ЛА́ЗЕР

  • рубрика

    Рубрика: Физика

  • родственные статьи
  • image description

    В книжной версии

    Том 16. Москва, 2010, стр. 588

  • image description

    Скопировать библиографическую ссылку:




Авторы: И. А Щербаков

ЛА́ЗЕР, ис­точ­ник ко­ге­рент­но­го элек­тро­маг­нит­но­го из­лу­че­ния вы­со­кой на­прав­лен­но­сти, спо­соб­ный осу­ще­ст­в­лять пре­дель­но воз­мож­ную кон­цен­тра­цию энер­гии из­лу­че­ния в про­стран­ст­ве, вре­ме­ни и спек­траль­ном диа­па­зо­не. Сло­во «ла­зер» яв­ля­ет­ся аб­бре­виа­ту­рой англ. фра­зы: «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation», что оз­на­ча­ет «уси­ле­ние све­та вы­ну­ж­ден­ным из­лу­че­ни­ем». Пер­во­на­чаль­но тер­мин «Л.» при­ме­нял­ся толь­ко к оп­тич. из­лу­че­нию (све­ту), ны­не ге­не­ра­ция ла­зер­но­го из­лу­че­ния по­лу­че­на в диа­па­зо­не длин волн от мик­ро­вол­но­во­го до мяг­ко­го рент­ге­нов­ско­го. Ла­зер­ное из­лу­че­ние воз­ни­ка­ет как ре­зуль­тат пре­об­ра­зо­ва­ния разл. ви­дов энер­гии (све­то­вой, элек­трич., хи­мич. и др.). На­ча­ло но­во­му на­уч. на­прав­ле­нию – кван­то­вой элек­тро­ни­ке, в т. ч. ла­зер­ной фи­зи­ке, бы­ло по­ло­же­но ра­бота­ми А. М. Про­хо­ро­ва, Н. Г. Ба­со­ва в СССР и Ч. Х. Та­ун­са в США (1954–55), ко­то­рые в 1964 бы­ли удо­стое­ны Но­бе­лев­ской пре­мии.

Принцип работы лазера 

Л. вклю­ча­ет два не­об­хо­ди­мых эле­мен­та: ак­тив­ную сре­ду и ре­зо­на­тор. Ак­тив­ная сре­да пред­став­ля­ет со­бой ве­ще­ст­во, на­хо­дя­щее­ся в не­рав­но­вес­ном со­стоя­нии и спо­соб­ное уси­ли­вать про­хо­дя­щее че­рез не­го ре­зо­нанс­ное элек­тро­маг­нит­ное из­лу­че­ние, час­то­та ко­то­ро­го со­от­вет­ст­ву­ет раз­но­сти энер­гий двух кван­то­вых энер­ге­тич. уров­ней час­тиц сре­ды. Пе­ре­ход час­ти­цы с бо­лее вы­со­ко­го на бо­лее низ­кий уро­вень энер­гии мо­жет быть из­лу­ча­тель­ным или бе­зыз­лу­ча­тель­ным. Ис­пус­ка­ние фо­то­на, т. е. из­лу­че­ние, мо­жет быть как са­мо­про­из­воль­ным (спон­тан­ное ис­пус­ка­ние), так и под дей­ст­ви­ем элек­тро­маг­нит­но­го из­лу­че­ния (ин­ду­ци­ро­ван­ное, или вы­ну­ж­ден­ное, ис­пус­ка­ние). При спон­тан­ном ис­пус­ка­нии час­то­та фо­то­на про­из­воль­на в пре­де­лах кон­ту­ра спек­траль­ной ли­нии, ши­ри­на ко­то­рой оп­ре­де­ля­ет­ся ши­ри­ной энер­ге­тич. уров­ней, уча­ст­вую­щих в пе­ре­хо­де. Про­из­воль­ны так­же на­прав­ле­ние рас­про­стра­не­ния из­лу­че­ния и его фа­за. При вы­ну­ж­ден­ном из­лу­че­нии ис­пу­щен­ные фо­то­ны пол­но­стью то­ж­де­ст­вен­ны фо­то­нам, воз­дей­ст­вую­щим на час­ти­цы сре­ды, т. е. про­ис­хо­дит уси­ле­ние па­даю­щей элек­тро­маг­нит­ной вол­ны. Ес­ли воз­дей­ст­вую­щая вол­на мо­но­хро­ма­тич­на, то вы­ну­ж­ден­ное ис­пус­ка­ние так­же бу­дет мо­но­хро­ма­тич­ным, имею­щим ту же час­то­ту, то же на­прав­ле­ние рас­про­стра­не­ния и ту же по­ля­ри­за­цию.

Ес­ли час­ти­ца на­хо­дит­ся в ниж­нем энер­ге­тич. со­стоя­нии, то под дей­ст­ви­ем внеш­ней элек­тро­маг­нит­ной вол­ны мо­жет про­ис­хо­дить ре­зо­нанс­ное по­гло­ще­ние, со­про­во­ж­даю­щее­ся пе­ре­хо­дом час­ти­цы в верх­нее энер­ге­тич. со­стоя­ние. При ре­зо­нанс­ном по­гло­ще­нии энер­гия воз­дей­ст­вую­щей вол­ны умень­ша­ет­ся, а при ин­ду­ци­ро­ван­ном ис­пус­ка­нии уве­ли­чи­ва­ет­ся. Ве­ро­ят­ность ре­зо­нанс­но­го по­гло­ще­ния точ­но рав­на ве­ро­ят­но­сти ин­ду­ци­ро­ван­но­го ис­пус­ка­ния. По­это­му бу­дет ли пре­об­ла­дать в ре­аль­ной сре­де про­цесс вы­нуж­ден­но­го ис­пус­ка­ния или ре­зо­нанс­но­го по­гло­ще­ния, за­ви­сит от со­от­но­ше­ния на­се­лён­но­стей верх­не­го и ниж­не­го энер­ге­тич. уров­ней. Пре­об­ла­да­ние вы­ну­ж­ден­но­го ис­пус­ка­ния, не­об­хо­ди­мое для ра­бо­ты Л., воз­мож­но при боль­шей на­се­лён­но­сти верх­не­го со­стоя­ния по срав­не­нию с ниж­ним при учё­те их ста­ти­стич. ве­сов (ин­верс­ная на­се­лён­ность). Ин­вер­сия на­се­лён­но­стей в сре­де мо­жет быть дос­тиг­ну­та при под­во­де к ней энер­гии или при ис­поль­зо­ва­нии энер­гии, за­па­сён­ной в сре­де за­ра­нее. Про­цесс соз­да­ния не­рав­но­вес­ной сре­ды на­зы­ва­ет­ся на­кач­кой. Спо­со­бы на­кач­ки мо­гут быть са­мы­ми раз­ны­ми: внеш­нее элек­тро­маг­нит­ное из­лу­че­ние, ин­жек­ция но­си­те­лей за­ря­да, хи­мич. ре­ак­ции, элек­трич. раз­ряд, бы­строе ох­лаж­де­ние и др.

Вто­рой не­отъ­ем­ле­мой ча­стью Л. яв­ля­ет­ся ре­зо­на­тор – уст­рой­ст­во, осу­ще­ст­в­ляю­щее по­ло­жи­тель­ную об­рат­ную связь, т. е. воз­вра­щаю­щее часть вы­хо­дя­ще­го из­лу­че­ния в ак­тив­ную сре­ду и обес­пе­чи­ваю­щее пе­ре­ход воз­мож­но­го про­цес­са уси­ле­ния элек­тро­маг­нит­но­го из­лу­че­ния в про­цесс его ге­не­ра­ции.

