300px|thumb|справа|Лазер (чырвоны, зялёны, сіні). 300px|thumb|справа|Лазер (лабараторыя NASA).
Ла́зер (, акронім «узмацненне святла з дапамогай вымушанага выпраменьвання»), або апты́чны ква́нтавы генера́тар — гэта прылада, якая пераўтварае энергію накачкі (светлавую, электрычную, цеплавую, хімічную і інш.) у энергію кагерэнтнага, монахраматычнага, палярызаванага і вузканакіраванага патоку выпраменьвання.
Работа лазера заснавана на квантавамеханічнай з’яве вымушанага (індуцыраванага) выпраменьвання. Выпраменьванне лазера можа быць бесперапынным, з пастаяннай магутнасцю, або імпульсным і дасягаць гранічна вялікіх пікавых магутнасцей. У некаторых схемах рабочы элемент лазера выкарыстоўваецца ў якасці аптычнага ўзмацняльніка для выпраменьвання ад іншай крыніцы. Існуе вялікая колькасць відаў лазераў, якія выкарыстоўваюць у якасці рабочага асяроддзя ўсе агрэгатныя станы рэчыва. Некаторыя тыпы лазераў, напрыклад, лазеры на растворах фарбавальнікаў або поліхраматычныя цвердацельныя лазеры, могуць генераваць цэлы набор частот (мод аптычнага рэзанатара) у шырокім спектральным дыяпазоне. Габарыты лазераў адрозніваюцца ад мікраскапічных для шэрагу паўправадніковых лазераў да памераў футбольнага поля для некаторых лазераў на неадымавым шкле. Унікальныя ўласцівасці выпраменьвання лазераў дазволілі выкарыстоўваць іх у розных галінах навукі і тэхнікі, а таксама ў побыце, пачынаючы з чытання і запісу кампакт-дыскаў і заканчваючы даследаваннямі ў галіне кіруемага тэрмаядзернага сінтэзу.
Асноўныя даты
1916: А. Эйнштэйн прадказвае існаванне з’явы вымушанага выпраменьвання — фізічнай асновы работы любога лазера. Строгае тэарэтычнае абгрунтаванне ў рамках квантавай механікі гэта з’ява атрымала ў працах П. Дзірака ў 1927—1930 гг. 1928: эксперыментальнае пацверджанне Р. Ладенбургам і Г. Копферманам існавання вымушанага выпраменьвання. У 1940 г. В. Фабрыкантам і Ф. Бутаевай была прадказана магчымасць выкарыстання вымушанага выпраменьвання асяроддзя з інверсіяй населенасцей для ўзмацнення электрамагнітнага выпраменьвання. 1950: А. Кастлер (Нобелеўская прэмія па фізіцы 1966) прапануе метад аптычнай накачкі асяроддзя для стварэння ў ім інверснай населенасці. Рэалізаваны на практыцы ў 1952 годзе Бросэлем, Кастлерам і Вінтэрам. Да стварэння квантавага генератара заставаўся адзін крок: увесці ў асяроддзе станоўчую зваротную сувязь, гэта значыць змясціць гэтае асяроддзе ў рэзанатар. 1954: першы мікрахвалевы генератар — мазер на аміяку (Ч. Таунс, Басаў М. Г. і Прохараў А. М. — Нобелеўская прэмія па фізіцы 1964). Ролю зваротнай сувязі выконваў аб'ёмны рэзанатар, памеры якога былі парадку 12,6 мм (даўжыня хвалі, што выпраменьвалася пры пераходзе аміяку з узбуджанага вагальнага ўзроўню на асноўны). Для ўзмацнення электрамагнітнага выпраменьвання аптычнага дыяпазону неабходна было стварыць аб’ёмны рэзанатар, памеры якога былі б каля мікрона. З-за звязаных з гэтым тэхналагічных цяжкасцей многія навукоўцы ў той час лічылі, што стварыць генератар бачнага выпраменьвання немагчыма. 