Лазер - квантовий генератор електромагнітних хвиль у видимому діапазоні спектра (джерело електромагнітного випромінювання видимого, інфрачервоного і ультрафіолетового діапазонів), заснований на вимушеному випромінюванні атомів і молекул.
Слово "лазер" складено з початкових літер слів англійської фрази "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation". що означає "посилення світла в результаті вимушеного випромінювання".
У 1917 р А. Ейнштейн передбачив можливість переходу атома з вищого енергетичного стану в нижчу під впливом зовнішнього впливу. Таке випромінювання називається вимушеним випромінюванням і лежить в основі роботи лазерів.
Лазерні джерела світла мають ряд істотних переваг в порівнянні з іншими джерелами світла:
1. Лазери здатні створювати пучки світла з дуже малим кутом розбіжності (близько 10-5 рад).
2. Світло лазера має виняткову монохроматичністю.
3. Лазери є найпотужнішими джерелами світла.
Дія лазера засноване на вимушеному випромінюванні середовищем фотонів під дією зовнішнього електромагнітного поля.
Принцип дії лазера складний. Згідно планетарної моделі будови атома, запропонованої англійським фізиком Е. Резерфордом, в атомах різних речовин електрони рухаються навколо ядра з певних енергетичних орбітах. Кожній орбіті відповідає певне значення енергії електрона. У звичайному, не збудженому. стані електрони атома займають нижчі енергетичні рівні. Вони здатні тільки поглинати падаюче на них випромінювання.
В результаті взаємодії з випромінюванням атом здобуває додаткову кількість енергії, і тоді один або кілька його електронів переходять на віддалені від ядра орбіти, тобто на більш високі енергетичні рівні. У таких випадках кажуть, що атом перейшов в збуджений стан. Поглинання енергії відбувається строго визначеними порціями - квантами.
Надмірна кількість енергії, отримане атомом, не може в ньому залишатися нескінченно довго - атом прагне позбутися від надлишку енергії. Збуджений атом за певних умов буде віддавати отриману енергію так само строго визначеними порціями, в процесі випромінювання його електрони повертаються на колишні енергетичні рівні. При цьому утворюються кванти світла (фотони), енергія яких дорівнює різниці енергії двох рівнів. Відбувається мимовільне, або спонтанне випромінювання енергії.
Збуджені атоми здатні випромінювати не тільки самі по собі, але і під дією падаючого на них випромінювання, при цьому випромінювань квант і квант, «породив» його, схожі один на одного. В результаті індуковане (викликане) випромінювання має ту ж довжину хвилі, що і викликала його хвиля. Імовірність індукованого випромінювання буде наростати при збільшенні кількості електронів, які перейшли на верхні енергетичні рівні.
Існують так звані інверсні системи атомів. де відбувається накопичення електронів переважно на більш високих енергетичних рівнях. У них процеси випромінювання квантів переважають над процесами поглинання. Інверсні системи використовуються при створенні оптичних квантових генераторів - лазерів. Подібну активну середу поміщають в оптичний резонатор. що складається з двох паралельних високоякісних дзеркал, розміщених по обидва боки від активного середовища. Кванти випромінювання, що потрапили в цю середу, багаторазово відбиваючись від дзеркал незліченну кількість разів перетинають активне середовище. При цьому кожен квант викликає поява одного або декількох таких же квантів за рахунок випромінювання атомів, що знаходяться на більш високих рівнях.
У будь-якому лазері є три основні частини:
1) Активна робоче середовище
2) Система накачування
3) Пристрій для посилення випромінюваного світла - оптичний резонатор.
ОБЛАСТІ ЗАСТОСУВАННЯ ЛАЗЕРОВ
- Військова справа (лазерна локація, лазерні системи стеження, наведення і т.д.)
- Медицина (хірургія, офтальмологія, терапія)
- зв'язок
- Інформаційні технології
- Мистецтво (видовищні шоу)
- Голографія
- Лазерне зварювання, пайка і різання металів
- Лазерний термоядерний синтез
- лазерний каталіз
За допомогою лазера навчилися отримувати об'ємні зображення предметів, використовуючи когерентність лазерного променя голографічні зображення предметів - голографія.
Принцип створення голограм
Зразки лазерних голограм
Значний ефект отриманий і при використанні лазерів в медицині.
Лазери застосовуються в стоматології, нейрохірургії, при операціях на серці і діагностиці захворювань. Ультрафіолетові лазери застосовують для раннього виявлення ракових пухлин.
Був створений лазерний скальпель.
Виникла лазерна мікрохірургія ока. За допомогою променя лазера можна проводити хірургічні операції: наприклад, «приварювати» відшарувалася від очного дна сітківку.
Дуже перспективним є використання лазерного променя для зв'язку, особливо в космічному пространстве.Лазери дозволили створити светолокатор, за допомогою якого відстань до предметів вимірюється з точністю до декількох міліметрів.
Останнім часом набула поширення ще одна важлива область застосування лазерів - лазерна технологія, за допомогою якої забезпечується різання, зварювання, легування, скрайбірованіе металів і обробка інтегральних мікросхем. Лазери використовуються для різних видів обробки матеріалів: металів, бетону, скла, тканин, шкіри і т.п.
Величезна потужність лазерного променя використовується для випаровування матеріалів у вакуумі, для зварювання і т. Д.
В останні роки в одній з найважливіших областей мікроелектроніки - фотолитографии, без застосування якої практично неможливо виготовлення надмініатюрних друкованих плат, інтегральних схем та інших елементів мікроелектронної техніки, звичайні джерела світла замінюються на лазерні. Лазери застосовуються для запису і зберігання інформації (лазерні диски).
Перспективно використання потужних лазерних променів для здійснення керованої термоядерної реакції.
Порушуючи лазерним випромінюванням атоми або молекули, можна викликати між ними хімічні реакції, які в звичайних умовах не йдуть.