Лазер

Ла́зер (англ.: laser, акронім light amplification by stimulated emission of radiation «узмацненне святла з дапамогай вымушанага выпраменьвання»), або апты́чны ква́нтавы генера́тар — гэта прылада, якая пераўтварае энергію накачкі (светлавую, электрычную, цеплавую, хімічную і інш.) у энергію кагерэнтнага, монахраматычнага, палярызаванага і вузканакіраванага патоку выпраменьвання.

Лазер (чырвоны, зялёны, сіні).

Лазер (лабараторыя NASA).

Работа лазера заснавана на квантавамеханічнай з’яве вымушанага (індуцыраванага) выпраменьвання. Выпраменьванне лазера можа быць бесперапынным, з пастаяннай магутнасцю, або імпульсным і дасягаць гранічна вялікіх пікавых магутнасцей. У некаторых схемах рабочы элемент лазера выкарыстоўваецца ў якасці аптычнага ўзмацняльніка для выпраменьвання ад іншай крыніцы. Існуе вялікая колькасць відаў лазераў, якія выкарыстоўваюць у якасці рабочага асяроддзя ўсе агрэгатныя станы рэчыва. Некаторыя тыпы лазераў, напрыклад, лазеры на растворах фарбавальнікаў або поліхраматычныя цвердацельныя лазеры, могуць генераваць цэлы набор частот (мод аптычнага рэзанатара) у шырокім спектральным дыяпазоне. Габарыты лазераў адрозніваюцца ад мікраскапічных для шэрагу паўправадніковых лазераў да памераў футбольнага поля для некаторых лазераў на неадымавым шкле. Унікальныя ўласцівасці выпраменьвання лазераў дазволілі выкарыстоўваць іх у розных галінах навукі і тэхнікі, а таксама ў побыце, пачынаючы з чытання і запісу кампакт-дыскаў і заканчваючы даследаваннямі ў галіне кіруемага тэрмаядзернага сінтэзу.

Асноўныя даты

Асноўны артыкул: Гісторыя вынаходства лазераў

• 1916: А. Эйнштэйн прадказвае існаванне з’явы вымушанага выпраменьвання — фізічнай асновы работы любога лазера.
• Строгае тэарэтычнае абгрунтаванне ў рамках квантавай механікі гэта з’ява атрымала ў працах П. Дзірака ў 1927—1930 гг.
• 1928: эксперыментальнае пацверджанне Р. Ладенбургам і Г. Копферманам існавання вымушанага выпраменьвання.
• У 1940 г. В. Фабрыкантам і Ф. Бутаевай была прадказана магчымасць выкарыстання вымушанага выпраменьвання асяроддзя з інверсіяй населенасцей для ўзмацнення электрамагнітнага выпраменьвання.
• 1950: А. Кастлер (Нобелеўская прэмія па фізіцы 1966) прапануе метад аптычнай накачкі асяроддзя для стварэння ў ім інверснай населенасці. Рэалізаваны на практыцы ў 1952 годзе Бросэлем, Кастлерам і Вінтэрам. Да стварэння квантавага генератара заставаўся адзін крок: увесці ў асяроддзе станоўчую зваротную сувязь, гэта значыць змясціць гэтае асяроддзе ў рэзанатар.
• 1954: першы мікрахвалевы генератар — мазер на аміяку (Ч. Таунс, Басаў М. Г. і Прохараў А. М. — Нобелеўская прэмія па фізіцы 1964). Ролю зваротнай сувязі выконваў аб'ёмны рэзанатар, памеры якога былі парадку 12,6 мм (даўжыня хвалі, што выпраменьвалася пры пераходзе аміяку з узбуджанага вагальнага ўзроўню на асноўны). Для ўзмацнення электрамагнітнага выпраменьвання аптычнага дыяпазону неабходна было стварыць аб’ёмны рэзанатар, памеры якога былі б каля мікрона. З-за звязаных з гэтым тэхналагічных цяжкасцей многія навукоўцы ў той час лічылі, што стварыць генератар бачнага выпраменьвання немагчыма.
• 1960: 16 мая Т. Майман прадэманстраваў працу першага аптычнага квантавага генератара — лазера. У якасці актыўнага асяроддзя выкарыстоўваўся крышталь штучнага рубіну (аксід алюмінію Al₂O₃ з невялікай прымешкай хрому Cr), а аб’ёмным рэзанатарам служыў рэзанатар Фабры-Пяро, утвораны сярэбранымі люстранымі пакрыццямі, нанесенымі на тарцы крышталя. Гэты лазер працаваў у імпульсным рэжыме на даўжыні хвалі 694,3 нм. У снежні таго ж года быў створаны гелій-неонавы лазер, які выпраменьваў у бесперапынным рэжыме (А. Джаван, У. Бэнет, Д. Хэрыят). Першапачаткова лазер працаваў у інфрачырвоным дыяпазоне, затым быў мадыфікаваны для выпраменьвання бачнага чырвонага святла.
• Фізіка лазераў і па сённяшні дзень інтэнсіўна развіваецца. З моманту вынаходства лазера амаль кожны год з’яўляліся ўсё новыя яго віды, прыстасаваныя для розных мэт. У 1961 г. быў створаны лазер на неадымавым шкле, а на працягу наступных пяці гадоў былі распрацаваны лазерныя дыёды, лазеры на фарбавальніках, лазеры на двухвокісе вугляроду, хімічныя лазеры. У 1963 г. Ж. Алфёраў і Г. Кромер (Нобелеўская прэмія па фізіцы 2000 г.) распрацавалі тэорыю паўправадніковых гетэраструктур, на аснове якіх былі створаны многія лазеры.

