Лазер

- (от начальных букв английской фразы «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation» — усиление света в результате вынужденного излучения), источник электромагнитных волн видимого, инфракрасного и ультрафиолетового диапазонов, основанный на принципе вынужденного (индуцированного) излучения квантовых систем — атомов, молекул и др. Иногда употребляется другое название — оптический квантовый генератор. Первые исследования в области квантовых генераторов были проведены советскими учёными Н.Г.Басовым и А.М.Прохоровым, удостоенными в 1959 за эти работы Ленинской премии. В 1964 им вместе с американским физиком Ч.Таунсом за работы в области квантовой электроники была присуждена международная Нобелевская премия по физике. Значительный вклад в разработку теории лазера внесли советские учёные В.А.Фабрикант, Ф.А.Бутаева, М.М.Вудынский. Излучение лазера в отличие от света, испускаемого обычными источниками, когерентно (разность фаз между колебаниями постоянна) в пространстве и времени, монохроматично (одной определённой частоты), распространяется направленным очень узким пучком, характеризуется чрезвычайно высокой концентрацией энергии. Её плотность в фокусе достигает сотен МВт на см². Принцип работы лазера основан на взаимодействии электромагнитного поля со связанными электронами, входящими в состав атомов и молекул рабочего вещества генераторов. Энергия электрона, а следовательно, и энергия атома в целом может принимать лишь определённый дискретный ряд значений, называемых уровнями энергии. Уровень с минимальной энергией называется основным, остальные — возбуждёнными. Число атомов, обладающих данной энергией, называют населённостью уровня. Атомы могут переходить с одного уровня энергии на другой. При этом в соответствии с законом сохранения энергии выделяется или поглощается некоторая порция — квант энергии, равный разности энергетических уровней. Переходы, связанные с поглощенном или излучением электромагнитной энергии, называют оптическими. При таких переходах величина кванта энергии определяется частотой электромагнитного излучения и уровнями энергии, между которыми происходит переход. При определённых условиях атом, находящийся на нижнем энергетическом уровне, может поглотить квант энергии и перейти на верхний уровень. Такой атом будет находиться в неустойчивом, возбуждённом состоянии. Через какое-то время этот атом возвращается в основное состояние, излучая при этом квант электромагнитной энергии. Такой процесс называют спонтанным (самопроизвольным) излучением, а переход — спонтанным переходом. Спонтанно излучённые кванты электромагнитной энергии имеют различные направления распространения, разные фазы и поляризацию, излучаются в различные произвольные моменты времени. Поэтому спонтанное излучение некогерентно и немонохроматично.
Возбуждённые атомы могут излучать кванты электромагнитной энергии не только спонтанно. При воздействии на такой атом электромагнитной волны, частота которой соответствует разности энергетических уровней атома, он может перейти на нижний энергетический уровень и излучить квант энергии. Такой процесс называют вынужденным или стимулированным излучением (иногда его называют также индуцированным). При этом излученные кванты энергии не отличаются от первичных квантов и имеют ту же частоту, фазу, направление и поляризацию. Поэтому если через вещество, атомы которого находятся в возбуждённом состоянии, пропустить световую волну с частотой, соответствующей разности энергетических уровней атома, вследствие вынужденного излучения произойдёт усиление световой волны. Для усиления света следует воздействовать на среду так, чтобы вызвать превышение населённости верхнего энергетического уровня над нижним — создать инверсию населённостей. Процесс её создания принято называть накачкой. Среда, в которой создана инверсия населённостей, называется активной. Для того чтобы активная среда излучала энергию когерентно, необходимо ввести положительную обратную связь, то есть часть излучённой энергии направить обратно в активную среду для осуществления вынужденного излучения. Положительная обратная связь осуществляется при помощи оптических резонаторов, которые в простейшем случае представляют собой два соосно расположенных зеркала, одно из которых полупрозрачно. Рабочее вещество, в котором создана инверсия населённостей, помещают между зеркалами. Полученный в результате спонтанного излучения световой квант при прохождении через активную среду усиливается за счёт вынужденного излучения. Дойдя до зеркала, свет отражается и усиливается вновь, проходя через активную среду. При отражении от полупрозрачного зеркала часть светового потока излучится, а часть вернётся в резонатор и опять пойдёт через активное вещество. При определённых условиях поток фотонов внутри активного вещества начнёт лавинообразно нарастать за счёт вынужденного излучения, то есть начнётся генерация света.
