Как работает лазер: от электрона до концентрированного луча света

Лазер — это устройство, которое заставляет множество атомов излучать одинаковые фотоны в такт, собирая их в узкий и мощный луч одного цвета.

Обычная лампочка светит хаотично: миллиарды атомов вспыхивают вразнобой, на разных длинах волн, во все стороны. Лазер устроен иначе. Чтобы понять, как работает лазер, достаточно разобраться в одном явлении — вынужденном излучении, которое предсказал ещё Эйнштейн в 1917 году. Ниже я разложу физику по шагам: от одного возбуждённого электрона до готового луча, который режет сталь или считывает штрихкод в кассе.

Как работает лазер: три обязательных элемента

Любой лазер, от копеечной указки до установки размером со стадион, собран из трёх частей. Уберите любую — и луча не будет.

• Источник накачки — подаёт энергию в систему. Это может быть электрический ток, вспышка мощной лампы или другой лазер.
• Активная среда — вещество, атомы которого умеют накапливать энергию и отдавать её в виде света. Газ, кристалл рубина, полупроводниковый чип.
• Оптический резонатор — два зеркала по краям среды. Одно глухое, второе полупрозрачное, через него луч и выходит наружу.

Схему из этих трёх блоков описывает учебный модуль физического факультета Университета Теннесси — она универсальна для всех типов лазеров.

Теперь о физике. Электрон в атоме сидит на определённом энергетическом уровне. Получив порцию энергии от накачки, он перескакивает на уровень выше — атом становится «возбуждённым». Долго так висеть он не хочет и рано или поздно сбрасывает лишнюю энергию, испуская фотон. Вопрос в том, как именно.

Читайте также

• Как образуется молния: от грозовой тучи до удара
• Почему звезды мерцают разным цветом: атмосфера, температура и оптические эффекты

Вынужденное излучение — сердце всего процесса

Есть два способа, которыми возбуждённый атом отдаёт фотон.

Первый — спонтанное излучение. Электрон падает вниз сам по себе, в случайный момент, и выбрасывает фотон в случайном направлении. Так светит любая нагретая нить накала.

Второй способ и есть та самая магия. Мимо возбуждённого атома пролетает фотон подходящей энергии. Он не поглощается — вместо этого он «стряхивает» электрон вниз, и атом излучает второй фотон. Причём этот второй фотон — точная копия первого: та же длина волны, то же направление, та же фаза. Было одно, стало два. Это и есть вынужденное излучение.

Дальше — цепная реакция. Два фотона встречают ещё два возбуждённых атома, получается четыре. Потом восемь. Лавина одинаковых фотонов нарастает, и весь свет оказывается согласованным. Отсюда и слово laser: light amplification by stimulated emission of radiation, усиление света вынужденным излучением.

Инверсия населённостей: почему без неё лазер не запустится

Есть проблема. Тот же пролетающий фотон может не выбить новый фотон, а просто поглотиться атомом, который сидит в основном состоянии. Поглощение и вынужденное излучение — конкуренты.

Кто победит, зависит от того, каких атомов больше. Если возбуждённых меньше, чем спокойных, свет поглощается быстрее, чем усиливается, — лавина гаснет. Чтобы усиление пересилило, возбуждённых атомов должно быть большинство. Такое неестественное состояние называют инверсией населённостей.

Слово «неестественное» тут ключевое. В обычных условиях природа держит почти все атомы в основном, низкоэнергетическом состоянии. Чтобы перевернуть эту пирамиду, накачка должна работать непрерывно и мощно. Как объясняет образовательный ресурс Национального центра зажигания (NIF) Ливерморской лаборатории, инверсия населённостей — обязательное условие генерации: без неё среда не усиливает свет, а гасит его.

Интересная деталь: на двух энергетических уровнях устойчивую инверсию создать почти невозможно. Поэтому реальные лазеры используют трёх- или четырёхуровневые схемы, где электрон сначала закидывается высоко, потом быстро сваливается на промежуточный «рабочий» уровень и уже оттуда излучает. На промежуточном уровне он задерживается достаточно долго, чтобы успело накопиться большинство.

Роль резонатора: как хаос превращается в луч

Вынужденное излучение усиливает свет, но одного прохода через среду мало. Здесь вступают зеркала.

Фотоны, летящие вдоль оси трубки, отражаются от зеркала, возвращаются обратно и снова проходят активную среду, выбивая новые копии. Туда-сюда, десятки тысяч раз. С каждым проходом луч крепнет. Фотоны, летящие вбок, уходят из системы и в усилении не участвуют — резонатор естественным образом отбирает только строго направленный свет.

Одно зеркало делают частично прозрачным, около 95–99% отражения. Через оставшиеся проценты и вырывается наружу готовый луч. Так резонатор одновременно и накапливает энергию внутри, и выпускает рабочую порцию.

Отсюда три знаменитых свойства лазерного света

Именно совместная работа резонатора и вынужденного излучения даёт то, чего не умеет ни одна лампа: концентрацию огромной мощности в крошечной точке.