Прынцып дзеяння

Фізічнай асновай працы лазера служыць з’ява вымушанага (індуцыраванага) выпраменьвання. Сутнасць з’явы складаецца ў тым, што ўзбуджаны атам здольны выпраменьваць фатон пад дзеяннем іншага фатона без яго паглынання, калі энергія апошняга складае рознасць энергій узроўняў атама да і пасля выпраменьвання. Пры гэтым выпраменены фатон кагерэнтны фатону, які выклікаў выпраменьванне (з’яўляецца яго «дакладнай копіяй»). Такім чынам адбываецца ўзмацненне святла. Гэтым з’ява адрозніваецца ад спантаннага выпраменьвання, у якім выпрамененыя фатоны маюць выпадковыя напрамкі распаўсюджвання, палярызацыю і фазу.

Гелій-неонавы лазер. Яркі прамень у цэнтры — гэта не ўласна лазерны прамень, а электрычны разрад, які спараджае свячэнне, прыкладна так, як гэта адбываецца ў неонавых лямпах. Прамень праецыруецца на экран справа ў выглядзе чырвонай кропкі, што свеціцца.

Імавернасць таго, што выпадковы фатон выкліча індуцыраванае выпраменьванне ўзбуджанага атама, дакладна роўная імавернасці паглынання гэтага фатона атамам, які знаходзіцца ў неўзбуджаным стане. Таму для ўзмацнення святла неабходна, каб узбуджаных атамаў у асяроддзі было больш, чым неўзбуджаных (так званая інверсія насельніцтва). У стане тэрмадынамічнай раўнавагі гэтая ўмова не выконваецца, таму выкарыстоўваюцца розныя сістэмы накачкі актыўнага асяроддзя лазера (аптычныя, электрычныя, хімічныя і інш.).

Першакрыніцай генерацыі з’яўляецца працэс спантаннага выпраменьвання, таму для забеспячэння пераемнасці пакаленняў фатонаў неабходна існаванне станоўчай зваротнай сувязі, за кошт якой фатоны выклікаюць наступныя акты індуцыраванага выпраменьвання. Для гэтага актыўнае асяроддзе лазера змяшчаецца ў аптычны рэзанатар. У найпрасцейшым выпадку ён уяўляе сабой два люстэркі, адно з якіх напаўпразрыстае — праз яго прамень лазера часткова выходзіць з рэзанатара. Адлюстроўваючыся ад люстэркаў, пучок выпраменьвання шматразова праходзіць па рэзанатару, выклікаючы ў ім індуцыраваныя пераходы. Выпраменьванне можа быць як бесперапынным, так і імпульсным. Пры гэтым, выкарыстоўваючы розныя прыборы (прызмы, што верцяцца, ячэйки Кера і інш.) для хуткага выключэння і ўключэння зваротнай сувязі і памяншэння тым самым перыяду імпульсаў, можна стварыць умовы для генерацыі выпраменьвання вельмі вялікай магутнасці (так званыя гіганцкія імпульсы). Гэты рэжым работы лазера называюць рэжымам мадуляванай дыхтоўнасці.

Выпраменьванне, якое генеруецца лазерам, з’яўляецца монахраматычным (г.зн. яго спектр складаецца з адной або з дыскрэтнага набору даўжынь хваль), бо імавернасць выпраменьвання фатона вызначанай даўжыні хвалі большая, чым блізка размешчанай, звязанай з пашырэннем спектральнай лініі, а, адпаведна, і імавернасць індуцыраваных пераходаў на гэтай частаце таксама мае максімум. Таму паступова ў працэсе генерацыі фатоны дадзенай даўжыні хвалі будуць пераважаць над усімі астатнімі фатонамі. Акрамя гэтага, з-за адмысловага размяшчэння люстэркаў у лазерным прамені захоўваюцца толькі тыя фатоны, якія распаўсюджваюцца ў кірунку, паралельным аптычнай восі рэзанатара на невялікай адлегласці ад яе, астатнія фатоны хутка пакідаюць аб’ём рэзанатара. Такім чынам прамень лазера мае вельмі малы вугал разыходнасці. Нарэшце, прамень лазера мае строга вызначаную палярызацыю. Для гэтага ў рэзанатар уводзяць розныя палярызатары, напрыклад, імі могуць служыць плоскія шкляныя пласцінкі, устаноўленыя пад вуглом Брустэра да кірунку распаўсюджвання прамяня лазера.

