Лазер, источник электромагнитного излучения видимого, инфракрасного и ультрафиолетового диапазонов, основанный на вынужденном излучении атомов и молекул. Слово «лазер» составлено из начальных букв (аббревиатура) слов английской фразы «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation», что означает «усиление света в результате вынужденного излучения». В советской литературе употребляется также термин «оптический квантовый генератор» (ОКГ). Создание Л. (1960) и несколько ранее мазеров (1955) послужило основой развития нового направления в физике и технике, называется квантовой электроникой. В 1964 советским физикам Н. Г. Басову, А. М. Прохорову и американскому физику Ч. Таунсу за работы в области квантовой электроники присуждена Нобелевская премия по физике.

Лазер — источник света. По сравнению с другими источниками света Л. обладает рядом уникальных свойств, связанных с когерентностью и высокой направленностью его излучения. Излучение «нелазерных» источников света не имеет этих особенностей. Мощность, излучаемая нагретым телом, определяется его температурой Т. Наибольшее возможное значение потока излучения, достигаемое для абсолютно чёрного тела, W = 5,7×10-12×T4 вт/см2. Мощность излучения быстро растет с увеличением Т и для высоких Т достигает весьма больших величин. Так, каждый 1 см2 поверхности Солнца (Т = 5800 К) излучает мощность W = 6,4×103 вт. Однако излучение теплового источника распространяется по всем направлениям от источника, т. е. заполняет телесный угол 2p рад. Формирование направленного пучка от такого источника, осуществляемое с помощью системы диафрагм или оптических систем, состоящих из линз и зеркал, всегда сопровождается потерей энергии. Никакая оптическая система не позволяет получить на поверхности освещаемого объекта мощность излучения большую, чем в самом источнике света.

Излучение теплового источника, кроме того, немонохроматично, оно заполняет широкий интервал длин волн (рис. 1). Например, спектр излучения Солнца захватывает ультрафиолетовый, видимый и инфракрасный диапазоны длин волн. Для повышения монохроматичности излучения применяют монохроматоры, позволяющие выделить из сплошного спектра сравнительно узкую область, или используют газоразрядные источники света низкого давления, дающие дискретные атомные или молекулярные узкие спектральные линии. Интенсивность излучения в спектральных линиях, однако, не может превышать интенсивности излучения абсолютно чёрного тела, температура которого равна температуре возбуждения атомов и молекул (рис. 1). Т. о., в обоих случаях монохроматизация излучения достигается ценой громадных потерь энергии. Чем уже спектральная линия, тем меньше излучаемая энергия.

Рис. 1.

Иная картина имеет место в радиодиапазоне. Источники радиоволн способны формировать направленное и монохроматическое излучение большой мощности. Различие между источниками радиоволн и долазерными источниками света носит принципиальный характер. Антенны — излучатели радиоволн, питаемые от общего генератора электрических колебаний, можно возбудить когерентно. Элементарными излучателями световых волн являются атомы и молекулы. Излучение любого источника света представляет собой суммарный эффект излучения громадной совокупности атомов и молекул, причём все они излучают совершенно независимо друг от друга — некогерентно. Некогерентность излучения атомов связана с независимостью, случайностью элементарных актов возбуждения атомов и их хаотичным распределением в пространстве. Основной причиной возбуждения атомов в нагретых телах и в газовом разряде являются столкновения. Моменты столкновений случайным образом распределены во времени, что и приводит к хаотичному распределению фаз волн, излучаемых отдельными атомами, т. е. к некогерентности их излучения.

Задача создания источника когерентного света была решена лишь с появлением Л., в котором используется принципиально иной метод высвечивания возбуждённых атомов, позволяющий, несмотря на некогерентный характер возбуждения отдельных атомов, получать когерентные пучки света с очень малой расходимостью. Если интенсивность излучения Л. сравнить с интенсивностью излучения абсолютно чёрного тела в том же спектральном и угловом интервалах, то получаются фантастически большие температуры, в миллиарды и более раз превышающие реально достижимые температуры тепловых источников света. Кроме того, малая расходимость излучения позволяет с помощью обычных оптических систем концентрировать световую энергию в ничтожно малых объёмах, создавая громадные плотности энергии. Когерентность и направленность излучения открывают принципиально новые возможности использования световых пучков там, где нелазерные источники света неприменимы.

Принцип работы лазера. Возбуждённый атом может самопроизвольно (спонтанно) перейти на один из нижележащих уровней энергии, излучив при этом квант света. Световые волны, излучаемые нагретыми телами, формируются именно в результате таких спонтанных переходов атомов и молекул. Спонтанное излучение различных атомов некогерентно. Однако, помимо спонтанного испускания, существуют излучательные акты др. рода. При распространении в среде световой волны с частотой v, соответствующей разности каких-либо двух энергетических уровней E1, E2 атомов или молекул среды (hn = E2 — E1, где h — постоянная Планка), к спонтанному испусканию частиц добавляются др. радиационные процессы. Атомы, находящиеся на нижнем энергетическом уровне E1, в результате поглощения квантов света с энергией hn переходят на уровень E2 (рис. 2, а). Число таких переходов пропорционально r (n) N1, где r (n) — спектральная плотность излучения в эрг/см3, N1 — концентрация атомов, находящихся на уровне E1 (населённость уровня). Атомы, находящиеся на верхнем энергетическом уровне E2, под действием квантов hn вынужденно переходят на уровень E1 (рис. 2, б). Число таких переходов пропорционально r (n) N2, где N2 — концентрация атомов на уровне E2. В результате переходов E1 → E2 волна теряет энергию, ослабляется. В результате же переходов E2 → E1 световая волна усиливается. Результирующее изменение энергии световой волны определяется разностью (N2 — N1). В условиях термодинамического равновесия населённость нижнего уровня N1 всегда больше населённости верхнего N2. Поэтому волна теряет больше энергии, чем приобретает, т. е. имеет место поглощение света. Однако в некоторых специальных случаях оказывается возможным создать такие условия, когда возникает инверсия населённостей уровней E1 и E2, при которой N2 > N1. При этом вынужденные переходы E2 → E1 преобладают и поставляют в световую волну больше энергии, чем теряется в результате переходов E1 → E2. Световая волна в этом случае не ослабляется, а усиливается.

Рис. 2

Излучаемые атомами в результате вынужденных переходов E2 → E1 волны по частоте n, направлению распространения, поляризации и фазе тождественны первичной волне и, следовательно, когерентны друг другу независимо от того, каким образом происходило возбуждение атомов на уровень E 2. Именно когерентность вынужденного излучения приводит к усилению световой волны в среде с инверсией населённостей, а не просто к дополнительному излучению новых волн. Среду с инверсией населённостей какой-либо пары уровней E1, E2, способную усиливать излучение частоты n = (E2 — E1)/h, обычно называют активной.