаксаційних процесів є обмін енергією між підсистемою частинок, що розглядаються, і тепловими рухами у всій системі в цілому, що призводить до термодинамічної рівноваги між ними.

Зазвичай час встановлення рівноваги, час життя частки лише на рівні, позначається Т 1 і називається поздовжнім часом релаксації. Така термінологія відповідає традиції, що встановилася для дослідження явищ ядерного магнітного резонансу (ЯМР) та електронного парамагнітного резонансу (ЕПР). Поздовжня релаксація відповідає руху вектора високочастотної намагніченості системи частинок вздовж зовнішнього напряму зовнішнього магнітного поля. Існує ще поперечний час релаксації Т 2 ,яке відповідає руху вектора намагніченості в площині, перпендикулярній до зовнішнього напрямку постійного поля.

Час Т 2 є мірою того відрізка часу, протягом якого частинки придбають випадкові один до одного фази. Будь-який процес, який робить внесок під час релаксації Т 2т. е. будь-який процес втрати енергії частинками, що призводить до втрати фази. Отже, Т 2< Т 1 . Оскільки час Т 2є найкоротшим часом релаксації, саме воно і визначає ширину лінії переходу. Кінцевість часу життя частки у збудженому енергетичному стані веде до розширення рівнів енергії. Випромінювання з розширених рівнів набуває спектральної ширини. Найбільш загальним фундаментальним механізмом, що обмежує зверху час життя частинки на збудженому рівні, є спонтанне випромінювання, яке повинно, таким чином, мати спектральну ширину, що відповідає швидкості актів спонтанного розпаду.

Квантова електродинаміка дозволяє обчислити спектральний розподіл квантів спонтанного випромінювання, що виходять із рівня шириною

ΔЕ = ђ /τ 0 . (1.15)

Контур лінії спонтанного випромінювання виявляється таким, що має так звану лоренцеву форму з шириною

Δν л = ΔЕ / ђ = 1/2πτ 0 (1.16).

Лоренцева форма лінії визначається форм-фактором

q(ν) (1.17)

і має вигляд резонансної кривої з максимумом на частоті = 0 , що спадає до рівня половини пікової величини при частотах = 0 ±Δν л /2. Очевидно, що повна ширина кривої на половині максимальної величини становить л.

Якщо брати до уваги можливість спонтанного розпаду не тільки верхнього з двох рівнів енергії, але й нижнього, коли нижній рівень не є основним, то під Δν л, що входить у формулу (1.17), слід розуміти величину, що визначається сумою швидкостей розпаду цих рівнів

Δν л =1/2πτ 01 +1/2πτ 02 (1.18)

Поширення лінії, обумовлене кінцівкою часу життя станів, пов'язаних переходом, називається однорідним. Кожен атом, що знаходиться у відповідному стані, випромінює при переході зверху вниз лінію з повною шириною Δν л і спектральною формою q(ν).Аналогічно кожен атом, що знаходиться у відповідному нижньому стані, поглинає при переході знизу вгору випромінювання в спектрі з повною шириною Δν л і відповідно до спектральної залежності q(ν). Неможливо приписати якусь певну спектральну компоненту в спектрі q(ν) якомусь певному атому. При однорідному розширенні незалежно від його природи спектральна залежність q(ν)є єдина спектральна характеристика як одного атома, і всієї сукупності атомів. Зміна цієї характеристики, в принципі можливе при тому чи іншому впливі на ансамбль атомів, відбувається одночасно однаковим чином всім атомів ансамблю.

Прикладами однорідного розширення є природна ширина лінії та зіткне розширення в газах.

Неоднорідне розширення.

Експериментально спостерігаються спектральні лінії можуть бути безструктурною суперпозицією декількох спектрально нерозв'язних однорідно розширених ліній. У цих випадках кожна частка випромінює або поглинає не в межах всієї лінії, що експериментально спостерігається. Така спектральна лінія називається неоднорідно розширеною. Причиною неоднорідного розширення може бути будь-який процес, що призводить до відмінності в умовах випромінювання (поглинання) для частини однакових атомів досліджуваного ансамблю частинок або наявність в ансамблі атомів з близькими, але різними спектральними властивостями (надтонка структура того чи іншого виду), однорідно розширені спектральні лінії яких перекриваються лише частково. Термін "неоднорідне розширення" виник у спектроскопії ЯМР, в якій розширення цього типу відбувалося через неоднорідність зовнішнього поля, що намагнічує, в межах досліджуваного зразка.

Класичним прикладом неоднорідного упшрения є доплерівське розширення, характерне для газів при малих тисках та (або) високих частотах.

Атоми (молекули, іони) газу перебувають у тепловому русі. Доплер-ефект першого порядку призводить до усунення частоти випромінювання частинок, що летять на спостерігача зі швидкістю і,на величину ν 0 u/с, де ν 0 - частота випромінювання частинки, що покоїться, а з - швидкість світла. Природне розширення перетворює випромінювання на частоті 0 в спектральну лінію, але це розширення однорідно, і частотний зсув 0 та/свідчуває всю лінію. Так як частки газу рухаються з різними швидкостями, то частотні зрушення їхнього випромінювання різні, а сумарна форма лінії газу в цілому визначається розподілом частинок за швидкостями. Останнє вірно, строго кажучи, якщо природна ширина лінії багато вже доплерівських зрушень частоти, що зазвичай має місце. Тоді, якщо позначити через р(і)функцію розподілу частинок за швидкостями, форм-фактор доплерівської лінії q(ν)виявляється пов'язаним з р(і)простим співвідношенням:

ν = ν 0 (1+u/с ) ). (1.20)

Отже, і = с (ν - ν 0 )/ ν 0 і du = c dν. При максвеллівському розподілі частинок за швидкостями

(1.21)

де середня теплова швидкість

Тут k- Постійна Больцмана, Т- Температура газу, т- Маса атома (молекули) газу. Комбінуючи (1.20) та (1.21), легко отримати q(ν)у вигляді

, (1.22)

де T =ν 0 u 0 /c - ширина спектральної лінії.

Лінія, форма якої визначається форм-фактором (1.22), називається доплеровськи розширеною лінією. Її форма описується функцією Гауса та симетрична щодо центральної частоти ν 0 . Спад кривий q(ν)(1.22) при сильному відбудові від ν 0 відбувається набагато крутіше, ніж у випадку лоренцевого контуру лінії (1.17). У центральної частоти гауссова крива більш полога. Очевидно, що її ширина визначається параметром T . При віддаленні від центру кривої на Δν T інтенсивність падає в еразів.

AІГ-Nd-лазер.

Рис. 2.1. Лазерно активні переходи в кристалі АІГ – Nd.

а – схема енергетичних рівнів; б – залежність інтенсивності люмінесценції (у довільних одиницях) від довжини хвилі.

АІГ-Nd-лазер належить до твердотільних лазерів з оптичним накачуванням. Лазерно активними речовинами є синтетичні кристали ітрій-алюмінієвого гранату (Y 3 Al 5 O 12), що містять іони Nd 3+ в об'ємній концентрації, приблизно рівної 1,5 %. Вищі концентрації неможливі внаслідок відмінності в радіусах іонів Nd 3+ та Y 3+ . АІГ-кристали мають кубічні грати і тому є оптично ізотропними. На рис. 2.1 а показана схема рівнів енергії іона Nd 3+ , що знаходиться в електричному полі кристала. З лівої частини рис. 2.1, а видно, що схема відноситься до чотирирівневого лазера.

Рівні 4 F 3/2 та 4 I 11/2 відіграють роль верхнього та нижнього лазерних рівнів. Вище рівня 4 F 3/2 розташована ціла послідовність рівнів накачування або смуг накачування, з яких збуджені іони завдяки взаємодії з гратами швидко переходять на верхній рівень лазера. Нижній лазерний рівень знаходиться вище основного рівня на величину енергії, яка набагато більша за kT. Тому при тепловій рівновазі цей рівень майже не заселений. Рівні 4 F 3/2 і 4 I 11/2 розщеплюються в кристалічному полі, внаслідок чого стають можливими багато переходів, показаних у правій частині рис. 2.1. (Відповідні розщеплення інших рівнів не показані.) Найінтенсивніший перехід спостерігається при 1,0641 мкм. Поперечний переріз цього переходу дорівнює 8,8-10~23 м2, випромінювальний час життя верхнього рівня дорівнює 230 мкс і вихід люмінесценції дорівнює 0,995. При кімнатній температурі переходи однорідно поширені внаслідок взаємодії з ваганнями решітки. Внаслідок регулярності структури кристала неоднорідне розширення дуже мало, тоді як у системах на неодимових стеклах воно є домінуючим. Головний лазерний перехід має ширину лінії 120 ГГц. Для накачування АІГ-Nd-лазера найбільше підходить криптонова дугова лампа, оскільки її смуги випромінювання добре узгоджуються з рівнями накачування. На рис. 2.2 представлена ​​схема накачування. Накачування здійснюється у подвійному еліптичному відбивачі, виготовленому з матеріалу з високим коефіцієнтом відбиття. Циліндричний АІГ-стрижень знаходиться на загальній фокальній лінії. Обидві криптонові лампи розміщуються на двох інших фокальних лініях. Для охолодження системи стрижень та лампи омиваються потоком води. У зв'язку з гарною теплопровідністю матеріалу та його релаксаційними властивостями, а також завдяки ефективному охолодженню АІГ-лазер може працювати в режимі високих потужностей випромінювання (до 102 Вт) у безперервному режимі або з високими частотами проходження імпульсів (приблизно до 100 Гц) та з енергіями імпульсі від 0,1 до 1 Дж.

