Причина удивительных свойств лазерного луча. 
Когерентный свет

Для объяснения этих свойств в научном языке есть специальный термин — когерентность. Ученые скажут, что свет от лампы накаливания некогерентен, а лазерное излучение когерентно — и все им понятно. Человеку же, недостаточно просвещенному в области физики, надо очевидно, пояснить, что такое некогерентный или когерентный свет.

В общих чертах такое пояснение дать вроде бы несложно. Вполне понятно, что поток света, распространяющийся от любого источника есть суммарный результат высвечивания великого множества элементарных излучателей, каковыми являются отдельные атомы или молекулы светящегося тела. В случае лампы накаливания каждый атом-излучатель высвечивается, никак не согласуясь с другими атомами-излучателями, поэтому в целом получается световой поток, который можно называть внутренне непорядочным, хаотическим. Это есть некогорентный свет. В лазере же гигантское количество атомов излучателей высвечивается, согласованно в результате возникает внутренне упорядоченный световой поток. Это есть когерентный свет.

Когда мы говорим о лазерном луче, то обычно представляем себе яркий и тонкий световой шнур или световую нить. Нечто подобное можно увидеть в действительности если включить гелий-неоновый лазер. Правда этот лазер маломощный настолько, что его луч можно спокойно, ловить, в руку. К тому же луч не, ослепительно белый, а сочного красного цвета. Чтобы он был лучше виден, надо создать в лаборатории полумрак и легкую задымленность. Луч почти не расширяется и везде имеет практически одинаковую интенсивность. Можно разместить на его пути ряд зеркал и заставить его описать, сложную изломанную траекторию в пространстве лаборатории. В результате возникнет эффективное зрелище — комната, как бы, перечеркнутая, в разных направлениях яркими красными прямыми нитями.

Однако не всегда лазерный луч выглядит столь эффектно. Например, луч СО₂ — лазера вообще невидим — ведь его длина волны попадает в инфракрасную область спектра. Кроме того, не следует думать, что лазерный луч — это обязательные непрерывный поток световой энергии. В большинстве случаев лазеры генерируют не непрерывный световой пучок, а световые импульсы.

1. Анатомия лазера.

Как выглядит лазер? На что он похож? Лазеры отличаются большим разнообразием. Существует огромное число разных типов лазеров, они различаются не только характеристиками генерируемого ими излучения, но также внешним видом, размерами, особенностями конструкции.

«Сердце лазера» — его активный элемент. У одних лазеров он представляет собой кристаллический или стеклянный стержень цилиндрической формы. У других — это отпаянная стеклянная трубка, внутри которой находится специально подобранная газовая смесь. У третьих — кювета со специальной жидкостью. Соответственно различают лазеры твердотельные, газовые и жидкостные.

2. Типы лазеров.

Продолжая знакомиться с лазерами, совершим экскурсию по обширному лазерному хозяйству. Остановимся на некоторых типах лазеров.

Газоразрядные лазеры. Так называют лазеры на разряженных газовых смесях (давление смеси 1−10мм рт. ст) которые возбуждаются самостоятельным электрическим разрядом. Различают три группы газоразрядных лазеров:

• — лазеры, в которых генерируемое излучение рождается на переходах между энергетическими уровнями свободных ионов (применяется термин «ионные лазеры»).
• — лазеры, генерирующие на переходах между уровнями свободных атомов.
• — лазеры, генерирующие на переходах между уровнями молекул (так называемые молекулярные лазеры)

Из огромного числа газоразрядных лазеров выделим три: гелий-неоновый (как пример лазера, генерирующего на переходах в атомах), аргоновый (ионовый лазер) и СО₂ — лазер (молекулярный лазер).

Гелий — неоновой лазер имеет три основных рабочих перехода, на длинах волн 3,39 и 1,15 и 0,63 мкм.

В аргоновом лазере генерация происходит на переходах между уровнями однократного иона аргона (Ar+) основными являются переходах на длинах волн 0,488 (голубой цвет) и 0,515 мкм (зеленый цвет).

Генерация в СО₂ -лазере происходит на переходах между колебательными уровнями молекулы углекислого газа (СО₂) основными являются переходы на длинах волн 9,6 и 10,6 мкм. Основными составляющими газовой смеси являются углекислый газ и молекулярный азот.

Эксимерные лазеры. Так называют газовые лазеры генерирующие на переходах между электронными состояниями эксимерный (разлетных) молекул. К таким молекулам относятся, например молекулы Ar2, Kr2, Xe₂, ArF, KrCl, XeBr и др. Эти молекулы содержат атомы инертных газов.

Заметим, что в эксимерных лазерах реализованы наиболее низкие значения генерируемых длин волн. Так, в лазере на молекулах Хе₂ наблюдалась генерация на длине волн 0,172 мкм, в лазере на молекулах Kr₂ 0,147 мкм, в лазере на Ar₂ 0,126 мкм.

Электроионизационные лазеры. В качестве ионизирующего излучения используют ультрафиолетовое излучение, электронный пучок из ускорителя, пучки заряженных частиц, являющихся продуктами ядерных реакций.

Химические лазеры. Реакции идущие с высвобождением энергии, называют экзоэнергетичсекими. Они-то и представляют интерес для химических лазеров. В этих лазерах, высвобождающаяся при химических реакциях, идет на возбуждение активных центров и, в конечном счете, преобразуется в энергию когерентного света.

Приведем пример реакций замещения, которые используются в химических лазерах:

F + H2 -> HF* + H, F + D2 ->DF* + D, H + Cl2 -> Hcl* + Cl,.

Cl + HJ — > HCl* + J.

Звездочка указывает на то, что молекула образуется в возбужденном колебательном состоянии.

Существует еще ряд признаков классификации лазеров, но отнесем их рассмотрение к специальной литературе.