Лазер

Визначення і загальна характеристика

ЛА́ЗЕР — генератор електромагнітних коливань оптичного діапазону, дія якого ґрунтується на явищі вимушеного випромінювання квантовою системою світла. Термін «Л.» є акронімом англ. виразу «Light Amplification by Stimu­lated Emission of Radiation» / «під­силе­н­ня світла за допомогою вимушеної емісії ви­промінюва­н­ня» (за­пропонував 1959 амер. фізик Ґ. Ґулд; див. Лазерне ви­промінюва­н­ня). Кон­струкція Л. складаєть­ся з актив. середовища, оптич. резонатора і джерела накачува­н­ня. В актив. середовищі під дією накачува­н­ня створюється інверсія населеності — нерівноваж. стан квант. системи, у якій рівень з вищою енергією є більш заселеним порівняно із нижчим енергет. рівнем. Квант. системами, у яких може створюватися інверсна населеність, є атоми, молекули, іони, напів­провід­ник. структури. Активне середовище має властивість під­силювати електромагнітну хвилю, резонансну пере­ходу між рівнями з інверсією населеності. При роз­міщен­ні актив. середовища в оптич. резонаторі у системі виникає зворот. звʼязок, завдяки чому при досягнен­ні порогового рівня під­силе­н­ня створюються умови для генерації ви­промінюва­н­ня. За типами актив. середовища (з по­гляду його фазового стану) роз­різняють твердотіл., рідин­ні та газові Л. Серед твердотіл. Л. — рубіновий (кри­стал Al₂O₃:Cr³⁺, довж. хвилі λ = 0,69 мкм), неодимовий (іон Nd3+ у ді­електрич. матриці: ітрій-алюмінієвий і гадоліній-галій-скандієвий гранати, стекла, λ = 1,06 мкм), титан-сапфіровий (іони Ti₃+ у матриці Al₂O₃, генерація у широкій смузі 0,7–1,1 мкм), волокон­ний (активне середовище — оптичне волокно, доповане рідкоземел. атомами, напр., ербієм — генерація на довж. хвиль 1,53–1,565 мкм, або ітербієм — 1–1,1 мкм). Рідин­ні — Л. на роз­чинах орган. барвників (довж. хвиль 0,33–1,8 мкм, завдяки широкій лінії під­силе­н­ня мають унікал. властивість пере­будови (контрольов. зміни) довж. хвилі генерації у широких межах). Газові: He-Ne Л. (найбільш ві­дома лінія 0,63 мкм, може генерувати також на ін. довж. хвиль у діапазоні 0,543–3,39 мкм), Ar+ іон­ний Л. (сильні лінії 0,488 та 0,5145 мкм), CO₂ молекуляр. Л. (10,6 мкм). За типами квант. систем поділяють на атомні, іонні, молекулярні, напів­провід­ник., ексимерні. За способом збудже­н­ня вирізняють газорозрядні, хім., газодинам., з оптич., зокрема й лазерним, і ядер. накачува­н­ням. Окремий тип — Л. на вільних електронах, у якому ви­промінюва­н­ня генерується моно­енергет. пучком електронів при його поширен­ні в ондуляторі — періодич. системі від­хиляючих магніт. полів. У такому Л. від­сутня інверсія населеності. Л. можуть генерувати ви­промінюва­н­ня неперервно або у ви­гляді імпульсів. Світло, що генерується Л., має високу когерентність, на від­міну від ін., напр., тепл. джерел ви­промінюва­н­ня. Ця властивість лазер. ви­промінюва­н­ня до­зволяє одержувати високу спектрал., просторову та часову густину світл. енергії, нед­осяжну при викори­стан­ні нелазерних джерел світла. Л. може генерувати надкороткі світл. імпульси тривалістю усього кілька періодів коливань світл. хвилі (одиниці фемтосекунд), практично монохроматичне ви­промінюва­н­ня, концентрувати велику енергію світл. хвилі в обʼємі з характер. роз­мірами