Кристал АІГ має високий показник заломлення (n(1,064 мкм) = 1,818). Тому на кінцевих поверхнях відбувається досить сильне френелівське відображення лазерного випромінювання. Його можна суттєво зменшити шляхом діелектричного просвітлення або за допомогою скошування стрижнів під кутом Брюстера. Однак часто з цими втратами доводиться миритися, що допустимо завдяки посиленню в речовині. Але тоді необхідно кінцеві поверхні відполірувати під малим кутом нахилу один щодо одного (щонайменше близько 1°), щоб вони не утворили лазерний резонатор або вторинний резонатор усередині головного резонатора.

Рис. 2.2. Установка для накачування з подвійним еліптичним відбивачем. 1 – лампи; 2 - АІГ - Nd-стрижень; 3 - відбивач; 4 – водяне охолодження.

Для генерації ультракоротких світлових імпульсів за допомогою АІГ: Nd-лазера успішно застосовують різні методи. Для лазера з безперервним накачуванням застосовується переважно метод активної синхронізації мод з використанням акустооптичних або електрооптичних модуляторів. У випадку АІГ: Nd-лазера з імпульсним накачуванням найчастіше за допомогою пасивної синхронізації створюється такий режим, при якому лазер випромінює цуг ультракоротких імпульсів. АІГ: Nd-лазери в безперервному та імпульсному режимах часто є джерелами світла для генерації вищих гармонік, а також для параметричної генерації.

Лазери на барвниках

Органічні барвники у розчині відрізняються високими значеннями поперечних перерізів поглинання та випромінювання, а також широкими смугами. Вони придатні як активні речовини для лазерів з довжиною хвилі, що перебудовується.

На системи синглетних та триплетних електронних рівнів накладаються коливальні рівні. Внаслідок великого числа коливальних ступенів свободи і сильного розширення ліній в рідинах окремі коливальні переходи здебільшого залишаються зовсім невирішеними, тому виникає однорідна спектральна смуга.

Лазер на фарбнику найчастіше описується як чотирирівневий лазер. Під впливом світла накачування відбуваються переходи на збуджені коливальні рівні стану S 1 відповідно до принципу Франка-Кондона. Коливальна дезактивація стану S1 відбувається надзвичайно швидко (~10 -13 с), завдяки чому молекули збираються на нижньому краї системи рівнів S1.

Лазер - це генератор оптичних хвиль, що використовує енергію атомів або молекул, що індуковано випромінюють, в середовищах з інверсною заселеністю рівнів енергії, що володіють властивістю посилювати світло конкретних довжин хвиль. Щоб багаторазово підсилити світло, застосовують оптичний резонатор, який складається з 2 дзеркал. За рахунок різних способів накачування в активному елементі створюється активне середовище.

Малюнок 1 - Схема пристрою лазера

За рахунок перерахованих умов у лазері генерується спектр, який показаний на малюнку 2 (число мод лазера регулюється довжиною резонатора):

Малюнок 2 - Спектр поздовжніх мод лазера

Лазери володіють високим ступенем монохроматичності, високим ступенем спрямованості та поляризованості випромінювання при значній його інтенсивності та яскравості, високим ступенем тимчасової та просторової когерентності, можуть перебудовуватися по довжинах хвиль, можуть випромінювати світлові імпульси рекордно короткої тривалості, на відміну від теплових джерел світла.

Протягом усього часу розвитку лазерних технологій було створено великий перелік лазерів та лазерних систем, що задовольняють своїми характеристиками потреби лазерної технології, зокрема біотехнології. У силу того, що складність устрою біологічних систем, суттєва різноманітність у характері їхньої взаємодії зі світлом визначають необхідність використання багатьох видів лазерних установок у фотобіології, а також стимулюють розробку нових лазерних засобів, у тому числі й засоби доставки лазерного випромінювання до об'єкта дослідження чи впливу.

Як і звичайне світло, лазерне випромінювання відбивається, поглинається, перевипромінюється і розсіюється біологічним середовищем. Всі з перерахованих процесів несуть інформацію про мікро та макроструктуру об'єкта, рух та форму окремих його частин.

Монохроматичність є високою спектральною щільністю потужності лазерного випромінювання, або суттєву тимчасову когерентність випромінювання, забезпечує: проведення спектрального аналізу з роздільною здатністю, що на кілька порядків перевищує дозвіл традиційних спектрометрів; високий рівень селективності збудження певного сорту молекул у тому суміші, що значно для біотехнологій; реалізацію інтерферометричних та голографічних способів діагностування біооб'єктів.

З огляду на те, що лазерні промені практично паралельні, то зі збільшенням відстані світловий пучок трохи збільшується в діаметрі. Перелічені властивості лазерного променя дозволяє вибірково впливати на різні ділянки біологічної тканини, створюючи в малій плямі більшу щільність енергії або потужності.

Лазерні установки поділяються на такі групи:

1) Лазери з високою потужністю на неодимі, оксиді вуглецю, вуглекислому газі, аргоні, рубіні, парах металів та ін;

2) Лазери, з низькоенергетичним випромінюванням (гелій-кадмієві, гелій-неонові, на азоті, на барвниках та ін), які не мають яскраво вираженого теплового впливу на тканини організму.

В даний час існують лазерні системи, що генерують випромінювання в ультрафіолетовій, видимій та інфрачервоній областях спектру. Біологічні ефекти, спричинені лазерним випромінюванням, залежать від довжини хвилі та дози світлового випромінювання.

В офтальмології найчастіше використовують: ексімерний лазер (з довжиною хвилі 193 нм); аргоновий (488 нм та 514 нм); криптоновий (568 нм та 647 нм); гелій-неоновий лазер (630 нм); діодний (810 нм); ND:YAG-лазер із подвоєнням частоти (532 нм), а також генеруючий на довжині хвилі 1,06 мкм; 10-вуглекислотний лазер (106 мкм). Область застосування лазерного випромінювання в офтальмології визначає довжину хвилі.

Свої назви лазерні установки одержують відповідно до активного середовища, і більш розгорнута класифікація містить твердотільні, газові, напівпровідникові, рідинні лазери та інші. Перелік твердотільних лазерів включає: неодимовий, рубіновий, александритовий, ербієвий, гольмієвий; до газових належать: аргоновий, ексімерний, на парах міді; до рідинних: лазери, які працюють на розчинах барвників та інші.

Революцію здійснили напівпровідникові лазери, що з'явилися, через їх економічність за рахунок високого ККД (до 60 - 80% на відміну від 10-30% при традиційних), малогабаритності і надійності. У той самий час широко використовують і інші види лазерів.

Однією з найважливіших властивостей для використання лазерів є їх особливість, що дозволяє формувати спекл-картину при відображенні когерентного випромінювання від поверхні об'єкта. Світло, розсіяне поверхнею, складається з хаотично розташованих світлих і темних плям - спекул. Спекл-картина формується на основі складної інтерференції вторинних хвиль від незначних центрів, що розсіюють, які розташовані на поверхні досліджуваного об'єкта. Зважаючи на те, що досліджувані біологічні об'єкти в переважній кількості мають шорстку поверхню та оптичну неоднорідність, вони завжди формують спекл-картину і тим самим вносять спотворення в кінцеві результати дослідження. У свою чергу, спекл-поле містить інформацію про властивості досліджуваної поверхні та приповерхневого шару, що може бути використане у діагностичних цілях.

