Лазер — еще одно важное изобретение человечества с 20-го века после ядерной энергии, компьютеров и полупроводников. Он известен как «самый быстрый нож», «самая точная линейка» и «самый яркий свет». 16 мая 1960 года американский физик Теодор Мейман изобрел первый в мире лазер. Впервые человечество получило доступ к такому чудесному источнику света с превосходной монохромностью, высокой коллимацией и высокой плотностью энергии. С момента изобретения первого лазера в 1960 году лазеры широко использовались в сфере связи, медицины, промышленного производства, военного оружия и других областях, став междисциплинарной технологией общего-назначения, которая оказала огромное влияние на исследования во многих областях и способствовала повышению эффективности общественного производства. Итак, что же такое лазер? И как оно производится?
Лазер — это аббревиатура от «Усиление света посредством стимулированного излучения», что означает усиление света, вызванное вынужденным излучением. Когда эта технология была представлена в Китае в 1964 году, г-н Цянь Сюэсень придумал для нее такое название. В обиходе у него также есть довольно впечатляющее транслитерированное название «лейше». Прежде чем разобраться в лазерах, давайте сначала посмотрим, что такое свет.
Свет создается фотонами. В 1905 году Альберт Эйнштейн впервые представил концепцию фотонов в своей статье о фотоэлектрическом эффекте. Фотоны — одна из фундаментальных частиц, составляющих материю. Фотоны чрезвычайно малы и в состоянии покоя не имеют массы. Согласно принципам квантовой механики, когда электрон падает из внешней оболочки с более высокой-энергией на внутреннюю оболочку с более низкой-энергией, соответствующее атомное ядро испускает фотон, производя таким образом свет. Чем большее количество оболочек проходит электрон, тем больше энергия фотона. Этот процесс обратим; когда фотон падает, ядро атома поглощает фотон, и электрон, набрав энергию, перемещается из внутренней оболочки с более низкой-энергией на внешнюю-энергетическую оболочку с более высокой-энергией.
Характерной особенностью лазера является то, что все его фотоны движутся вместе с одинаковой длиной волны и фазой. В атомной системе электроны движутся послойно. Когда на атом влияет его внешняя среда и электроны высокой-энергии переходят на более низкие энергетические уровни, возникают два явления: «спонтанная эмиссия» и «вынужденная эмиссия». Лазеры производятся путем стимулированного излучения. Проще говоря, лазер — это «световое излучение», испускаемое при «возбуждении» атомов вещества определенным «источником накачки».
Лазер — это устройство, генерирующее лазерное излучение, состоящее в основном из источника накачки, усиливающей среды и резонансного резонатора. Источник накачки — это источник возбуждения лазера, снабжающий энергией электроны с низкой-энергией для их возбуждения на более высокие энергетические уровни. Общие источники накачки включают оптическое возбуждение, возбуждение газовым разрядом, химическое возбуждение и возбуждение ядерной энергией. Резонансный резонатор представляет собой контур между источником накачки и усиливающей средой, обычно состоящий из двух зеркал определенной геометрической формы и оптических характеристик отражения, объединенных определенным образом. Это позволяет возбужденному свету несколько раз перемещаться вперед и назад внутри полости, образуя когерентные устойчивые колебания, которые усиливаются, а также ограничивают частоту и направление светового луча. Усиливающая среда относится к рабочей среде, которая усиливает свет.
С тех пор как Эйнштейн предложил стимулированное излучение в 1917 году, ученые потратили 43 года на неустанные исследования, прежде чем наконец создали первый в мире лазер в 1960 году. Ученый Мейман из исследовательских лабораторий Хьюза в Калифорнии использовал лампу-вспышку высокой-интенсивности, чтобы осветить рубин, возбуждая атомы хрома внутри рубина, чтобы излучать красный свет. Просверлив отверстие в поверхности рубина, покрытой отражающим зеркалом, красный свет мог выйти через это отверстие, создавая высококонцентрированный узкий луч красного света. Когда этот луч был направлен в точку, он мог достигать температур выше, чем поверхность Солнца. Так родился первый в мире лазер-рубиновый лазер-с длиной волны 0,6943 микрометра. Это был первый лазерный луч, когда-либо созданный человечеством.