В ко­рот­ко­вол­но­вом ра­дио­диа­па­зо­не обыч­но при­ме­ня­ют­ся ре­зо­на­то­ры, раз­ме­ры ко­то­рых срав­ни­мы или мень­ше дли­ны воз­бу­ж­дае­мых в них волн. Дос­та­точ­но дол­го счи­та­ли, что для оп­тич. диа­па­зо­на, где дли­на вол­ны по­ряд­ка 1 мкм, та­кой ре­зо­на­тор из­го­то­вить не­воз­мож­но, и при су­ще­ст­во­вав­шем уров­не тех­но­ло­гии это со­от­вет­ст­во­ва­ло дей­ст­ви­тель­но­сти. В 1958 А. М. Про­хо­ров пред­ло­жил ис­поль­зо­вать т. н. от­кры­тые ре­зо­на­торы. Раз­ме­ры та­ко­го ре­зо­на­то­ра мно­го боль­ше дли­ны вол­ны воз­бу­ж­дае­мых в нём элек­тро­маг­нит­ных ко­ле­ба­ний, а ре­зо­нанс­ные свой­ст­ва со­хра­ня­ют­ся, да­же ес­ли его раз­ме­ры пре­вы­ша­ют дли­ну вол­ны воз­бу­ж­дае­мых элек­тро­маг­нит­ных ко­ле­ба­ний вплоть до 106 раз и бо­лее. Про­стей­ший от­кры­тый ре­зо­на­тор со­сто­ит из двух от­ра­жаю­щих по­верх­но­стей (зер­кал), ко­то­рые на­хо­дят­ся на рас­стоя­нии, зна­чи­тель­но пре­вы­шаю­щем дли­ну вол­ны из­лу­че­ния. Обыч­но диа­метр зер­ка­ла так­же мно­го боль­ше дли­ны вол­ны. В ак­тив­ной сре­де, по­ме­щён­ной в ре­зо­на­тор, за­па­са­ет­ся энер­гия в ви­де элек­трон­но­го, ко­ле­ба­тель­но­го или элек­трон­но-ко­ле­ба­тель­но­го воз­бу­ж­де­ния. В ре­зуль­та­те вы­ну­ж­ден­но­го из­лу­че­ния энер­гия из­вле­ка­ет­ся из сре­ды и ока­зы­ва­ет­ся в ре­зо­на­то­ре в фор­ме элек­тро­маг­нит­но­го по­ля, ко­то­рое из­лу­ча­ет­ся в ок­ру­жаю­щее про­стран­ст­во, вы­хо­дя че­рез од­но час­тич­но про­зрач­ное зер­ка­ло ре­зо­на­то­ра.

Об­рат­ная связь мо­жет быть реа­ли­зо­ва­на не­по­сред­ст­вен­но в ак­тив­ной сре­де, т. н. рас­пре­де­лён­ная об­рат­ная связь. Она воз­ни­ка­ет в ак­тив­ной сре­де, оп­тич. плот­ность ко­то­рой пе­рио­ди­че­ски ме­ня­ет­ся в про­стран­ст­ве. От­ра­же­ние воз­ни­ка­ет при пе­ре­хо­де вол­ны от од­но­го участ­ка к дру­го­му, от­ли­чаю­ще­му­ся оп­тич. плот­но­стью. Ко­эф. от­ра­же­ния при од­ном пе­ре­хо­де мал, но т. к. пе­ре­хо­дов мо­жет быть мно­го, об­щий ко­эф. от­ра­же­ния ока­зы­ва­ет­ся дос­та­точ­но боль­шим.

С раз­ви­ти­ем на­но­тех­но­ло­гий в кон. 1980-х гг. ста­ло воз­мож­ным из­го­тов­ле­ние эф­фек­тив­ных мик­ро­ре­зо­на­то­ров с раз­ме­ра­ми по­ряд­ка оп­тич. дли­ны вол­ны. Л. с та­ки­ми ре­зо­на­то­ра­ми (см. Микро­лазер) об­ла­да­ют су­ще­ст­вен­ны­ми дос­то­ин­ст­ва­ми: ма­лы­ми по­те­ря­ми, вы­со­кой кван­то­вой эф­фек­тив­но­стью из­лу­че­ния и очень низ­ки­ми по­ро­га­ми ге­не­ра­ции. На прак­ти­ке ши­ро­ко при­ме­ня­ют­ся по­лу­про­вод­ни­ко­вые ла­зе­ры с вер­ти­каль­ным ре­зо­на­то­ром. Раз­ра­бо­та­ны мик­ро­ре­зо­на­тор­ные ла­зе­ры, ис­поль­зую­щие по­лу­про­вод­ни­ко­вые на­но­ст­рук­ту­ры (напр., кван­то­вые точ­ки) в ка­че­ст­ве ак­тив­ных эле­мен­тов (ла­зер на кван­то­вых точ­ках), и ожи­да­ет­ся по­яв­ле­ние пром. тех­но­ло­гий их из­го­тов­ле­ния. Та­кие ми­ниа­тюр­ные ис­точ­ни­ки све­та най­дут при­ме­не­ние в био­ло­гии, ме­ди­ци­не, оп­тич. ли­ни­ях свя­зи, оп­ти­че­ских и кван­то­вых ком­пь­ю­те­рах и др.

Су­ще­ст­ву­ет мно­го разл. схем со­че­та­ния сис­те­мы зер­кал с ак­тив­ной сре­дой, но во всех слу­ча­ях ус­ло­вие воз­ник­но­ве­ния ге­не­ра­ции (ус­ло­вие са­мо­воз­бу­ж­де­ния) об­щее: уси­ле­ние из­лу­че­ния за один про­ход в сис­те­ме зер­кал и че­рез ак­тив­ную сре­ду долж­но пре­вы­шать все по­те­ри энер­гии в ре­зо­на­то­ре за этот про­ход. В об­щий ба­ланс долж­ны быть вклю­че­ны по­те­ри энер­гии на соб­ст­вен­но по­лез­ное ла­зер­ное из­лу­че­ние, вы­хо­дя­щее в ок­ру­жаю­щее про­стран­ст­во, и па­ра­зит­ные по­те­ри энер­гии на рас­сея­ние све­та, его по­гло­ще­ние и т. п.

Историческая справка 

Ла­зе­ры поя­ви­лись в нач. 1960-х гг. Это­му ис­то­рич. со­бы­тию пред­ше­ст­во­ва­ли глу­бо­кие тео­ре­тич. и экс­пе­рим. ис­сле­до­ва­ния. Уси­ле­ние и ге­не­ра­ция ко­ге­рент­ных элек­тро­маг­нит­ных ко­ле­ба­ний бы­ли реа­ли­зо­ва­ны в ра­дио­диа­па­зо­не за­дол­го до по­яв­ле­ния Л. с по­мо­щью уст­ройств, раз­ме­ры ко­то­рых ма­лы по срав­не­нию с дли­ной вол­ны из­лу­че­ния. Од­на­ко раз­ра­бо­тан­ные и при­ме­нён­ные для это­го ме­то­ды не мог­ли быть пе­ре­не­се­ны в оп­тич. диа­па­зон.

В 1917 А. Эйн­штейн обоб­щил по­ня­тие вы­ну­ж­ден­но­го из­лу­че­ния для кван­то­во­ме­ха­нич. сис­те­мы. Он по­сту­ли­ро­вал, что воз­бу­ж­дён­ная час­ти­ца мо­жет из­лу­чать не толь­ко спон­тан­но, но и под воз­дей­стви­ем взаи­мо­дей­ст­вую­ще­го с ней кван­та внеш­не­го элек­тро­маг­нит­но­го по­ля. Это оп­ре­де­ли­ло но­вое уни­каль­ное свой­ст­во ко­ге­рент­но­го из­лу­че­ния – пол­ную иден­тич­ность воз­дей­ст­вую­ще­го и из­лу­чён­но­го кван­тов.

