Лазер (ағылш. laser, акроним желтоқсандағы ” light amplification by stimulated emission of radiation “жарық күшейту арқылы еріксіз сәуле”), немесе оптикалық кванттық генератор — бұл құрылғы, преобразующее энергиясын тартып шағару (жарық, электр, жылу, химиялық және т. б.) энергиясын когерентті, монохроматического, полярлық және узконаправленного сәулелену ағынының.

Физикалық негізі жұмыс лазердің қызмет етеді квантовомеханическое құбылыс еріксіз (индукцияланған) сәулелену. Лазер сәулеленуден мүмкін үздіксіз, тұрақты қуаты, немесе импульсті қалудың барынша үлкен қарбалас қуаттар. Кейбір схемаларда жұмыс элементі лазердің ретінде пайдаланылады оптикалық күшейткіштің үшін сәулелену басқа көзден. Көптеген түрлерінің саны лазерлердің пайдаланатын ретінде жұмыс ортасының барлық заттың агрегаттық күйі. Кейбір лазерлердің типтері, мысалы, лазерлер арналған ерітінділерде бояғыштар немесе полихроматические қатты денелер, лазерлер жасай аласыз, тұтас жиынтығы жиілік (мод оптикалық резонатора) кең спектральном диапазонында. Габариттері лазерлер ерекшеленеді микроскопиялық үшін бірқатар жартылай өткізгіш лазерлердің мөлшерге дейін футбол алаңын кейбір лазерлердің арналған неодимовом шыныда. Бірегей қасиеттері сәуле лазер мүмкіндік береді, оларды пайдалану әр түрлі ғылым мен техника салаларындағы, сондай-ақ тұрмыста бастап, оқу және жазу компакт-дискілер дейінгі зерттеулер басқарылатын термоядролық синтез саласында. 

