10.1. Характеристика и источники лазерного излучения

Лазер (оптический квантовый генератор) – это генератор электромагнитного излучения оптического диапазона, основанный на использовании вынужденного излучения.

Термин лазер означает в переводе с английского усиление света в результате вынужденной эмиссии излучения (Light amplication by stimulated omission of radiation). Хотя лазерный процесс теоретически был предсказан Альбертом Эйнштейном в 1916 году, первый успешный рубиновый лазер продемонстрирован Мейманом Т. только в 1960 году. В последние годы лазеры вышли из исследовательских лабораторий в промышленные, медицинские и офисные учреждения, на строительные площадки и даже в домашнее хозяйство.

Во многих устройствах, например, проигрывателях для видеодисков и системах оптико-волоконной связи, мощность лучистой энергии лазеров заключена внутри самого изделия. Однако в некоторых промышленных, исследовательских или медицинских приборах созданная лазерами лучистая энергия "открыта" и может создать потенциальную опасность для глаз и кожи.

Поскольку лазерный процесс может создать мощный коллимационный (заключенный в ограниченном телесном угле) луч оптического излучения (в ультрафиолетовой, видимой или инфракрасной области спектра), то лазер может быть опасным даже на больших расстояниях. Тем не менее, лазеры могут безопасно использоваться при соответствующем уровне контроля опасности.

Лазеры работают на дискретной длине волны, поэтому большинство лазеров являются монохроматическими. Для лазеров нетипична эмиссия нескольких волн дискретной длины. Например, аргоновый лазер испускает несколько разных линий в пределах около-ультрафиолетового и видимого спектра. Но, обычно, подобный лазер создается для эмиссии только зеленой линии (длина волны 514,5 им) и/или голубой линии (длина волны 488 нм). При рассмотрении вопроса о потенциальной опасности для здоровья длина волны на выходе лазера имеет большое значение.

Все лазеры состоят из трех основных конструкционных блоков:

1. Активная среда (твердая (рубин), жидкая (органические красители) или газообразная (гелий, неон, углекислый газ)), которая определяет возможную длину волн эмиссии.

2. Источник энергии (например, газовый разряд, электрический ток, импульсная лампа или химическая реакция).

3. Оптический резонатор (простейший оптический резонатор состоит из двух параллельно расположенных зеркал).

В лазере одинаковые атомы и молекулы активной среды, находящейся в оптическом резонаторе, приводятся в возбужденное состояние энергией, поступающей, например, от импульсной лампы. Испущенные находящими в возбужденном состоянии атомами фотоны многократно отражаются от зеркал оптического резонатора, вновь и вновь проходя через активный элемент, вызывают в нем акты вынужденного испускания фотонов. В начале возникновения генерации лазера в нем одновременно и независимо усиливается множество волн, порожденных отдельными фотонами. Фазы этих волн независимы между собой, но их когерентность и интенсивность постоянно увеличиваются за счет процессов вынужденного испускания. В ходе взаимной конкуренции этих волн решающую роль приобретает соотношение между длиной волны и размерами резонатора. В результате возникает когерентное монохроматичное излучение, направленное вдоль оси резонатора.

Лазерное излучение широко используют в промышленности, в частности, при сварке тугоплавких металлов и сплавов, в процессе резки металлом, пластмасс, в фотофизике, фотохимии, спектроскопии, хирургии, для создания оптических эффектов при проведении музыкальных шоу и др.