Лазер представляет собой источник монохроматического когерентного света с высокой направленностью светового луча. Само слово «лазер» составлено из первых букв английского словосочетания, означающего «усиление света в результате вынужденного излучения».
Действительно, основной физический процесс, определяющий действие лазера, - это вынужденное испускание излучения. Оно происходит при взаимодействии фотона с возбуждённым атомом при точном совпадении энергии фотона с энергией возбуждения атома (или молекулы).
В результате этого взаимодействия возбуждённый атом переходит в невозбуждённое состояние, а избыток энергии излучается в виде нового фотона с точно такой же энергией, неправлением распространения и поляризацией, как и у первичного фотона. Таким образом, следствием данного процесса является наличие уже двух абсолютно идентичных фотонов. При дальнейшем взаимодействии этих фотонов с возбуждёнными атомами, анологичными первому атому, может возникнуть «цепная реакция» размножения одинаковых фотонов, «летящих» абсолютно точно в одном направлении, что приведёт к появлению узконаправленного светового луча. Для возникновения лавины идентичных фотонов необходима среда, в которой возбуждённых атомов было бы больше, чем невозбуждённых поскольку при взаимодействии фотонов с невозбуждёнными атомами происходило бы поглощение фотонов. Такая среда называется средой с инверсной населённостью уровней энергии.
Итак, кроме вынужденного испускания фотонов возбуждёнными атомами происходят также процесс самопроизвольного, спонтанного испускания фотонов при переходе возбуждённых атомов в невозбуждённое состояние и процесс поглощения фотонов при переходе атомов из невозбуждённого состояния в возбуждённое. Эти три процесса, сопровождающие переходы атомов в возбуждённые состояния и обратно, были постулированы А.Эйнштейном в 1916 году.
Если число возбуждённых атомов велико и существует инверсная населённость уровней (в верхнем, возбуждённом состоянии атомов больше, чем в нижнем, невозбуждённом), то первый же фотон, родившийся в результате спонтанного излучения, вызовет всенарастающую лавину появления идентичных ему фотонов. Произойдёт усиление спонтанного излучения.
На возможность давления света в среде с инверсной населённостью за счёт вынужденного испускания впервые указал в 1939 году физик В.А.Фабрикант, предложивший создавать инверсную населённость в электрическом разряде в газе.
При одновременном рождении (принципиально это возможно) большого числа спонтанно испущенных фотонов возникнет большое число лавин, каждая из которых будет распространяться в своём направлении, заданном первоначальным фотоном соответствующей лавины. В результате мы получим потоки квантов света, но не сможем получить ни направленного луча, ни высокой монохроматичности, так как каждая лавина инициировалась собственным первоначальным фотоном. Для того чтобы среду с инверсной населённостью можно было использовать для генерации лазерного луча с высокой монохроматичностью, необходимо «снимать» инверсную населённость с помощью первичных фотонов, уже обладающих одной и той же энергией, совпадающей с энергией данного перехода в атоме. В этом случае мы будем иметь лазерный усилитель света.
…