Практическое применение лазеров

Лазеры давно вышли из лабораторий. Вот где вы сталкиваетесь с ними, часто не замечая.

• Медицина. Коррекция зрения LASIK: луч испаряет микрослои роговицы с точностью до микрона. В хирургии лазер режет ткань и сразу прижигает сосуды.
• Промышленность. Резка и сварка металла, гравировка. Мощные волоконные лазеры проходят стальной лист толщиной в сантиметры.
• Связь. По оптоволокну бегут лазерные импульсы — так работает почти весь магистральный интернет.
• Быт и торговля. Сканеры штрихкодов, лазерные принтеры, приводы дисков, указки.
• Наука и измерения. Дальномеры, гироскопы, спектроскопия. Расстояние до Луны измеряют, отражая луч от зеркал, оставленных астронавтами.

Разброс мощностей колоссальный. Лазерная указка — единицы милливатт. Промышленный резак — киловатты. А импульсные установки для термоядерных исследований на короткие мгновения выдают петаватты, больше суммарной мощности всех электростанций планеты.

Почему свет фонарика и лазера — это две разные вещи

Сравним напрямую, чтобы разница осела в голове.

Фонарик даёт спонтанное излучение: атомы вспыхивают независимо, свет уходит во все стороны, содержит все цвета спектра. Через десять метров пятно расплывается на метры, а яркость падает в разы.

Лазер даёт вынужденное излучение: фотоны согласованы и летят строем. Луч сохраняет узость на километрах. Всю энергию можно собрать линзой в точку диаметром меньше волоса — там плотность мощности достигает значений, при которых плавится любой металл.

Разница не в яркости лампы, а в порядке. Лазер — это дисциплина света.

Распространённые заблуждения

Миф: лазер — это луч тепла, как у паяльника. Реальность: лазер сам по себе холодный, это поток света. Нагрев возникает только там, где луч поглощается веществом. В прозрачной среде он проходит насквозь, ничего не грея.

Миф: любой лазер режет и жжёт. Реальность: режущая способность зависит от мощности и фокусировки. Указка на 5 мВт не прожжёт бумагу, зато опасна для глаз. Резать металл может только сфокусированный луч в сотни ватт и выше.

Миф: лазерный луч виден в воздухе, как в фильмах. Реальность: чистый луч в прозрачном воздухе невидим сбоку — вы видите свет, только когда он попадает в глаз или рассеивается на пыли и дыме. «Красивые» лучи на концертах подсвечены специальным туманом.

Главное о том, как работает лазер, в 6 пунктах

• Лазер собирает свет из множества одинаковых фотонов благодаря вынужденному излучению — фотон выбивает из возбуждённого атома точную свою копию.
• Три обязательных элемента: источник накачки, активная среда и оптический резонатор из двух зеркал.
• Инверсия населённостей — состояние, когда возбуждённых атомов больше, чем спокойных; без неё среда гасит свет, а не усиливает.
• Резонатор гоняет фотоны между зеркалами, отбирая только строго направленный свет; частично прозрачное зеркало выпускает готовый луч.
• Лазерный свет монохроматичен, когерентен и направлен — поэтому его можно сфокусировать в точку огромной мощности.
• Сам луч холодный: нагрев появляется только там, где свет поглощается веществом.

Вопросы и ответы

Почему лазерный луч не расходится, как свет от фонарика?

Фотоны в лазере движутся почти параллельно и в одной фазе — их отбирает резонатор, пропуская вдоль оси и отсеивая всё, что летит вбок. Обычная лампа излучает хаотично во все стороны и сразу на многих длинах волн, поэтому её свет расплывается уже через несколько метров.

Опасен ли лазерный указатель для глаз?

Да. Даже маломощная указка на 1–5 мВт способна повредить сетчатку при прямом попадании в зрачок: глаз фокусирует параллельный луч в крошечную точку, и вся энергия бьёт по одной клетке. Никогда не направляйте лазер в глаза и не светите в сторону пилотов и водителей.

Кто изобрёл лазер и когда?

Теоретическую основу — вынужденное излучение — заложил Альберт Эйнштейн в 1917 году. Первый работающий лазер на кристалле рубина построил Теодор Мейман в 1960 году. До этого, в 1950-х, существовал его «радиочастотный брат» — мазер, работавший на том же принципе, но с микроволнами.

Чем отличается лазерный диод от газового лазера?

В газовом лазере активная среда — смесь газов (например, гелий и неон), накачка идёт электрическим разрядом. В лазерном диоде роль среды играет полупроводниковый кристалл, а накачка — обычный ток через p-n-переход. Диоды крошечные и дешёвые, поэтому стоят в указках, приводах и оптоволоконной связи.

Источники:

• NIF's Guide to How Lasers Work
• Lasers — University of Tennessee Physics Department
• Introduction to Laser Physics (arXiv)
• Laser & Photonics Reviews — Wiley Online Library