Будова лазера

На схеме пазначаны: 1 — актыўнае асяроддзе; 2 — энергія накачкі лазера; 3 — непразрыстае люстэрка; 4 — напаўпразрыстае люстэрка; 5 — лазерны прамень.

Усе лазеры складаюцца з трох асноўных частак:

• актыўнага (рабочага) асяроддзя;
• сістэмы накачкі (крыніца энергіі);
• аптычнага рэзанатара (можа адсутнічаць, калі лазер працуе ў рэжыме ўзмацняльніка).

Кожная з іх забяспечвае выкананне сваіх пэўных функцый.

Актыўнае асяроддзе

У цяперашні час у якасці рабочага асяроддзя лазера выкарыстоўваюцца розныя агрэгатныя станы рэчыва: цвёрдае, вадкае, газападобнае, плазма. У звычайным стане лік атамаў, якія знаходзяцца на ўзбуджаных энергетычных узроўнях, вызначаецца размеркаваннем Больцмана:

$~N=N_{0}\exp(-E/kT),$

тут

N — колькасць атамаў, якія знаходзяцца ва ўзбуджаным стане з энергіяй E,

N₀ — лік атамаў, якія знаходзяцца ў асноўным стане,

k — пастаянная Больцмана,

T — тэмпература асяроддзя.

Іншымі словамі, узбуджаных атамаў менш, чым атамаў у асноўным стане, таму імавернасць таго, што фатон, распаўсюджваючыся ў асяроддзі, выкліча вымушанае выпраменьванне, таксама малая ў параўнанні з імавернасцю яго паглынання. Таму электрамагнітная хваля, праходзячы ў рэчыве, расходуе сваю энергію на ўзбуджэнне атамаў. Інтэнсіўнасць выпраменьвання пры гэтым спадае па закону Бугера:

$~I_{l}=I_{0}\exp(-a_{1}l),$

тут

I₀ — пачатковая інтэнсіўнасць,

I_l — інтэнсіўнасць выпраменьвання, якое прайшло адлегласць l ў рэчыве,

a₁ — паказчык паглынання рэчыва.

Залежнасць экспаненцыяльная, таму выпраменьванне вельмі хутка паглынаецца.

У тым выпадку, калі ўзбуджаных атамаў больш, чым неўзбуджаных (гэта значыць, у стане інверсіі насельніцтва), сітуацыя прама процілеглая. Акты вымушанага выпраменьвання пераважаюць над паглынаннем, і выпраменьванне ўзмацняецца па закону:

$~I_{l}=I_{0}\exp(a_{2}l),$

дзе a₂ — каэфіцыент квантавага ўзмацнення. У рэальных лазерах узмацненне адбываецца да таго часу, пакуль велічыня энергіі, якая паступае за кошт вымушанага выпраменьвання энергіі, не стане роўнай велічыні энергіі, якая губляецца ў рэзанатары. Гэтыя страты звязаны з насычэннем метастабільнага ўзроўню рабочага рэчыва, пасля чаго энергія накачкі ідзе толькі на яго разагрэў, а таксама з наяўнасцю мноства іншых фактараў (рассейванне на неаднастайнасць асяроддзя, паглынанне прымешкамі, неідэальнасць люстэркаў, карыснае і непажаданае выпраменьванне ў навакольнае асяроддзе і інш.).

Сістэма накачкі

Для стварэння інверснай населенасці асяроддзя лазера выкарыстоўваюцца розныя механізмы. У цвердацельных лазерах яна ажыццяўляецца за кошт апраменьвання магутнымі газаразраднымі лямпамі-ўспышкамі, сфакусіраваным сонечным выпраменьваннем (так званая аптычная накачка) і выпраменьваннем іншых лазераў (у прыватнасці, паўправадніковых). Пры гэтым магчыма праца толькі ў імпульсным рэжыме, бо патрабуюцца вельмі вялікія шчыльнасці энергіі накачкі, якія выклікаюць пры працяглым уздзеянні моцны разагрэў і разбурэнне стрыжня рабочага рэчыва. У газавых і вадкасных лазерах (гл. гелій-неонавы лазер, лазер на фарбавальніках) выкарыстоўваецца накачка электрычным разрадам. Такія лазеры працуюць у бесперапынным рэжыме. Накачка хімічных лазераў адбываецца з дапамогай хімічных рэакцый у іх актыўным асяроддзі. Пры гэтым інверсія насельніцтва ўзнікае альбо непасрэдна ў прадуктах рэакцыі, альбо ў адмыслова ўведзеных прымешках з адпаведнай структурай энергетычных узроўняў. Накачка паўправадніковых лазераў адбываецца пад дзеяннем моцнага прамога току праз p-n пераход, а таксама пучком электронаў. Існуюць і іншыя метады накачкі (газадынамічныя, заснаваныя на рэзкім ахалоджванні папярэдне нагрэтых газаў; фотадысацыяцыя, асобны выпадак хімічнай накачкі і інш.).

