Это материал изгида Квантовыетехнологии. Партнер
гидаАкадемияРосатома.Что это?Схема, на которой изображен принцип
работы лазера оптического квантового генератора, создающего мощные
узконаправленные пучки света.Работа лазеров основана на том, что
конфигурация атома зависит от его уровня энергии. В атомах с
небольшим запасом энергии электроны стремятся располагаться на
нижних орбиталях. Такое состояние атома называется основным. Если
же атому сообщить энергию (при помощи воздействия света,
электричества, химической реакции и другими способами), то форма
его электронной оболочки изменится, поскольку электроны будут
переходить на более высокие уровни. Атом окажется в возбужденном
состоянии.Электроны возбужденных атомов со временем сбрасывают
энергию и возвращаются на более низкие электронные уровни, испуская
фотон спонтанного излучения. Он способен спровоцировать другие
возбужденные атомы также испустить фотоны, создав вынужденное
излучение. Они имеют те же частоту, фазу, направление движения и
поляризацию, что и спонтанные фотоны. При мере увеличения общего
числа фотонов это излучение и превращается в лазерный свет.Для
создания сильного пучка лазера необходимо создать активную среду, в
которой количество возбужденных атомов превышает число атомов в
основном состоянии. Для этого цилиндр лазера заполняют веществом,
атомы которого имеют набор энергетических уровней, позволяющих
эффективно преобразовывать энергию извне в электромагнитное
излучение. Это вещество будет подвергаться воздействию источника
накачки устройства, сообщающего энергию атомам активной среды для
генерации света. Если активная среда представляет собой твердое
тело, то наиболее распространенный способ его накачки облучение
светом от мощной газоразрядной лампы. Для накачки также может
использоваться электрический ток, химическое и тепловое воздействие
и другие способы.Наконец, последним, ключевым компонентом лазера
является резонатор, состоящий из двух параллельных зеркал, одно из
которых полупрозрачное, а другое не пропускает свет. Цилиндр с
активным веществом помещается между двумя зеркалами. Когда источник
накачки начинает сообщать веществу энергию, в цилиндре сначала
из-за спонтанного излучения начинают появляться первые фотоны,
которые затем провоцируют среду из возбужденных атомов к излучению
все большего и большего числа фотонов. Резонатор не дает свету
рассеяться, заставляя фотоны бегать между зеркалами, при каждом
проходе взаимодействуя с возбужденными атомами и порождая все
больше и больше фотонов. Когда в активной среде возникает
достаточно много фотонов, они вылетают наружу через полупрозрачное
стекло, создавая тем самым лазерное излучение.Чем это интересно для
науки?Свет, создаваемый лазером, обладает рядом свойств, делающих
его полезным для ученых. Так, он имеет очень небольшой разброс длин
волн и высокую когерентность (общую разность фаз колебаний), что
позволяет с его помощью проводить двухщелевые эксперименты. Лазеры
за счет высокой интенсивности и мощности могут испускать излучение
высокой температуры, и это дает возможность моделировать необычные
состояния вещества. Излучение лазеров также обладает узкой
спектральной шириной, что необходимо для возбуждения атомов и
манипулирования ими.Почему это важно знать?Лазеры нашли свое
применение в очень многих областях, став одним из самых значимых
открытий XX века. С помощью различных комбинаций веществ в активной
среде и источников накачки можно создавать лучи совершенно разной
частоты, величины и мощности, которые пригодны для решения самых
разных задач. Так, помощью лазеров осуществляют локальную
термическую и механическую обработку практически любых материалов,
что делает их полезными для лазерной сварки и лазерной резки в
промышленности, а также для проведения медицинских операций.
Обладая всеми свойствами волны, лазеры могут выступать в роли
переносчика информации, благодаря чему возможны лазерная связь и
передача данных по оптоволокну. Лазеры способны также работать как
средство маркировки, гравировки и голографии.
