Лазер: Разлика между версии

{{дописване}}

'''Лазерът''' ({{lang-en|laser – '''l'''ight '''a'''mplification by '''s'''timulated '''e'''mission of '''r'''adiation}}) е източник на монохроматична, [[кохерентност|кохерентна]], насочена [[светлина]], тоест лазерът изпуска тънък, добре насочен, кохерентен [[Гаусов сноп|сноп]] с постоянна [[дължина на вълната]] (еднакъв цвят), постоянна [[фаза (вълни)|фаза]] и голяма [[яркост]], за разлика от некохерентните източници като [[Електрическа лампа|електрическите лампи]], които излъчват [[вълна|вълни]] в почти целия [[електромагнитен спектър]] и във всички посоки. Принципът на действие на лазера е комбинация между [[Квантова механика|квантово-механични]] и [[Термодинамика|термодинамични]] процеси.

 

 

== Действие ==

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 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)).

 

 

Като активна среда първоначално е използван натурален [[рубин]]ов [[кристал]], а впоследствие – изкуствено синтезиран [[корунд]], който представлява [[алуминиев оксид]] Al₂O₃ – безцветен кристал, но при наличието на малки количества примеси на тривалентен [[хром]] Cr³⁺ 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^-8 s и се връщат на енергийно по-изгодно състояние, в резултат на което се отделя фотон.

== В България ==

Първият рубинов лазер в [[България]] е пуснат през [[1964]] г. [[Никола Съботинов]] от [[БАН]] създава

 

Във [[Физически факултет (Софийски университет)|Физическия факултет]] на [[СУ]] функционира модерна лаборатория за свръхкъси светлинни импулси (това са [[представки SI|фемтосекундни]] импулси: 1 fs = 1.10^-15 [[s]]).