Лазер представляет собой источник монохроматического когерентного света с высокой направленностью светового луча. Само слово «лазер» составлено из первых букв английского словосочетания, означающего «усиление света в результате вынужденного излучения». Действительно, основной физический процесс, определяющий действие лазера,- это вынужденное испускание излучения. Оно происходит при взаимодействии фотона с возбужденным атомом при точном совпадении энергией возбуждения атома (или молекулы). В результате этого взаимодействия возбужденный атом переходит в невозбужденное состояние, а избыток энергии излучается в виде нового фотона с точно такой же энергией, направлением распространения и поляризацией, как и у первичного фотона.

Таким образом, следствием данного процесса является наличие уже двух абсолютно идентичных фотонов. При дальнейшем взаимодействии этих фотонов с возбужденными атомами, аналогичными первому атому может возникнуть «цепная реакция» размножения одинаковых фотонов, «летящих» абсолютно точно в одном направлении, что приведет к появлению узконаправленного светового луча. Для возникновения лавины идентичных фотонов необходима среда, в которой возбужденных атомов было бы больше, чем невозбужденных, поскольку при взаимодействии фотонов с невозбужденными атомами происходило бы поглощение фотонов. Такая среда называется средой с инверсионной населенностью уровней энергии.

Итак, кроме вынужденного испускания фотонов возбужденными атомами происходят также процесс самопроизвольного, спонтанного испускания фотонов при переходе возбужденных атомов в невозбужденное состояние и процесс поглощения фотонов при переходе атомов из невозбужденного состояния в возбужденное. Эти три процесса, сопровождающие переходы атомов в возбужденные состояния и обратно, были постулированы А. Эйнштейном в 1916г.

Спонтанно родившиеся фотоны, направление распространения которых не перпендикулярно плоскости зеркал, создают лавины фотонов, выходящие за пределы среды.

В 1995г. Одновременно и независимо Н.Г. Басовым и А.М. Прохоровым в СССР и Ч.Таунсом с США был предложен принцип создания первого в мире генератора квантов электромагнитного излучения на среде с инверсионной населенностью, в котором вынужденное испускание в результате использования обратной связи приводило к генерации чрезвычайно монохроматического излучения. Спустя несколько лет, в 1960г., американским физиком Т. Мейманом был запущен первый квантовый генератор оптического диапазона – лазер, в котором обратная связь осуществлялась с помощью описанного выше оптического резонатора, а инверсная населенность возбуждалась в кристаллах рубина, облучаемых излучением ксеноновой лампы-вспышки. Рубиновый кристалл представляет собой кристалл оксида алюминия с небольшой добавкой хрома. При добавлении атомов хрома прозрачные кристаллы рубина приобретают розовый цвет и поглощают излучение в двух полосах ближней ультрафиолетовой области спектра. Всего кристаллами рубина поглощается 15% света лампы-вспышки. При поглощении света ионами хрома происходит переход ионов в возбужденное состояние.

В результате внутренних процессов возбужденные ионы хрома переходят в основное состояние не сразу, а через два возбужденных уровня. На этих уровнях происходит накопление ионов и при достаточно мощной вспышке ксеноновой лампы возникает инверсная населенность между промежуточными уровнями и основным уровнем ионов хрома.

Торцы рубинового стержня полируют, покрывают светоотражающими интерференционными пленками, выдерживая при этом строгую параллельность торцов друг другу.

При возникновении инверсии населенностей уровней ионов хрома в рубине происходит лавинное нарастание числа вынужденного испущенных фотонов, и система обратной связи на оптическом резонаторе, образованном зеркалами на торцах рубинового стержня, обеспечивает формирование узконаправленного луча красного света. Длительность лазерного импульса приблизительно 10 в -3, немного короче длительности вспышки ксеноновой лампы. Энергия импульса рубинового лазера около 1 Дж. В настоящее время созданы лазеры на самых различных средах – газах, жидкостях, стеклах, кристаллах.

ЛАЗЕРНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ Лазеры нашли широкое применение, и в частности используются в промышлености для различных видов обработки материалов: металлов, бетона, стекла, тканей, кожи и т.д. Лазерные технологические процессы можно условно разделить на два вида. Первый из них использует возможность чрезвычайно тонкой фокусировки лазерного луча и точного дозирования энергии как в импульсном, так и в непрерывном режимах. В таких технологических процессах применяют лазеры сравнительно невысокой средней мощности: это газовые лазеры импульсно-периодического действия, лазеры на кристаллах иттрий-алюминиевого граната с примесью неодима. С помощью последних были разработаны технология сверления тонких отверстий в рубиновых и алмазных камнях для часовой промышлености и технология изготовления фильеров для протяжки тонкой проволоки.

Основная область применения маломощных импульсных лазеров связана с резкой и сваркой миниатюрных деталей в микроэлектронике и электровакуумной промышленности, с маркировкой миниатюрных деталей, автоматическим выжиганием цифр, букв. Изображений для нужд полиграфической промышленности. В последние годы одной из важнейших областей микроэлектроники – фотолитографии, без применения которой практически невозможно изготовление сверхминиатюрных печатных палат, интегральных схем и других элементов микроэлектронной техники, обычные источники света заменяются на лазерные. Дальнейший прогресс в субмикронной литографии связан с применением в качестве экспонирующего источника света мягкого рентгеновского излучения из плазмы, создаваемой лазерным лучом.

Второй вид лазерной технологии основан на применении лазеров с большой средней мощностью: от 1 кВт и выше. Мощные лазеры используют в таких энергоемких технологических процессах, как резка и сварка толстых стальных листов, поверхностная закалка, наплавление и легирование крупногабаритных деталей, очистка зданий от поверхностных загрязнений, резка мрамора, гранита, раскрой тканей, кожи и других материалов. При лазерной сварке металлов достигается высокое качество шва и не требуется применения вакуумных камер, как при электронно-лучевой сварке, а это очень важно в конвейерном производстве. Мощная лазерная технология нашла применение в машиностроении, автомобильной промышленности строительных материалов. Она позволяет не только повысить качество обработки материалов, но и улучшить технико- экономические показатели производственных процессов.

С развитием все более мощной лазерной техники энергия лазерного излучения

Трубка газового лазера во время работы светится, как газосветная реклама. По её цвету можно узнать, на каком газе работает лазер: неон светится красным светом, криптон-желтым, аргон-синим.

Лазеры на красителях со снятой верхней крышкой. Раствор анилиновых красок – его рабочее вещество – наливают в кювету и во время работы прокачивают через холодильник. Накачкой служит газовый лазер; его луч вводят в кювету через окошко в соответствующей надписью. Меняя кюветы с раствором и перестраивая поворотным зеркалом выходной светофильтр, можно изменять длину волны излучения в очень широких пределах.

Лазеры на красителях помогают следить за состоянием атмосферы.

Первая в СССР линия оптической связи передавала телефонные разговоры между Москвой и Красногорском по открытому лучу. Один лазер был установлен на башне высотного здания МГУ на Ленинских горах.

Рубиновые подшипники – камни для часов – обрабатывают на лазерах станках-автоматах.

Тонкую вольфрамовую проволоку для электрических лампочек протягивают через отверстия в алмазах, пробитые лазерным лучом.

Движением режущего луча управляет ЭВМ, так что можно мгновенно определять точность резания и вносить требуемые поправки.

Эти картины нарисованы лазерными лучами.

Лазер осветил Луну.

Лазеры в медицине.