В офтальмохірургії лазери застосовуються у таких напрямках:

У хірургії катаракти: для руйнування катарактального скупчення на кришталику та дисцизії задньої капсули кришталика при її помутнінні у післяопераційному періоді;

У хірургії глаукоми: при виконанні лазерної гоніопунктури, трабекулопластики, ексимерлазерного видалення глибоких шарів склерального клаптя, при проведенні процедури непроникної глибокої склеректомії;

В офтальмоонкохірургії: для видалення деяких видів пухлин, розташованих усередині ока.

Найважливішими властивостями, властивими лазерному випромінюванню, є: монохроматичність, когерентність, спрямованість, поляризація.

Когерентність (від латинського cohaerens що у зв'язку, пов'язаний) - узгоджене перебіг у часі кількох коливальних хвильових процесів однієї частоти і поляризації; властивість двох або більше коливальних хвильових процесів, що визначає їхню здатність при додаванні взаємно посилювати або послаблювати один одного. Когерентні коливання будуть називатися, якщо різниця їх фаз залишається постійною протягом тимчасового відрізка і при підсумовуванні коливань виходить коливання тієї ж частоти. Найпростіший приклад двох когерентних коливань - два синусоїдальних коливання однакової частоти.

Когерентність хвилі передбачає, що в різних точках хвилі осциляції відбуваються одночасно, тобто різниця фаз між двома точками не пов'язана з часом. Відсутність когерентності означає, що різниця фаз між двома точками не постійна, тому змінюється з часом. Ця ситуація виникає, у разі, якщо хвиля буде згенерована не єдиним джерелом випромінювання, а групою однакових, але незалежних друг від друга випромінювачів.

Найчастіше прості джерела випромінюють некогерентні коливання, своєю чергою лазери - когерентне. В силу даної властивості лазерне випромінювання максимально фокусується, воно має здатність до інтерференції, менш схильне до розбіжності, і має можливість отримання більшої щільності енергії плями.

Монохроматичність (грец. monos – один, єдиний + chroma – колір, фарба) – випромінювання однієї певної частоти або довжини хвилі. Випромінювання умовно можна вважати монохроматичним, якщо воно відноситься до діапазону спектру 3-5 нм. Якщо в системі існує лише один дозволений електронний перехід зі збудженого в основний стан, створюється монохроматичне випромінювання.

Поляризація - симетричність у розподілі напрямку вектора напруженості електричного та магнітного полів в електромагнітній хвилі щодо напряму її поширення. Хвиля буде називатися поляризованою, у тому випадку, якщо дві взаємно перпендикулярні складові вектора напруженості електричного поля роблять коливання з постійною різницею фаз в часі. Неполяризованою – якщо зміни відбуваються хаотично. У поздовжній хвилі виникнення поляризації не можливо, так як обурення в даному типі хвиль завжди збігаються з напрямом поширення. Лазерне випромінювання є високополяризованим світлом (від 75 до 100%).

Спрямованість (одне з найважливіших властивостей лазерного випромінювання) - здатність випромінювання виходити з лазера як світлового променя з дуже низькою розбіжністю. Ця риса є найпростішим наслідком з того, що активне середовище розміщене в резонаторі (наприклад, плоскопаралельний резонатор). У такому резонаторі підтримуються лише електромагнітні хвилі, що розповсюджуються вздовж осі резонатора або у безпосередній близькості до неї.

Головними характеристиками лазерного випромінювання є: довжина хвилі, частота, енергетичні параметри. Дані характеристики є біотропними, тобто визначають дію випромінювання біооб'єкти.

Довжина хвилі ( л) являє собою найменшу відстань між двома сусідніми точками, що коливаються, однієї хвилі. Найчастіше в медицині довжину хвилі вказують у мікрометрах (мкм) чи нанометрах (нм). Залежно від довжини хвилі змінюється коефіцієнт відбиття, глибина проникнення в тканини організму, поглинання та біологічна дія лазерного випромінювання.

Частота характеризує кількість коливань, що здійснюються за одиницю часу, і є величиною зворотної довжини хвилі. Як правило, виявляється у герцах (Гц). Зі зростанням частоти збільшується енергія кванта світла. Розрізняють: власну частоту випромінювання (для окремого генератора лазерних коливань незмінна); частоту модуляції (у медичних лазерних установках може змінюватись від 1 до 1000 Гц). Також високу важливість мають енергетичні параметри лазерного опромінення.

Прийнято виділяти три основні фізичні характеристики дозування: потужність випромінювання, енергія (доза) та щільність дози.

Потужність випромінювання (потокипромінювання, потік променистої енергії, Р) -є повну енергію, яка переноситься світлом в одиницю часу крізь дану поверхню; середня потужність електромагнітного випромінювання, що переноситься через якусь поверхню. Як правило, вимірюється у Вт або кратних величинах.

Енергетична експозиція (доза випромінювання, H) - це енергетична опроміненість лазером за певний проміжок часу; потужність електромагнітної хвилі, що випромінюється за одиницю часу. Вимірюється в [Дж] або [Вт*с]. Здатність виконувати роботу є фізичним змістом енергії. Це характерно в тому випадку, коли робота вносить зміни до тканин фотонами. Біологічний ефект світлового опромінення характеризує енергію. При цьому виникає той же біологічний ефект (наприклад засмага), як і у випадку з сонячним світлом, можна досягти при невисокій потужності та тривалості експозиції або високій потужності та невеликій експозиції. Отримані ефекти будуть ідентичні при однаковій дозі.

Щільність дози D - енергія, отримана на одиницю площі впливу. Одиниця виміру в СІ - [Дж/м 2 ]. Також використовується уявлення в одиницях Дж/см 2 в силу того, що площі, на які відбувається вплив, зазвичай обчислюються квадратними сантиметрами.

«Лазерне випромінювання»

Вступ

Лазерне випромінювання є одним із найцікавіших науково-технічних досягнень ХХ століття. Створення лазерів призвело до другого народження наукової та технічної оптики та розвитку абсолютно нових галузей промисловості. На відміну від звичайних, теплових джерел випромінювання лазер дає світло, що має цілу низку особливих і дуже цінних властивостей.
Важливо, що лазерне випромінювання когерентно та практично монохроматично. До появи лазерів цією властивістю мали тільки радіохвилі, випромінювані добре стабілізованим передавачем. А це дало можливість освоїти діапазон видимого світла для здійснення передачі та зв'язку, тим самим істотно збільшивши кількість інформації, що передається в одиницю часу.
Внаслідок того, що вимушене випромінювання поширюється строго вздовж осі резонатора, лазерний промінь розширюється слабко: його розбіжність становить кілька секунд. 1
Ці перелічені якості дозволяють фокусувати лазерний промінь у пляму надзвичайно малого розміру, отримуючи у точці фокусу величезну щільність енергії. Лазерне випромінювання великої потужності має величезну температуру. Наприклад, імпульсний лазер потужністю 1015 Вт має температуру випромінювання близько 100 мільйонів градусів. Завдяки цим властивостям лазери знайшли застосування у різних галузях науки, техніки та медицини. Дуже перспективне застосування лазерного випромінювання для космічного зв'язку в оптичних локаторах, що вимірюють великі відстані з точністю до міліметрів, для передачі телевізійних та комп'ютерних сигналів по оптичному волокну. Лазери використовуються при зчитуванні інформації з компакт-дисків, штрих-кодів товарів. За допомогою променя лазерів малої інтенсивності можна проводити хірургічні операції, наприклад «приварювати» сітківку, що відшарувалася від очного дна, робити судинні операції. В обробці матеріалів за допомогою лазера здійснюють зварювання, різання, свердління дуже маленьких отворів з високою точністю.Перспективне використання потужного лазерного випромінювання для здійснення керованої термоядерної реакції. Лазери застосовуються також для топографічної зйомки, тому що лазерний промінь задає ідеальну пряму лінію. Напрямок тунелю під протокою Ла-Манш ставився лазерним променем. За допомогою лазерного випромінювання виходять голографічні тривимірні об'ємні зображення. У метрології лазер застосовується для вимірювання довжини, швидкості, тиску. Створення лазерів - результат використання фундаментальних фізичних законів у прикладних дослідженнях. Воно призвело до гігантського прогресу у різних галузях техніки та технології. Створення лазера стало визначальним чинником у розвитку оптичних систем передачі. Сказаним вище визначається актуальність дослідження в даній роботі.
Метою даної є вивчити лазерне випромінювання. Завданнями даної роботи є:
- властивості лазерного випромінювання;
- коротку історію виникнення та вдосконалення лазерів;
- Джерела, властивості та типи лазерів;
- Шкідлива дія лазерного випромінювання;
- класи безпеки лазерів та засоби захисту.