Основные элементы лазера: рабочее вещество с определёнными уровнями энергии; источник накачки, создающий инверсию населённостей в рабочем веществе; оптический резонатор. Рабочее вещество должно иметь подходящие пары энергетических уровней, между которыми можно создать инверсию населённостей. В зависимости от типа рабочего вещества различают твёрдотельные, полупроводниковые, жидкостные, газовые лазеры. Рабочим веществом твердотельных лазеров. могут быть различные кристаллические и аморфные диэлектрики. Из кристаллических наибольшее распространение получил рубин, представляющий собой окись алюминия Аl₂О₃ с примесью хрома (0,03%). Из аморфных — стекло с примесью неодима или других редкоземельных элементов. В полупроводниковых лазерах в качестве рабочего вещества используют полупроводники, из которых наиболее широкое распространение получил арсенид галлия (GaAs). В жидкостных лазерах находят применение растворы органических красителей, неорганических соединений редких металлов и пр. В газовых лазерах рабочим веществом служат газы (неон, аргон, углекислый газ и другие) и пары различных элементов и соединений (например, пары кадмия). Источники накачки для создания инверсии населённостей бывают следующих типов: с оптической накачкой, газоразрядные, инжекционные, с электронным возбуждением, с тепловой накачкой, химические. В качестве источников излучения оптической накачки применяются мощные лампы-вспышки (аналогичные фотовспышкам). Оптическая накачка является практически единственным методом создания инверсии населённостей в твёрдотельных и жидкостных лазеров. При воздействии внешнего оптического излучения накачки с определённой частотой атомы рабочего вещества поглощают внешнее излучение и переходят на более высокий уровень. При некоторых условиях под воздействием излучения накачки накапливаются возбуждённые атомы. Возникает инверсия населённостей между уровнями, и лазер начнёт генерировать когерентный свет. Газовый разряд — основной метод создания инверсии населённостей в газовых лазерах путём электронного удара. Электроны, сталкиваясь с атомами рабочего газа в газовом разряде, возбуждают их и переводят на верхний рабочий уровень. При некотором значении тока в рабочем газе возникает инверсия населённостей. Инжекция носителей — наиболее распространённый метод создания инверсии населённостей в полупроводниковых лазеров При пропускании в полупроводнике тока в прямом направлении под его действием возникает избыток электронов в зоне проводимости, при этом происходит генерация когерентного света. Электронное возбуждение (облучение электронным лучом в вакууме) является средством создания инверсии населённостей в чистом полупроводнике. Тепловая накачка осуществляет инверсию населённостей в мощных газовых лазерах. При быстром адиабатическом охлаждении рабочего газа между различными уровнями возникает инверсия населённостей, которую можно использовать для генерации света. Для быстрого охлаждения газа его вначале нагревают в камере сгорания, а затем пропускают через сверхзвуковое сопло. Химические методы создания инверсии населённостей перспективны для создания мощных газовых лазерах. В этом случае для накачки используется энергия химических реакций, продукты которых находятся в возбуждённом состоянии, то есть на верхних энергетических уровнях. Оптический резонатор лазера представляет собой колебательную систему, образованную двумя параллельными пластинами с нанесёнными отражающими покрытиями, в которой могут возбуждаться слабозатухающие электромагнитные колебания оптического диапазона с последующим излучением.