То­гда же А. Эйн­штей­ном бы­ла ус­та­нов­ле­на связь ме­ж­ду по­гло­ще­ни­ем и ин­ду­ци­ро­ван­ным из­лу­че­ни­ем, что по­зво­ли­ло оп­ре­де­лять ха­рак­те­ри­сти­ки этих про­цес­сов из экс­пе­рим. спек­тро­ско­пич. дан­ных. Од­на­ко оп­ти­ки в то вре­мя счи­та­ли вы­ну­ж­ден­ное из­лу­че­ние кра­си­вой, но бес­по­лез­ной аб­ст­рак­ци­ей, т. к. в обыч­ных ус­ло­ви­ях плот­ность энер­гии све­та ма­ла и про­пор­цио­наль­ная ей ве­ро­ят­ность ин­ду­ци­ро­ван­но­го из­лу­че­ния так­же ма­ла. Тем не ме­нее ра­бо­та А. Эйн­штей­на яви­лась пер­вым кир­пи­чи­ком в фун­да­мен­те бу­ду­щей нау­ки – кван­то­вой элек­тро­ни­ки.

Не­ко­то­рые ука­за­ния на то, что в силь­но воз­бу­ж­дён­ном га­зе име­ет ме­сто «от­ри­ца­тель­ное по­гло­ще­ние», т. е. уси­ле­ние из­лу­че­ния, со­дер­жат­ся в ра­бо­те нем. фи­зи­ка Р. Ла­ден­бур­га (1928). Од­на­ко твёр­дая уве­рен­ность в не­об­хо­ди­мо­сти жё­ст­ко­го рав­но­ве­сия из­лу­че­ния со сре­дой не по­зво­ли­ла долж­ным об­ра­зом от­не­стись к это­му яв­ле­нию.

В 1938 рос. фи­зик В. А. Фаб­ри­кант с со­труд­ни­ка­ми экс­пе­ри­мен­таль­но об­на­ру­жил уси­ле­ние све­та в не­рав­но­вес­ной сре­де (га­зо­вом раз­ря­де) и сфор­му­ли­ро­вал ус­ло­вие уси­ле­ния све­та атом­ной сис­те­мой. Это яви­лось оче­ред­ным ша­гом на пу­ти соз­да­ния ла­зе­ра.

Ре­аль­ная кон­цеп­ция Л. поя­ви­лась лишь в ре­зуль­та­те раз­ви­тия и слия­ния кван­то­вых пред­став­ле­ний в оп­ти­ке и вол­но­вых пред­став­ле­ний в ра­дио­фи­зи­ке. Ре­шаю­щую роль в объ­е­ди­не­нии ре­зуль­та­тов оп­ти­ки и ра­дио­фи­зи­ки сыг­ра­ла ра­дио­спек­тро­ско­пия, изу­чаю­щая спек­тры ато­мов, мо­ле­кул и ио­нов в диа­па­зо­не час­тот 1010–1011 Гц.

Осн. прин­ци­пы ра­бо­ты Л. бы­ли сфор­му­ли­ро­ва­ны и реа­ли­зо­ва­ны пер­во­на­чаль­но в мик­ро­вол­но­вом диа­па­зо­не при соз­да­нии ма­зе­ров, где, в от­ли­чие от оп­тич. диа­па­зо­на, в ус­ло­ви­ях тер­мо­ди­на­мич. рав­но­ве­сия воз­бу­ж­дён­ные уров­ни силь­но на­се­ле­ны, а спон­тан­ное из­лу­че­ние сла­бое. Важ­но так­же, что ра­дио­фи­зи­ки от­чёт­ли­во осоз­на­ва­ли ре­шаю­щее зна­че­ние об­рат­ной свя­зи при пе­ре­хо­де от уси­лите­ля к ге­не­ра­то­ру. Эта фун­дам. идея бы­ла реа­ли­зо­ва­на при соз­да­нии мо­ле­ку­ляр­но­го ге­не­ра­то­ра (ма­зе­ра) Дж. Гор­до­ном, Г. Цай­ге­ром, Ч. Х. Та­ун­сом в США (1954) и Н. Г. Ба­со­вым и А. М. Про­хо­ро­вым в СССР (1955). В ка­че­ст­ве ак­тив­ной сре­ды ис­поль­зо­вал­ся пу­чок мо­ле­кул ам­миа­ка, ин­верс­ная на­се­лён­ность дос­ти­га­лась элек­тро­ста­тич. про­стран­ст­вен­ной сор­ти­ров­кой, об­рат­ная связь обес­пе­чи­ва­лась объ­ём­ным ре­зо­на­то­ром.

Для пе­ре­не­се­ния реа­ли­зо­ван­ных в ра­дио­диа­па­зо­не воз­мож­но­стей в оп­тич. диа­па­зон не­об­хо­ди­мо бы­ло обес­пе­чить пре­об­ла­да­ние вы­ну­ж­ден­но­го из­лу­че­ния над спон­тан­ным (т. е. раз­ра­бо­тать эф­фек­тив­ные ме­то­ды соз­да­ния ин­верс­ной на­се­лён­но­сти) и обес­пе­чить эф­фек­тив­ную об­рат­ную связь для оп­тич. дли­ны вол­ны из­лу­че­ния.

Для соз­да­ния ин­верс­ной на­се­лён­но­сти Н. Г. Ба­сов и А. М. Про­хо­ров пред­ло­жи­ли ис­поль­зо­вать ме­тод элек­тро­маг­нит­ной на­кач­ки, из­вест­ный как трёх­уров­не­вая схе­ма на­кач­ки (1955). Н. Блом­бер­ген пред­ло­жил при­ме­нить этот ме­тод для соз­да­ния ма­зе­ров-уси­ли­те­лей на па­ра­маг­нит­ных кри­стал­лах (1956). Хо­тя пред­ло­же­ние Ба­со­ва и Про­хо­ро­ва от­но­си­лось к мо­ле­ку­ляр­ным пуч­кам, оно ока­за­лось уни­вер­саль­ным, при­год­ным для лю­бых атом­ных сис­тем.

Прин­ци­пи­аль­ным ша­гом при соз­да­нии Л. бы­ло так­же пред­ло­же­ние А. М. Про­хо­ро­ва ис­поль­зо­вать от­кры­тый ре­зо­на­тор, ко­то­рый один в то вре­мя мог обес­пе­чить эф­фек­тив­ную об­рат­ную связь в оп­тич. диа­па­зо­не спек­тра (1958).

Вы­ска­зан­ные идеи бы­ли реа­ли­зо­ва­ны Т. Мей­ма­ном (США) в 1960 при соз­да­нии пер­во­го в ми­ре Л., в ко­то­ром в ка­че­ст­ве ак­тив­ной сре­ды ис­поль­зо­вал­ся син­те­тич. кри­сталл ру­би­на, к это­му вре­ме­ни под­роб­но изу­чен­ный и ус­пеш­но при­ме­няв­шийся в ка­че­ст­ве ак­тив­ной сре­ды ма­зе­ров. В кон. 1960 А. Джа­ван и др. (США) осу­ще­ст­ви­ли за­пуск га­зо­раз­ряд­но­го ла­зе­ра на сме­си ге­лия и не­она. Это бы­ли пер­вые два Л., из­лу­чаю­щие в крас­ной об­лас­ти спек­тра, по­сле че­го на­ча­лось ла­ви­но­об­раз­ное раз­ви­тие ла­зер­ной фи­зи­ки.

Типы лазеров 

Об­ще­при­знан­ной сис­те­мы клас­си­фи­ка­ции Л. нет, но час­то Л. раз­де­ля­ют по ти­пу ис­поль­зуе­мой в них ак­тив­ной сре­ды. При этом так­же при­ни­ма­ют­ся во вни­ма­ние спо­соб на­кач­ки, дли­на вол­ны из­лу­че­ния и не­ко­то­рые др. ха­рак­те­ри­сти­ки. Мож­но вы­де­лить сле­дую­щие осн. ти­пы Л.: твер­до­тель­ные ла­зе­ры, по­лу­про­вод­ни­ко­вые, га­зо­вые, хи­мич., жид­ко­ст­ные, ла­зе­ры на сво­бод­ных элек­тро­нах, ла­зе­ры с ядер­ной на­кач­кой, рент­ге­нов­ские ла­зе­ры, гам­ма-ла­зе­ры (по­ка не реа­ли­зо­ва­ны).