порядку довжини хвилі. Л. завдяки унікал. властивостям лазер. ви­промінюва­н­ня широко за­стосовують у науці та техніці, зокрема для записува­н­ня оптич. голо­грам та інформації на оптич. дисках, пере­дава­н­ня даних оптич. волокнами, обробле­н­ня кон­струкц. матеріалів (різання, плавлення, зварювання, скрайбува­н­ня), у лазерній спектро­скопії, інтерферометрії, мікро­скопії, метрології, медицині (див. Лазери в медицині), військ. справі. Поня­т­тя вимушеного ви­промінюва­н­ня увів 1916 проф. Берлін. університету А. Айнштайн для побудови послідов. теорії взаємодії тепл. ви­промінюва­н­ня з речовиною. 1928 вчений Ін­ституту фіз. хімії та електрохімії в Берліні Р.-В. Ладенбурґ екс­периментально спо­стерігав негативну дис­персію атомів неону в газовому роз­ряді, що було прямим під­твердже­н­ням існува­н­ня вимушених пере­ходів у атомах. 1939 В. Фабрикант у доктор. дис., захищеній у Фіз. ін­ституті АН СРСР (Москва), вперше сформулював умови під­силе­н­ня світ­ла в атом. системі. 1954 вчені Фіз. ін­ституту АН СРСР М. Басов і О. Прохоров незалежно від фізиків Колумб. університету (США) Ч.-Г. Таунса, Дж.-П. Ґордона та Г. Цайґера створили квант. генератор — під­силювач мікрохвиль за допомогою індук. ви­промінюва­н­ня, актив. середовищем якого був аміак. 1955 М. Басов і О. Прохоров за­пропонували трирівневу схему оптич. накачува­н­ня для створе­н­ня інверс. населеності в актив. середовищі. Для пере­ходу від генератора електромагніт. коливань радіодіапазону (мазера) до квант. генератора оптич. діапазону (Л.) 1958 Ч.-Г. Таунс і А.-Л. Ша­влов з амер. корпорації «Bell Labs» незалежно від О. Прохорова за­пропонували схему оптич. резонатора Л. на основі резонатора Фабрі–Перо (2 паралел. дзеркала, одне з яких напів­прозоре). Перший діючий Л. на кри­сталі рубіна з оптич. накачува­н­ням (довж. хвилі 0,69 мкм) був продемонстрований у травні 1960 спів­роб. амер. компанії «Hughes Air­craft» Т.-Г. Ме­йманом. Через пів­року у лаб. амер. корпорації «IBM» почав працювати інфрачервоний Л. на фториді кальцію з додава­н­ням іонів урану, побудов. П. Сорокіним і М. Стівенсоном (практич. значе­н­ня не набув, оскільки діяв лише при т-рі рідкого водню). У грудні 1960 дослідники з «Bell Labs» А. Джаван, В. Бен­нет, Д. Гер­ріот продемонстрували перший газовий і перший неперерв. Л. на суміші гелію та неону, який за­стосовують донині. Від­тоді до кін. 1960-х рр. створ. більшість типів Л.: 1961 І. Снітцером з Амер. оптич. корпорації — на основі неодимового скла; 1962 дослідником амер. корпорації «General Electric» Р.-Н. Гел­лом і вченими Фіз. ін­ституту АН СРСР Ю. Поповим і Б. Вулом — напів­провід­никовий; 1963 спів­роб. «Bell Labs» К. Пателом — молекулярний на CO2, напів­провід­ник. на гетеро­структурах (незалежно від ученого Ленінгр. фіз.-тех. ін­ституту АН СРСР, нині С.-Петербург, Ж. Алфьо­рова і нім. та амер. дослідника Г. Крьомера); 1964 спів­роб. амер. компанії «Hughes Aircraft» В.-Б. Бріджесом — аргоновий іон­ний; 1966 у корпорації «IBM» П. Сорокіним і Дж. Ланкардом — на орган. барвниках. 1986 дослідник Мас­сачусет. технол. ін­ституту (США) П. Моултон створив титан-сапфір. Л., який нині є джерелом ви­промінюва­н­ня фемтосекунд. тривалості. 1964 М. Басов, О. Прохоров і Ч.