Основные характеристики лазера: длина волны, мощность и энергия излучения, угловая расходимость луча, спектр излучения, КПД. Современные (1977) лазеры работают в широкой области спектра электромагнитных волн: от дальнего инфракрасного (ИК) диапазона (λ=750 мкм) до ультрафиолетового (УФ) диапазона (λ=0,005 мкм). Частоты генерации лазера от 4·10¹¹ до 6·10¹⁶ Гц. Из твёрдотельных наиболее широко применяются лазеры на рубине (λ=0,69 мкм, красный свет), на стекле с примесью неодима (λ=1,06 мкм, ближний ИК-диапазон). Наиболее характерные длины волн газовых лазеров: λ=0,63 мкм (гелиево-неоновый лазер); λ=0,5 мкм (аргоновый); λ = 10,6 мкм (на СО₂). Мощность излучения в газовых лазерах достигает порядка сотен кВт в непрерывном режиме (газодинамический лазер на СО₂). В твердотельных лазерах достигнуты в импульсном режиме мощности порядка сотен ГВт и энергии порядка тысяч Дж в импульсе. Важная особенность лазерного излучения — малая угловая расходимость луча, которая в современных лазерах доходит до десятков угловых секунд у газовых и до десятка угловых минут у твёрдотельных. Ширина спектра излучения у газовых лазеров составляет десятки кГц при несущей частоте порядка 1015 Гц. У лазеров различают квантовый и рабочий КПД. Квантовый (теоретически возможный) — отношение энергии излучённого фотона к разности между верхним вспомогательным и нижним основным уровнями энергии. Рабочий КПД определяется отношением мощностей излучения лазера и источника накачки. Для твёрдотельных и газовых лазеров он составляет доли процента. У молекулярных лазеров на CO₂ этот КПД доходит до 27%, а квантовый составляет 40%. Наибольшим квантовым КПД (до 80%) обладают полупроводниковые лазеры, непосредственно преобразующие электрическую энергию в световую.
Применение лазеров. Начав развиваться с конца 50-х годов, к середине 70-х годов лазеры получили широкое распространение в науке и технике. В военном деле лазеры могут применяться для локации, связи, навигации, разведки, в системах управления оружием, при обучении стрельбе, охране важных объектов, разработке специальных боевых средств и т.п. В локации лазерные устройства используются в качестве дальномеров, высотомеров и следящих локаторов. Лазерные дальномеры позволяют быстро и точно определять расстояние до цели, азимут и угол её места. На вооружение армий ряда капиталистических государств к середине 70-х годов приняты артиллерийские, танковые, геодезические и другие дальномеры. Разновидностью дальномеров можно считать лазерные высотомеры летательных аппаратов, которые могут обеспечить при полёте на высоте 4000 метров точность измерения 1 — 1,5 метра. Более сложными по устройству являются лазерные локаторные системы слежения, предназначенные для определения дальности, углового положения цели и скорости её перемещения. Первые образцы таких систем предназначались для слежения за самолётами, вертолётами, ракетами и спутниками, снабжёнными специальными отражателями. Использование лазерными локаторами Доплера эффекта позволяет измерять скорость перемещения в диапазоне от 0,0003 см/с до 8 км/с. Общим недостатком всех локационных устройств на лазерах является зависимость от чистоты атмосферы и метеорологических условий: запылённость воздуха, дым, дождь, туман, снегопад, облачность и т.п. резко снижают дальность их действия. Лазерные системы связи благодаря высокой степени направленности, помехозащищённости и широкой полосе пропускания обладают рядом преимуществ перед радиосвязью. С помощью лазерного луча можно передавать сигналы в полосе частот 10¹³—10¹⁵ Гц (это примерно 200 телевизионных каналов или до 10⁹ одновременных телефонных разговоров). Малая ширина пучка лазерного излучения практически исключает возможность перехвата информации противником. Система связи на лазерах имеет дальность действия в неблагоприятных погодных условиях 2—3 километра, в ясную погоду — до 50 километров. Дальность действия значительно увеличивается в верхних слоях атмосферы и в космосе. В навигационных системах наведения ракет, самолётов, космических кораблей, подводных лодок и т.