Лазер

от Уикипедия, свободната енциклопедия

Лазерът е квантов генератор и източник на мощно светлинно лъчение. Английската дума laser е абревиатура от Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation - усилване на светлината от предизвикано излъчване. Лазерът е оптическо устройство, което за генериране на енергия се нуждае от външно въздействие. Лазерите са възможни, заради начина, по който светлината взаимодейства с електроните. Електроните съществуват на специфични енергийни нива или състояния, типични за отделния атом или молекула. Енергийните нива могат да бъдат представени като пръстени или орбити около ядрото. Електроните във външните пръстени са на по-високо енергийно ниво, отколкото тези във вътрешните. Електроните могат да бъдат изблъскани на по-високи енергийни нива чрез впръскване на енергия, примерно чрез лъч светлина. Когато електронът преминава от външно към вътрешно ниво “излишната” енергия се излъчва като светлина. Дължината на вълната или цвета на отделяната светлина е точно свързана с количеството на отделената енергия. В зависимост от използвания лазерен материал се поглъщат определени дължини на вълните при избиване на електрони, а други се отделят, когато те се връщат в първоначалното си енергийно ниво.

Първият лазер е на базата на рубинов кристал и е изобретен през 1960 г. от американския физик Теодор Майман. В рубиновия кристал от алуминиев окис някои от алуминиевите атоми са разменени с хромни атоми. Хромът придава характерния червен цвят. Хромните атоми поглъщат зелената и синята светлина и отделят или отразяват само червената. За рубиновия лазер кристалът е оформен като цилиндър. Напълно отразяващо огледало е поставено на единия край на кристала, а полу-отразяващо - на другия. Лампа с голям интензитет е оформена като спирала около рубинения цилиндър, за да предизвиква осветяване на кристала с бяла светлина, задействаща лазерната реакция. Зелената и синята дължини на вълната от тази светлина изблъскват електроните в хромните атоми в по-високо енергийно ниво. При завръщането си в тяхното нормално състояние електроните излъчват характерната рубинено-червена светлина. Огледалата отразяват някои от лъчите обратно към рубиновия кристал, предизвиквайки излъчването на още червена светлина от други хромни атоми, докато светлинния лъч достигне достатъчна мощност и излъчи навън енергията под формата на фотони, натрупана в кристала.

Лазерният лъч, който напуска кристала през полу-отразяващото огледало, светва за около 1/300 млн.част от секундата, но с голям интензитет. Първите лазери са могли да произвеждат пикова мощност от около 10 000 вата. Съвременните лазери създават милиони пъти по-мощни лъчи.

Лазерът се отличава от обикновените източници на светлина, каквито са лампите с волфрамова жичка, по две много важни свойства на излъчваната светлина. Първото е кохерентността на неговата светлина. Вълните в излъчваната светлина са във фаза една с друга, паралелни са и се усилват една друга и така те могат да преминат огромни разстояния, без да се разсейват. За разлика от нея, обикновената светлина е съставена от лъчения с различни дължини на вълните, които лесно се разсейват. Кохерентността позволява на лазерния лъч да бъде фокусиран с голяма точност.

Друга характеристика на лазерите е тяхната мощност. Въпреки, че цялото количество енергия, излъчвана от Слънцето е много по-голяма от енергията, излъчвана от лазера, в тясната спектрална област, в която излъчва лазера, неговата енергия превишава енергията на Слънцето и на всички други познати източници на светлина.

Много газове и газови смеси при възникване на електрически разряд в тях започват да генерират лазерно лъчение. Характеризират се с много висока степен на кохерентността и малка разходимост на лъча. Хелий-неоновия лазер например излъчва видима червена светлина и се използва в много изследователски и образователни програми. Лазерът с азот и хелий генерира инфрачервена светлина, има висок КПД и голяма изходна мощност.

Ако през полупроводникова структура от типа на транзистор се пропусне електрически ток, то също е възможно да възникне лазерния ефект. Габаритите и изходната мощност на тези полупроводникови лазери са малки, но имат висок КПД. Такива лазери се използват най-вече в системите за свръзки.

Съществуват и химични лазери, които се получават от продуктите на химична реакция, при която се отделя много енергия, а също и такива на основата на оцветители (бои), които при облъчване с ултравиолетова светлина генерират лазерно лъчение.