На малюнку: а — трохузроўневая і б — чатырохузроўневая схемы накачкі актыўнага асяроддзя лазера.

Класічная трохузроўневая сістэма накачкі рабочага асяроддзя выкарыстоўваецца, напрыклад, у рубінавым лазеры. Рубін уяўляе сабой крышталь карунду Al₂O₃, легіраваны невялікай колькасцю іонаў хрому Cr³⁺, якія і з’яўляюцца крыніцай лазернага выпраменьвання. З-за ўплыву электрычнага поля крышталічнай рашоткі карунду знешні энергетычны ўзровень хрому E₂ расшчэплены (гл. эфект Штарка). Іменна гэта робіць магчымым выкарыстанне немонахраматычнага выпраменьвання ў якасці накачкі. Пры гэтым атам пераходзіць з асноўнага стану з энергіяй E₀ ва ўзбуджаны з энергіяй каля E₂. У гэтым стане атам можа знаходзіцца параўнальна нядоўга (парадку 10⁻⁸ с), амаль адразу адбываецца пераход без выпраменьвання на ўзровень E₁, на якім атам можа знаходзіцца значна даўжэй (да 10⁻³ с), гэта так званы метастабільны ўзровень. Узнікае магчымасць ажыццяўлення індуцыраванага выпраменьвання пад уздзеяннем іншых выпадковых фатонаў. Як толькі атамаў, якія знаходзяцца ў метастабільным стане становіцца больш, чым у асноўным, пачынаецца працэс генерацыі.

Варта адзначыць, што стварыць інверсію населенасцей атамаў хрому Cr з дапамогай накачкі непасрэдна з узроўню E₀ на ўзровень E₁ нельга. Гэта звязана з тым, што калі паглынанне і вымушанае выпраменьванне адбываюцца паміж двума ўзроўнямі, то абодва гэтыя працэсы працякаюць з аднолькавай хуткасцю. Таму ў дадзеным выпадку накачка можа толькі зраўнаваць населенасці двух узроўняў, чаго недастаткова для ўзнікнення генерацыі.

У некаторых лазерах, напрыклад у неадымавым, ў яком генерацыя выпраменьвання адбываецца на іонах неадыму Nd³⁺, выкарыстоўваецца чатырохузроўневая схема накачкі. Тут паміж метастабільным E₂ і асноўным узроўнем E₀ маецца прамежкавы — рабочы ўзровень E₁. Вымушанае выпраменьванне адбываецца пры пераходзе атама паміж узроўнямі E₂ і E₁. Перавага гэтай схемы заключаецца ў тым, што ў дадзеным выпадку лёгка выканаць умову інверснай населенасці, бо час жыцця верхняга рабочага ўзроўню (E₂) на некалькі парадкаў большы за час жыцця ніжняга ўзроўню (E₁). Гэта значна зніжае патрабаванні да крыніцы накачкі. Акрамя таго, падобная схема дазваляе ствараць магутныя лазеры, якія працуюць у бесперапынным рэжыме, што вельмі важна для некаторых прымяненняў. Аднак падобныя лазеры маюць істотны недахоп у выглядзе нізкага квантавага ККД, які вызначаецца як дзель энергіі выпрамененага фатона на энергію паглынутага фатона накачкі (η_{квантавае} = hν_{выпраменьвання}/hν_{накачкі})

Аптычны рэзанатар

У шырыню спектральнай лініі, намаляванай на рысунку зялёным колерам, укладваецца тры ўласныя частаты рэзанатара. У гэтым выпадку выпраменьванне, што генеруецца лазерам, будзе трохмодавым. Для фіялетавай лініі выпраменьванне будзе чыста монахраматычным.

Люстэркі лазера не толькі забяспечваюць існаванне станоўчай зваротнай сувязі, але і працуюць як рэзанатар, падтрымліваючы тыя моды, якія адпавядаюць стаячым хвалям дадзенага рэзанатара, і падаўляючы іншыя. Калі на аптычнай даўжыні L рэзанатара ўкладваецца цэлы лік паўхваль n:

$~2L=n\lambda ,$

то такія хвалі, праходзячы па рэзанатары, не мяняюць сваёй фазы і, дзякуючы інтэрферэнцыі, узмацняюць адзін аднаго. Усе астатнія, блізка размешчаныя хвалі, паступова гасяць адна адну. Такім чынам спектр уласных частот аптычнага рэзанатара вызначаецца суадносінамі:

$\nu _{n}={\frac {c}{2L}}n,$

тут c — хуткасць святла ў вакууме. Інтэрвалы паміж суседнімі частотамі рэзанатара аднолькавыя і роўныя:

