Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Подготовила ученица 11 «А» класса Воронова Надежда

Лазер (оптический квантовый генератор) устройство, преобразующее энергию накачки (световую, электрическую, тепловую, химическую и др.) в энергию когерентного, монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучения.

В 1940 г. российский физик В.А.Фабрикант указал на возможность использования явления вынужденного излучения для усиления электромагнитных волн. В 1954 г. Российские ученые Н.Г.Басов и А.М.Прохоров и независимо от них американский физик Ч.Таунс использовали явление индуцированного излучения для создания микроволнового генератора радиоволн с длиной волны 1,27 см («мазер»). В 1963 г. Н.Г.Басков и А.М.Прохоров и Ч.Таунс были удостоены Нобелевской премии. В 1960 г. Американскому ученому Т.Мейману удалось создать квантовый генератор индуцирующий излучение оптического диапазона. Новый генератор назвали «лазер».

Под индуцированным излучением понимается излучение возбужденных атомов под действием падающего на них света. 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. На языке квантовой теории вынужденное излучение означает переход атома из высшего энергетического состояния в низшее, но не самопроизвольно, как при обычном излучении, а под влиянием внешнего воздействия.

Лазеры создают пучки света с малым углом расхождения (10 -5 рад.). Свет, излучаемый лазером, монохроматичен, т.е. Имеет только одну длину волны, один цвет. Лазеры являются самыми мощными источниками света: сотни и тысячи ватт. Мощность излучения Солнца - 7·10 3 Вт, а у некоторых лазеров – Вт.

В обычных условиях атомы находятся в низшем энергетическом состоянии. За счет поглощения энергии волны часть атомов переходит в высшее энергетическое состояние. Представим, что каким- либо способом мы возбудили большую часть атомов среды. Тогда при прохождении через вещество электромагнитная волна будет не ослабляться, а напротив усиливаться за счет индуцированного излучения. Под ее воздействием атомы согласованно переходят в низшие энергетические состояния, излучая волны, совпадающие по частоте и фазе с падающей волной.

На рисунке изображены три энергетических уровня. На уровне 3 атомная система живет очень мало, порядка с, после чего самопроизвольно переходит в состояние 2 без излучения света. «Время жизни» в состоянии 2 в раз больше, т. е. составляет около с. Переход из состояния 2 в состояние 1 под действием внешней электромагнитной волны сопровождается излучением. Это используется в лазерах. После вспышки мощной лампы система переходит в состояние 3 и спустя промежуток времени около с оказывается в состоянии 2, в котором живет сравнительно долго. Таким образом и создается «перенаселенность» возбужденного уровня 2 по сравнению с невозбужденным уровнем 1.

Основная деталь рубинового лазера – рубиновый стержень. Рубин состоит из атомов Al и O с примесью атомов Cr. Именно атомы хрома придают рубину цвет и имеют метастабильное состояние.

На стержень навита трубка газоразрядной лампы, называемой лампой накачки. Служит для передачи атомам хрома квантов энергии для перехода из основного состояния в метастабильное. Очень быстро образуется «перенаселённость» метастабильного уровня.

Один из торцов стержня зеркальный (для как можно большей задержки фотонов внутри стержня и вызывания как можно большего числа актов вынужденного излучения), другой – полупрозрачный (через него выходит лазерное излучение). Боковая поверхность стержня непрозрачная.

Между зеркалами находится запаянная трубка с газом, который возбуждается электрическим током. Неон светится красным светом, криптон – желтым, аргон – синим.

В полупроводниковом лазере излучает слой между двумя полупроводниками разного типа (p-типа, n- типа). Через этот слой – не толще листа бумаги – пропускают электрический ток, возбуждающий его атомы.

Жидкость с красителем в специальном сосуде устанавливается между зеркалами. Энергия молекулы красителя «накачивается» оптически с помощью газовых лазеров. В тяжелых молекулах органических красителей вынужденное излучение возникает сразу в широкой полосе длин волн. С помощью светофильтров выделяют свет одной длины волны.

Лазер – метеоролог : Лазеры на красителях помогают следить за состоянием атмосферы. О степени загрязнения воздуха можно судить по тому, насколько сильно в нём рассеиваются лазерные лучи с разной длиной волны. В чистом воздухе свет не рассеивается, его лучи становятся невидимыми.

Лазер режет и сваривает Лазерный станок с программным управлением. На станке быстро и точно обрабатывают твёрдую керамику, легированную сталь и другие материалы, которые можно одолеть только лучом лазера. Лазерный луч сжигает любой, даже самый прочный и жаростойкий материал.

Тонкую вольфрамовую проволоку для электрических лампочек протягивают через отверстия в алмазах, пробитые лазерным лучом. Рубиновые подшипники – камни для часов – обрабатывают на лазерных станках-автоматах.

Оформление эстрадных концертов и театральных постановок.

Световая локация Луны ведётся по пяти угловым отражателям. И оказалось, что существующая теория движения Луны не совсем верна и нуждается в уточнении. Благодаря лазерным исследованиям ученые смогли точнее определить форму земного шара. Земля оказалась сплюснута у полюсов, и к тому же слегка вдавлена на Северном полюсе и выпукла на Южном. Учёные назвали такую форму «геоид», что означает: «тело, имеющее форму Земли».

В руке хирурга лазерный скальпель. Красный луч рубинового лазера свободно проходит сквозь оболочку красного шарика и поглощается синим, прожигая его. Поэтому при хирургической операции световой луч воздействует на стенку кровеносного сосуда, «не замечая» самой крови.

Объёмное изображение предмета – его голограмма – получится, если на фотопластинку одновременно попадут лучи света и от лазера, и от предмета, освещённого этим лазером. Чтобы сделать цветную голограмму, на вид неотличимую от реального предмета, необходимо три лазера с излучением разного цвета.

На заре развития лазерной техники французский физик Луи де Бройль сказал: « Лазеру уготовано большое будущее. Трудно предугадать, где и как он будет применяться, но я думаю, что лазер – это целая техническая эпоха».