Как работает лазер

Свет в один голос

Лазер — устройство, которое превращает энергию в узкий, одноцветный и согласованный поток света ^[1]. Само слово — сокращение от английского Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, «усиление света посредством вынужденного излучения»^[1][2].

Чем лазер отличается от лампы? Лампа светит, как толпа, где каждый кричит своё: волны разной длины, в разные стороны, вразнобой. А у лазера свет когерентный — все волны одной длины и идут «в ногу»^[2]. Поэтому лазерный луч можно сфокусировать в крошечную точку — чтобы резать металл или записывать диски, — и он почти не расходится на большом расстоянии, как у лазерной указки^[2].

Фотон-копия

В основе лазера — вынужденное излучение. Его предсказал Альберт Эйнштейн в 1916–1917 годах ^[1][2].

Атом, в который «закачали» энергию, становится возбуждённым. Он может сам по себе выпустить фотон — в случайном направлении. Но если мимо пролетит подходящий фотон, он заставит атом выпустить ещё один фотон — точную копию первого: той же длины волны, в том же направлении, в той же фазе^[1]. Было два фотона-близнеца — они вызовут ещё два, потом ещё… Свет усиливается лавиной^[2].

Накачка и два зеркала

Но есть загвоздка. Тот же фотон может быть и поглощён невозбуждённым атомом. Поэтому для усиления нужно, чтобы возбуждённых атомов было больше, чем невозбуждённых. Это называют инверсией населённостей. Сама собой она не возникает — атомы надо постоянно возбуждать: светом, электричеством, химической реакцией. Это накачка ^[1].

А чтобы лавина не улетела, вещество помещают между двумя зеркалами — это резонатор. Свет бегает между ними туда-обратно, каждый раз усиливаясь, а через одно полупрозрачное зеркало выходит наружу узким лучом ^[1].

Сначала были микроволны

Первым заработал не лазер, а мазер — такой же генератор, только для микроволн. В 1954 году его создали Чарлз Таунс в США и независимо Николай Басов и Александр Прохоров в СССР. В 1964 году все трое получили Нобелевскую премию по физике^[1][2].

Многие учёные тогда думали, что сделать такой генератор для видимого света невозможно: резонатор должен быть размером порядка микрона^[1].

Рубиновый стержень

Но 16 мая 1960 года американец Теодор Мейман в Hughes Research Laboratories запустил первый лазер ^[1][2][3]. Он опередил несколько групп учёных, в том числе Таунса и Артура Шавлова, которые построили теорию лазера^[2].

Сердцем лазера Меймана был кристалл искусственного рубина — оксида алюминия с примесью хрома. Вместо резонатора служили серебряные зеркальные покрытия на торцах кристалла, а накачкой — вспышки лампы. Лазер давал красный свет с длиной волны 694 нанометра — короткими импульсами^[1][2].

В декабре того же года появился гелий-неоновый лазер, который светил непрерывно; потом его переделали под знакомый красный луч 632,8 нанометра^[1].

Лазеры повсюду

С тех пор почти каждый год появлялись новые виды лазеров^[1]. В 1963 году Жорес Алфёров и Герберт Крёмер разработали теорию полупроводниковых гетероструктур, на которых построены многие современные лазеры; в 2000 году они получили Нобелевскую премию^[1].

Размеры лазеров — от микроскопических полупроводниковых до установок с футбольное поле^[1]. А применяют их повсюду: в оптоволоконной связи, лазерных принтерах, сканерах штрихкодов, для резки металла, в медицине и науке ^[2][1].

Как сканер читает штрихкод — в статье «Штрихкод», о другом источнике света из полупроводника — в статье «Светодиодная лампа».