Негізгі күннен[היום-מחר
Толық мақаласы: қазақстан Тарихы өнертабыс лазерлердің
1916 жылы А. Эйнштейн предсказывает болуы құбылыстар еріксіз сәуле шығару — физикалық негіздері кез лазердің[1].
Қатаң теориялық негіздемесі шеңберінде кванттық механиканың бұл құбылыс алды жұмыстарға П. Дирак ” 1927-1930 гг. [2][3]
1928 жылы: эксперименталды расталуы. Р. Ладенбургом және Копферманном өмір сүруінің еріксіз сәуле шығару.[4]
1940 ж. В. Фабрикантом және Ф. Бутаевой болды предсказана пайдалану мүмкіндігі еріксіз сәуле шығару ортаның инверсией населенностей күшейту үшін электромагниттік сәуле шығару[4].
1950 жылы: А. Кастлер (Нобель сыйлығы, физика, 1966 жылғы) ұсынады әдісі оптикалық тартып шағару ортаны құру үшін онда инверсной населенности. Жүзеге асырылды іс жүзінде 1952 жылы Бросселем, Кастлером және Винтером[5]. Құрылғанға дейін кванттық генератордың қалды бір қадам мыналар енгізілсін: сәрсенбі оң кері байланыс, яғни орналастыру осы сәрсенбі күні резонатор[4].
1954 жыл: бірінші микроволновый генератор — мазер ” аммиаке (Ч. Таунс, Басов Н. Ж. Прохоров А. М. — Нобель сыйлығы, физика 1964 жылы). Рөлі кері байланыс ойнаған көлемді резонатор мөлшері, оның шамамен 12,6 мм (толқын ұзындығы, сәулелену ауысқанда аммиак қозғалған тербелмелі деңгейінің негізгі)[4]. Күшейту үшін электромагниттік сәуле оптикалық диапазоны құруға қажет болды көлемдік резонатор, жерін еді тәртібін микрон. -Осыған байланысты технологиялық қиындықтар көптеген ғалымдар сол уақытта деп есептеді құру генератор көрінетін сәуле шығару мүмкін емес[6].
1960 жылы 16 мамырда Т. Мейман жұмысы көрсетті бірінші оптикалық кванттық генератор — лазер[7]. Ретінде белсенді ортаның қолданылды кристалл жасанды рубин (алюминий оксиді Al2O3 аздаған қоспасы бар, хром Cr), ал оның орнына көлемді резонатора қызмет еткен резонатор Фабри-Перо құрылған, күміс зеркальными жабындармен, көрсетілген ” бүйір шеттері кристалл. Бұл лазер жұмыс істеді импульстік режимде ұзындығы толқындар 694,3 нм[4]. Сол жылдың желтоқсан айында құрылды гелий-неонды лазер сәулелену үздіксіз режимде (А. Джаван, У. Беннет Д., Хэрриот). Бастапқыда лазер жұмыс істеді инфрақызыл диапазонында, содан кейін болды, үшін модификацияланған сәулелену көрінетін қызыл жарықтың толқын ұзындығы 632,8 нм[6].
Физика лазерлер бүгінгі күнге дейін қарқынды дамып келеді. Сәттен бастап өнертабыс лазердің жыл сайын басылып жүрді барлық жаңа түрлері, бейімделген әр түрлі мақсаттар үшін[6]. 1961 ж. құрылды лазер арналған неодимовом шыныда, ал келесі бес жыл әзірленді лазерлік диодтары, лазерлер “красителях, лазерлер” диоксиде көміртегінің, химиялық лазерлер. 1963 ж. Ж. Алферов пен Г. Кремер (Нобель сыйлығы, физика пәні бойынша 2000 ж.) теориясын әзірледі жартылай өткізгіш гетероструктур негізінде құрылды көптеген лазерлер[4].
Жұмыс істеу принципі[өңдеу | қайнарын қарау]
Физикалық негізі жұмыс лазердің қызмет етеді құбылыс еріксіз (индукцияланған) сәулелену[8]. Мәні құбылыс болып толқыған атом (немесе басқа кванттық жүйе) қабілетті излучить фотон әсерінен басқа фотон оны сіңіру, егер энергия соңғы әртүрлілігіне тең энергия деңгейлерінің атом дейін және одан кейін сәуле. Бұл ретте излученный фотон когерентен фотону, вызвавшему сәулелену болып табылады, оның дәл көшірмесі”). Осылайша жүреді күшейту жарық. Осы құбылыс ерекшеленеді спонтанды сәулелену, онда излучаемые фотоны бар кездейсоқ таралу бағыттары, поляризацию және қосжарнақты[9][10].
Гелий-неонды лазер. Жарқырайтын облысы орталықта — бұл лазерлік сәуле, шуақ электр разрядтары газдағы туындайтын, конденсаторы, бұл-неоновых шамдарына. Өзіндік лазер сәулесін қызметкерлеріне арналған экран оң жақта түрінде қызыл нүкте.
Ықтималдығы кездейсоқ фотон тудырады индуцированное сәуле қозғалған атомы, дәлдігіне тең ықтималдық сіңіру осы фотон атомом жүрген невозбужденном жағдайы[11]. Сондықтан күшейту үшін жарық қажет қозғалған атомдар арасында артық невозбужденных (деп аталатын инверсия населенностей). Жағдайында термодинамикалық тепе-теңдік бұл шарт орындалмайды, сондықтан пайдаланылады әр түрлі жүйесін тартып шағару белсенді орта лазер (оптикалық, электрлік, химиялық және т. б.) [12].

Бірінші дереккөзі генерациялау процесі болып табылады спонтанды сәулелену, сондықтан, ұрпақтар сабақтастығын қамтамасыз ету фотондар қажет болуы оң кері байланыс есебінен, оның излученные фотоны тудырады келесі актілер индукцияланған сәулелену. Бұл үшін белсенді орта лазер орналастырылады оптикалық резонатор. В простейшем случае ол білдіреді екі айналар, біреуі полупрозрачное — ол арқылы лазерлік сәуле қолданылған ішінара шығады резонатора. Отражаясь жылғы айналар, шоқ сәуле бірнеше рет өтеді резонатору сайрауын, онда индуцированные өткелдері. Сәуле болуы мүмкін үздіксіз және импульсті. Бұл жағдайда, пайдалана отырып, әр түрлі аспаптар (айналатын призмалар, ұяшықты Керра және т. б.) үшін жылдам өшіру және қосу кері байланыс және азайту осылайша кезең импульс болуы мүмкін үшін жағдай жасау және генерациялау сәуле өте үлкен қуатты (деп аталатын алып импульстер)[9]. Бұл жұмыс режимі лазердің деп атайды режиміне модулированной беріктілік.