$\vartriangle \nu _{r}={\frac {c}{2L}}.$

Лініі ў спектры выпраменьвання з розных прычын (доплераўскае пашырэнне, знешнія электрычныя і магнітнае палі, квантавамеханічныя эфекты і інш.) заўсёды маюць пэўную шырыню $\vartriangle \nu _{l}$. Таму могуць узнікаць сітуацыі, калі на шырыню спектральнай лініі ўкладваецца некалькі ўласных частот рэзанатара. У гэтым выпадку выпраменьванне лазера будзе шматмодавым. Сінхранізацыя гэтых мод дазваляе дабіцца таго, каб выпраменьванне ўяўляла сабой паслядоўнасць кароткіх і магутных імпульсаў. Калі ж $\vartriangle \nu _{l}<\vartriangle \nu _{r}$, то ў выпраменьванні лазера будзе прысутнічаць толькі адна частата, у дадзеным выпадку рэзанансныя ўласцівасці сістэмы люстэркаў слаба выяўлены на фоне рэзанансных уласцівасцей спектральнай лініі.

Пры больш строгім разліку неабходна ўлічваць, што ўзмацняюцца хвалі, якія распаўсюджваюцца не толькі паралельна аптычнай восі рэзанатара, але і пад малым вуглом $\varphi$ да яе. Умова ўзмацнення тады прымае выгляд:

$~2L\cos \varphi =n\lambda .$

Гэта прыводзіць да таго, што інтэнсіўнасць пучка прамянёў лазера розная ў розных кропках плоскасці, перпендыкулярнай гэтаму пучку. Тут назіраецца сістэма светлых плям, падзеленых цёмнымі вузлавымі лініямі. Для ліквідацыі гэтых непажаданых эфектаў выкарыстоўваюць розныя дыяфрагмы, рассейвальныя ніткі, а таксама выкарыстоўваюць розныя схемы аптычных рэзанатараў.

