Газови лазери
1. Характеристики на лазерното лъчение.
2. Естеството на лазерното лъчение.
3. Разновидности на лазерите. Газови лазери.
Едно от най-забележителните постижения на физиката през втората половина на ХХ век е откриването на физически явления, послужили като основа за създаването на удивително устройство, оптичен квантов генератор или лазер.
Лазерът е монохроматичен кохерентен източник на светлина с висока насоченост на светлинния лъч. Самата дума "лазер" се състои от първите букви на английската фраза, което означава "усилване на светлината в резултат на стимулирано лъчение".
Всъщност основният физически процес, който определя действието на лазера, е стимулираното излъчване на радиация. Това се случва, когато фотонът взаимодейства с възбуден атом, когато енергията на фотона съвпада точно с енергията на възбуждане на атома (или молекулата)
В резултат на това взаимодействие атомът преминава в невъзбудено състояние и излишната енергия се излъчва под формата на нов фотон с абсолютно същата енергия, посока на разпространение и поляризация като основния фотон. По този начин последицата от този процес е наличието на два абсолютно еднакви фотона. При по-нататъшно взаимодействие на тези фотони с възбудени атоми, подобни на първия атом, може да възникне „верижна реакция“ на умножението на еднакви фотони, „летящи“ в точно една посока, което ще доведе до появата на тясно насочен светлинен лъч . За появата на лавина от идентични фотони е необходима среда, в която би имало повече възбудени атоми, отколкото невъзбудени, тъй като взаимодействието на фотоните с невъзбудените атоми би довело до абсорбирането на фотоните. Такава среда се нарича среда с обърната популация от енергийни нива.
Така че, освен стимулираното излъчване на фотони от възбудени атоми, има и процес на спонтанно, спонтанно излъчване на фотони по време на прехода от възбудени атоми в невъзбудено състояние и процес на поглъщане на фотони по време на прехода на атомите от невъзбудено състояние до възбудено състояние. Тези три процеса, придружаващи преходите на атомите към възбудени състояния и обратно, са постулирани от А. Айнщайн през 1916г.
Ако броят на възбудените атоми е голям и има обратно разделяне на нивата (има повече в горното, възбудено състояние на атомите, отколкото в долното, невъзбудено състояние), тогава първият фотон, роден в резултат на спонтанно излъчване причиняват непрекъснато нарастваща лавина от идентични фотони. Ще настъпи увеличаване на спонтанните емисии.
Възможността за усилване на светлината в среда с обърната популация поради стимулирана емисия е посочена за първи път през 1939 г. от съветски физик
В.А. Производителят, който предложи да се създаде обратна популация при електрически разряд в газ.
С едновременното създаване (по принцип това е възможно) на голям брой спонтанно излъчени фотони ще възникнат голям брой лавини, всяка от които ще се разпространява в собствена посока, зададена от първоначалния фотон на съответната лавина. В резултат на това ще получим потоци от светлинни кванти, но няма да можем да получим нито насочен лъч, нито висока монохроматичност, тъй като всяка лавина е инициирана от свой собствен първоначален фотон. За да може да се използва среда с обърната популация за генериране на лазерен лъч, т.е. насочен лъч с висока монохроматичност, е необходимо да се „отстрани“ обърнатата популация с помощта на първични фотони, които вече имат същата енергия, която съвпада с енергията на този преход в атом. В този случай ще имаме лазерен усилвател на светлината.
Съществува обаче друга възможност за получаване на лазерен лъч, свързана с използването на система за обратна връзка. Спонтанно генерирани фотони, чиято посока на разпространение не е перпендикулярна на равнината на огледалата, ще създаде лавини от фотони, които излизат извън средата. В същото време фотоните, чиято посока на разпространение е перпендикулярна на равнината на огледалата, ще създадат лавини, които се усилват многократно в средата поради множество отражения от огледалата. Ако едно от огледалата има ниско предаване, тогава през него ще излезе насочен поток от фотони, перпендикулярен на равнината на огледалата. При правилно подбрано предаване на огледала, тяхната точна настройка едно спрямо друго и спрямо надлъжната ос на среда с обърната популация, обратната връзка може да бъде толкова ефективна, че страничното лъчение може да бъде напълно пренебрегнато в сравнение с излъчването през огледала. На практика това наистина може да се направи. Тази схема на обратна връзка се нарича оптичен резонатор и именно този тип резонатор се използва в повечето съществуващи лазери.