Твердотельные лазеры

Рис. 1. Лазерная установка на стекле с неодимом для исследования в области термоядерного синтеза.

Ак­тив­ной сре­дой этих Л. яв­ля­ет­ся твёр­дое те­ло, пред­став­ляю­щее со­бой сис­те­му, со­стоя­щую из осн. мат­ри­цы и вне­дрён­ных в неё ак­ти­ви­рую­щих эле­мен­тов, на кван­то­вых пе­ре­хо­дах ко­то­рых и осу­ще­ст­в­ля­ет­ся ге­не­ра­ция. В ка­че­ст­ве осн. мат­ри­цы ис­поль­зу­ют­ся разл. ди­элек­трич. кри­стал­лы, стек­ло, про­зрач­ная ке­ра­ми­ка или по­ли­ме­ры (см. Ла­зер­ные ма­те­риа­лы). В ка­че­ст­ве ак­ти­ви­рую­щих при­ме­сей наи­бо­лее час­то ис­поль­зу­ют­ся ио­ны пе­ре­ход­ных эле­мен­тов, осо­бен­но ио­ны Nd, Cr, Ti и др. На­кач­ка твер­до­тель­ных ла­зе­ров осу­ще­ст­в­ля­ет­ся оп­тич. из­лу­че­ни­ем, ис­точ­ни­ком ко­то­ро­го яв­ля­ют­ся спец. га­зо­раз­ряд­ные лам­пы, ра­бо­таю­щие как в им­пульс­ном, так и в не­пре­рыв­ном ре­жи­ме и по­ме­щён­ные вме­сте с ак­тив­ным эле­мен­том в за­кры­тую от­ра­жаю­щую по­лость. Всё боль­шее зна­че­ние при­об­ре­та­ет тех­но­ло­гия на­кач­ки ди­од­ны­ми ла­зе­ра­ми, из­ме­нив­шая воз­мож­но­сти твер­до­тель­ных ла­зе­ров: по­вы­си­лись их кпд, на­дёж­ность, сни­зи­лись мас­со­га­ба­рит­ные по­ка­за­те­ли и при этом бы­ла со­хра­не­на про­сто­та кон­ст­рук­ции. Оп­тич. на­кач­ка осу­ще­ст­в­ля­ет­ся по трёх­уров­не­вой схе­ме или по бо­лее слож­ным схе­мам. При­ме­ром клас­сич. трёх­уров­не­вой схе­мы на­кач­ки яв­ля­ет­ся на­кач­ка кри­стал­лов ру­би­на, где ла­зер­ный пе­ре­ход осу­ще­ст­в­ля­ет­ся ме­ж­ду ин­верс­но за­се­лён­ным воз­бу­ж­дён­ным уров­нем и осн. со­стоя­ни­ем, ко­то­рое все­гда за­се­ле­но. Ис­поль­зо­ва­ние ак­тив­ной сре­ды, имею­щей чет­вёр­тый уро­вень, рас­по­ло­жен­ный ме­ж­ду воз­бу­ж­дён­ным и ос­н. со­стоя­ни­ями, ко­то­рый мо­жет иметь пре­неб­ре­жи­мо ма­лую за­се­лён­ность, су­ще­ст­вен­но уп­ро­ща­ет дос­ти­же­ние ин­вер­сии и сни­жа­ет по­рог ге­не­ра­ции. Примером такой четырёхуровневой схемы генерации яв­ляется неодимовый лазер

Разветвлён­ная схема электронных и электронно-колебат. состояний РЗЭ даёт возможность исполь­зовать более сложные схемы оптич. на­качки и создать т. н. антистоксовы Л., длина волны излучения которых мень­ше длины волны излучения накачки.

Ла­зе­ры на стёк­лах. В них в боль­шин­ст­ве слу­ча­ев при­ме­ня­ют­ся си­ли­кат­ные или фос­фат­ные стёк­ла, ак­ти­ви­ро­ван­ные ио­на­ми Nd3+ или, ре­же, Er3+ (см. Ла­зер­ные стёк­ла). Обыч­ная дли­на вол­ны ге­не­ра­ции ио­нов Nd3+ λг1,06 мкм, хо­тя воз­мож­на ге­нера­ция и на др. пе­ре­хо­дах в об­лас­ти λг1,32 и 0,9 мкм. Ио­ны Er3+ в стёк­лах обес­пе­чи­ва­ют ге­не­ра­цию в безо­пас­ной для глаз об­лас­ти λг 1,5 мкм. Л. ра­бо­та­ют в им­пульс­ном ре­жи­ме. Дли­тель­ность им­пуль­са ге­не­ра­ции мо­жет быть от 10–12 с (ре­жим син­хро­ни­за­ции мод) до 10–2 с (режим сво­бод­ной ге­не­ра­ции). Мно­го­ка­наль­ные мно­го­кас­кад­ные ла­зер­ные сис­те­мы на ак­тив­ных эле­мен­тах из не­оди­мо­во­го стек­ла име­ют вы­ход­ную энер­гию до 1 МДж при дли­тель­но­сти им­пуль­са ок. 3 нс. Та­кие Л. ис­поль­зу­ют­ся в экс­пе­ри­мен­тах по ла­зер­но­му тер­мо­ядер­но­му син­те­зу (рис. 1).

Ла­зе­ры на кри­стал­лах. Эф­фект ге­не­ра­ции из­лу­че­ния об­на­ру­жен на боль­шом чис­ле ак­ти­ви­ро­ван­ных кри­стал­лов (ок. 300), од­на­ко в ре­аль­но при­ме­няе­мых Л. ис­поль­зу­ют­ся лишь не­ко­то­рые. Ис­то­ри­че­ски пер­вым был Л. на кри­стал­лах ру­би­на. На­кач­ка это­го Л. осу­ще­ст­в­ля­ет­ся им­пульс­ны­ми лам­па­ми, дли­на вол­ны ге­не­ра­ции 694,3 нм. Ши­ро­ко ис­поль­зу­ют­ся Л. на кри­стал­лах ит­трий-алю­ми­ние­во­го гра­на­та, фто­ри­дов и ва­на­да­тов, ле­ги­ро­ван­ных ио­на­ми не­оди­ма и др. ред­ко­зе­мель­ны­ми ио­на­ми. Эти Л. ра­бо­та­ют как с лам­по­вой, так и с ди­од­ной на­кач­кой в им­пульс­ном и не­пре­рыв­ном ре­жи­мах в диа­па­зо­не длин волн от 0,9 до 3 мкм. Ге­не­ра­ция гар­мо­ник из­лу­че­ния этих ла­зе­ров по­зво­ля­ет про­дви­нуть­ся в ко­рот­ко­вол­но­вую об­ласть спек­тра, вплоть до ульт­ра­фио­ле­то­вой. В об­лас­ти λ≈280–316 нм не­по­сред­ст­вен­но по­лу­че­на ге­не­ра­ция на ио­нах це­рия. В не­пре­рыв­ном и им­пульс­но-пе­рио­дич. ре­жи­мах мощ­ность не­ко­то­рых твер­до­тель­ных Л. мо­жет дос­ти­гать ве­ли­чин 103–104 Вт.

Дос­та­точ­но ши­ро­ко при­ме­ня­ют­ся Л. на кри­стал­лах с цен­тра­ми ок­ра­ски (см. Ла­зер на цен­трах ок­ра­ски). Та­кие Л. ха­рак­те­ри­зу­ют­ся срав­ни­тель­но боль­шой спек­траль­ной ши­ри­ной ли­нии лю­ми­нес­цен­ции, что по­зво­ля­ет пе­ре­страи­вать их час­то­ту (напр., Л. на кри­стал­лах фто­ри­дов).

