Принцип получения лазерного луча

В основе действия лазера лежит тот же принцип, по которому работали ранее созданные лазеры. Лазеры получили одно название — оптический лазер. Особенность действия в вынужденном излучении избыточной энергии под воздействием внешних условий.

При наличии среды, состоящей из микрочастиц с большинством возбужденных атомов, возникает лазерная генерация. Для подготовки такого множества  частиц, необходимо накачать в среду дополнительную энергию с помощью внешних источников. В зависимости от того, с помощью чего осуществляется накачка, выделяются типы лазеров.

Для накачки среды могут использоваться:

• электромагнитное излучение с длиной волны отличающейся от длины лазерной волны;
• электрический ток;
• пучок электронов с очень высокой скоростью;
• электроразряд;
• химическая реакция.

Свет — одна из форм материи. В его состав входят сгустки энергии — кванты. Атомы всех веществ способны излучать или поглощать свет, испуская или захватывая цельные кванты. С долями квантов атомы могут взаимодействовать только при соблюдении особых условий. Длина волны излучения зависит от энергии кванта.

Атомы одного химического элемента, имеющие одинаковую природу, способны поглощать или излучать кванты конкретной длины. Пример: газоразрядные лампы с однородным наполнением. При излучении кванта атом расходует энергию, при поглощении, наоборот, приобретает ее. Атом может быть в основном дискретном состоянии либо в возбужденном. Переход атома в возбужденное состояние происходит при поглощении кванта света, при его излучении наблюдается обратная реакция. Количество атомов, совершающих переходы из основного в возбужденное состояние или наоборот, зависит от количества квантов, находящихся в непосредственной близости.

Под воздействием света атомы вынуждены участвовать в энергетических переходах, поэтому процессы поглощения и излучения энергии получили название вынужденных. Вынужденное поглощение уменьшает количество квантов, снижая интенсивность света и увеличивая энергию атомов. Лазерный эффект возникает в том случае, если атомы, попадая в освещение, начинают под воздействием каких-либо условий излучать больше квантов, чем поглощать, то есть свет усиливается под воздействием вынужденного излучения множества атомов.

Лазеры бывают:

Твердотельные. Делятся на импульсные и непрерывные. Среди импульсных лазеров более распространены устройства на рубине и неодимовом стекле. Лазер на рубине отличается большой мощностью импульса, при длительности 10–3 сек его энергия составляет сотни дж. Частота повторения импульсов может достигать нескольких кГц.
Лазеры непрерывного действия изготавливаются на флюорите кальция с примесью диспрозия и лазеры на иттриево-алюминиевом гранате, в котором присутствуют примеси атомов редкоземельных металлов. Лазеры на иттриево-алюминиевом гранате способы обеспечить мощность импульса до нескольких десятков вт.
Сложность производства твердотельных лазеров заключается в необходимости выращивания больших монокристаллов или варки больших образцов прозрачного стекла. Преодолеть эти трудности позволило изготовление жидкостных лазеров, где активная среда представлена жидкостью, в которую введены редкоземельные элементы.

Жидкостные. Лазеры с жидкой активной средой. Основным преимуществом этого вида устройств является возможность циркуляции жидкости и, соответственно, ее охлаждение. В импульсном и непрерывном режиме можно получить больше энергии.
Недостатком этих лазеров является низкий уровень достижимой энергии и химическая неустойчивость редкоземельных хелатов.
Лазеры работающие на растворах органических красителей, отличающихся широкими спектральными линиями люминесценции. Такой лазер способен обеспечить непрерывную перестройку длин излучаемых волн света в широком диапазоне. При замене красителей обеспечивается перекрытие всего видимого спектра и части инфракрасного. Источником накачки в таких устройствах являются, как правило, твердотельные лазеры, но возможно использование газосветных ламп, обеспечивающих короткие вспышки белого света.

Полупроводниковый. Данные лазеры значительно выделяются по своим характеристикам среди аналогичных устройств, работающих на других средах. Особенно выделяется высокое КПД преобразования энергии в когерентное излучение. Полупроводниковые инжекционные лазеры способы работать в непрерывном режиме. Полупроводниковые лазеры отличаются простой конструкцией, обеспечивают перестройку длины волны излучения.
Наибольшая эффективность использования данных лазеров обеспечивается, если требуются малые габариты устройства и его высокий КПД, при этом требования к когерентности и направленности излучения невысоки.

Газовый. Газы, используемые в качестве активной лазерной среды способные обеспечить высокую оптическую однородность. Применяется, где необходимы максимально высокая направленность излучения и его монохромность.
Наиболее распространенным устройством непрерывного действия является гелий-неоновый лазер, представляющий собой газоразрядную трубку, помещенную в оптический резонатор. Трубка заполняется смесью неона и гелия. Устройство такого типа наглядно демонстрирует все преимущества газовых лазеров — высокую направленность излучения и его монохромность и работать в непрерывном режиме. Газовые лазеры получили широкое применение в различных областях, например в космических исследованиях.

Углекислотный лазер (CO2-лазер) — один из первых типов газовых лазеров. Один из самых мощных лазеров с непрерывным излучением на начало XXI века. Их КПД может достигать 20 %.
Используются для гравировки резины и пластика, резки органического стекла и металлов, сварки металлов, в том числе металлов с очень высокой теплопроводностью, таких как алюминий и латунь. Углекислотные лазеры излучают в инфракрасном диапазоне, с длиной волны от 9,4 до 10,6 мкм.