Лазер: как заставить свет идти строем

Слово «лазер» — это не название, а свёрнутая инструкция: усиление света путём вынужденного излучения.

Секрет лазера не в яркости, а в порядке. Все его волны имеют одну длину, одно направление и шагают синхронно — как идеально вышколенный строй.

Чем лазерный свет отличается от лампы

Свет обычной лампы — это хаос. Атомы накала испускают волны самых разных длин (отсюда белый цвет), в случайные моменты и во все стороны сразу. Если сравнить со звуком, это шум толпы на вокзале.

Лазерный свет — полная противоположность. Он обладает тремя качествами одновременно:

• Монохроматичность — строго один цвет, одна длина волны.
• Направленность — узкий луч, почти не расходящийся даже на больших расстояниях.
• Когерентность — все волны идут в фазе, гребень к гребню.

Это уже не шум толпы, а слаженный хор, поющий одну ноту.

Как атом излучает свет

Чтобы понять лазер, нужно вспомнить, как вообще атом отдаёт свет. Электрон в атоме может находиться на разных энергетических уровнях. Получив порцию энергии, он перепрыгивает на уровень повыше — атом «возбуждён». Долго удержаться там он не может: рано или поздно электрон падает обратно, а лишнюю энергию выбрасывает в виде кванта света — фотона.

Два способа упасть

Эйнштейн ещё в 1917 году заметил, что у возбуждённого атома есть два пути сбросить энергию:

1. Спонтанное излучение. Электрон падает сам по себе, в случайный момент, фотон летит куда попало. Так светит обычная лампа.
2. Вынужденное излучение. Если мимо возбуждённого атома пролетает фотон подходящей энергии, он «подталкивает» электрон упасть прямо сейчас. И вот что чудесно: рождённый фотон — точная копия пролетавшего. Та же длина волны, то же направление, та же фаза.

Именно вынужденное излучение — сердце лазера. Один фотон порождает два одинаковых, два порождают четыре, и свет начинает усиливаться, копируя сам себя.

Главная сложность: инверсия населённостей

Казалось бы, всё просто — запускай лавину копий. Но есть загвоздка. В обычном веществе возбуждённых атомов мало, а спокойных — большинство. И спокойный атом не порождает фотон, а наоборот, его поглощает. Пролетающий фотон скорее «застрянет», чем размножится.

Чтобы лавина пошла, нужно вывернуть ситуацию наизнанку: сделать так, чтобы возбуждённых атомов стало больше, чем спокойных. Это противоестественное состояние называют инверсией населённостей. Его создают накачкой — вливают в вещество энергию извне: мощной вспышкой света, электрическим разрядом или другим лазером.

Резонатор: зеркальный коридор

Усиления за один проход обычно мало. Поэтому рабочее вещество помещают между двумя зеркалами — это резонатор. Фотоны мечутся между зеркалами туда-обратно, на каждом проходе порождая новые копии и наращивая лавину. Одно из зеркал делают слегка прозрачным — через него часть света вырывается наружу. Это и есть лазерный луч.

Цвет задаёт переход

Длина волны лазера определяется тем, между какими уровнями прыгает электрон. Энергия фотона связана с длиной волны простым соотношением:

$$E = \frac{hc}{\lambda},$$

где $h$ — постоянная Планка, $c$ — скорость света, $\lambda$ — длина волны. Чем больше разница между уровнями, тем короче волна и тем «синее» луч.

Где это работает

Лазерная указка, считыватель штрихкодов, оптоволоконная связь, резка металла, хирургия глаза, измерение расстояния до Луны — всё это разные применения одного и того же фокуса. Везде ценится одно: свет, идущий строем. Лазер не обязательно мощный — он прежде всего упорядоченный, и именно порядок делает его таким полезным.