В осо­бый класс сле­ду­ет вы­де­лить пе­ре­страи­вае­мые твер­до­тель­ные Л. на ос­но­ве кри­стал­лов алек­сан­д­ри­та, ле­ги­ро­ван­но­го ио­на­ми хро­ма, и лей­ко­сап­фи­ра, ле­ги­ро­ван­но­го ио­на­ми ти­та­на. В от­ли­чие от кри­стал­лов ру­би­на, где ла­зер­ный пе­ре­ход в ио­нах хро­ма яв­ля­ет­ся элек­трон­ным, в кри­стал­ле алек­сан­д­ри­та ге­не­ра­ция осу­ще­ст­в­ля­ет­ся на элек­трон­но-ко­ле­ба­тель­ном пе­ре­хо­де. При этом наи­боль­шая эф­фек­тив­ность ге­не­ра­ции дос­ти­га­ет­ся при тем­пе­ра­ту­рах вы­ше ком­нат­ной. Осо­бен­но­стью этих кри­стал­лов яв­ля­ет­ся ши­ро­кая по­ло­са лю­ми­нес­цен­ции, что да­ёт воз­мож­ность ис­поль­зо­вать их для соз­да­ния Л., пе­ре­страи­вае­мых по час­то­те в ши­роком спек­траль­ном диа­па­зо­не, и для ге­не­ра­ции очень ко­рот­ких све­то­вых им­пуль­сов. Так, Л. на кри­стал­ле лей­ко­сап­фи­ра с ти­та­ном мо­жет из­лу­чать им­пуль­сы дли­тель­но­стью при­мер­но один пе­ри­од ко­ле­ба­ния элек­тро­маг­нит­но­го по­ля. Для оп­тич. диа­па­зо­на это еди­ни­цы фем­то­се­кунд. В мощ­ных ла­зер­ных сис­те­мах на ос­но­ве это­го кри­стал­ла дос­ти­га­ет­ся пи­ко­вая мощ­ность по­ряд­ка 1015 Вт. При фо­ку­си­ров­ке та­ко­го из­лу­че­ния в фо­каль­ном пят­не по­лу­че­на плот­ность мощ­но­сти из­лу­че­ния ок. 1022 Вт/см2. Экс­пе­ри­мен­ты с по­доб­ны­ми сверх­силь­ны­ми по­ля­ми долж­ны при­вес­ти к от­кры­тию но­вых кван­то­вых элек­тро­ди­на­мич. яв­ле­ний, к воз­мож­но­сти ла­зер­но­го воз­буж­де­ния ядер и к дру­гим, труд­но пред­ска­зуе­мым но­вым ре­зуль­та­там. Ме­то­ды не­ли­ней­ной оп­ти­ки по­зво­ля­ют дос­тичь ещё бо­лее ко­рот­ких им­пуль­сов (ат­то­секунд­ные им­пуль­сы). Ока­зы­ва­ет­ся воз­мож­ным реа­ли­зо­вать од­но­вре­мен­ную ге­не­ра­цию боль­шо­го чис­ла гар­мо­ник осн. из­лу­че­ния, при син­хро­ни­за­ции фаз ко­то­рых воз­ни­ка­ют им­пуль­сы с дли­тель­но­стью мно­го мень­ше пе­рио­да све­то­вых ко­ле­ба­ний осн. из­лу­че­ния.

Ла­зе­ры на ке­ра­ми­ке и по­ли­ме­рах. В кон. 20 – нач. 21 вв. поя­ви­лась и ус­пеш­но раз­ви­ва­ет­ся тех­но­ло­гия про­зрач­ной ла­зер­ной ке­ра­ми­ки, ак­ти­ви­ро­ван­ной трёх­ва­лент­ны­ми ред­ко­зе­мель­ны­ми ио­на­ми. Ла­зер­ная ке­ра­ми­ка об­ла­да­ет хи­мич. со­ста­вом, ана­ло­гич­ным кри­стал­лам, но мо­жет быть по­лу­че­на в не­дос­туп­ных мо­но­кри­стал­лам боль­ших объ­ё­мах, что прин­ци­пи­аль­но важ­но для мощ­ных ла­зер­ных сис­тем. Уро­вень тех­но­ло­гии по­зво­ля­ет по­лу­чать об­раз­цы ке­ра­ми­ки, не ус­ту­паю­щие кри­стал­лам по сво­им оп­тич., спек­траль­ным, ме­ха­нич. свой­ст­вам и мощ­но­сти ге­не­ри­руе­мо­го из­лу­че­ния. Так, напр., на ке­ра­ми­ке со­ста­ва ит­трий-алю­ми­ние­во­го гра­на­та с не­оди­мом до­стиг­ну­ты мощ­но­сти не­пре­рыв­но­го из­лу­че­ния в де­сят­ки кВт.

Су­ще­ст­ву­ют так­же твер­до­тель­ные Л., в ко­то­рых в ка­че­ст­ве ак­тив­ной сре­ды при­ме­ня­ет­ся по­ли­мер, ак­ти­ви­ро­ван­ный спец. об­ра­зом мо­ле­ку­ла­ми кра­си­те­ля.

Во­ло­кон­ные ла­зе­ры. Ак­тив­ной сре­дой в них слу­жит серд­це­ви­на стек­ло­во­лок­на, ак­ти­ви­ро­ван­ная трёх­ва­лент­ны­ми ио­на­ми ред­ко­зе­мель­ных эле­мен­тов. На­кач­ка осу­ще­ст­в­ля­ет­ся ла­зер­ны­ми дио­да­ми. Эти Л. по срав­не­нию с тра­диц. твер­до­тель­ны­ми Л. об­ла­да­ют та­ки­ми пре­иму­ще­ст­ва­ми, как эф­фек­тив­ный те­п­ло­от­вод, вы­со­кое ка­че­ст­во вы­ход­но­го из­лу­че­ния, вы­со­кая ста­биль­ность, эф­фек­тив­ность на­кач­ки, ком­пакт­ность и ма­лая мас­са. Мощ­ность не­пре­рыв­но­го из­лу­че­ния дос­ти­га­ет де­сят­ки кВт. Во­ло­кон­ные ла­зе­ры пер­спек­тив­ны для при­ме­не­ния в тех­но­ло­гич. про­цес­сах, где ис­поль­зу­ет­ся не­пре­рыв­ное ла­зер­ное из­лу­че­ние. В ка­че­ст­ве ак­ти­ва­то­ров ак­тив­ных сред во­ло­кон­ных Л. наи­бо­лее час­то при­ме­ня­ют ио­ны Yb, хо­тя ис­поль­зу­ют­ся так­же ио­ны Nd, Er, Ho, Tm. Соз­дан во­ло­кон­ный Л. на ио­нах вис­му­та, вто­рая гар­мо­ни­ка из­лу­че­ния ко­то­ро­го со­от­вет­ст­ву­ет жёл­той час­ти оп­тич. спек­тра.

Полупроводниковые лазеры

Рис. 2. Компактный полупроводниковый лазер, применяющийся в системах передачи, хранения и считывания информации.

