Лазерная физика

ЛАЗЕРНАЯ ФИЗИКА, раздел физики, в котором изучаются процессы преобразования различных видов энергии в когерентное излучение лазеров, методы управления этим излучением, процессы взаимодействия лазерного излучения с веществом, основы применения лазеров в различных областях науки, техники и медицины.

Лазерная физика возникла на базе квантовой электроники, изучающей процессы усиления, генерации и преобразования электромагнитных волн, основанные на эффекте вынужденного излучения атомных систем. Рождение квантовой электроники относят к 1954 году, когда были опубликованы первые основополагающие работы Н. Г. Басова, А. М. Прохорова и Ч. Таунса, в которых были сформулированы фундаментальные принципы генерации электромагнитного излучения за счёт вынужденного излучения квантовомеханической системы, реализована положительная обратная связь и создан молекулярный генератор на пучке молекул аммиака - мазер, обеспечивающий когерентное излучение в микроволновом диапазоне. В 1955 Басов и Прохоров предложили метод создания инверсии населённостей с помощью вспомогательного излучения (трёхуровневая схема накачки). Трёхуровневая схема и её различные модификации ныне являются основными при создании твердотельных и других типов лазеров. В 1958 году Прохоров предложил использовать открытый резонатор, который единственный в то время мог обеспечить эффективную обратную связь в оптическом диапазоне. Т. Мейман (США) реализовал эти идеи (1960), создав первый в мире лазер на кристаллах рубина, что и ознаменовало рождение лазерной физики.

Лазерная физика имеет три основные составляющие. Первая составляющая - это непосредственно физика лазеров, которая изучает методы создания инверсной населённости и, следовательно, квантовые состояния, участвующие в создании инверсии; процессы возбуждения и релаксации, определяющие создание термодинамически неравновесных условий; методы управления длительностью лазерного излучения (от непрерывного излучения до аттосекундных импульсов), пространственной и временнóй формами лазерных импульсов; исследует явления, ограничивающие интенсивность лазерного излучения, такие как разрушение оптического элементов лазера, самофокусировка, фазовые искажения и др. Физика лазеров исследует также различные конфигурации открытого резонатора, обеспечивающего необходимую для генерации положительную обратную связь, занимается поиском новых активных сред лазеров - кристаллических материалов, стёкол, оптических керамик и полимеров, полупроводников, газовых сред и др.

Важное место в физике лазеров занимают методы генерации коротких и сверхкоротких лазерных импульсов. Короткие импульсы излучения реализуются в режиме модуляции добротности резонатора. Применяются различные методы модуляции: активные - с помощью электрооптического и оптоакустического затворов, и пассивные, основанные на нелинейных эффектах в оптических средах. В обоих случаях эффект достигается за счёт изменения добротности резонатора во времени. Длительность импульсов лазерного излучения τ зависит от релаксационных характеристик активной среды, величины инверсии населённости и от конкретного механизма модуляции. Для твердотельных лазеров τ в режиме модуляции добротности лежит в диапазоне от долей наносекунд до единиц микросекунд.

Сверхкороткие импульсы, длительность которых зависит от ширины спектра усиления активной среды, достигаются в режиме синхронизации мод. Для получения наиболее коротких импульсов используют активные среды с максимально широким спектром усиления. Так, в лазере на кристалле лейкосапфира с трёхвалентным титаном получены импульсы длительностью несколько фемтосекунд, что сравнимо с периодом светового колебания.

Важной задачей физики лазеров является разработка принципиальных основ создания мощных лазеров. Предложены и реализованы различные концепции и методы построения мощных лазерных систем, в частности использование широкоапертурных усилительных элементов, усиление так называемых чирпированных импульсов (смотри Квантовый усилитель), позволяющих получать пиковые мощности на уровне 10¹² и 10¹⁵ Вт в наносекундном и фемтосекундном диапазонах длительностей импульсов соответственно. В непрерывном или импульсно-периодическом режимах мощности твердотельных лазеров приближаются к 100 кВт. Мощность газодинамических и химических лазеров может достигать 1 МВт.

Вторая составляющая лазерной физики - исследование взаимодействия лазерного излучения с различными веществами, включая живые ткани. При взаимодействии происходят процессы ионизации атомов и молекул, генерации гармоник, генерации рентгеновского излучения, уширения спектра лазерного излучения при распространении его в среде. Изучаются механизмы лазерного разрушения прозрачных и непрозрачных сред, физические основы изменения свойств материалов под действием лазерного излучения (смотри Лазерный отжиг). При высоких интенсивностях лазерного излучения в области взаимодействия могут быть достигнуты очень высокие температуры лазерной плазмы, при которых возможны термоядерные реакции синтеза лёгких ядер. Для осуществления таких реакций нужны мощные лазеры и специальные условия облучения термоядерных мишеней малого размера (смотри Лазерный термоядерный синтез).

Особый интерес представляют исследования взаимодействия лазерного излучения с веществом при сверхвысоких интенсивностях (порядка 10²² Вт/см²). При таких интенсивностях (соответствующие им напряжённости электрического поля световых волн порядка 10¹⁵ В/см существенно превосходят внутриатомные кулоновские поля) могут реализоваться процессы ионизации тяжёлых элементов (типа урана), различные релятивистские эффекты в плазме (ускорение электронов и других частиц до высоких энергий, генерация жёсткого рентгеновского излучения, генерация сверхкоротких импульсов). Эта область исследований взаимодействия сверхмощного лазерного излучения с веществом к началу 21 века ещё находится в самом начале своего развития. Создаются лазерные системы, генерирующие мощное лазерное излучение в ближней ИК-области спектра с фемтосекундной длительностью импульсов, на которых проводятся эксперименты в указанных выше направлениях.

Бурное развитие различных направлений исследований привело к широкому применению методов лазерной физики в самых разных областях и обусловило появление и развитие целого ряда новых научных направлений, технологий, отраслей биологии и медицины. К ним относятся: нелинейная оптика, волоконная оптика, интегральная оптика, лазерная спектроскопия, лазерное разделение изотопов, инициирование химических реакций; физика лазерной плазмы, включающая проблему термоядерного синтеза; лазерная локация (смотри Лидар), дальнометрия, гироскопия; лазерная метрология, включающая разработку квантовых стандартов частоты и эталонов времени. Лазерные методы используются для передачи, хранения и обработки информации. Различные лазерные технологии применяются в промышленности для обработки материалов и конструкций и т. д. Бурно развивается лазерная медицина. Для решения этих практических задач и оптимизации применений уникальных свойств лазерного излучения необходимо правильно выбрать типы лазеров, длины волн излучения, мощности, профили и длительности лазерных импульсов и частоты повторения. Физические основы применения лазеров в науке, технике, технологии, биологии, медицине представляют собой третью составляющую лазерной физики, призванную расширить области использования лазерных систем, обеспечив их эффективность и безопасность эксплуатации.

Лит.: Басов Н. Г., Прохоров А. М. Применение молекулярных пучков для радиоспектроскопического изучения вращательных спектров молекул // Журнал экспериментальной и теоретической физики. 1954. Т. 27. С. 431-438; они же. О возможных методах получения активных молекул для молекулярного генератора // Там же. 1955. Т. 28. С. 249-250; Gordon J. Р., Zeiger Н. J., Townes С. Н. Моlecular microwave oscillator... // Physical Review Letters. 1954. Vol. 95. № 7; Звелто О. Принципы лазеров. 4-е изд. СПб., 2008.