1. Лазерна техніка

Лазерна техніка ще дуже молода – їй немає й півстоліття. Однак за цей зовсім невеликий час лазер з цікавого лабораторного пристрою перетворився на засіб наукового дослідження, інструмент, що застосовується в промисловості. Важко знайти таку область сучасної техніки, де б не працювали лазери. Їхнє випромінювання використовується для зв'язку, запису та читання інформації, для точних вимірювань; вони незамінні в медицині хірургії та терапії. Багато вчених вважають, що кардинальні зміни, які лазер вніс у життя людини, - подібні до наслідків промислового застосування електрики в кінці XIX століття.
Великі можливості лазерної технології пояснюються особливими властивостями лазерного випромінювання. Його природу вивчає квантова механіка. Саме її закони описують процеси, що відбуваються в лазері, тому його називають оптичним квантовим генератором.
Таким чином, світло - це потік особливих частинок, що випускаються атомами - фотонів, або квантів електромагнітного випромінювання. Їх слід уявляти у вигляді відрізків хвилі, а чи не як частинки речовини. Кожен фотон несе строго певну порцію енергії, викинутої атомом. 2
Випромінені фотони абсолютно ідентичні, їх частоти рівні та фази однакові. Коли вони зустрінуться з двома збудженими атомами, фотонів стане 4. Потім 8, 16 і т. д. Виникне лавина фотонів, що не відрізняються один від одного, що утворюють так зване монохроматичне (однокольорове) когерентне випромінювання. Це вимушене випромінювання має цілу низку цікавих властивостей.
Лазерне випромінювання має дуже високу температуру. Її величина залежить від потужності випромінювання і досягає часом мільйонів градусів.
У цьому лазер випромінює енергію однією частоті, однією довжині хвилі. Раніше таке монохроматичне випромінювання отримували лише в діапазоні радіохвиль. Світло, що випускається навіть дуже маленьким шматочком розжареної речовини, завжди складається з хвиль різної частоти. З цієї причини в оптиці ніяк не вдавалося, наприклад, створити вузькоспрямовані та сфокусовані пучки випромінювання, якими радіоінженери користуються не один десяток років.
Також лазерне випромінювання дуже стабільне. Електромагнітна хвиля, яку генерує лазер, поширюється на багато кілометрів без змін. Її амплітуда, частота та фаза можуть залишатися постійними дуже довго. Ця якість називається високою просторовою та тимчасовою когерентністю.
Ці три особливості лазерного випромінювання знайшли застосування в різних галузях техніки, при вирішенні різних технологічних завдань. Для кожного випадку можна підібрати лазер потрібного типу та необхідної потужності. 3

2. Характеристика лазерів

2.1 Народження сімейства лазерів

Те, як отримати когерентне випромінювання, стало зрозуміло в 1918 році коли Альберт Ейнштейн передбачив явище вимушеного випромінювання. Якщо створити середовище, в якому атоми перебувають у збудженому стані, і «запустити в неї слабкий потік когерентних фотонів, то його інтенсивність зростатиме. На початку 50-х років. Російські дослідники Микола Геннадійович Басов, Олександр Михайлович Прохоров та незалежно від них американський фізик Чарлз Хард Таунс створили підсилювач радіохвиль високої частоти на молекулах аміаку. Потрібні до роботи збуджені молекули відбирало з потоку газу електричне полі складної конфігурації. Новонароджений пристрій отримав назву мазер.
1960 року американський фізик Теодор Гарольд Мейман сконструював перший квантовий генератор оптичного діапазону лазер. Посилення світла відбувалося в кристалі рубіну прозорого різновиду окису алюмінію з невеликою домішкою хрому (на цей матеріал вказали третя роками раніше Н.Г. Басов та А.М. Прохоров). У лазері використовувався рубіновий стрижень, що охолоджується рідким азотом, довжиною близько 4 см і діаметром 5 мм. Срібні торці стрижня були дзеркалами, одне з яких було напівпрозорим. Енергію в кристал накачувала потужна імпульсна лампа. Потік фотонів високої енергії переводив атоми хрому у збуджений стан. На одному з високоенергетичних рівнів атоми затримуються в середньому на 0,003 з часом за атомними масштабами. За цей період частина атомів встигає мимоволі випромінювати фотони. Їхній потік, багаторазово пробігаючи між дзеркалами, змушує всі збуджені атоми випромінювати кванти світла. В результаті народжується світловий спалах - лазерний імпульс потужністю десятки тисяч ват. Сьогодні лазерні стрижні виготовляють із різних матеріалів, але найчастіше з рубіну, гранату та скла з домішкою рідкісного металу – неодиму Деякі твердотільні лазери (наприклад, на гранаті) генерують сотні та тисячі імпульсів за секунду. 4
І в тому ж 1960 американські фізики А Джеван, В Бепнет і Д. Ерріот створили газовий лазер, що працює на суміші гелію і неону. Цей лазер випромінював червоне світло вже не імпульсами, а безперервно. Суміш газів виявилася настільки добре підібраною, що гелієво-неонові лазери досі залишаються найпоширенішими джерелами когерентного світла, хоча випромінювання вдалося досягти й багатьох інших газів і парів. Енергію в газову суміш накачує електричний розряд, що тліє. Колір променя залежить від складу газу чи пари, на якому лазер працює. Аргон, наприклад, дає синє світло, криптон – жовтий, ксенон та пари міді зелений. вуглекислий газ та пари води невидимі тестові (інфрачервоні) промені.
До сімейства газових лазерів можна віднести і квантові генератори, у яких збуджені молекули не готуються заздалегідь, а виникають у момент випромінювання. Це так звані газодинамічні та хімічні лазери, що розвивають колосальну потужність у сотні кіловат і навіть десятки мегават у безперервному режимі.
Газодинамічний лазер нагадує реактивний двигун. Молекули сильно нагрітого газу, що вилітають із нього, віддають енергію у вигляді світлового випромінювання. У хімічному лазері збуджені молекули виникають у результаті хімічної реакції. Найенергійніша з них - з'єднання атомарного фтору з воднем.
Безперервне випромінювання дають і рідинні лазери. Робочою речовиною для них є, наприклад, розчини солей неодиму і сполук аніліну. Оскільки з'єднання аніліну використовуються для фарбування тканин, генератори на основі називають лазерами на барвниках. Для стабільнішої роботи лазера рідину можна пропускати через холодильник.
Найбільш мініатюрні лазери - напівпровідникові: у сірникову коробку їх можна помістити кілька десятків, а об'єм речовини, в якій відбувається вимушене випромінювання, не перевищує тисячних часток кубічного міліметра. Енергію у напівпровідник накачує електричний струм. Більше половини його «перетворюється» на світло, тобто коефіцієнт корисної дії цих лазерів може досягати більш ніж 50%.