име­ют наи­бо­лее мас­со­вое при­ме­не­ние. Ос­но­во­по­ла­гаю­щую роль в раз­ра­бот­ке этих Л. сыг­ра­ли отеч. учё­ные. Впер­вые кон­цеп­ция по­лу­про­вод­ни­ко­во­го ин­жек­ци­он­но­го ла­зе­ра бы­ла вы­ска­за­на Н. Г. Ба­со­вым, О. Н. Кро­хи­ным и Ю. М. По­по­вым (1961). Они пред­ло­жи­ли для воз­бу­ж­де­ния из­лу­че­ния ис­поль­зо­вать рn-пе­ре­ход в по­лу­про­вод­ни­ке при про­те­ка­нии че­рез не­го элек­трич. то­ка. Да­лее фи­зи­ка по­лу­про­вод­ни­ко­вых Л. ин­тен­сив­но раз­ви­ва­лась. Ж. И. Ал­фё­ров с со­труд­ни­ка­ми раз­ра­бо­тал мно­го­слой­ные ге­те­ро­ст­рук­ту­ры, став­шие ос­но­вой совр. по­лу­про­вод­ни­ко­вых Л. – на­дёж­ных ма­ло­га­ба­рит­ных при­бо­ров с разл. энер­ге­тич., вре­менны́ми и спек­траль­ны­ми ха­рак­те­ри­сти­ка­ми (см. Ге­те­ро­ла­зер). За раз­ра­бот­ку бы­ст­ро­дей­ст­вую­щих оп­то- и мик­ро­элек­трон­ных уст­ройств на ос­нове ге­те­ро­ст­рук­тур Ж. И. Ал­фё­ро­ву и Г. Крё­ме­ру бы­ла при­су­ж­де­на Но­бе­лев­ская пр. (2000). По­лу­про­вод­ни­ко­вые ла­зе­ры ге­не­ри­ру­ют в ши­ро­ком диа­па­зо­не мощ­но­стей (от еди­ниц мкВт до де­сят­ков Вт) и пе­ре­кры­ва­ют ши­ро­кий диа­па­зон длин волн. Наи­бо­лее из­вест­ны Л. на со­еди­не­ни­ях эле­мен­тов III груп­пы пе­рио­дич. сис­те­мы (Al, Ga, In) и V груп­пы (N, P, As, Sb), напр. ла­зер на GaN с дли­ной вол­ны ге­не­ра­ции λг0,36 мкм, а так­же ра­бо­таю­щий при ком­нат­ной темп-ре Л. на трой­ном со­еди­не­нии InGaN с λг0,41 мкм. Ши­ро­кое рас­про­стра­не­ние по­лу­чи­ли ра­бо­таю­щие при ком­нат­ной темп-ре Л. на GaAs с об­ла­стью пе­ре­ст­рой­ки λг=0,82–0,92 мкм; из­вест­ны Л. на трой­ных со­еди­не­ни­ях AlGaAs (λг=0,62–0,9 мкм) и InGaAs (λг= 0,9–3,2 мкм) и на чет­вер­ных со­еди­не­ни­ях InGaAsP (λг=0,58–3,0 мкм). Ис­поль­зу­ют­ся так­же Л. на со­еди­не­ни­ях PbS (λг= 4,3 мкм), PbTe (λг= 6,5 мкм), PbSe (λг= 8,5 мкм), а так­же Л. на трой­ном со­еди­не­нии PbSSe (λг= 4,3–8,5 мкм). Мас­со­вый вы­пуск по­лу­про­вод­ни­ко­вых Л. обу­слов­лен их ши­ро­ким при­ме­не­ни­ем в во­ло­кон­ных ли­ни­ях свя­зи, в уст­рой­ст­вах за­пи­си, счи­ты­ва­ния и хра­не­ния ин­фор­ма­ции в ком­пь­ю­те­рах (рис. 2) и в бы­то­вой тех­ни­ке, та­кой как DVD-про­иг­ры­ва­те­ли и до­маш­ние ки­но­те­ат­ры.

По­лу­про­вод­ни­ко­вые Л. ис­поль­зу­ют­ся в ка­че­ст­ве ис­точ­ни­ков на­кач­ки твер­до­тель­ных ла­зе­ров, что су­ще­ст­вен­но рас­ши­ри­ло воз­мож­ность по­след­них и обес­пе­чи­ло им но­вый ка­че­ст­вен­ный уро­вень.

Газовые лазеры

име­ют мно­го раз­но­вид­но­стей. Наи­боль­шую из­вест­ность по­лу­чил ла­зер на ней­траль­ных ато­мах, в ко­то­ром в ка­че­ст­ве ак­тив­ной сре­ды при­ме­ня­ет­ся смесь двух га­зов – ге­лия и не­она (ге­лий-не­оно­вый ла­зер). Ге­не­ра­ция про­ис­хо­дит на пе­ре­хо­дах ато­ма Ne на не­сколь­ких дли­нах волн (от 543,5 нм до 3,39 мкм); наи­бо­лее час­то ис­поль­зу­ет­ся λг=632,8 нм. Воз­бу­ж­де­ние ак­тив­ной сре­ды осу­ще­ст­в­ля­ет­ся не­пре­рыв­ным элек­трич. раз­ря­дом в га­зе. Вы­ход­ная мощ­ность из­лу­че­ния до 10 мВт.

К га­зо­вым Л. ИК-диа­па­зо­на от­но­сят­ся ла­зе­ры на мо­ле­ку­лах CO2 и CO. Ге­не­ра­ция про­ис­хо­дит на ко­ле­ба­тель­ных пе­ре­хо­дах мо­ле­кул в диа­па­зо­не λг=10,6 мкм для CO2-ла­зе­ра и λг=5,09–6,66 мкм для CO-ла­зе­ра. Эти Л. мо­гут ра­бо­тать в очень ши­ро­ком диа­па­зо­не дав­ле­ний ак­тив­ной сре­ды. На­кач­ка мо­жет осу­ще­ст­в­лять­ся и не­пре­рыв­ным, и им­пульс­ным элек­трич. раз­ря­дом. Вы­ход­ная мощ­ность из­лу­че­ния этих ла­зе­ров вы­со­ко­го дав­ле­ния в не­пре­рыв­ном ре­жи­ме дос­ти­га­ет не­сколь­ких со­тен кВт, а вы­ход­ная энер­гия в им­пульс­ном ре­жи­ме – не­сколь­ких де­сят­ков кДж при дли­тель­но­сти им­пуль­са <1 мкс.

Ти­пич­ный пред­ста­ви­тель ион­ных ла­зе­ров – Л. на ио­нах Ar, пе­ре­хо­ды в ко­то­рых воз­бу­ж­да­ют­ся в не­пре­рыв­ном элек­трич. раз­ря­де; λг=311–568,2 нм, осн. дли­ны волн из­лу­че­ния λг=488 нм и 514,5 нм. Вы­ход­ная мощ­ность ар­го­ново­го ла­зе­ра мо­жет дос­ти­гать не­сколь­ких де­сят­ков ватт.

Ге­не­ра­ция в эк­си­мер­ных ла­зе­рах про­ис­хо­дит при ре­ком­би­на­ции не­ко­то­рых мо­ле­кул в им­пульс­ном элек­трич. раз­ряде. Дли­ны волн ге­не­ра­ции λг=353 нм для мо­ле­ку­лы XeF, λг=308 нм – для XeCl, lг=248 нм – для KrF и λг=193 нм – для ArF. Вы­ход­ная энер­гия этих ла­зе­ров мо­жет дос­ти­гать не­сколь­ких Дж при дли­тель­но­сти им­пуль­са ме­нее 1 пс.

Ге­не­ра­ция ла­зе­ров на парáх ме­тал­лов осу­ще­ст­в­ля­ет­ся в им­пульс­ном элек­трич. раз­ря­де, про­ис­хо­дя­щем в сме­си бу­фер­но­го га­за (обыч­но He) и па­ров ме­тал­ла (Cd, Hg). На парáх Cu и Au ге­не­ра­ция мо­жет про­ис­хо­дить без бу­фер­но­го га­за. Дли­ны волн ге­не­ра­ции этих Л. от 325 нм до 627 нм. Осн. ре­жим ра­бо­ты – им­пульс­но-пе­рио­ди­че­ский; па­ры́ ме­тал­ла об­ра­зу­ют­ся вслед­ст­вие на­гре­ва раз­ряд­ной труб­ки са­мим раз­ря­дом.

Ге­не­ра­ция азот­но­го ла­зе­ра про­ис­хо­дит при воз­бу­ж­де­нии пе­ре­хо­дов в N2 им­пульс­ным элек­трич. раз­ря­дом; λг=337,1 нм.

На­кач­ка в га­зо­ди­на­ми­че­ском ла­зе­ре осу­ще­ст­в­ля­ет­ся вслед­ст­вие не­рав­но­вес­но­го ох­ла­ж­де­ния сверх­зву­ко­во­го по­то­ка го­ря­че­го га­за по­сле про­хо­ж­де­ния че­рез со­пло. Ак­тив­ная сре­да – смесь N2+CO2+He или N2+CO2+H2O. Ге­не­ра­ция про­ис­хо­дит на ко­ле­ба­тель­ном пе­ре­хо­де мо­ле­ку­лы CO2; λг=10,6 мкм. Га­зо­ди­на­мич. Л. име­ют боль­шую вы­ход­ную мощ­ность (по­ряд­ка 100 кВт) и вы­ход­ную энер­гию до 20 кДж на 1 кг сго­рев­ше­го то­п­ли­ва.