Класіфікацыя лазераў

• Цвердацельныя лазеры на люмінесцэнтных цвёрдых асяроддзях (дыэлектрычныя крышталі і шкла). У якасці актыватараў звычайна выкарыстоўваюцца іоны рэдказямельных элементаў або іоны групы жалеза Fe. Накачка, аптычная і ад паўправадніковых лазераў, ажыццяўляецца па трох- ці чатырохузроўневай схеме. Сучасныя цвердацельныя лазеры здольныя працаваць у імпульсным, бесперапынным і квазібесперапынным рэжымах.
• Паўправадніковыя лазеры. Фармальна таксама з’яўляюцца цвердацельнымі, але традыцыйна вылучаюцца ў асобную групу, бо маюць іншы механізм накачкі (інжэкцыя лішкавых носьбітаў зараду праз p-n пераход або гетэрапераход, электрычны прабой у моцным полі, бамбардзіроўка хуткімі электронамі), а квантавыя пераходы адбываюцца паміж дазволенымі энергетычнымі зонамі, а не паміж дыскрэтнымі ўзроўнямі энергіі. Паўправадніковыя лазеры — найбольш ужывальны ў побыце від лазераў. Акрамя гэтага ўжываюцца ў спектраскапіі, у сістэмах накачкі іншых лазераў, а таксама ў медыцыне (гл. фотадынамічная тэрапія).
• Лазеры на фарбавальніках. Тып лазераў, які выкарыстоўвае ў якасці актыўнага асяроддзя раствор флюарэсцыруючых з утварэннем шырокіх спектраў арганічных фарбавальнікаў. Лазерныя пераходы ажыццяўляюцца паміж рознымі вагальнымі падузроўнямі першага ўзбуджанага і асноўнага сінглетных электронных станаў. Накачка аптычная, могуць працаваць у бесперапынным і імпульсным рэжымах. Асноўнай асаблівасцю з’яўляецца магчымасць перастройкі даўжыні хвалі выпраменьвання ў шырокім дыяпазоне. Прымяняюцца ў спектраскапічных даследаваннях.
• Газавыя лазеры — лазеры, актыўным асяроддзем якіх з’яўляецца сумесь газаў і пароў. Адрозніваюцца высокай магутнасцю, монахраматычнасцю, а таксама вузкай скіраванасцю выпраменьвання. Працуюць у бесперапынным і імпульсным рэжымах. У залежнасці ад сістэмы накачкі газавыя лазеры падзяляюць на газаразрадныя лазеры, газавыя лазеры з аптычным узбуджэннем і ўзбуджэннем зараджанымі часціцамі (напрыклад, лазеры з ядзернаю накачкай, у пачатку 80-х праводзіліся выпрабаванні сістэм супрацьракетнай абароны на іх аснове, аднак, без асаблівага поспеху), газадынамічныя і хімічныя лазеры. Па тыпу лазерных пераходаў адрозніваюць газавыя лазеры на атамных пераходах, іонныя лазеры, малекулярныя лазеры на электронных, вагальных і круцільных пераходах малекул і эксімерныя лазеры.
• Газадынамічныя лазеры — газавыя лазеры з цеплавой накачкі, інверсія насельніцтваў у якіх ствараецца паміж узбуджанымі вагальна-круцільнымі ўзроўнямі гетэраядзерных малекул шляхам адыябатычнага пашырэння газавай сумесі, якая рухаецца з высокай хуткасцю (часцей N₂+CO₂+He або N₂+CO₂+Н₂О, рабочае рэчыва — CO₂).
• Эксімерныя лазеры — разнавіднасць газавых лазераў, якія працуюць на энергетычных пераходах эксімерных малекул (дымеры высакародных газаў, а таксама іх монагалагенідаў), здольных існаваць толькі некаторы час ва ўзбуджаным стане. Накачка ажыццяўляецца прапусканнем праз газавую сумесь пучка электронаў, пад дзеяннем якіх атамы пераходзяць ва ўзбуджаны стан з утварэннем эксімераў, якія фактычна прадстаўляюць сабой асяроддзе з інверсіяй населенасцей. Эксімерныя лазеры адрозніваюцца высокімі энергетычнымі характарыстыкамі, малым роскідам даўжыні хвалі генерацыі і магчымасці яе плыўнай перастройкі ў шырокім дыяпазоне.
• Хімічныя лазеры — разнавіднасць лазераў, крыніцай энергіі для якіх служаць хімічныя рэакцыі паміж кампанентамі рабочага асяроддзя (сумесі газаў). Лазерныя пераходы адбываюцца паміж узбуджанымі вагальна-круцільнымі і асноўнымі ўзроўнямі састаўных малекул прадуктаў рэакцыі. Для ажыццяўлення хімічных рэакцый у асяроддзі неабходна пастаянная прысутнасць свабодных радыкалаў, для чаго выкарыстоўваюцца розныя спосабы ўздзеяння на малекулы для іх дысацыяцыі. Адрозніваюцца шырокім спектрам генерацыі ў блізкай ІЧ-вобласці, вялікай магутнасцю бесперапыннага і імпульснага выпраменьвання.
• Лазеры на свабодных электронах — лазеры, актыўным асяроддзем якіх з’яўляецца паток свабодных электронаў, якія вагаюцца ў вонкавым электрамагнітным полі (за кошт чаго ажыццяўляецца выпраменьванне) і распаўсюджваюцца з рэлятывісцкай хуткасцю ў кірунку выпраменьвання. Асноўнай асаблівасцю з’яўляецца магчымасць плаўнай шырокадыяпазоннай перастройкі частаты генерацыі. Адрозніваюць убітроны і скатроны, накачка першых ажыццяўляецца ў прасторава-перыядычным статычным полі андулятара, другіх — магутным полем электрамагнітнай хвалі. Існуюць таксама мазеры на цыклатронным рэзанансе і страфатроны, заснаваныя на тармазным выпраменьванні электронаў, а таксама фліматроны, якія выкарыстоўваюць Эфект Вавілава — Чаранкова і пераходнага выпраменьванняў. Кожны электрон выпраменьвае да 10⁸ фатонаў, таму лазеры на свабодных электронах з’яўляюцца, па сутнасці, класічнымі прыборамі і апісваюцца законамі класічнай электрадынамікі.
• Квантавыя каскадныя лазеры − паўправадніковыя лазеры, якія выпраменьваюць у сярэднім і далёкім інфрачырвоным дыяпазоне. У адрозненне ад звычайных паўправадніковых лазераў, якія выпраменьваюць з дапамогай вымушаных пераходаў паміж дазволенымі электроннымі і дзіркавымі ўзроўнямі, падзеленымі забароненай зонай паўправадніка, выпраменьванне квантавых каскадных лазераў узнікае пры пераходзе электронаў паміж слаямі гетэраструктур паўправадніка і складаецца з двух тыпаў прамянёў, прычым другасны прамень мае вельмі незвычайныя ўласцівасці і не патрабуе вялікіх выдаткаў энергіі.
• Валаконны лазер — лазер, рэзанатар якога пабудаваны на базе аптычнага валакна, усярэдзіне якога поўнасцю або часткова генеруецца выпраменьванне. Пры цалкам валаконнай рэалізацыі такой лазер называецца цэльнавалаконным, пры камбінаваным выкарыстанні валаконных і іншых элементаў у канструкцыі лазера ён называецца валаконна-дыскрэтным або гібрыдным.
• Вертыкальна-выпраменьваючыя лазеры (VCSEL) — «Павярхоўна-выпраменьваючы лазер з вертыкальным рэзанатарам» — разнавіднасць дыёднага паўправадніковага лазера, які выпраменьвае святло ў кірунку, перпендыкулярным паверхні крышталя, у адрозненне ад звычайных лазерных дыёдаў, выпраменьваючых у плоскасці, паралельнай паверхні пласцін.
• Іншыя віды лазераў, развіццё прынцыпаў якіх на дадзены момант з’яўляецца прыярытэтнай задачай даследаванняў (рэнтгенаўскія лазеры, гама-лазеры і інш.).

