Лазер: как работает когерентный свет

LASER = Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Усиление света посредством вынужденного излучения. Концепция Эйнштейна 1917 года, первый рабочий лазер — Мейман, 1960. Сейчас лазеры везде: от медицины до интернет-кабелей.

Как атомы излучают

Электрон в атоме может занимать разные уровни энергии. Переход с высокого на низкий — испускает фотон.

Спонтанное излучение: происходит случайно, свет во все стороны
Вынужденное излучение: пролетающий фотон "щекочет" атом, тот испускает идентичный фотон — та же фаза, частота, направление

Инверсия населённости

Обычно больше атомов на низком уровне, чем на высоком. Тогда фотоны поглощаются. Для лазера нужно наоборот — больше на высоком. Это "накачка".

Резонатор

Два зеркала на концах активной среды. Фотоны летают между зеркалами, вызывая новые вынужденные излучения. Одно зеркало полупрозрачное — часть света выходит наружу.

Свойства лазерного света

Монохроматичность: одна длина волны
Когерентность: фазы фотонов согласованы
Направленность: узкий луч
Яркость: высокая плотность энергии

Типы лазеров

Газовый: He-Ne, CO₂. Промышленная резка, голография
Твердотельный: рубин, YAG. Медицина, военная техника
Полупроводниковый: лазерные диоды. Везде — CD, DVD, лазерные указки, оптическое волокно
Волоконный: телекоммуникации
Эксимерный: ультрафиолет. Лазерная коррекция зрения (LASIK)

Применения

Оптоволокно (интернет): 10+ Тбит/с на один кабель
Медицина: хирургия, LASIK, онкология
Промышленность: резка металла, сварка, 3D-печать
Измерения: лазерные дальномеры, интерферометры (LIGO измеряет гравитационные волны)
Военная: дальномеры, лазерное оружие тестируется
Потребительская: Blu-ray, штрихкод-сканеры, принтеры

Мощность

Лазерная указка: 1–5 мВт
Бытовой резак: 10–100 Вт
Промышленный: 1–30 кВт
NIF (National Ignition Facility): 1,9 МДж импульса для термоядерной фьюжн

Безопасность

Классы 1–4. Класс 1 — безопасен в любых условиях (принтеры). Класс 4 — опасен даже от отражённого. Никогда не направлять в глаза.