Как работают лазеры?

Для того, чтобы дать все точные детали, нужно было бы перейти к продвинутой квантовой механике, которая, как я полагаю, не была целью здесь. Но основной принцип работы лазеров относительно прост.

Самый простой вид лазера - это всего три компонента: Темная трубка, пара зеркал и флуоресцентный газ.

Энергия накачивается во флуоресцентный газ (обычно электрическим током), в результате чего электроны в газе ненадолго поднимаются в высокоэнергетические состояния. Затем они опускаются обратно в свои основные состояния (самые низкоэнергетические состояния, в которых атомы обычно стабильны), и при этом излучают фотоны. Но не только любые фотоны; эти фотоны всегда имеют одинаковую точную длину волны. Эти фотоны, в свою очередь, поражают другие атомы и стимулируют их вырабатывать еще больше фотонов, заставляя газ загораться.

Если бы мы остановились на этом, у нас была бы люминесцентная лампа. Но чтобы сделать его лазером, зеркала аккуратно располагаются на концах темной трубки, содержащей газ. Одно зеркало является "полностью посеребренным", что означает, что оно отражает практически весь попадающий в него свет, а другое - "наполовину посеребренный", то есть отражает примерно половину света и пропускает вторую половину. Полусеребристое зеркало - это место, откуда будет выходить лазерный луч.

Эти зеркала расположены таким образом, что длина всей трубки равна целому ряду длин волн (для видимого света это впечатляюще просто сделать, так как длина волны составляет только около половины микрона, поэтому почти любое макроскопическое расстояние будет приблизительно равным целому ряду длин волн; для длинных волн, таких как микроволны и радио волны, это более сложно, поскольку даже в метрах это может привести к возникновению волн). Причина, по которой мы делаем это, заключается в обеспечении конструктивных помех; мы хотим, чтобы свет, отражающийся вперед-назад между двумя зеркалами, правильно выстраивался таким образом, чтобы пики всех волн совпадали. Это делает результирующий луч света когерентным - очень мощным, очень точным, и все с точно такой же длиной волны. В результате получился лазер.