п. находят применение гироскопы на лазерах. Они обладают рядом ценных свойств: в них отсутствуют движущиеся детали, они практически мгновенно выходят на рабочий режим, потребляют немного электроэнергии, надежно работают в условиях больших перегрузок и скоростей вращения. Гироскопы на лазерах середины 70-х годов позволяют измерять угловые скорости от 0,001 до 12 000 °/с. Лазерные устройства подсвета используются в ночных условиях для наблюдения, фотографической и телевизионной разведки. Известны системы, позволяющие производить ночью качественные аэрофотоснимки с высоты до 1000 метров, при скорости полёта до 600 км/ч. В зарубежной печати сообщалось о разработке ночных лазерных прицелов для танков и вертолётов. Лазеры широко применяются при управлении различными видами оружия (см. Лазерная система управления оружием). В ряде стран существуют авиационные лазерные системы бомбометания. В них с помощью лазерного дальномера определяется местонахождение цели, её дальность, скорость перемещения. Лазеры применяются для подсвета цели в различных системах наведения авиабомб и ракет класса «воздух-воздух», «воздух—поверхность», «поверхность—поверхность», снабжённых головками самонаведения. Компактные полупроводниковые лазеры могут применяться в неконтактных взрывателях снарядов и ракет различных классов. При обучении стрельбе из различных видов оружия лазер используются для фиксирования точности попаданий в цель. В этом случае мишенью служит приёмник лазерного излучения. Для охраны важных объектов могут применяться лазеры ИК-диапазона. При пересечении их луча срабатывает специальная сигнализация. По сообщениям зарубежной печати, с середины 70-х годов в ряде стран ведутся работы по применению лазера в качестве лучевого оружия. Поражающее действие такого оружия характеризуется высокой концентрацией энергии в лазерном луче, вызывающей нагревание до высоких температур, расплавление и даже испарение материалов объекта, повреждение светочувствительных элементов целей, поражение органов зрения и нанесение ожогов человеку и т.п. Лучевое оружие отличается скрытностью действия (отсутствием пламени, дыма, звука), высокой точностью, практически мгновенным действием. Однако применение лучевого оружия возможно только в пределах прямой видимости, поражающее действие снижается в туман, дождь, снегопад, при задымлённости и запылённости атмосферы. Считается, что наиболее перспективным является создание лазерного оружия для поражения головных частей межконтинентальных баллистических ракет и военных искусственных спутников Земли.
Литература: Байбородин Ю.В. Введение в лазерную технику. М., 1977; Богданкевич О.В., Дарзнек С.А., Елисеев П.Г. Полупроводниковые лазеры. М., 1976; Пpиходько Э.Д. Лазеры и их применение в мирных и военных целях. М., 1974; Федоров Б.Ф. Лазеры и их применение. М., 1973; Косыpев Е.А. Шаги квантовой электроники. М., 1970; Квантовая электроника. Маленькая энциклопедия. М., 1969; Дулин М.В. Лазерная локация и связь. М., 1969; Петровский В.И., Пожидаев О.А. Локаюры на лазерах. М., 1969; Соболев Н.А. Лазеры и их будущее. М., 1968; Чернышев В.Н. Лазеры в космосе, на земле и под водой. М., 1964. Библиография: с. 102—103; Орлов В.А. Лазеры в военной технике. По материалам зарубежной печати. М., 1976; Применение лазеров. Пер. с англ. Т.1. М., 1974; Применение лазеров в военном деле. Сборник пер. статей. М., 1906; Успенская Г.В. Лазеры. Рек. обзор литературы. М., 1976.
Н.В.Кудров