В 1917 году Альберт Эйнштейн впервые в истории заявил о том, что под влиянием внешнего воздействия определенного характера атом может перейти со своего высшего энергетического состояния в низшее, в результате чего будет получено излучение нового типа. Такому излучению впоследствии физики дали название «вынужденное излучение». Именно оно составляет принцип работы лазера.
Лазером называется квантовый генератор электромагнитных волн, который действует в видимом диапазоне спектра, являющегося источником электромагнитного излучения видимого диапазона, а также инфракрасного и ультрафиолетового. В основе данного процесса лежит вынужденное излучение молекул и атомов.
Принцип работы лазера кратко
Следует отметить, что принцип действия лазера очень сложен. Согласно предложенной физиком Резерфордом планетарной модели атома, электроны в атомах разных веществ осуществляют движение вокруг ядра по так называемым энергетическим орбитам. Каждой из этих орбит соответствует определенное значение энергии, которой обладает электрон. В обычном, спокойном состоянии электроны атома находятся на более низких энергетических уровнях и обладают только способностью поглощать излучение, непосредственно падающее на них.
При взаимодействии с излучением атом получает дополнительную энергию, вследствие чего один или несколько электронов перемещаются на орбиты, которые критически удалены от ядра, то есть переходят на самые высокие энергетические заказать изготовление шкаф купе уровни. В данном случае говорят, что произошел переход атома в возбужденное состояние. Поглощение энергии осуществляется четко разграниченными порциями — так называемыми квантами.
Атом получает избыточное количество энергии, которая не может оставаться в нем продолжительное время — поэтому атом стремится от излишней энергии избавиться. При определенных условиях возбужденный атом может избавляться от полученной энергии тоже строго определенными порциями, а при излучении электроны будут возвращаться на прежний энергетический уровень. При этом формируются кванты света (фотоны), показатель энергии которых равен разности энергии, полученной на двух уровнях. Таким образом, осуществляется самопроизвольное излучение энергии.
Следует отметить, что возбужденные атомы могут излучать энергию не только сами по себе, но также под влиянием падающего излучения. В данном случае квант, который был излучен, и квант, который «породил» его, аналогичны друг другу. Таким образом, индуцированное излучение (то есть то, которое было вызвано под воздействием определенных обстоятельств) имеет волну такой же длины, что и волна, которая его вызвала. Если количество электронов, которые переходят на верхние энергетические уровни, будет увеличиваться, то одновременно будет нарастать вероятность индуцированного излучения.
В так называемых инверсных системах атомов электроны накапливаются, как правило, на более высоких энергетических уровнях, и процессы излучения квантов являются превалирующими над процессами поглощения.
Инверсные системы применяются при формировании лазеров — оптических квантовых генераторов. Эту активную среду располагают в оптическом резонаторе, который включает два высококачественных зеркала, размещенных параллельно по отношению друг к другу по обе стороны активной среды. Оказавшиеся в этой среде кванты излучения пересекают активную среду, отражаясь от зеркал бесчисленное число раз. Каждый квант приводит к появлению одного или нескольких квантов благодаря излучению атомов, которые находятся на более высоких уровнях.
Лазер, чьей активной средой является смесь неона и гелия, называется гелий-неоновым лазером. Такие лазеры применяются для проведения лабораторных опытов, а также в оптике. Рабочая длина волны составляет 632,8 нм, а располагается она в красной зоне видимого спектра.
Рассмотрим устройство и принцип работы гелий-неонового лазера. Его рабочим телом является смесь гелия и неона в соотношении 5:1. Эта смесь помещается в стеклянную колбу под низким давлением (300 Па). Энергия накачивания образуется от находящихся в торцах колбы от двух электрических разрядников, напряжение которых составляет 1000 вольт.
Резонатор гелий-неонового лазера состоит из двух зеркал: одно из них полностью непрозрачное с одной стороны колбы, второе пропускает на выходной стороне устройства 1% падающего излучения.
Одна из главных отличительных особенностей гелий-неоновых лазеров — компактность. Как правило, размер резонатора составляет от 15 до 50 см, мощность — 1–100 мВт.
Рабочее тело гелий-неонового лазера — смесь гелия и неона в соотношении 5:1. Смесь находится в стеклянной колбе под давлением 300 Па, энергия накачки подается от двух расположенных в торцах колбы электрических разрядников, напряжение которых составляет около 1000 вольт.