Выкарыстанне лазераў

Лазернае суправаджэнне музычных канцэртаў (лазернае шоу)

З моманту свайго вынаходства лазеры зарэкамендавалі сябе як «гатовыя рашэнні яшчэ невядомых праблем». З-за ўнікальных уласцівасцей лазернага выпраменьвання, лазеры шырока прымяняюцца ў многіх галінах навукі і тэхнікі, а таксама ў побыце (прайгравальнікі кампакт-дыскаў, лазерныя прынтары, счытвальнікі штрых-кодаў, лазерныя ўказкі і інш.) Лёгка дасягальная высокая шчыльнасць энергіі выпраменьвання дазваляе выконваць лакальную тэрмічную апрацоўку і звязаную з ёй механічную апрацоўку (рэзанне, зварку, пайку, гравіроўку). Дакладны кантроль зоны нагрэву дазваляе зварваць матэрыялы, якія немагчыма зварыць звычайнымі спосабамі (да прыкладу, кераміку і метал). Прамень лазера можна сфакусіраваць у кропку дыяметрам парадку мікрона, што дазваляе выкарыстоўваць яго ў мікраэлектроніцы для прэцызійнай механічнай апрацоўкі матэрыялаў (рэзка паўправадніковых крышталёў, свідравання асабліва тонкіх адтулін у пячатных платах). Шырокае прымяненне атрымала таксама лазерная маркіроўка і мастацкая гравіроўка вырабаў з розных матэрыялаў (у тым ліку аб’ёмная гравіроўка празрыстых матэрыялаў). Лазеры выкарыстоўваюцца для атрымання паверхневых пакрыццяў матэрыялаў (лазернае легіраванне, лазерная наплаўка, вакуумна-лазернае напыленне) з мэтай павышэння іх зносаўстойлівасці. Пры лазернай апрацоўцы матэрыялаў на іх не аказваецца механічнае ўздзеянне, зона нагрэву малая, таму ўзнікаюць толькі нязначныя тэрмічныя дэфармацыі. Акрамя таго, увесь тэхналагічны працэс можна цалкам аўтаматызаваць. Таму лазерная апрацоўка характарызуецца высокай дакладнасцю і прадукцыйнасцю.

Паўправадніковы лазер, які прымяняецца ў вузле генерацыі малюнка прынтара Hewlett-Packard

Лазеры прымяняюцца ў галаграфіі для стварэння саміх галаграм і атрымання галаграфічнага аб’ёмнага малюнка. Некаторыя лазеры, напрыклад лазеры на фарбавальніках, здольныя генераваць монахраматычнае святло практычна любой даўжыні хвалі, пры гэтым імпульсы выпраменьвання могуць дасягаць 10⁻¹⁶ с, а значыць і вялікіх магутнасцей (так званыя гіганцкія імпульсы). Гэтыя ўласцівасці выкарыстоўваюцца ў спектраскапіі, а таксама пры вывучэнні нелінейных аптычных эфектаў. З дапамогай лазера ўдалося вымераць адлегласць да Месяца з дакладнасцю да некалькіх сантыметраў. Лазерная лакацыя касмічных аб’ектаў удакладніла значэнні шэрагу фундаментальных астранамічных пастаянных і спрыяла ўдакладненню параметраў касмічнай навігацыі, пашырыла прадстаўленні аб будове атмасферы і паверхні планет Сонечнай сістэмы. У астранамічных тэлескопах, забяспечаных адаптыўнай аптычнай сістэмай карэкцыі атмасферных скажэнняў, лазер выкарыстоўваюць для стварэння штучных апорных зорак у верхніх пластах атмасферы.

Прымяненне лазераў у метралогіі і вымяральнай тэхніцы не абмяжоўваецца вымярэннем адлегласцей. Лазеры знаходзяць тут разнастайныя прымяненні: для вымярэння часу, ціску, тэмпературы, хуткасці патокаў вадкасцей і газаў, вуглавой хуткасці (лазерны гіраскоп), канцэнтрацыі рэчываў, аптычнай шчыльнасці, разнастайных аптычных параметраў і характарыстык, у вібраметрыі і інш.

Звышкароткія імпульсы лазернага выпраменьвання выкарыстоўваюцца ў лазернай хіміі для запуску і аналізу хімічных рэакцый. Тут лазернае выпраменьванне дазваляе забяспечыць дакладную лакалізацыю, дазіраванне, абсалютную стэрыльнасць і высокую хуткасць уводу энергіі ў сістэму. У цяперашні час распрацоўваюцца розныя сістэмы лазернага ахалоджвання, разглядаюцца магчымасці ажыццяўлення з дапамогай лазераў кіруемага тэрмаядзернага сінтэзу. Лазеры выкарыстоўваюцца і ў ваенных мэтах, напрыклад, у якасці сродкаў навядзення і прыцэльвання. Разглядаюцца варыянты стварэння на аснове магутных лазераў баявых сістэм абароны паветранага, марскога і наземнага базіравання.

