Лазер - це пристрій, що перетворює різні види енергії (електричну, світлову, теплову, хімічну та інші) в енергію когерентного електромагнітного випромінювання оптичного діапазону.

У простих джерелах світла (нагріті тіла - лампи розжарювання та інші) атоми отримують енергію за рахунок збудження валентних електронів, що знаходяться на зовнішніх електронних оболонках. Перейшовши в збуджений стан, електрон атома приблизно через 10-8-10-7 з . без будь-якого зовнішнього впливу, спонтанно (мимоволі) повертається в основний стан, випромінюючи фотон. Атоми збуджуються і випромінюють фотони незалежно один від одного, тому що випромінюються ними фотони некогерентного один з одним.

Ймовірними процесами взаємодії атома з фотоном, у якого енергія дорівнює різниці енергій основного E1 і порушеної E2 станів (рівнів енергії) атома hv = E2-E1 є наступні:

1. Поглинання світла. Електрон атома, який знаходиться в основному стані з енергією Ev здатний поглинути фотон , При переході в збуджений стан з енергією Е2> Е1. Інтенсивність поглиненого випромінювання виявляється пропорційною концентрації n1 атомів, які знаходяться в основному стані.

2. Спонтанне випромінювання. При відсутності зовнішніх полів яких сутичок з іншими частинками електрон, який знаходиться в збудженому стані, через час приблизно рівне 10-8-10-7 з мимовільно повертається в основний стан, випромінюючи при цьому фотон (див. Рис. Б).

Спонтанним випромінюванням називається випромінювання, яке випускається при мимовільному переході атома з одного стану в інший. Спонтанне випромінювання різних атомів відбувається некогерентного, так як всі атоми починають і закінчують випромінювати незалежно один від одного.

3. Індуковане випромінювання. У 1917 році Ейнштейном було передвіщено, що збуджений атом здатний випромінювати під дією падаючого на нього світла (див. Рис. В).

Індукованим (вимушеним) випромінюванням називають випромінювання атома, яке виникає при переході на більш низький енергетичний рівень під дією зовнішнього електромагнітного випромінювання.

Інтенсивність індукованого випромінювання виявляється пропорційною концентрації n2 атомів, які знаходяться в збудженому стані. При цьому світлова хвиля, яка утворюється при індукованому випромінюванні, володіє тією ж частотою, поляризацією, фазою і напрямком поширення, що і падаюча на атом хвиля. Це говорить про те, що інтенсивність падаючого випромінювання збільшується, тобто виникає оптичне посилення.

У 1939 р російським фізиком В. А. Фабрикант експериментально було помічено посилення електромагнітних хвиль (Оптичне посилення) в результаті процесу індукованого випромінювання. Перший лазер, який працював на кристалі рубіна в видимому діапазоні, створив в 1960 році американський фізик Теодором Мейманом.

Посилення випромінювання, що падає на середу, буде відбуватися в тому випадку, якщо число частинок на збудженому рівні n2 побільшає числа частинок на основному рівні енергії: n2> n1. Подібний стан системи є инверсной населенностью. У стані термодинамічної рівноваги, коли система займає основний стан з мінімальною енергією Е1, тобто коли n1> n2, посилення світла не відбудеться.

Інверсної населеністю енергетичних рівнів називають нерівноважний стан середовища, при якому концентрація атомів у збудженому стані виявляється більше, ніж концентрація атомів в основному стані.

Але мимовільні переходи не дають атомам накопичуватися в збудженому стані. Якщо збуджений стан виявляється метастабільним, то цим можна знехтувати.

Метастабільний стан - це збуджений стан електрона в атомі, в якому він може перебувати набагато довше (наприклад, 10-3 с), ніж в звичайному збудженому стані (10-8 с).

Саме на цьому грунтується принцип дії рубінового лазера. Рубін, який використовується як активний елемент в лазері, є монокристалом Al 2 O 3, в якому частина іонів алюмінію заміщена іонами Cr 3.

За допомогою лампи-спалахи (оптичного накачування) іони хрому переводяться з основного стану E 1 в порушену - E 3. через 10-8 з . іони, передаючи частину енергії кристалічній решітці, переходять із збудженого стану E 3 в метастабільний стан E 2 <E 3, де починають накопичуватися. Мала ймовірність переходу з цього рівня на основний призводить до инверсной заселеності (n2> n1) цього рівня. Випадковий фотон з енергією hv = Е2-Е1 може викликати лавину індукованих когерентних фотонів. Вимушене випромінювання, що поширюється уздовж осі циліндричного монокристалла рубіна, багаторазово відбивається від його торців і швидко посилюється.

Один з торців рубінового стрижня роблять дзеркальним, а інший - частково прозорим. Через нього виходить потужний імпульс когерентного монохроматичного випромінювання червоного кольору з довжиною хвилі 694,3 нм .

Зараз є багато різних типів і конструкцій лазерів.

Особливості лазерного випромінювання:

1. виняткову монохроматичністю і когерентністю;
2. пучок світла лазера має дуже малий кут розбіжності (близько 10-5 радий );

Лазер - найпотужніший штучний джерело світла. Напруженість електричного поля в електромагнітній хвилі, випромінюваної лазером, перевищує напруженість поля всередині атома.