2.2 Типи лазерів

1) Твердотільні лазери.
Першим твердим активним середовищем став рубін – кристал корунду Al2O3 з невеликою домішкою іонів хрому Cr+++. Сконструював його Т. Мейман (США) у 1960. Широко застосовується також скло з домішкою неодиму Nd, алюмоітрієвий гранат Y 2 Al 5 O 12 з домішкою хрому, неодиму та рідкісноземельних елементів у вигляді стрижнів. Накачуванням твердотільних лазерів зазвичай служить імпульсна лампа, що спалахує приблизно на 10-3 секунди, а лазерний імпульс виявляється вдвічі коротшим. Частина часу витрачається створення інверсної заселеності, а кінці спалахи інтенсивність світла стає недостатньою збудження атомів і генерація припиниться. Лазерний імпульс має складну структуру, він складається з безлічі окремих піків тривалістю близько 10-6 секунд, розділених проміжками, приблизно, в 10-5 секунд. У цьому режимі так званої вільної генерації потужність імпульсу може досягати десятків кіловат. Підвищити потужність, просто посилюючи світло накачування та збільшуючи розміри лазерного стрижня, неможливо чисто технічно. Тому потужність лазерних імпульсів підвищують, зменшуючи їхню тривалість. Для цього перед одним із дзеркал резонатора ставлять затвор, який не дозволяє генерації початися, поки верхній рівень не будуть перекинуті практично всі атоми активної речовини. Потім затвор на короткий час відкривається і вся накопичена енергія висвічується як так званого гігантського імпульсу. Залежно від запасу енергії та тривалості спалаху потужність імпульсу може становити від кількох мегават до десятків терават (1012 ват). 5
2) Газові лазери.
Активним середовищем газових лазерів є гази низького тиску (від сотих часток до декількох міліметрів ртутного стовпа) або їх суміші, що заповнюють скляну трубку з впаяними електродами. Перший газовий лазер на суміші гелію і неону був створений невдовзі після лазера рубінового в 1960 році А. Джаваном, В. Беннетом і Д. Ерріотом (США). Накачуванням газових лазерів служить електричний розряд, що живиться високочастотним генератором. Генерація випромінювання ними відбувається як і, як і в твердотільних лазерах, але газові лазери дають, зазвичай, безперервне випромінювання. Оскільки щільність газів дуже мала, довжина трубки з активним середовищем має бути досить великою, щоб маси активної речовини вистачило для отримання високої інтенсивності випромінювання.
До газових лазерів можна віднести також газодинамічні лазери, хімічні та ексімерні (лазери, що працюють на електронних переходах молекул, існуючих тільки в збудженому стані).
Газодинамічний лазер схожий на реактивний двигун, у якому згоряє паливо з добавкою молекул газів активного середовища. У камері згоряння молекули газів збуджуються, і, охолоджуючись при надзвуковому перебігу, енергію віддають у вигляді когерентного випромінювання великої потужності в інфрачервоній області, яке виходить упоперек газового потоку.
3) Хімічні лазери.
У хімічних лазерах (варіант газодинамічного лазера) інверсія заселеності утворюється з допомогою хімічних реакцій. Найбільш високу потужність розвивають лазери реакції атомарного фтору з воднем.
4) Рідинні лазери.
Активним середовищем цих лазерів (їх називають також лазерами на барвниках) є різні органічні сполуки у вигляді розчинів. Перші лазери на барвниках з'явилися наприкінці 60-х. Щільність робочої речовини займає проміжне місце між твердим тілом і газом, тому вони генерують досить потужне випромінювання (до 20 Вт) при невеликих розмірах кювети з активною речовиною. Працюють вони як у імпульсному, так і в безперервному режимі, їх накачування здійснюють імпульсними лампами та лазерами. Збуджені рівні молекул барвників мають більшу ширину, тому рідинні лазери випромінюють відразу кілька частот. А змінюючи кювети із розчинами барвників, випромінювання лазера можна перебудовувати у дуже широкому діапазоні. Плавне підстроювання частоти випромінювання здійснюють налаштуванням резонатора.
5) Напівпровідникові лазери.
Цей вид оптичних квантових генераторів було створено 1962 одночасно кількома групами американських дослідників (Р.Холлом, М.І. Нейтеном, Т. Квістом та інших.), хоча теоретичне обгрунтування його роботи зробив М.Г.Басов зі співробітниками 1958-го. Найпоширеніші лазерний напівпровідниковий матеріал – арсенід галію GaAr. 6
Відповідно до законів квантової механіки електрони в твердому тілі займають широкі енергетичні смуги, що складаються з безлічі безперервно розташованих рівнів. Нижня смуга, яка називається валентною зоною, відокремлена від верхньої зони (зони провідності) так званої забороненої зоною, в якій енергетичні рівні відсутні. У напівпровіднику електронів провідності мало, рухливість їх обмежена, але під впливом теплового руху окремі електрони можуть перескакувати з валентної зони до зони провідності, залишаючи у ній порожнє місце – «дірку». І якщо електрон з енергією Eе спонтанно повертається назад у зону провідності, відбувається його «рекомбінація» з діркою, що має енергію Eд, що супроводжується випромінюванням із забороненої зони фотона частотою n = Eе – Eд. Накачування напівпровідникового лазера здійснюється постійним електричним струмом (при цьому від 50 до майже 100% його енергії перетворюється на випромінювання); резонатором зазвичай служать поліровані грані кристала напівпровідника.
6) Лазери у природі.
У Всесвіті виявлено лазери природного походження. Інверсна заселеність виникає у великих міжзоряних хмарах конденсованих газів. Накачкою служать космічні випромінювання, світло близьких зірок та ін. Через гігантську протяжність активного середовища (газових хмар) – сотні мільйонів кілометрів – такі астрофізичні лазери не потребують резонаторів: вимушене електромагнітне випромінювання в діапазоні довжин хвиль від кількох сантиметрів (Крабоподібна туманність) до мікрона (околиці зірки Ця Карина) виникає у них при одноразовому проході хвилі.

2.3 Властивості лазерного випромінювання

На відміну від звичайних, теплових джерел випромінювання лазер дає світло, що має цілу низку особливих і дуже цінних властивостей. 7
1. Лазерне випромінювання когерентно та практично монохроматично. До появи лазерів цією властивістю мали тільки радіохвилі, випромінювані добре стабілізованим передавачем. Через те, що вимушене випромінювання поширюється строго вздовж осі резонатора, лазерний промінь розширюється слабо: його розбіжність становить кілька секунд.
Ці перелічені якості дозволяють фокусувати лазерний промінь у пляму надзвичайно малого розміру, отримуючи у точці фокусу величезну щільність енергії.
2. Лазерне випромінювання великої потужності має велику температуру. Приміром, імпульсний лазер потужністю порядку петаватта (1015 Вт) має температуру випромінювання близько 100 мільйонів градусів.
Ці унікальні властивості лазерного випромінювання зробили квантові генератори незамінним інструментом у різних галузях науки і техніки.
1. Технологічні лазери. Потужні лазери безперервної дії застосовуються для різання, зварювання та паяння деталей із різних матеріалів. Висока температура випромінювання дозволяє зварювати матеріали, які не можна з'єднати іншими методами (наприклад, метал з керамікою). Висока монохроматичність випромінювання дозволяє сфокусувати промінь у точку діаметром порядку мікрона та застосовувати його для виготовлення мікросхем (так званий метод лазерного скрайбування – зняття тонкого шару). Для обробки деталей у вакуумі або атмосфері інертного газу лазерний промінь можна вводити в технологічну камеру через прозоре вікно.
2. Лазерний зв'язок. Поява лазерів зробила переворот у техніці зв'язку та запису інформації. Існує проста закономірність: що вище несуча частота (менше довжина хвилі) каналу зв'язку, то більше вписувалося його пропускна спроможність. Саме тому радіозв'язок, що спочатку освоїв діапазон довгих хвиль, поступово переходив на все більш короткі довжини хвиль. Але світло - така ж електромагнітна хвиля, як і радіохвилі, тільки в десятки тисяч разів коротше, тому лазерним променем можна передати в десятки тисяч разів більше інформації, ніж по високочастотному радіоканалу. Лазерний зв'язок здійснюється по оптичному волокну - тонким скляним ниткам, світло в яких за рахунок повного внутрішнього відображення поширюється практично без втрат на багато сотень кілометрів. Лазерним променем записують та відтворюють зображення (у тому числі рухоме) та звук на компакт-дисках.
3. Лазери у медицині. Лазерна техніка широко застосовується і в хірургії, і терапії. Лазерним променем, введеним через очну зіницю, «приварюють» сітківку, що відшарувалася, і виправляють дефекти очного дна. Хірургічні операції, що проводяться «лазерним скальпелем», менше травмують живі тканини. А лазерне випромінювання малої потужності прискорює загоєння ран і впливає, аналогічне акупунктурі, що практикується східною медициною (лазерна акупунктура).
4. Лазери у наукових дослідженнях. Надзвичайно висока температура випромінювання та висока щільність його енергії дає можливість досліджувати речовину в екстремальному стані, що існує лише у надрах гарячих зірок. Робляться спроби здійснити термоядерну реакцію, стискаючи ампулу із сумішшю дейтерію з тритієм системою лазерних променів (т.зв. інерційний термоядерний синтез). У генній інженерії та нанотехнології (технології, що має справу з об'єктами з характерними розмірами 10–9 м) лазерними променями розрізають, пересувають та з'єднують фрагменти генів, біологічних молекул та деталі розміром близько мільйонної частки міліметра (10–9 м). Лазерні локатори (лідери) використовуються для вивчення атмосфери.
5. Військові лазери. Військове застосування лазерів включає як їх використання для виявлення цілей та зв'язку, так і застосування як зброя. Променями потужних хімічних та ексимерних лазерів наземного чи орбітального базування планується руйнувати чи виводити з ладу бойові супутники та літаки супротивника. Створено зразки лазерних пістолетів для озброєння екіпажів орбітальних станцій військового призначення.

