На таинственном корабле,
на носовой башне, появился луч.
Он был тонок, как вязальная игла,
ослепительно белый и шёл из купола
башни, не расширяясь.
А. Н. Толстой
«Гиперболоид инженера Гарина».
Надо же, какой Лёха был дальновидным?!! Правда насчёт гиперболоида как-то не очень, но всё же!!!
МАЗЕР – это сокращенное название данного устройства, образованное по первым буквам слов фразы «Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation», что в переводе с английского языка означает «Усиление МИКРОВОЛН с помощью вынужденного излучения».По принципу своего действия МАЗЕР похож на ЛАЗЕР, но работает только в МИКРОВОЛНОВОМ диапазоне. А, причём здесь мазер, если мы рассматриваем лазер? Ну, мазер где-то, в чём-то прародитель лазера?! По крайней мере появился раньше лазера. Оставим его в покое и займёмся-ка мы лазером.
Слово ЛАЗЕР образовано из первых букв выражения Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, означающего «усиление СВЕТА с помощью вынужденного излучения». Правда же, вся эта лабуда про лазер похожа на мазеровскую?! А, теперь о деле!
Вернёмся немного назад, в прошлое к Резерфордовско-Боровской модели, к атомно-электронным хреновинам. К орбитам которые как-то стали сходить со сцены, хотя энергетические уровни никто не отменял! Итак?!
Электрон в атоме может находиться бесконечно долго только на стационарном уровне с минимальной энергией, т. е. на уровне, соответствующем n = 1 и прямо по Бору, вблизи ядра. Такое состояние атома называют ОСНОВНЫМ или НОРМАЛЬНЫМ состоянием. Все остальные стационарные состояния называют ВОЗБУЖДЁННЫМИ. Надо же?
В большинстве возбуждённых состояний атом может находиться в течение времени, не превышающего 0,00000008 сек. Исключение составляют лишь так называемые МЕТАСТАБИЛЬНЫЕ ВОЗБУЖДЁННЫЕ состояния. Время пребывания в этих состояниях также ограничено и не превышает 0,003 долей секунды. А, что потом? Потом переход с верхнего уровня на нижний сопровождающийся излучением ФОТОНА с энергией Е = hv. рис.4В. Зелёная стрелочка и показывает тот самый переход, его ещё называют спонтанным (сам-себе на уме!). Если же атом поглощает нечаянно залетевший фотон, то электрон увеличивает свою энергию на hv и шустро перепрыгивает на высший уровень, рис.4а.
В 1917 г. Эйнштейн высказал предположение, что возбуждённый атом может излучать не только самопроизвольно (как обычно, спонтанно), но и в результате действия падающего на него света. Если энергия падающего фотона равна энергии перехода Е2 — Е1, то под действием этого фотона происходит переход, сопровождающийся излучением ещё одного фотона. Такой переход назвали индуцированным (или вынужденным) переходом, а сопровождающее его излучение — индуцированным {или вынужденным) излучением.
Вынужденное излучение принципиально отличается от спонтанного. Это обусловлено тем, что индуцированный фотон по своим свойствам не отличается от фотона, вызвавшего излучение. Можно сказать, что индуцированный фотон и фотон, вызвавший это излучение, являются «близнецами». Говорят, что фотон-«близнец» будет КОГЕРЕНТЕН тому мерзавцу который и привёл систему к излучению. КОГЕРЕНТНОСТЬ от латинского cohaerens «взаимосвязанный» — согласованное протекание во времени нескольких колебательных или волновых процессов с постоянной разностью фазы. Что это для нас значит? Что: частота, разность фаз, поляризация и направление будет один в один совпадать с влетевшим в атом. Налицо, усиление в два раза (я так думаю?!), рис.4с. Эти два фотона-«близнеца», в свою очередь, встретившись с парой возбуждённых соответствующим образом атомов, могут индуцировать появление следующих «близнецов» и т. д.