Рэвальвер, аснашчаны лазерным цэлеўказчыкам

У медыцыне лазеры прымяняюцца як бяскроўныя скальпелі, выкарыстоўваюцца пры лячэнні афтальмалагічных захворванняў (катаракта, адслаенне сятчаткі, лазерная карэкцыя зроку і інш.). Шырокае прымяненне атрымалі таксама ў касметалогіі (лазерная эпіляцыя, лячэнне сасудзістых і пігментных дэфектаў скуры, лазерны пілінг, выдаленне татуіровак і пігментных плям).

У цяперашні час бурна развіваецца так званая лазерная сувязь. Вядома, што чым вышэйшая апорная частата канала сувязі, тым большая яго прапускная здольнасць. Таму ў радыёсувязі імкнуцца пераходзіць на ўсё больш кароткія даўжыні хваль. Даўжыня светлавой хвалі ў сярэднім на шэсць парадкаў меншая за даўжыню хвалі радыёдыяпазону, таму з дапамогай лазернага выпраменьвання магчыма перадача значна большага аб’ёму інфармацыі. Лазерная сувязь ажыццяўляецца як па адкрытых, так і па закрытых святлаводных структурах, напрыклад, па аптычнаму валакну. Святло за кошт з’явы поўнага ўнутранага адлюстравання можа распаўсюджвацца па ім на вялікія адлегласці, практычна не слабеючы.

Для вывучэння ўзаемадзеяння лазернага выпраменьвання з рэчывам і атрымання кіруемага тэрмаядзернага сінтэзу будуюць вялікія лазерныя комплексы, магутнасць якіх можа пераўзыходзіць 1 ПВт.

Бяспека лазераў

Любы, нават маламагутны лазер, уяўляе небяспеку для зроку чалавека. Лазер часта ўжываецца ў побыце, на канцэртах, музычных мерапрыемствах. Зафіксавана мноства выпадкаў атрымання апёкаў сятчаткі вока, што прыводзіла да часовай ці поўнай слепаты.

Фільмы

• У 1985 году кінастудыяй «Леннаучфильм» выпушчаны навукова-папулярны фільм «Канструктары прамянёў», (рэжысёр — А. Слабадской, аператар В. Пятроў). Фільм прысвечаны даследаванням у галіне лазераў Інстытута агульнай фізікі АН СССР на чале з акадэмікам А. М. Прохаравым.
• Таямніцы забытых перамог. Праўнікі праменя . Дакументальны фільм. Рэжысёр Аляксей Вахрушаў. Тэкст чытае Васіль Ланавой. ЗАТ «Інтэлект».

Літаратура

• Тарасов Л. В. Физика процессов в генераторах когерентного оптического излучения. — М.: Радио и связь, 1981. — 440 с.
• Кондиленко И. И., Коротков П. А., Хижняк А. И. Физика лазеров. — Киев: Вища школа, 1984. — 232 с.(недаступная спасылка)
• Звелто О. Принципы лазеров. — М.: Мир, 1990. — 559 с. — ISBN 5-03-001053-X.
• Бруннер В. Справочник по лазерной технике: Пер. с нем. — М.: Энергоатомиздат, 1991. — 544 с. — ISBN 5-283-02480-6.
• Квантовая электроника. Маленькая энциклопедия под. ред. М. Е. Жаботинского. — М.: «Советская энциклопедия», 1969. — 500 с.
• Лазеры. Действительность и надежды. — М.: Наука, 1985. — Т. 42. — 176 с. — (Библиотечка "Квант"). Архівавана 25 лютага 2010.
• William T. Silfvast. Laser Fundamentals. — New York: Cambridge University Press, 1996. — ISBN 0-521-55617-1. (англ.)
• К 50-летию создания лазеров(руск.) // УФН. — 2011. — Т. 181.
• Полупроводниковый лазер — Различные типы  — Доступные длины волн полупроводниковых лазеров

Спасылкі

• Список статей, опубликованных в УФН по теме «Лазеры» (PACS: 42.55.-f Lasers)
• Квантовый светоч: история одного из самых важных изобретений XX века — лазераАрхівавана 1 верасня 2011.
• Лазерный портал
• Образовательные материалы НГУ по лазерам и фотонике
• Sam’s Laser FAQ: Практическое руководство по лазерам для экспериментаторов и любителей Архівавана 11 студзеня 2014. (частичный русский перевод)
• Sam’s Laser FAQ: A Practical Guide to Lasers for Experimenters and Hobbyists (англ.)
• Sources. Laser: Fundamentals (François BALEMBOIS — et Sébastien FORGET) Архівавана 18 красавіка 2009. (англ.)
• Мощный лазер своими руками за один вечер
• Из истории создания высокоэнергетических лазеров и лазерных систем в СССР(недаступная спасылка), профессор, к.ф.м.н П. В. Зарубин, д.т. н. С. Д. Польских
• Лазер на основе биологической клетки