3. Механізми шкідливого впливу лазерного випромінювання

Тканини та органи, які зазвичай схильні до лазерного опромінення це очі і шкіра. Існують три основні типи пошкодження тканин, викликаних лазерним опроміненням. Це теплові ефекти, фотохімічна дія, а також акустичні перехідні ефекти (схильні тільки до очей). Теплові ефекти можуть виникати за будь-якої довжини хвилі і є наслідком випромінювання або світлової дії на охолодний потенціал кровотоку тканин.
У повітрі фотохімічні ефекти відбуваються між 200 і 400 нм і ультрафіолетом, а також між 400 до 470 нм фіолетових довжинах хвиль. Фотохімічні ефекти пов'язані з тривалістю і частотою повторення випромінювання.
Акустичні перехідні ефекти, пов'язані з тривалістю імпульсу, можуть статися у короткий термін імпульсів (до 1 мс) залежно від конкретної хвилі лазера. Акустичне вплив перехідних ефектів погано вивчено, але може викликати ушкодження сітківки, яка відмінна від термічної травми сітківки.
Потенційні місця ушкодження ока безпосередньо пов'язані з довжиною хвилі лазерного випромінювання. Довжини хвиль коротші за 300 нм або більше 1400 нм, впливають на рогівку. Довжини хвиль між 300 і 400 нм впливають на водянисту вологу, райдужну оболонку ока, кришталик і склоподібне тіло. Довжини хвиль від 400 нм та 1400 нм, спрямовані на сітківку. 8
Шкода лазера для сітківки може бути дуже великою через фокусне посилення (оптичного посилення) від очей, що становить приблизно 105. Це означає, що випромінювання від 1 мВт/см 2 через око буде ефективно збільшено до 100 мВт/см2, коли воно досягає сітківки.
При термічних опіках ока порушується охолоджувальна функція судин сітківки ока. Внаслідок шкідливого впливу термічного фактора можуть відбуватися крововиливи в склоподібне тіло внаслідок пошкодження кровоносних судин.
Оскільки сітківка може відновитися від незначних пошкоджень, основні поранення жовтої плями сітківки може призвести до тимчасової або постійної втрати гостроти зору або повної сліпоти. Фотохімічні поранення рогівки шляхом ультрафіолетового опромінення можуть призвести до photokeratoconjunctivitis (часто називають хворобою зварювальників або сніговою сліпотою). Це хворобливі стани можуть тривати кілька днів з дуже виснажливими болями. Довгострокове опромінення може спричинити формування катаракти.
Загальна тривалість впливу впливає на травматизацію ока. Наприклад, якщо лазер видимих ​​довжин хвиль (400 до 700 нм), потужність променя якого становить менше 1,0 МВт, а час експозиції становить менше 0,25 секунди (час за який людина заплющить око), ніяких пошкоджень на сітківці ока не буде. Клас 1, 2А та 2-лазерів підпадають під цю категорію і, як правило, не можуть нашкодити сітківці. На жаль, при прямому або відбитому попаданні лазера класу 3A, 3B, або 4, і дифузних відбиття лазерів вище 4 класу можуть викликати ушкодження, перш ніж людина зможе рефлекторно заплющити очі.
Для імпульсних лазерів тривалість імпульсу також впливає на потенційну шкоду для очей. Імпульси менш ніж на 1 мс при попаданні на сітківку може спричинити акустичні перехідні ефекти, що призводить до суттєвих збитків та кровотеч на додаток до очікуваних теплових ушкоджень. Багато імпульсних лазерів в даний час мають час імпульсу менше 1 пікосекунди.
Стандарт ANSI визначає максимально допустиму потужність впливу лазера на око без будь-яких наслідків (під впливом конкретних умов).
Травми шкіри від лазерів в першу чергу діляться на дві категорії: теплові травми (опіки) від гострого впливу потужних лазерних променів та фотохімічного індукованого пошкодження від хронічного впливу розсіяного ультрафіолетового лазерного випромінювання. Теплові травми можуть виникнути внаслідок прямого контакту з променем або його дзеркальним відображенням. Ці травми хоч і болючі, але, як правило, не є серйозними і, як правило, легко запобігають при належному контролі над лазерним променем. Фотохімічні пошкодження можуть відбутися з часом від опромінення прямого світла, дзеркальних відбиття або навіть дифузного відбиття. Ефект може бути незначними, але можуть бути і серйозні опіки, а тривалий вплив може сприяти формуванню раку шкіри. Хороші захисні окуляри та одяг можуть бути необхідні для захисту шкіри та очей. Працюючи з лазерами необхідно мати окуляри, які захищають від лазерного випромінювання. Захисні окуляри потрібні навіть для лазера 15мВт, тому що без них очі дуже втомлюються.
Ступінь захисту окулярів від лазерного випромінювання вимірюється OD (Optical Density). Оптична густина показує, у скільки разів окуляри послаблюють світло. Одиниця означає «вдесятеро». Відповідно, «оптична щільність 3» означає ослаблення у 1000 разів, а 6 – у мільйон. Правильна оптична щільність для видимого лазера така, щоб після окулярів від прямого влучення лазера залишилася потужність, що відповідає класу II (максимум десь 1 мВт).
Від червоного та деяких інфрачервоних лазерів захищають вітчизняні окуляри марки ЗН-22 С3-С22. Вони схожі на окуляри зварювальника, але мають скло блакитного кольору. У зв'язку з широким застосуванням лазерних джерел випромінювання у наукових дослідженнях, промисловості, медичному зв'язку та ін. виникає необхідність збереження здоров'я людей, що експлуатують різні лазерні установки. 9
Лазер - джерело когерентного випромінювання, тобто узгодженого у часі та просторі руху фотонів у вигляді виділеного променя. Характер на зоровий апарат і ступінь вражаючої дії лазера залежить від щільності енергії випромінювання, довжини хвилі випромінювання (імпульсне чи безперервне). Характер пошкодження шкіри залежить від кольору шкіри, наприклад пігментована шкіра значно сильніше поглинає лазерне випромінювання, ніж пігментована. Світла шкіра відбиває до 40 % падаючого її випромінювання. При дії лазерного випромінювання виявлено низку небажаних змін з боку органів дихання, травлення, серцево-судинної та ендокринної систем. У деяких випадках ці загальні клінічні симптоми мають досить стійкий характер, будучи результатом впливу на нервову систему.
Охарактеризуємо дію найбільш біологічно небезпечних спектральних діапазонів лазерного опромінення. В інфрачервоній ділянці енергія найбільш «коротких» хвиль (0,7-1,3 мкм) може проникати на порівняно велику глибину в шкіру та прозорі середовища ока. Глибина проникнення залежить від довжини хвилі падаючого випромінювання. Ділянка високої прозорості на довжинах хвиль від 0,75 до 1,3 мкм має максимум прозорості в районі 1,1 мкм. На цій довжині хвилі 20% енергії, що падає на поверхневий шар шкіри, проникає у шкіру на глибину до 5 мм. При цьому в сильно пігментованій шкірі глибина проникнення може бути ще більшою. І, тим не менш, шкіра людини досить добре протидіє інфрачервоному випромінюванню, оскільки вона здатна розсіювати тепло завдяки кровообігу та знижувати температуру тканини внаслідок випаровування вологи з поверхні.
Але значно важче від інфрачервоного опромінення захистити очі, у них тепло практично не розсіюється, і кришталик, що фокусує випромінювання на сітківці, посилює ефект біологічної дії. Все це змушує під час роботи з лазерами особливу увагу звертати на захист очей. Рогова оболонка ока прозора для випромінювання в інтервалі довжин хвиль 0,75-1,3 мкм і стає практично непрозорою лише для довжин хвиль понад 2 мкм.
Ступінь теплового ураження рогівки залежить від поглиненої дози опромінення, причому травмується переважно поверхневий, тонкий шар. Якщо в інтервалі хвиль 1,2-1,7 мкм величина енергії опромінення перевищує мінімальну дозу опромінення, може статися повне руйнування захисного епітеліального шару. Зрозуміло, що подібне переродження тканин в області, що належить безпосередньо за зіницею, серйозно позначається на стані органу зору.
Слід мати на увазі, що райдужна оболонка, що відрізняється високим ступенем пігментації, поглинає випромінювання практично всього інфрачервоного діапазону. Особливо сильно схильна до дії випромінювання довжиною хвилі 0,8-1,3 мкм, оскільки випромінювання майже не затримується рогівкою і водянистою рідиною передньої камери ока.
Мінімальною величиною щільності енергії опромінення в інтервалі хвиль 0,8-1,1 мкм, здатної викликати ураження райдужної оболонки, вважають 4,2 Дж/см2. Одночасне ураження рогової та райдужної оболонок завжди носить гострий характер, а тому воно найбільш небезпечне. 10
Поглинання середовищем ока енергії випромінювання в інфрачервоній ділянці, що падає на рогову оболонку, зростає зі збільшенням довжини хвилі. При довжинах хвиль 1,4-1,9 мкм рогівка і передня камера ока поглинають практично все падаюче випромінювання, а при довжинах хвиль вище 1,9 мкм рогівка стає єдиним поглиначем енергії випромінювання.
При оцінці допустимих рівнів лазерної енергії необхідно враховувати сумарний ефект, що виробляється на прозорі середовища ока, сітківку та судинну оболонку. Оцінимо дію лазерного випромінювання на сітчасту оболонку ока.
Прогнозуючи можливість небезпеки лазерного опромінення, необхідно враховувати:
і т.д.................

