Лазер
I ВВЕДЕНИЕ
Лазер – устройство, генерирующее и усиливающее свет. Слово «лазер» – это аббревиатура от Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (усиление света посредством вынужденного излучения). Лазерный свет обладает очень чистым цветом, может быть чрезвычайно интенсивным и может быть направлен с большой точностью. Лазеры используются во многих современных технологических устройствах, включая считыватели штрих-кодов, проигрыватели компакт-дисков (CD) и лазерные принтеры. Лазеры могут генерировать свет за пределами видимого человеческим глазом диапазона – от инфракрасного до рентгеновского. Мазеры – это аналогичные устройства, генерирующие и усиливающие микроволны.
II ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ
Лазеры генерируют свет, накапливая энергию в частицах, называемых электронами, внутри атомов, а затем побуждая электроны испускать поглощенную энергию в виде света. Атомы – строительные блоки всей материи на Земле, они в тысячу раз меньше вирусов. Электроны – основной источник почти всего света.
Свет состоит из мельчайших частиц энергии, называемых фотонами. Лазеры генерируют когерентный свет: монохроматический (одноцветный) свет, фотоны которого синхронизированы друг с другом.
Возбужденные атомы
В основе атома лежит плотно связанный кластер частиц, называемый ядром. Этот кластер состоит из двух типов частиц: протонов, имеющих положительный заряд, и нейтронов, не имеющих заряда. Ядро составляет более 99,9% массы атома, но занимает лишь малую часть его объема. Увеличьте атом до размеров стадиона «Янки», и тогда ядро, увеличенное в той же степени, будет размером всего с бейсбольный мяч.
Электроны, мельчайшие частицы с отрицательным зарядом, вращаются в остальном пространстве внутри атомов. Электроны движутся по сложным орбитам и существуют только в определенных энергетических состояниях или уровнях (см. Квантовую теорию). Электроны могут переходить с низкого на высокий энергетический уровень, поглощая энергию. Атом, содержащий хотя бы один электрон, занимающий более высокий энергетический уровень, чем обычно, называется возбуждённым. Атом может возбудиться, поглотив фотон, энергия которого равна разнице между двумя энергетическими уровнями. Энергия, цвет, частота и длина волны фотона напрямую связаны: все фотоны с одинаковой энергией имеют одинаковый цвет, частоту и длину волны.
Обычно электроны быстро возвращаются на более низкий энергетический уровень, выделяя дополнительную энергию в виде света (см. Фотоэлектрический эффект). Неоновые вывески и люминесцентные лампы светятся таким светом, поскольку множество электронов независимо испускают фотоны разных цветов во всех направлениях.
B Вынужденное излучение
Лазеры отличаются от более привычных источников света. Возбуждённые атомы в лазерах коллективно испускают фотоны одного цвета, движущиеся в одном направлении и синхронно друг с другом. Когда два фотона синхронны, пики и впадины их волн совпадают. Электроны в атомах лазера сначала накачиваются, или возбуждаются, до возбуждённого состояния источником энергии. Возбужденный атом может быть «стимулирован» фотоном точно такого же цвета (или, что эквивалентно, той же длины волны), что и фотон, который этот атом собирается спонтанно испустить. Если фотон приблизится достаточно близко, он может побудить возбужденный атом немедленно испустить свет той же длины волны, синхронизированный с фотоном, с которым он взаимодействовал. Это вынужденное излучение является ключом к работе лазера. Новый свет добавляется к существующему свету, и два фотона продолжают стимулировать другие возбужденные атомы, отдавая свою дополнительную энергию, снова синхронно. Это явление развивается как снежный ком, превращаясь в усиленный когерентный луч света: лазерный свет.
Например, в газовом лазере фотоны обычно движутся вперед и назад в газонаполненной трубке с высокоотражающими зеркалами, обращенными внутрь на каждом конце. Когда фотоны отскакивают между двумя параллельными зеркалами, они вызывают дальнейшее вынужденное излучение, и свет становится все ярче с каждым проходом через возбужденные атомы. Одно из зеркал посеребрено лишь частично, что позволяет проходить лишь небольшому количеству света, а не отражает его полностью. Интенсивный, направленный и одноцветный лазерный луч в конечном итоге выходит через это слегка прозрачное зеркало. Вышедший свет формирует лазерный луч.
Альберт Эйнштейн впервые предложил явление вынужденного излучения, лежащее в основе работы лазера, в 1917 году. Однако для воплощения идеи вынужденного излучения в рабочую модель потребовалось более четырёх десятилетий. Принципы работы лазеров были описаны американскими физиками Чарльзом Хардом Таунсом и Артуром Леонардом Шавловым в патентной заявке 1958 года. (Оба получили Нобелевские премии по физике за свои работы: Таунс в 1964 году, а Шавлов в 1981 году). Патент на лазер был выдан Таунсу и Шавлову, но позже он был оспорен американским физиком и инженером Гордоном Гулдом, который записал некоторые идеи и придумал слово «лазер» в 1957 году.
Информация по комментариям в разработке