Генерируемое лазермен сәуле шығару болып табылады монохроматическим (бір немесе дискретті жиынтығының толқын ұзындықтары), өйткені ықтималдығы, сәуле фотон белгілі бір толқын ұзындығы бойынша артық жақын орналасқан, байланысты уширением спектральды сызықтар, ал, тиісінше, ықтималдығы индуцированных өтуілер осы жиілікте да бар максимум. Сондықтан бірте-бірте процесінде генерациялау фотоны осы ұзындықты толқындар басым болады барлық қалған фотонами[12]. Бұдан басқа, ерекше орналасқан айналар, лазерном луче сақталады ғана фотоны қолданылатын қатарлас бағыттағы оптикалық осіне резонатора арналған шағын қашықтықта, оған қалған фотоны тез тастап көлемі резонатора. Осылайша, сәуле лазер өте шағын бұрышы расходимости[13]. Ақырында, сәуле лазер бар қатаң белгілі бір поляризацию. Бұл үшін резонатор енгізеді түрлі поляризаторы, мысалы, олар болуы мүмкін жазық шыны пластинка, белгіленген бұрышпен Брюстер бағытына тарату сәуле лазер[14].

Құрылғы лазер[היום-מחר
Толық мақаласы: Құрылғы лазер

Схемада белгіленуі: 1 — активті орта; 2 — энергия тартып шағару лазер; 3 — непрозрачное айна; 4 — полупрозрачное айна; 5 — лазер сәулесі.
Барлық лазерлер үш тұрады негізгі бөліктері:

белсенді (жұмыс) қорғау;
жүйесін тартып шағару (энергия көзі);
оптикалық резонатора (болмауы мүмкін, егер лазер режимінде жұмыс істейді күшейткіш).
Олардың әрқайсысы қамтамасыз етеді жұмыс істеу үшін лазердің орындау үшін өзінің белгілі бір функциялар.

Белсенді орта[היום-מחר
Толық мақаласы: Лазерлік материалдар
См. сондай-ақ Белсенді орта
Қазіргі уақытта ретінде лазердің жұмыс ортасы пайдаланылады әр түрлі заттың агрегаттық күйі: қатты, сұйық, газ тәрізді, плазма[15]. Қалыпты күйдегі атомдар саны, орналасқан қозғалған энергетикалық деңгейлерде айқындалады бөлуге Больцман[16]:

{\displaystyle N=N _ _ _ {0}\exp(-E/kT),} {\displaystyle N=N _ _ _ {0}\exp(-E/kT),}
мұнда N — атомдар саны, тұрған қозғалған жай-күйі с энергией E, N0 — саны атомдар орналасқан, негізінен жай-күйі (энергия нөлге тең), k — Больцман тұрақты, T — температура ортасы. Басқаша айтқанда, мұндай атомдар орналасқан қозғалған жай-күйі, кем негізінен, сондықтан ықтималдығы, фотон, распространяясь бойынша ортаға тудырады мәжбүрлі сәуле шығару, сондай-ақ салыстырғанда аздық ықтималдылығы оның сіңіру. Сондықтан электромагниттік толқын өтіп, заты бойынша, жұмылдырып, өз энергиясын атомдар қозғау. Қарқындылығы сәулелену кезінде құлайды заң бойынша Бугера[2]:

{\displaystyle I_{l}=I_{0}\exp(-a_{1}l),} {\displaystyle I_{l}=I_{0}\exp(-a_{1}l),}
мұнда I0 — бастапқы қарқындылығы, Il — сәуле қарқындылығы, өткен қашықтық l заттағы, a1 — көрсеткіш сіңіру заттар. Өйткені тәуелділік экспоненциальная, сәуле өте тез поглощается.

Жағдайда саны қозғалған атомдар артық невозбужденных (яғни жай-күйі инверсия населенностей), жағдай тікелей противоположна. Кейбір еріксіз сәуле басым болатын жұту және сәуле күшейеді заң бойынша[2]:

{\displaystyle I_{l}=I_{0}\exp(a_{2}l),} {\displaystyle I_{l}=I_{0}\exp(a_{2}l),}
онда a2 — коэффициенті кванттық күшейту. Нақты лазерах күшейту жүреді болғанша шамасы келіп түсетін есебінен еріксіз сәуле шығару энергиясының айналады шамасына тең энергия теряемой ” резонаторе[17]. Бұл шығындар байланысты насыщением метастабильного жұмыс деңгейін заттар, содан кейін энергия тартып шағару тек оны қыздыру, сондай-ақ бар көптеген басқа да факторлар (шашырау арналған неоднородностях ортаның, қоспалармен жұту, неидеальность көрсететін айналар, пайдалы және жағымсыз сәуле шығару, қоршаған ортаға және т. б.) [2].