Потужність. У перших лазерах з активною речовиною з рубіну енергія світлового імпульсу була приблизно 0,1 Дж. В даний час енергія випромінювання деяких твердотільних лазерів досягає тисяч джоулів. За малого часу впливу світлового імпульсу можна отримувати великі потужності. Так, неодимовий лазер генерує імпульси тривалістю 3·10 -12 с, і при енергії імпульсу 75 Дж потужність його досягає 2,5·10 13 Вт! (Для порівняння – потужність Красноярської ГЕС дорівнює 6·10 9 Вт.) Потужність газових лазерів значно нижча (до 50 кВт), проте їхня перевага в тому, що їхнє випромінювання відбувається безперервно, хоча серед газових є й імпульсні лазери.

Кут розбіжностілазерного пучка дуже малий, і тому інтенсивність світлового потоку майже не зменшується з відстанню. Імпульсні лазери можуть створювати інтенсивність світла до 10 14 Вт/м 2 . Потужні лазерні системи можуть давати інтенсивність до 10 20 Вт/м 2 . Для порівняння зауважимо, що середнє значення інтенсивності сонячного світла поблизу земної поверхні лише 10 3 Вт/м 2 . Отже, яскравість навіть щодо слабких лазерів у мільйони разів перевищує яскравість Сонця.

Когерентність. Узгоджене протікання у часі та у просторі кількох хвильових процесів, що виявляється при їх складанні. Коливання називають когерентними, якщо різниця фаз між ними залишається постійною у часі. При додаванні двох гармонійних коливань з однаковою частотою, але з різними амплітудами А 1 і А 2 та різними фазами утворюється гармонійне коливання тієї ж частоти, амплітуда якого в залежності від різниці фаз може змінюватися в межах від A 1 -А 2 до A 1 + A 2 , причому ця амплітуда у цій точці простору залишається постійною. Світлові хвилі, що випромінюються нагрітими тілами або при люмінесценції, створюються при спонтанних переходах електронів між різними енергетичними рівнями в незалежних один від одного атомах. Кожен атом випускає електромагнітну хвилю протягом часу 10 -8, яке називається часом когерентності. За цей час світло поширюється на відстань 3 м. Цю відстань називають довжиною когерентності або довжиною цуга. Хвилі, що знаходяться за межами довжини цуга, будуть некогерентними. Випромінювання, створюване безліччю незалежних друг від друга атомів, складається з безлічі цугів, фази яких хаотично змінюються не більше від 0 до 2p. Для виділення когерентної частини із загального некогерентного світлового потоку природного світла застосовують спеціальні пристрої (дзеркала Френеля, біпризми Френеля та інших.), які створюють світлові пучки дуже малої інтенсивності, тоді як лазерне випромінювання за всієї його величезної інтенсивності цілком когерентно.

Некогерентний світловий пучок в принципі не можна сфокусувати в пляму дуже малих розмірів, оскільки цьому перешкоджає відмінність у фазах його цугів. Когерентне лазерне випромінювання можна сфокусувати в пляму діаметром, що дорівнює довжині хвилі, цього випромінювання, що дозволяє збільшувати і без того більшу інтенсивність лазерного пучка світла.

Монохроматичність.Монохроматичним називають випромінювання зі строго однаковою довжиною хвилі, проте його може створити лише гармонійне коливання, що відбувається з незмінною частотою та амплітудою протягом нескінченно довгого часу. Реальне випромінювання може бути монохроматичним вже оскільки воно складається з безлічі цугів, і майже монохроматичним вважають випромінювання з вузьким спектральним інтервалом, який можна наближено характеризувати середньої довжиною хвилі. До появи лазерів випромінювання з певним ступенем монохроматичності вдавалося отримувати за допомогою призменних монохроматорів, що виділяють із суцільного спектра вузьку смугу довжин хвиль, проте потужність світла в такій смузі дуже мала. Лазерне випромінювання має високий ступінь монохроматичності. Ширина спектральних ліній, створюваних деякими лазерами, сягає 10 –7 нм.

Поляризація.Електромагнітне випромінювання в межах одного цуга поляризоване, але оскільки світлові пучки складаються з безлічі цугів, незалежних один від одного, то природне світло неполяризоване і для отримання поляризованого світла застосовують спеціальні пристрої – призми Ніколя, поляроїди тощо. На відміну від природного світла лазерне випромінювання повністю поляризоване.

Спрямованість випромінювання.Важливою властивістю лазерного випромінювання є його строга спрямованість, що характеризується дуже малою розбіжністю світлового променя, що є наслідком високого когерентності. Кут розбіжності у багатьох лазерів доведений приблизно до 10 -3 рад, що відповідає одній кутовій хвилині. Така спрямованість, абсолютно недосяжна у звичайних джерелах світла, дозволяє передавати світлові сигнали на величезні відстані при дуже малому ослабленні їх інтенсивності, що дуже важливо при використанні лазерів у системах передачі або вкосмосі.

Напруженість електричного поля.Ще одна властивість, що відрізняє лазерне випромінювання від звичайного світла - висока напруженість електричного поля в ньому. Інтенсивність потоку електромагнітної енергії I – EH(формула Умова – Пойнтінга), де Еі Н– відповідно напруженості електричного та магнітного полів у електромагнітній хвилі. Звідси можна підрахувати, що напруженість електричного поля світлової хвилі з інтенсивністю 10 18 Вт/м 2 дорівнює 3-10 10 В/м, що перевищує напруженість поля всередині атома. Напруженість поля у світлових хвилях, створюваних звичайними джерелами світла, вбирається у 10 4 В/м.

При падінні на тіло електромагнітна хвиля механічний тиск на це тіло, пропорційне інтенсивності потоку енергії хвилі. Світловий тиск, створюваний у літній день яскравим сонячним світлом, дорівнює приблизно 4 10 -6 Па (нагадаємо, що атмосферний тиск 10 5 Па). Для лазерного випромінювання величина світлового тиску досягає 1012 Па. Такий тиск дозволяє обробляти (пробивати, різати отвори та ін.) найтвердіші матеріали – алмаз та надтверді сплави.

Взаємодія світла з речовиною (віддзеркалення, поглинання, дисперсія) обумовлено взаємодією електричного поля світлової хвилі з оптичними електронами речовини. Атоми діелектриків в електричному полі поляризуються. При невеликій напруженості дипольний момент одиниці об'єму речовини (або вектор поляризації) пропорційний напруженості поля. Усі оптичні характеристики речовини, такі, як показник заломлення, показник поглинання та інші, однак пов'язані зі ступенем поляризації, яка визначається напруженістю електричного поля світлової хвилі. Оскільки цей зв'язок лінійний, тобто. величина Рпропорційна Е,що дає підставу називати оптику, що має справу з випромінюванням порівняно невеликих інтенсивностей, лінійною оптикою.

У лазерному випромінюванні напруженість електричного поля хвилі можна порівняти з напруженістю поля в атомах і молекулах і може змінювати їх у відчутних межах. Це призводить до того, що діелектрична сприйнятливість перестає бути постійною величиною і стає деякою функцією напруженості поля. . Отже, залежність вектора поляризації від напруженості поля не буде лінійної функцією. Тому говорять про нелінійну поляризацію середовища про нелінійну оптику, в якій діелектрична проникність речовини, показник заломлення, показник поглинання та інші оптичні величини будуть уже не постійними, а залежать від інтенсивності падаючого світла.

Одним із найчудовіших досягнень фізики другої половини ХХ століття було відкриття фізичних явищ, що послужили основою для створення дивовижного приладу - оптичного квантового генератора, або лазера.

Лазер є джерелом монохроматичного когерентного світла з високою спрямованістю світлового променя. Саме слово "лазер" складено з перших букв англійського словосполучення, що означає посилення світла в результаті вимушеного випромінювання.