-Г. Таунс отримали Нобелів. премію з фізики за фундам. дослідж. у галузі квант. електроніки, що при­звели до вина­йде­н­ня ви­промінювачів і під­силювачів на лазерно-мазер. принципі; 1981 А.-Л. Ша­влов і проф. Гарвард. університету (США) Н. Бломберґен — за внесок у роз­виток лазер. спектро­скопії; 1997 проф. Стенфорд. університету (США) С. Чу, проф. Університету «Колеж де Франс» (Париж) К. Коен-Тан­нуджі та проф. Нац. ін­ституту стандартів і технологій США (м. Ґейтерсберґ, шт. Меріленд) В.-Д. Філіпс — за створе­н­ня методів охолодже­н­ня та полоне­н­ня лазер. світлом; 2000 Ж. Алфьоров і Г. Крьомер — за роз­робле­н­ня напів­провід­ник. гетеро­структур для викори­ста­н­ня у швидкісній та опто­електроніці; 2005 проф. Нац. ін­ституту стандартів і технологій США Дж.-Л. Голл і дир. Ін­ституту квант. оптики Товариства ім. М. Планка (м. Ґаргінґ побл. Мюнхена, Німеч­чина) Т.-В. Генш — за внесок у роз­виток прециз. спектро­скопії, яка ґрунтується на Л., включно з технікою оптич. частот. гребеня. Від поч. 1960-х рр. роботи з дослідж. і роз­робле­н­ня Л. роз­виваються в ін­ститутах НАНУ, галуз. НДІ та ВНЗах Дні­пропетровська, Донецька, Києва, Львова, Одеси, Ужгорода, Харкова та ін. укр. міст. В Ін­ституті фізики НАНУ (Київ) з ініціативи А. Прихотько були створ. від­діли оптич. квант. електроніки (В. Броуде, М. Соскін), неліній. оптики (М. Бродин) та фото­активності (М. Шпак), орієнтовані на напрями фізики, повʼязані з Л. та їх за­стосува­н­нями. Укр. фізики роз­робили та створили Л. із пере­будовою довжини хвилі на основі орган. барвників та твердотіл. Л. (Державна премія УРСР у галузі н. і т., 1974; М. Дзюбенко, Ін­ститут радіофізики і електроніки АН УРСР, Харків; М. Бродин, М. Соскін, М. Шпак, В. Кравченко, Є. Тихонов, В. Резниченко, Ін­ститут фізики АН УРСР; М. Витриховський, Ін­ститут напів­провід­ників АН УРСР, Київ), методи динаміч. голо­графії (Державна премія СРСР, 1982; М. Бродин, М. Соскін, С. Одулов, Ін­ститут фізики АН УРСР), високо­стабіл. за частотою Л. для метрології та аналіт. приладобудува­н­ня (Державна премія України у галузі н. і т., 1998; О. Кле­йман, Ю. Мачехін, В. Солов­йов, НВО «Метрологія», Харків; Є. Тихонов, Л. Яценко, А. Негрійко, М. Данилейко, Ін­ститут фізики НАНУ; В. Козубовський, СКБ засобів аналіт. техніки, Ужгород; Д. Яцків, Гол. астрон. обсерваторія НАНУ, Київ; В. Прохоренко, Ін­ститут фізики напів­провід­ників НАНУ). Один із засн. рад. і укр. наук. школи з лазерної технології — В. Коваленко (Нац. тех. університет Украї­ни «Київ. політех. ін­ститут»). Дослідж. у галузі лазерних матеріалів провадять у НТК «Ін­ститут монокри­сталів» НАНУ (Харків). На ВО «Полярон» (Львів; від 2010 не працює) серійно випускали гелій-неонові та аргонові Л., у АТ «Га­зотрон» (Рівне) — гелій-неонові та на двоокису карбону Л. Див. також Лазерна фізика та Лазерна хімія.

Літ.: Анохов С. П., Марусий Т. Я., Соскин М. С. Пере­страиваемые лазеры. Москва, 1982; P. W. Milonni, J. H. Eberly. Lasers. New York, 1988; Карлов Н. В. Лекции по квантовой электронике. 2-е изд. Москва, 1988; Handbook of Laser Wavelengths. 1998; Григорук В. І., Коротков П. А., Хижняк А. І. Лазерна фізика. 2-е вид. К., 1999; Звелто О. Физика лазеров. 4-е изд. С.-Петербург, 2008.

А. М. Негрійко

Завантажити статтю