Физические основы генерирования лазерного излучения

Лазер это энергетическое устройство, на вход которого подается равновесное шумовое оптическое излучение от нагретого тела, а на выходе излучается монохроматический луч с энергетической эффективностью значительно большей, чем в соответствующей частотной составляющей в подводимом излучении.

Как динамическое звено лазер это усилитель интенсивности лучистого потока энергии, но не за счет стороннего источника энергии, а путем перераспределения энергии входного сигнала по диапазонам частот. Коэффициент полезного действия (КПД) у этих преобразователей довольно низкий: с твердой активной средой не более 3%, у газовых до 15%.

Современное толкование «механизма» работы лазера идет от квантовой механики, возникшей из представления о фотонах, все физические свойства которому приписаны из СТО. Лазер даже чаще именуют: оптический квантовый генератор. Поводом для демонстрации объяснительных возможностей предлагаемой теории обратиться к лазеру состоит в том, что это пока единственный искусственно созданный вид лучистых потоков энергии.

Очень малая расходимость лазерного луча объясняется тем, что длина пути элементарных потоков Э — сущности, в их «путешествии» между зеркалами до момента излучения на сотни порядков превосходит диаметр резонатора. И все элементарные потоки, довольно далеко отклонившиеся на этом пути от оптической оси лазера из-за начального направления, не попали в состав лазерного луча. Для создания остронаправленного потока селекцию осуществляют с помощью стеклянных капилляров. Это объяснение малой расходимости почти совпадает с толкованием с позиций СТО.

Свойства когерентности, монохромности и высокой интенсивности энергии в лазерном луче проявляется в результате особенностей структурирования потоков энергии (Э — сущности), переизлучаемых активной средой лазера и аккумулирование их в резонаторе.

Прежде всего, отметим, что в качестве активной среды может использоваться не произвольное вещественное тело, а однородные по структуре во всем объеме кристаллические тела. В твердотельных активных средах однородность обеспечивается за счет использования монокристалла. Кристалл — это тело, имеющее правильное периодическое расположение составляющих его частиц. Поэтому, что важно для лазерного устройства, структура кристалла характеризуется симметриями. Простейшими элементами симметрии кристалла являются оси и плоскости, вдоль которых динамические свойства однородных частиц, в частности резонансные характеристики, можно считать одинаковыми.

При импульсном освещении активной среды сначала реализуется, скажем так, первый акт поглощения энергии. Часть энергии за вычетом отразившейся и прошедшей через прозрачный кристалл, воспринимают электроны с наименее жесткими связями. В однородном кристалле это совокупность электронов с одинаковыми резонансными свойствами, закономерно и упорядоченно расположенными в объеме активной среды. Их колебания реализуются по какому-то преимущественному направлению и потому они представляют единую систему связанных маятников. Такая система излучает когерентное и одночастотное волновое поле. В результате первого акта основная часть поглощенной энергии сосредоточена в этой системе связанных маятников и в переизлучаемом ею волновом поле. Все прочие частицы активной среды остаются не возбужденными (холодными). Понятно, что активная среда лазера после завершения первого акта пребывает в существенно не равновесном термодинамическом состоянии.

Далее, если отсутствует резонатор, в течение времени релаксации, длительность которого значительно превосходит время первого акта восприятия подводимой энергии, эта энергия частично перераспределяется по всем степеням свободы колеблющихся частиц активной среды и частично излучается в пространство. А затем происходит последний акт, активная среда медленно остывает по всему объему до исходной температуры. Излучение осуществляется за счет колебаний всех частиц активной среды с разными, характерными для них, частотами и по разным направлениям. Это, так называемое равновесное шумовое излучение с непрерывным широким спектром частот.

Если процесс происходит в резонаторе с зеркалами, то энергия потоков когерентного электрического волнового поля, возникающего в первом акте поглощения стороннего потока энергии, накапливается в резонаторе. Условием генерации и наработки в большом количестве изохромного излучения является большое время релаксации (запаздывания) неравномерно нагретой активной среды лазера в сравнением со временем поглощения. А условием эффективности (КПД) накопления наработанного излучения в резонаторе является требование: расстояние между зеркалами должно равняться целому числу волн. Накапливается та часть потоков Э — сущности, распространение которых совпадает с оптической осью лазера. Когда мощность энергии, накопленной в резонаторе, превысит пороговое значение полупрозрачного зеркала, происходит излучение лазерного луча.

Заключение

: лазерный луч это излучение скопившейся энергии в резонаторе, выработанной в результате переизлучения стороннего равновесного потока лучистой энергии активной средой лазера, находящейся в крайне неравновесном термодинамическом состоянии.

Выше (по тексту) показано, что циклические ускорители, электрические моторы и генераторы полностью идентичны в своем схемном решении и в конкретном преобразовании потоков энергии внутри этих машин с их механическими аналогами. Похоже, что это закономерность является типичной. Если под этим углом рассмотреть лазер, то выявим, что он полный аналог механизма генерации голоса человека и духовых музыкальных инструментов. Лазер содержит аналогичные функциональные системы, выполняющие те же задачи, что и в духовых инструментах и в голосовом аппарате человека.

Это система подвода сторонней энергии: лампа накачки — легкие человека. Система генерации опорной, тональной частоты колебаний в рабочем теле (в потоке Э — сущности или в потоке воздуха): активная среда лазера — голосовые связки, мундштук с сомкнутыми губами музыканта или колеблющиеся язычки. Резонатор: в лазере он так и называется — свободные полости в гортани человека, полости внутри духового инструмента. Выходное отверстие для излучения звука, а для лазерного луча полупрозрачное зеркало.

Можно указать и на разницу. Голос человека и музыкальные инструменты могут управлять выходной частотой за счет натяжения голосовых связок, плотности сжатия губ, изменение длины колеблющихся язычков, то есть путем изменения частотных характеристик системы генерации опорной частоты. Современный лазер «настроен на одну ноту», но, представляется, что активная среда тоже может изменять свои частотные характеристики под влиянием внешних воздействий.