Як працюють лазери
LASER розшифровується як Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (підсилення світла вимушеним випромінюванням). Лазер створює вузький когерентний промінь світла, де всі фотони рухаються в одному напрямку з однаковою фазою та довжиною хвилі — використовуючи квантовий процес, який Ейнштейн передбачив 1917 року, за десятиліття до того, як було побудовано перший лазер.
1. Три взаємодії світла з речовиною
Атом має дискретні енергетичні рівні. Коли електрон перестрибує між ними, він обмінюється фотоном. Ейнштейн виокремив три фундаментальні процеси:
- Поглинання: фотон надходить із точно потрібною енергією → електрон перестрибує на вищий рівень, фотон зникає.
- Спонтанне випромінювання: збуджений електрон спонтанно опускається на нижчий рівень → випромінює фотон у випадковому напрямку з випадковою фазою. Саме так працює звичайне світло (лампи, вогонь, зірки).
- Вимушене випромінювання: фотон надходить, коли електрон уже перебуває у збудженому стані → електрон опускається й випромінює ідентичний фотон — з тією самою довжиною хвилі, напрямком, фазою та поляризацією. Результат — два когерентні фотони там, де був один. Це і є механізм лазера.
h = 6.626×10⁻³⁴ Дж·с (стала Планка), ν = частота, λ = довжина хвилі
2. Інверсія населеності
Зазвичай більше атомів перебуває у станах з низькою енергією, ніж із високою (розподіл Больцмана). Щоб вимушене випромінювання переважало над поглинанням, потрібно більше атомів у збудженому стані, ніж в основному, — ситуація, що називається інверсією населеності.
Інверсія населеності термодинамічно незвична: у рівновазі її не має жодна система. Енергію треба безперервно накачувати. Це «накачування» забезпечують:
- Оптичне накачування: освітлення активного середовища яскравим зовнішнім джерелом світла (лампа-спалах, діодний лазер).
- Електричне накачування: пропускання струму через напівпровідник або розряд через газ (He-Ne лазер, CO₂ лазер).
- Хімічне накачування: хімічні реакції безпосередньо утворюють збуджені молекули (застосовується у військових хімічних лазерах).
Трирівневі проти чотирирівневих систем: рубіновий (трирівневий) потребує дуже інтенсивного накачування. Більшість сучасних лазерів використовують чотирирівневі схеми (як Nd:YAG), де нижній лазерний рівень не є основним станом — він швидко спорожнюється, через що інверсію набагато легше підтримувати.
3. Оптичний резонатор
Саме лише активне середовище створює підсилене спонтанне випромінювання (ASE) — дуже яскраве спрямоване світіння, але не лазер. Щоб отримати справжній лазер, потрібен оптичний резонатор: два дзеркала, обернені одне до одного, з активним середовищем між ними.
Фотони, що рухаються вздовж осі резонатора, відбиваються туди й назад, запускаючи дедалі більше вимушеного випромінювання за кожен прохід — оптична ланцюгова реакція. Одне дзеркало відбиває на 100%; інше частково прозоре (~95–99%), щоб випускати світло у вигляді променя.
Резонатор також діє як селектор частоти (ефект еталона): лише ті довжини хвиль, для яких довжина резонатора є цілим кратним половини довжини хвилі, утворюють стоячі хвилі (повздовжні моди) й зазнають найвищого підсилення. Саме тому лазери випромінюють вузькі спектральні лінії.
4. Когерентність і монохроматичність
Лазерне світло має властивості, з якими не зрівняються звичайні джерела:
- Часова когерентність: дуже вузька ширина лінії (Δλ ~ 0.001 нм). Лазер HeNe може підтримувати сталий фазовий зв'язок на метрах поширення (довжина когерентності ~300 м для одномодового лазера).
- Просторова когерентність: усі частини променя мають фіксований фазовий зв'язок. Це уможливлює щільне фокусування нижче дифракційної межі та далеку колімацію.
- Низька розбіжність: добре зколімований червоний лазерний указник збільшується лише з 1 мм до ~2 мм у діаметрі на відстані 1 км.
Ці властивості виникають тому, що вимушене випромінювання створює ідентичні фотони — промінь є фазово синхронізованим підсиленням єдиного початкового фотона.
5. Типи лазерів
6. Застосування
Виробництво: CO₂ та волоконні лазери ріжуть, зварюють і маркують метали з точністю, неможливою для механічних інструментів. Волоконний лазер потужністю 6 кВт ріже сталевий лист завтовшки 1 см зі швидкістю 1 м/хв.
Медицина: офтальмологічна операція LASIK змінює форму рогівки імпульсами ексимерного лазера ArF (193 нм). Хірургічні лазери запаюють кровоносні судини під час процедур. Фотодинамічна терапія активує молекули ліків за допомогою лазерного світла.
Зв'язок: оптоволоконні мережі передають лазерне світло 1550 нм (діодні лазери InGaAsP) скляними волокнами. Одне волокно може передавати понад 100 Тбіт/с завдяки спектральному ущільненню каналів.
LIDAR: автономні транспортні засоби та картографічні супутники використовують імпульсні лазери для вимірювання відстаней. Час прольоту: $d = c \cdot \Delta t / 2$, де Δt — час руху туди й назад. Роздільна здатність до ~1 см на дальності 200 м.
7. Класи безпеки лазерів
Потужність лазера й час впливу променя визначають небезпеку. Класифікація IEC 60825:
- Клас 1: безпечні за будь-якого звичайного використання (лазерні принтери, CD-програвачі); промінь закритий.
- Клас 2: малопотужні видимі (≤1 мВт); рефлекс моргання захищає око. Червоні лазерні указники.
- Клас 3R: дещо небезпечні (≤5 мВт); уникайте прямого впливу на очі.
- Клас 3B: небезпечні за прямого контакту з променем; розсіяне світло зазвичай безпечне. Лабораторні лазери.
- Клас 4: небезпечні для очей і шкіри; розсіяне світло може займати матеріали. Промислові та хірургічні лазери.