3.1.2. Принцип работы и классификация лазеров

Лазер – это генератор когерентного электромагнитного излучения, работающий в оптическом диапазоне длин волн (видимая, УФ- и ИК-области спектра). Его работа основана на индуцированном излучении квантовых систем (атомов, ионов или молекул вещества), возникающем под воздействием внешнего источника энергии [4,6]. Аналогичный прибор, работающий в СВЧ-диапазоне, называется мазером.

Создание лазеров началось в начале прошлого века, когда ученые сформулировали идею квантового генератора. Первый молекулярный генератор на аммиаке, излучающий радиоволны с длиной волны около 1 см, был создан практически одновременно в 1954 г. Н.Г.Басовым и А.М. Прохоровым в СССР (в Физическом институте им. П.Н.Лебедева) и Ч.Тоунсом с сотрудниками в США (в Колумбийском университете). Эта работа была отмечена Нобелевской премией.

Для работы лазера необходимо три основных компонента :

- рабочее тело – оптически активная среда, способная пропускать и излучать фотоны;

- источник энергии и физический механизм, приводящий активную среду в состояние инверсии (этот процесс называется накачкой);

- устройство для селекции и усиления идентичных фотонов (оптический резонатор).

Источник энергии подает энергию в систему. Для накачки лазеров используют разные источники энергии. Чаще всего применяют оптическую (импульсная лампа, дуговая лампа, другой лазер), электрическую  или химическую  накачку. Тип устройства зависит от используемого рабочего тела.

Рис.3.1. Принцип накачки лазера

Рассмотрим,  механизм накачки  лазера при использовании оптического источника энергии (рис. 3.1). При прохождении электромагнитной волны, испускаемой источником энергии, сквозь вещество ее энергия поглощается; часть атомов возбуждается и переходит с нижнего энергетического уровня на верхний. Возбужденный атом может отдавать свою энергию соседним атомам при столкновении или испускать фотон в любом направлении. Излучение возбужденных атомов под действием падающего на них света называется индуцированным излучением. Замечательной особенностью этого излучения является то, что возникшая при индуцированном излучении световая волна не отличается от волны, падающей на атом, ни частотой, ни фазой, ни поляризацией (является когерентной). Если каким либо способом возбудить большую часть атомов среды, исходная электромагнитная волна будет усиливаться за счет этого индуцированного излучения.  Создание такой активной среды (инверсной) является необходимым условием работы лазера.

Для получения инверсии необходимо, чтобы рабочее вещество имело хотя бы еще один уровень с высокой энергией. В этом случае возбужденный атом находится на уровне 2 очень небольшой промежуток времени (10-8 с), после чего самопроизвольно переходит в состояние 3 без излучения света (энергия при этом передается кристаллической решетке). Время нахождения в состоянии 3 в 100000 раз больше, т.е. составляет 10-3 с. Переход из состояния 3  в состояние 1 под действием внешней электромагнитной волны сопровождается излучением. Таким образом, создается перенаселенность возбужденного уровня по сравнению с невозбужденным (накачка).

Второе условие работы лазера  - наличие оптического резонатора. Простейший оптический резонатор - два параллельных зеркала, между которыми находится рабочее тело. Вынужденное излучение рабочего тела отражается зеркалами обратно и вновь усиливается. Волна может отражаться многократно до момента выхода наружу. Одно из зеркал выполняют полупрозрачным. Когда усиление излучения в рабочем веществе достигает некоторого порогового значения, зависящего от коэффициента отражения полупрозрачного зеркала, поток излучения выходит наружу. В более сложных лазерах применяются четыре и более зеркал. От качества изготовления и установки зеркал зависит качество полученной лазерной системы.

Рабочее тело (активная среда) определяет длину волны, испускаемой лазером, тип источника энергии и механизм накачки лазера. Существует большое количество различных веществ, на основе которых можно построить лазер. Чаще всего лазеры классифицируют по агрегатному состоянию рабочего тела (рис.3.2).

Рис.3.2. Классификация лазеров по природе активной среды

Кроме того, любой лазер имеет специальные устройства для увеличения мощности (быстродействующий оптический затвор, система лазерных усилителей и др.), а также  устройства, позволяющие эффективно передавать лазерное излучение технологическому объекту (фокусирующие, отражающие, преломляющие оптические элементы).