Химические лазеры

Дей­ст­вие этих Л. ос­но­ва­но на том, что при не­ко­то­рых хи­мич. ре­ак­ци­ях про­дук­ты ре­ак­ции на­хо­дят­ся в воз­бу­ж­дён­ном со­стоя­нии. Наи­бо­лее из­вест­ны Л. на HF (λг=2,7–2,9 мкм), HD (λг=3,6–4,2 мкм), ки­сло­род­но-иод­ный Л. (λг=1,315 мкм). Хи­ми­че­ские ла­зе­ры ра­бо­та­ют в ква­зи­не­пре­рыв­ном ре­жи­ме; их вы­ход­ная мощ­ность мо­жет дос­ти­гать 1 МВт. 

Жидкостные лазеры

К жид­ко­ст­ным ла­зе­рам от­но­сят­ся ла­зе­ры на рас­тво­рах кра­си­те­лей и ла­зе­ры на жид­ко­стях с ио­на­ми Nd. Наи­бо­лее из­вест­ные кра­си­те­ли: стиль­бен (λг= 390–435 нм), ку­ма­рин 102 (λг= 460–515 нм), ро­да­мин 6G (λг=570–640 нм). На­кач­ка ла­зе­ров на кра­си­те­лях осу­ще­ст­в­ля­ет­ся с по­мо­щью им­пульс­ных ламп или из­лу­че­ния др. ла­зе­ра. Про­точ­ные Л. на кра­си­те­лях мо­гут ра­бо­тать в не­пре­рыв­ном ре­жи­ме.

Ак­тив­ной сре­дой Л. на жид­ко­стях с ио­на­ми Nd яв­ля­ет­ся ап­ро­тон­ная кис­ло­та, в ко­то­рую вве­де­ны ио­ны Nd. По сво­им ха­рак­те­ри­сти­кам этот Л. бли­зок к твер­до­тель­но­му Л. с ио­на­ми Nd. Од­на­ко вслед­ст­вие боль­ших ис­ка­же­ний оп­тич. сре­ды под дей­ст­ви­ем на­кач­ки его вы­ход­ные па­ра­мет­ры зна­чи­тель­но ни­же вы­ход­ных па­ра­мет­ров твер­до­тель­ных Л. К нач. 21 в. та­кие Л. прак­ти­че­ски не ис­поль­зу­ют­ся.

Лазеры на свободных электронах

Прин­цип дей­ст­вия этих Л. ос­но­ван на том, что элек­трон, дви­жу­щий­ся со ско­ро­стью, близ­кой к ско­ро­сти све­та, при про­хо­де че­рез он­ду­ля­тор на­чи­на­ет ко­ле­бать­ся в на­прав­ле­нии, пер­пен­ди­ку­ляр­ном на­прав­ле­нию дви­же­ния, и из­лу­чать элек­тро­маг­нит­ную вол­ну в ма­лом те­лес­ном уг­ле в на­прав­ле­нии дви­же­ния. Это из­лу­че­ние яв­ля­ет­ся ко­ге­рент­ным. Его па­ра­мет­ры за­ви­сят от про­доль­ной ско­ро­сти элек­тро­на и ша­га (пе­рио­да) он­ду­ля­то­ра. Из­лу­че­ние ла­зе­ра на сво­бод­ных элек­тро­нах мож­но пе­ре­страи­вать в очень ши­ро­ком диа­па­зо­не час­тот – от СВЧ-диа­па­зо­на до гам­ма-диа­па­зо­на. К нач. 21 в. по­лу­че­но из­лу­че­ние в ИК-, ви­ди­мом и мяг­ком рент­ге­нов­ском диа­па­зо­нах. Хо­тя эти уст­рой­ст­ва и на­зы­ва­ют Л., та­ко­вы­ми в стро­гом смыс­ле сло­ва они не яв­ля­ют­ся, по­сколь­ку не со­дер­жат дис­крет­ных уров­ней энер­гии, ме­ж­ду ко­то­ры­ми дос­ти­га­ет­ся ин­вер­сия на­се­лён­но­стей. Их сход­ст­во с Л. но­сит фор­маль­ный ха­рак­тер. 

Лазеры с ядерной накачкой

В ла­зе­рах с ядер­ной на­кач­кой ин­вер­сия на­се­лён­но­сти соз­да­ёт­ся в плаз­ме, воз­ни­каю­щей при про­хо­ж­де­нии про­дук­тов ядер­ных ре­ак­ций че­рез ве­ще­ст­во. Та­ки­ми про­дук­та­ми мо­гут быть ос­кол­ки де­ле­ния U или Pu в ядер­ных ре­ак­то­рах. Ге­не­рация из­лу­че­ния при на­кач­ке про­дук­та­ми де­ле­ния реа­ли­зо­ва­на на час­то­тах от ближ­не­го УФ-диа­па­зо­на до ИК-диа­па­зо­на в га­зо­вых ак­тив­ных сре­дах: па­рáх ме­тал­лов с ге­ли­ем (He–Cd, He–Zn, He–Ca и др.), га­зо­вых сме­сях (Ar–Xe, He–Xe, He–Ar и др.). Наи­бо­лее ко­рот­кая дли­на вол­ны λг=373,7 нм по­лу­че­на в сме­си па­ров Са с Не. 

Рентгеновские лазеры

В ка­че­ст­ве ак­тив­ной сре­ды рент­ге­нов­ских ла­зе­ров ис­поль­зу­ет­ся плот­ная го­ря­чая плаз­ма, соз­да­вае­мая ла­зер­ным из­лу­че­ни­ем мощ­ных Л. оп­тич. диа­па­зо­на или при мощ­ном элек­трич. раз­ря­де че­рез ка­пил­ляр. В та­ких ус­ло­ви­ях ин­вер­сия воз­ни­ка­ет на пе­ре­хо­дах мно­го­за­ряд­ных ио­нов. Ге­не­ра­ция в рент­ге­нов­ском диа­па­зо­не по­лу­че­на на ио­нах мн. хи­мич. эле­мен­тов: на во­до­ро­до­по­доб­ных ио­нах от С5+ до Аl12+, на ли­тие­по­доб­ных ио­нах от Аl10+ до Si11+, на не­оно­по­доб­ных ио­нах от Ar8+ до Ag37+ и на ни­ке­ле­по­доб­ных ио­нах от Eu35+ до Au51+. Дли­ны волн ге­не­ра­ции со­став­ля­ют 3,6–47 нм. Осо­бен­ность это­го ти­па Л. со­сто­ит в том, что в них не ис­поль­зует­ся ре­зо­на­тор, а для по­лу­че­ния ге­не­ра­ции дос­та­точ­но уси­ле­ния в ак­тив­ной сре­де на од­ном про­хо­де. 

Гамма-лазеры

В гам­ма-ла­зе­рах пла­ни­ру­ет­ся по­лу­чать ге­не­ра­цию из­лу­че­ния на ядер­ных пе­ре­хо­дах. Эта про­бле­ма ещё да­ле­ка от ре­ше­ния. 