Справді, основний фізичний процес, визначальний дію лазера, - це вимушене випромінювання. Воно відбувається при взаємодії фотона з збудженим атомом при точному збігу енергії фотона з енергією збудження атома (або молекули)

В результаті цієї взаємодії атом переходить у незбуджений стан, а надлишок енергії випромінюється у вигляді нового фотона з такою самою енергією, напрямом поширення та поляризацією, як і у первинного фотона. Таким чином, наслідком цього процесу є наявність двох абсолютно ідентичних фотонів. При подальшій взаємодії цих фотонів з збудженими атомами, аналогічними першому атому, може виникнути "ланцюгова реакція" розмноження однакових фотонів, що "летять" абсолютно точно в одному напрямку, що призведе до появи вузькоспрямованого світлового променя. Для виникнення лавини ідентичних фотонів необхідне середовище, в якому збуджених атомів було б більше, ніж збуджених, оскільки при взаємодії фотонів з незбудженими атомами відбувалося поглинання фотонів. Таке середовище називається середовищем з інверсною населеністю рівнів енергії.

Отже, крім вимушеного випромінювання фотонів збудженими атомами відбуваються також процес мимовільного, спонтанного випромінювання фотонів при переході збудженими атомами в збуджений стан і процес поглинання фотонів при переході атомів з збудженого в збуджений. Ці три процеси, що супроводжують переходи атомів у збуджені стани і назад, були постульовані А. Ейнштейном у 1916 році.

Якщо число збуджених атомів велике і існує інверсна виділеність рівнів (у верхньому, збудженому стані атомів більше, ніж у нижньому, незбудженому), то перший фотон, що народився в результаті спонтанного випромінювання, викличе все наростаючу лавину появи ідентичних фотонів. Відбудеться посилення спонтанного випромінювання.

На можливість посилення світла у середовищі з інверсною населеністю за рахунок вимушеного випромінювання вперше вказав 1939 р. радянський фізик

В.А. Фабрикант, який запропонував створювати інверсне населення в електричному розряді в газі.

При одночасному народженні (принципово це можливо) великої кількості спонтанно випущених фотонів виникне велика кількість лавин, кожна з яких поширюватиметься у своєму напрямку, заданому первісним фотоном відповідної лавини. В результаті ми отримаємо потоки квантів світла, але не зможемо отримати ні спрямованого променя, ні високої монохроматичності, оскільки кожна лавина ініціювалася власним первісним фотоном. Для того щоб середовище з інверсною населеністю можна було використовувати для генерації лазерного променя, тобто спрямованого променя з високою монохроматичністю, необхідно "знімати" інверсну населеність за допомогою первинних фотонів, які вже мають одну і ту ж енергію, що збігається з енергією даного переходу в атом. У цьому випадку ми матимемо лазерний підсилювач світла.

Існує, однак, і інший варіант отримання лазерного променя, пов'язаний із використанням системи зворотного зв'язку. Спонтанно народжені фотони, напрямок поширення яких не перпендикулярно площині дзеркал, створять лавини фотонів, що виходять за межі середовища. У той же час фотони, напрямок поширення яких перпендикулярно площині дзеркал, створять лавини, що багаторазово посилюються в середовищі внаслідок багаторазового відбиття від дзеркал. Якщо одне з дзеркал матиме невелике пропускання, то через нього виходитиме спрямований потік фотонів перпендикулярно площині дзеркал. При правильно підібраному пропущенні дзеркал, точному їх настроюванні щодо один одного і щодо поздовжньої осі середовища з інверсною населеністю зворотний зв'язок може виявитися настільки ефективним, що випромінюванням "вбік" можна буде повністю знехтувати порівняно з випромінюванням, що виходить через дзеркала. На практиці це справді вдається зробити. Таку схему зворотного зв'язку називають оптичним резонатором, і саме цей тип резонатора використовують у більшості лазерів.

1955 р. одночасно і незалежно Н.Г. Басовим і А. М. Прохоровим в СРСР і Ч. Таунсом в США було запропоновано принцип створення першого у світі генератора квантів електромагнітного випромінювання на середовищі з інверсною населеністю, в якому вимушене випромінювання в результаті використання зворотного зв'язку призводило до генерації надзвичайно монохроматичного випромінювання.

Через кілька років, в 1960 р., американським фізиком Т. Мейманом був запущений перший квантовий генератор оптичного діапазону - лазер, в якому зворотний зв'язок здійснювався за допомогою описаного вище оптичного резонатора, а інверсна населеність порушувалася в кристалах рубіна, опромінених випромінюванням ксенонової лампи . Рубіновий кристал є кристалом оксиду алюмінію АL2О3 з невеликою добавкою = О,05% хрому. При додаванні атомів хрому прозорі кристали рубіну набувають рожевого кольору і поглинають випромінювання у двох смугах ближньої ультрафіолетової області спектру. Усього кристалами рубіну поглинається близько 15% світла лампи-спалаху. При поглинанні світла іонами хрому відбувається перехід іонів у збуджений стан. В результаті внутрішніх процесів збуджені іони хрому переходять в основний стан не відразу, а через два збуджені рівні. На цих рівнях відбувається накопичення іонів, і при досить потужному спалаху ксенонової лампи виникає інверсна населеність між проміжними рівнями та основним рівнем іонів хрому.

Торці рубінового стрижня полірують, покривають інтерференційними плівками, що відбивають, витримуючи при цьому строгу паралельність торців один одному.

У разі інверсії населеностей рівнів іонів хрому в рубіні відбувається лавинне наростання числа вимушено випущених фотонів, і зворотний зв'язок на оптичному резонаторі, утвореному дзеркалами на торцях рубінового стрижня, забезпечує формування вузькоспрямованого променя червоного світла. Тривалість лазерного імпульсу==0.0001 з, трохи коротше тривалості спалаху ксенонової лампи. Енергія імпульсу рубінового лазера близько 1ДЖ.

За допомогою механічної системи (зеркало, що обертається) або швидкодіючого електричного затвора можна "включити" зворотний зв'язок (налаштувати одне з дзеркал) в момент досягнення максимальної інверсії населеностей і, отже, максимального посилення активного середовища. В цьому випадку потужність індукованого випромінювання буде надзвичайно велика і інверсія населеності "зніметься" вимушеним випромінюванням за дуже короткий час.

У цьому режимі модульованої добротності резонатора випромінюється величезний імпульс лазерного випромінювання. Повна енергія цього імпульсу залишиться приблизно тому ж рівні, як у режимі “вільної генерації”, але внаслідок скорочення у сотні разів тривалості імпульсу також у сотні разів зростає потужність випромінювання, досягаючи значення =100000000Вт.

Розглянемо деякі унікальні властивості лазерного випромінювання.

При спонтанному випромінюванні атом випромінює спектральну лінію кінцевої ширини. При лавиноподібному наростанні числа вимушено випущених фотонів у середовищі з інверсною населеністю інтенсивність випромінювання цієї лавини зростатиме, перш за все, в центрі спектральної лінії даного атомного переходу, і в результаті процесу ширина спектральної лінії початкового спонтанного випромінювання буде зменшуватися. Насправді в спеціальних умовах вдається зробити відносну ширину спектральної лінії лазерного випромінювання в 1*10000000-1*100000000 разів менше, ніж ширина найвужчих ліній спонтанного випромінювання, які у природі.

Крім звуження лінії випромінювання в лазері вдається отримати розбіжність променя менше 0,00001 радіана, тобто на рівні кутових секунд.

Відомо, що спрямований вузький промінь світла можна отримати в принципі від будь-якого джерела, поставивши на шляху світлового потоку ряд екранів з отворами, розташованими на одній прямій. Уявімо, що ми взяли нагріте чорне тіло і за допомогою діафрагм отримали промінь світла, з якого за допомогою призми або іншого спектрального приладу виділили промінь із шириною спектра, що відповідає ширині спектра лазерного випромінювання. Знаючи потужність лазерного випромінювання, ширину його спектра та кутову розбіжність променя, можна за допомогою формули Планка обчислити температуру уявного чорного тіла, використаного як джерело світлового променя, еквівалентного лазерного променя. Цей розрахунок приведе нас до фантастичної цифри: температура чорного тіла має бути близько десятків мільйонів градусів! Дивовижна властивість лазерного променя - його висока ефективна температура (навіть за відносно малої середньої потужності лазерного випромінювання або малої енергії лазерного імпульсу) відкриває перед дослідниками великі можливості, абсолютно нездійсненні без використання лазера.

Лазери розрізняються: способом створення серед інверсної населеності, чи, інакше кажучи, способом накачування (оптична накачування, порушення електронним ударом, хімічна накачування тощо. п.); робочим середовищем (гази, рідини, скла, кристали, напівпровідники тощо); конструкцією резонатора; режимом роботи (імпульсний, безперервний). Ці відмінності визначаються різноманіттям вимог щодо характеристик лазера у зв'язку з його практичними застосуваннями.