|
== Устройство ==
'''Лазерът''' е изграден от следните три основни компонента: '''активна среда''', '''външен източник на енергия''' или още наречен източник на напомпване (може да е светлина от [[газоразрядна лампа]], [[електрически ток]], дори [[топлина]]), и '''резонатор''' (в най-простия си вид той се състои от две [[огледало|огледала]], едното от които има коефициент на отражение близък до 100% (наречено глухо), а другото – по-малък от 100% (наречено полупропускливо)- т.нар. система Фабри-Перо (Fabry-Pérot). Така просто описаните три компонента могат да бъдат както миниатюрно устройство с размер под 1 mm, така и доста сложна и обемиста система. Лазерните системи в [[микроелектроника]]та например могат да заемат цели стаи.
== Действие ==
[[Картинка:Laser.svg|мини|'''Схема на лазер'''<br>Компоненти:<br>1 – активна среда<br>2 – източник на напомпване<br>3 – 100% огледало<br> 4 – полупропускливо огледало<br>5 – лазерен лъч]]
В основата на действието на лазерите лежи принципът на [[Атомна спектрална линия#Стимулирана емисия|стимулираното излъчване (емисия)]]. Той е обяснен феноменологично от [[Айнщайн]], който извежда своите [[теория на вероятностите|вероятностни коефициенти]] ([[коефициенти на Айнщайн]]) от чисто [[Термодинамика|термодинамични]] съображения. Те се отнасят за [[елементарна частица|частица]] с две възможни енергийни състояния – <math>|E_1 \rangle</math> (квантово състояние с енергия <math>E_1</math>) и <math>|E_2 \rangle</math> (състояние с енергия <math>E_2</math>), като <math>E_2 > E_1</math>.
При нормални обстоятелства, частицата ще заема по-изгодното за нея [[енергийно състояние]] (това с по-малка енергия, а именно <math>|E_1 \rangle</math>. Ако [[фотон]] с енергия точно равна на разликата между двете състояния (<math>\Delta E = E_2 - E_1</math>) попадне върху частицата, то има вероятност тя да погълне фотона и да премине в по-високо енергийното състояние, а именно <math>|E_2 \rangle</math>. Тази вероятност се нарича вероятност за [[принудено поглъщане]] или коефициент на Айнщайн за принудено поглъщане и се бележи с <math>A_{12}</math>. В <math>|E_2 \rangle</math> частицата ще остане само известно време, понеже то е енергийно по-неизгодно от <math>|E_1 \rangle</math>, след което ще релаксира отново към <math>|E_1 \rangle</math>. Поради [[закон за запазване на енергията|закона за запазване на енергията]], разликата <math>\Delta E</math> трябва да се отнесе от второ тяло. В някои случаи това е фотон. Вероятността енергията да се отнесе от фотон се нарича вероятност за [[спонтанно излъчване]] или коефициент на Айнщайн за спонтанното излъчване. Той се бележи с <math>B_{12}</math>. Ако при попадането на фотон върху частицата тя вече се намира в състояние <math>|E_2 \rangle</math>, тогава има вероятност фотонът да принуди частицата да се върне в <math>|E_1 \rangle</math>, при което да излъчи фотон, неразличим от този, предизвикал излъчването. Тази вероятност се нарича вероятност за [[Атомна спектрална линия#Стимулирана емисия|стимулирана емисия]] или коефициент на Айнщайн за принудено излъчване и се бележи с <math>A_{21}</math>. Той е равен на <math>A_{12}</math>. Тоест вероятностите за принудено излъчване и принудено поглъщане са равни.
Ако приемем, че в системата има повече от една частица и по някакъв начин сме успели да накараме повечето частици да се качат в <math>|E_2 \rangle</math>, тогава казваме, че сме постигнали [[инверсна населеност]] в системата (в <math>|E_2 \rangle</math> има повече частици, от колкото в <math>|E_1 \rangle</math>). Инверсната населеност е изключително важна за работата на лазера. Без наличие на такава той изобщо няма да работи. Постигането ѝ в някои случаи изобщо не е тривиална задача и създава сериозни проблеми.
Ако вече имаме инверсна населеност в системата и пуснем един фотон с енергия <math>\Delta E</math>, тогава той ще принуди една частица да излъчи принудено, при което фотоните ще станат два, те ще принудят още две частици да излъчат, при което фотоните ще станат четири и така нататък, докато не се изчерпят частиците в <math>|E_2 \rangle</math>. Този процес на лавинно умножаване на фотоните е процесът на усилване. Ако средата е достатъчно дълга, усилването ще е достатъчно голямо и ще превиши различните загуби в средата (поглъщане, разсейване и други). Това е условието за получаване на лазерна генерация.
В някои случаи (когато средата е с малко усилване) се оказва, че тя трябва да е некомфортно дълга, за да се получи генерация. Поради тази причина се осигурява обратна връзка ([[резонатор]]). Резонаторът е и третата основна част на лазерния генератор. Той осигурява многократно преминаване на лъча през активната среда и съответно многократно усилване (тоест да използваме среда 3 m и само едно преминаване през нея е същото, като използваме среда 30 cm, през която лъчът преминава 10 пъти, отразен многократно от огледалата на резонатора (усилването е едно и също)).
Благодарение на многократното преминаване през активната среда вътре в резонатора лазерното лъчение се формира във вид на лазерен сноп с форма, определена от свойствата на резонатора (вид на огледалата, разстояние между тях, наличие на диафрагма и т. н.) При определени условия в резонатора се формира [[Гаусов сноп]] с [[модова структура]], отбелязвана с <math>TEM_{mn}</math>. Снопът с най-малка разходимост е така нареченият нулев [[Гаусов сноп]] <math>TEM_{00}</math>.
Като активна среда първоначално е използван натурален [[рубин]]ов [[кристал]], а впоследствие – изкуствено синтезиран [[корунд]], който представлява [[алуминиев оксид]] Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> – безцветен кристал, но при наличието на малки количества примеси на тривалентен [[хром]] Cr<sup>3</sup><sup>+</sup> кристалът се оцветява в рубинено червено. Именно този хром е в основата на действието на лазера. С помощта на мощна импулсна газоразрядна [[ксенон]]ова лампа кристалът се осветява, като в резултат [[електрон]]ите от валентната зона преминават на по-високи енергийни състояния като се задържат там 10<sup>-8</sup> s и се връщат на енергийно по-изгодно състояние, в резултат на което се отделя фотон.
== Историята ==
|