Применение лазеров 

Соз­да­ние Л. при­ве­ло к по­яв­ле­нию и раз­ви­тию но­вых на­уч. на­прав­ле­ний в фи­зи­ке, био­ло­гии и ме­ди­ци­не, но­вых тех­но­ло­гий и др. Од­на из ста­рей­ших об­лас­тей фи­зи­ки – оп­ти­ка – при­об­ре­ла но­вый об­лик, став не­ли­ней­ной. Ес­ли в ли­ней­ной оп­ти­ке су­ще­ст­ву­ет ос­но­во­по­ла­гаю­щий прин­цип су­пер­по­зи­ции, оз­на­чаю­щий, что рас­про­стра­не­ние элек­тро­маг­нит­ной вол­ны в ма­те­ри­аль­ной сре­де не влия­ет на рас­про­стра­не­ние др. элек­тро­маг­нит­ной вол­ны, то в по­ле вы­со­ко­ин­тен­сив­но­го ла­зер­но­го из­лу­че­ния этот прин­цип на­ру­ша­ет­ся. При этом воз­мож­на ге­не­ра­ция оп­тич. гар­мо­ник, раз­но­ст­ных и сум­мар­ных час­тот, па­ра­мет­рич. ге­не­ра­ция пе­ре­страи­вае­мо­го по час­то­те из­лу­че­ния, са­мо­фо­ку­си­ров­ка све­та, об­ра­ще­ние вол­но­во­го фрон­та. В по­ле ла­зер­но­го из­лу­че­ния по­лу­ча­ют кван­то­вые пе­ре­пу­тан­ные и сжа­тые со­стоя­ния элек­тро­маг­нит­но­го по­ля, ко­то­рые ис­поль­зу­ют­ся в кван­то­вой свя­зи и кван­то­вой тео­рии ин­фор­ма­ции.

Воз­ник­ла и бур­но раз­ви­ва­ет­ся во­ло­кон­ная оп­ти­ка, ко­то­рая ста­ла не толь­ко но­вым на­уч. на­прав­ле­ни­ем, но и пром.-тех­но­ло­гич. от­рас­лью. Во­ло­кон­но-оп­ти­че­ские ли­нии свя­зи рез­ко из­ме­ни­ли про­цес­сы пе­ре­да­чи ин­фор­ма­ции, мно­го­крат­но уве­ли­чив ём­кость ка­на­лов свя­зи бла­го­да­ря ис­поль­зо­ва­нию вы­со­кой не­су­щей час­то­ты, ле­жа­щей в оп­тич. диа­па­зо­не. Раз­де­лом совр. оп­ти­ки ста­ла ин­те­граль­ная оп­ти­ка, раз­ра­ба­ты­ваю­щая прин­ци­пы и ме­то­ды ин­те­гра­ции оп­ти­че­ских и элек­трон­ных уст­ройств.

Ла­зер­ная спек­тро­ско­пия, вклю­чаю­щая аб­сорб­ци­он­ную спек­тро­ско­пию, спек­тро­ско­пию ком­би­на­ци­он­но­го рас­сея­ния све­та, ко­ге­рент­ное ан­ти­сто­ксо­во рас­сея­ние све­та, спек­тро­ско­пию на­сы­ще­ния, зна­чи­тель­но рас­ши­ри­ла и обо­га­ти­ла спек­тро­ско­пич. ме­то­ды ис­сле­до­ва­ния ве­ще­ст­ва и точ­ность спек­траль­но­го ана­ли­за. Ос­но­вой ус­пе­ха при­ме­не­ния Л. в этой об­лас­ти яви­лись уни­каль­ные свой­ст­ва ла­зер­но­го из­лу­че­ния, а имен­но: мо­но­хро­ма­тич­ность (чрез­вы­чай­но уз­кая спек­траль­ная ши­ри­на ли­нии ге­не­ра­ции), вы­со­кая ин­тен­сив­ность и ма­лая уг­ло­вая рас­хо­ди­мость ла­зер­но­го из­лу­че­ния, что рез­ко по­вы­ша­ет спек­траль­ное раз­ре­ше­ние в аб­сорб­ци­он­ной спек­тро­ско­пии, а в клас­сич. спек­тро­ско­пии ком­би­на­ци­он­но­го рас­сея­ния по­зво­ля­ет ре­ги­ст­ри­ро­вать низ­кие ко­ле­ба­тель­ные час­то­ты ве­ще­ст­ва. Но­вым чув­ст­ви­тель­ным ме­то­дом ис­сле­до­ва­ния стал ме­тод ко­ге­рент­но­го ан­ти­сто­ксо­ва рас­сея­ния све­та, по­зво­ляю­щий ло­каль­но ана­ли­зи­ро­вать ма­лые объ­ё­мы и ма­лые кон­цен­тра­ции ис­сле­дуе­мо­го ве­ще­ст­ва.

Уни­каль­ные свой­ст­ва ла­зер­но­го из­лу­че­ния по­зво­ли­ли ис­поль­зо­вать его для ла­зер­но­го раз­де­ле­ния изо­то­пов, ини­ци­иро­ва­ния хи­мич. ре­ак­ций (см. Ла­зер­ная хи­мия). Вы­со­кая ко­ге­рент­ность ла­зер­но­го из­лу­че­ния да­ла так­же тол­чок в раз­ви­тии го­ло­гра­фии. С по­яв­ле­ни­ем Л. воз­ник­ло но­вое на­уч. на­прав­ле­ние в фи­зи­ке плаз­мы – фи­зи­ка ла­зер­ной плаз­мы, изу­чаю­щая про­бле­му ла­зер­но­го тер­мо­ядер­но­го син­те­за. Ла­зер­ная мет­ро­ло­гия при­ве­ла к соз­да­нию уни­каль­ных кван­то­вых стан­дар­тов час­то­ты, эта­ло­нов вре­ме­ни.

Л. ус­пеш­но при­ме­ня­ют в ме­ди­ци­не (см. Ла­зер­ная ме­ди­ци­на). Ла­зер­ная ло­ка­ция, ла­зер­ная даль­но­мет­рия и ла­зер­ная ги­ро­ско­пия (см. Ла­зер­ный ги­ро­скоп) ши­ро­ко ис­поль­зу­ют­ся в во­ен. де­ле, на­ви­га­ции, кар­то­гра­фии. Ла­зер­ные тех­но­ло­гии вы­шли за рам­ки ла­бо­ра­тор­ных ис­сле­до­ва­ний и при­ме­ня­ют­ся в пром-сти для рез­ки и свар­ки ма­те­риа­лов, об­ра­бот­ки, очи­ст­ки и уп­роч­не­ния по­верх­но­сти разл. кон­ст­рук­ций, фор­ми­ро­ва­ния рель­е­фов по­верх­но­стей твёр­дых тел. Без Л. не­мыс­ли­мо раз­ви­тие на­но­тех­но­ло­гий.

Об­ра­зо­ва­лось и ста­ло бур­но раз­ви­вать­ся ин­фор­ма­ци­он­ное об­ще­ст­во (вклю­чаю­щее Ин­тер­нет), ос­но­ван­ное на ис­поль­зо­ва­нии ком­пь­ю­те­ров, ши­ро­ко­по­лос­ных се­тей гло­баль­ной оп­то­во­ло­кон­ной, спут­ни­ко­вой свя­зей и Л. разл. час­тот­ных диа­па­зо­нов, мощ­но­стей и кон­ст­рук­тив­ных осо­бен­но­стей. Ши­ро­ко ис­поль­зу­ют­ся ла­зер­ные ме­то­ды пе­ре­да­чи, хра­не­ния и об­ра­бот­ки ин­фор­ма­ции. В ча­ст­но­сти, в по­все­днев­ную жизнь во­шли ла­зер­ные за­пи­сы­ваю­щие уст­рой­ст­ва, ла­зер­ные прин­те­ры и ска­не­ры, муз. цен­тры и до­маш­ние ки­но­те­ат­ры.

Лит.: Спра­воч­ник по ла­зе­рам / Под ред. А. М. Про­хо­ро­ва. М., 1978. Т. 1–2; Кар­лов Н. В. Лек­ции по кван­то­вой элек­тро­ни­ке. 2-е изд. М., 1988; Ма­нен­ков АА. О ро­ли элек­трон­но­го па­ра­маг­нит­но­го ре­зо­нан­са в ста­нов­ле­нии и раз­ви­тии кван­то­вой элек­тро­ни­ки: фак­ты и ком­мен­та­рии // Ус­пе­хи фи­зи­че­ских на­ук. 2006. Т. 176. Вып. 6; Звел­то О. Прин­ци­пы ла­зе­ров. 4-е изд. СПб., 2008.

Вернуться к началу