Всё это конечно хорошо, да не совсем?! Дело в том, что число возбуждённых атомов гораздо меньше чем нормальных с минимум энергии. Значит надо всё это поправить с помощью виагры в виде мощной (ксеноновой) лампы подсветки или накачки. С другой стороны двухуровневая система «себе на уме» и не станет однажды возбудившись, ждать когда, какой-то там фотон появится и не дождавшись, спонтанно спрыгнет с процесса. Вот поэтому стали применять трёхуровневую систему рис.5. Тот который третий (Е2-уровень) и есть метастабильный. Импульс света лампы заставляет переходить электрон (ы) с уровня Е1 сразу на уровень Е3. Но это ненадолго и спонтанно электрон спрыгивает на уровень Е2, где сохраняется до долей секунды. Причём спрыгивание происходит по-тихому, без излучения. Что это нам даёт? Накопление количество возбуждённых атомов. Но это ещё не всё. Следующим этапом было увеличение полезных фотонов. Тех которые движутся в нужную сторону и? И было придумано то, что Вы и видите на рис.7.
Пространство где и происходит фотонно-атомная возня назвали АКТИВНОЙ СРЕДОЙ. Мало того ограничили её двумя зеркалами (для Вас они слева и справа). Левое обычное, а правое полупрозрачное. Далее сам процесс. На рис.7a фотоны (вдруг откуда не возьмись?) налетают на атомы и индуцируют рождение других фотонов-«близнецов». Да, какая-то часть фотонов проходит через полупрозрачное зеркало, но остальные отразившись движутся обратно рис.7В. Само-собой сталкиваются с возбуждёнными атомами, вызывая «рождение» очередных «близнецов»! Зеркала обеспечивают положительную обратную связь, а когерентность «близнецов» баланс фаз. Чтобы сохранялся баланс амплитуд и существует так называемая световая накачка, рождающая новые возбужденные атомы.
Зеркала лазера не только обеспечивают существование положительной обратной связи, но и работают как резонатор, поддерживая одни генерируемые лазером типы волн, соответствующие стоячим волнам данного резонатора, и подавляя другие. Если на оптической длине L резонатора укладывается целое число полуволн n то такие волны, проходя по резонатору, не меняют своей фазы и вследствие интерференции усиливают друг-друга. Все остальные волны с близко расположенными частотами постепенно гасят друг-друга. Надеюсь Вы ещё не забыли, что фотоны света, это не только частицы, но и электромагнитные волны?!
На рис.5 схематически показана та самая, трёхуровневая система. Синим цветом обозначен фотон вызвавший излучение, красным его «близнец». Красная стрелка и есть тот индуцированный переход с излучением. Не могу в точности сказать про другие типы лазеров, но эта трёхуровневая относится к твёрдотелому лазеру, а точнее к рубиновому рис.6. Это искусственный оксид алюминия (рубин) с заменой 0,05% атомов алюминия атомами хрома рис.6а. Рубин и есть та активная среда в виде стержня. Торцы стержня имеют отполированные поверхности-зеркала. Сам рубин находится внутри спиралевидной ксеноновой лампы. При подаче на контакты лампы мощного импульса напряжения происходит разряд с выделением света (накачки). Для нас, МГНОВЕННО происходит мощное излучение потока фотонов. Излучение имеет очень маленькое расхождение. Мощный поток направленный на поверхность Луны оставляет след диаметром всего лишь 3 км. Гиперболоид Толстого-Гарина вааще до Луны не дотянет...
Итак, лазеры бывают: Газовые, жидкостные, твёрдотелые и полупроводниковые. В том смысле, что это такие виды активной среды. Под жидкостными понимают неорганическую жидкость (ликёро-водочные исключены!).
И напоследок, немного о картинках. На рис.1 Российский боевой лазер «Пересвет». После заочного знакомства с «Пересветом» Илон Маск изменил отношение к СВО и Украине в частности! :-)) На рис.2 квантово-оптическая система (КОС) «Сажень-ТМ-БИС». Зеленчукской (на Северном Кавказе) обсерватории. На заднем плане радиотелескоп РТФ-32, часть системы РСДБ «КВАЗАР-КВО». КОС предназначена для определения дальности и угловых координат геодезических и навигационных космических аппаратов (Lageos 1, Lageos 2, ГЛОНАСС и т.д.) с целью получения высокоточных данных, необходимых для определения параметров вращения Земли и геоцентра. На рис.2а, — лазерная часть, на рис.2b, — оптическая. Система может производить локацию спутников на расстоянии (ночью) до 23000 км. На рис.3, газовый, гелий-неоновый лазер. Светящаяся область в центре — это не лазерный луч, а свечение электрического разряда в газе, возникающее подобно тому, как это происходит в неоновых лампах. Собственно лазерный луч проецируется на экран справа в виде красной точки. На фоне картинок рис.1а - обычный светодиод, родственник лазера. На рис.3а лазерный диод. На рис.5а лазерная указка.