Физическая энциклопедия - лазер

(оптический квантовый генератор), устройство, генерирующее когерентные эл.-магн. волны за счёт вынужденного испускания или вынужденного рассеяния света активной средой, находящейся в оптич. резонаторе. Слово «Л.» аббревиатура слов англ. выражения «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation» усиление света вынужденным излучением. Существующие Л. охватывают широкий диапазон длин волн l от УФ до субмиллиметрового. Первым был рубиновый Л., созданный Т. Мейманом (США) в 1960. Когерентность и направленность осн. хар-ки излучения Л., вынужденное излучение и обратная связь гл.

процессы, приводящие к генерации. Существуют также Л.-усилители, в к-рых усиление приходящих извне эл.-магн. волн осуществляется при отсутствии обратной связи. В нек-рых лазерных системах вслед за Л.-генератором следует один или неск. Л.-усилителей. До создания Л. когерентные эл.-магн. волны существовали практически лишь в радиодиапазоне, где они возбуждались генераторами радиоволн.

В оптич. диапазоне имелись лишь некогерентные источники, излучение к-рых представляет суперпозицию волн, испускаемых множеством независимых микроскопич. излучателей. В этом случае фаза результирующей волны изменяется хаотически, излучение занимает значит. диапазон l и обычно не имеет определённого направления в пр-ве.

С квант. точки зрения излучение нелазерных источников света складывается из фотонов, испускаемых независимо отд. ч-цами, причём их испускание происходит спонтанно, в произвольных направлениях, в случайные моменты времени, а длина волны, возникающей при сложении множества актов испускания, не имеет точно определённого значения и лежит в пределах, зависящих от разброса индивидуальных св-в излучающих микросистем (см.

СПОНТАННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ, ИСТОЧНИКИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ). Действие Л. основано на вынужденном испускании фотонов под действием внешнего электромагнитного поля (см. КВАНТОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА). НЕКОТОРЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛАЗЕРОВ РАЗНЫХ ТИПОВ Вероятность вынужденного испускания для системы, находящейся в возбуждённом состоянии ?2, пропорц.

спектр. плотности излучения r(w) действующей волны и равна вероятности поглощения для системы, находящейся в ниж. состоянии ?1. При термодинамич. равновесии в ансамбле, состоящем из большого кол-ва ч-ц, каждая из к-рых может находиться только, напр., в двух энергетич. состояниях ?1 и ?2, числа ч-ц N1 и N2, находящихся в этих состояниях, определяются распределением Больцмана, причём N2 < N1.

Поэтому в обычных (равновесных) условиях вещество поглощает эл.-магнитные волны, хотя для единичного акта вероятность вынужденного испускания фотона равна вероятности его поглощения, полная вероятность поглощения, пропорц. числу N1 ч-ц на ниж. уровне, больше вероятности вынужденного испускания, пропорц.

числу N2 ч-ц на верх. уровне. Поглощение может уступить место усилению эл.-магн. волны при её распространении сквозь в-во, если N2 > N1. Такое состояние в-ва наз. инверсным (обращённым), или состоянием с инверсией населённостей, и не является равновесным. Если через среду с инверсией населённости проходит эл.-магн. волна с частотой w=(?2-?1) С›, то по мере её распространения в среде интенсивность волны будет возрастать за счёт актов вынужденного испускания, число к-рых N2r превосходит число актов поглощения N1r.

Увеличение интенсивности волны (усиление) обусловлено тем, что фотоны, испускаемые в актах вынужденного излучения, неотличимы от фотонов, образующих эту волну (рис. 1). Усиление эл.-магн. волны за счёт вынужденного испускания приводит к экспоненциальному закону роста её интенсивности I по мере увеличения длины пути z, пройденного волной в в-ве: I = I0exp(az), где I0 интенсивность входящей волны, a = (N2-N1) коэфф.

квант. усиления, В реальном в-ве наряду с усилением неизбежны потери, связанные с нерезонансным поглощением, рассеянием и т. п. Если ввести для описания суммарных потерь коэфф. потерь b, то I=I0exp((a-b)z). В-во, приведённое к.-л. образом в инверсное состояние, неизбежно возвратится в равновесное состояние релаксирует (см. РЕЛАКСАЦИЯ). При этом избыточная энергия выделяется в виде фотонов (излучательные переходы) или переходит в тепловую энергию (б е з ы з л у ч а т е л ь н ы е п е р е х о д ы). Спонтанное испускание фотонов в процессе релаксации явл. сущностью люминесценции. Свет люминесценции, распространяясь в инвертированной среде (при b .