1960: 16 мая Т. Майман прадэманстраваў працу першага аптычнага квантавага генератара — лазера. У якасці актыўнага асяроддзя выкарыстоўваўся крышталь штучнага рубіну (аксід алюмінію Al2O3 з невялікай прымешкай хрому Cr), а аб’ёмным рэзанатарам служыў рэзанатар Фабры-Пяро, утвораны сярэбранымі люстранымі пакрыццямі, нанесенымі на тарцы крышталя. Гэты лазер працаваў у імпульсным рэжыме на даўжыні хвалі 694,3 нм. У снежні таго ж года быў створаны гелій-неонавы лазер, які выпраменьваў у бесперапынным рэжыме (А. Джаван, У. Бэнет, Д. Хэрыят). Першапачаткова лазер працаваў у інфрачырвоным дыяпазоне, затым быў мадыфікаваны для выпраменьвання бачнага чырвонага святла. Фізіка лазераў і па сённяшні дзень інтэнсіўна развіваецца. З моманту вынаходства лазера амаль кожны год з’яўляліся ўсё новыя яго віды, прыстасаваныя для розных мэт. У 1961 г. быў створаны лазер на неадымавым шкле, а на працягу наступных пяці гадоў былі распрацаваны лазерныя дыёды, лазеры на фарбавальніках, лазеры на двухвокісе вугляроду, хімічныя лазеры. У 1963 г. Ж. Алфёраў і Г. Кромер (Нобелеўская прэмія па фізіцы 2000 г.) распрацавалі тэорыю паўправадніковых гетэраструктур, на аснове якіх былі створаны многія лазеры.
Прынцып дзеяння Фізічнай асновай працы лазера служыць з’ява вымушанага (індуцыраванага) выпраменьвання. Сутнасць з’явы складаецца ў тым, што ўзбуджаны атам здольны выпраменьваць фатон пад дзеяннем іншага фатона без яго паглынання, калі энергія апошняга складае рознасць энергій узроўняў атама да і пасля выпраменьвання. Пры гэтым выпраменены фатон кагерэнтны фатону, які выклікаў выпраменьванне (з’яўляецца яго «дакладнай копіяй»). Такім чынам адбываецца ўзмацненне святла. Гэтым з’ява адрозніваецца ад спантаннага выпраменьвання, у якім выпрамененыя фатоны маюць выпадковыя напрамкі распаўсюджвання, палярызацыю і фазу.
250px|thumb|злева|Гелій-неонавы лазер. Яркі прамень у цэнтры — гэта не ўласна лазерны прамень, а электрычны разрад, які спараджае свячэнне, прыкладна так, як гэта адбываецца ў неонавых лямпах. Прамень праецыруецца на экран справа ў выглядзе чырвонай кропкі, што свеціцца.
Імавернасць таго, што выпадковы фатон выкліча індуцыраванае выпраменьванне ўзбуджанага атама, дакладна роўная імавернасці паглынання гэтага фатона атамам, які знаходзіцца ў неўзбуджаным стане . Таму для ўзмацнення святла неабходна, каб узбуджаных атамаў у асяроддзі было больш, чым неўзбуджаных (так званая інверсія насельніцтва). У стане тэрмадынамічнай раўнавагі гэтая ўмова не выконваецца, таму выкарыстоўваюцца розныя сістэмы накачкі актыўнага асяроддзя лазера (аптычныя, электрычныя, хімічныя і інш.).
Першакрыніцай генерацыі з’яўляецца працэс спантаннага выпраменьвання, таму для забеспячэння пераемнасці пакаленняў фатонаў неабходна існаванне станоўчай зваротнай сувязі, за кошт якой фатоны выклікаюць наступныя акты індуцыраванага выпраменьвання. Для гэтага актыўнае асяроддзе лазера змяшчаецца ў аптычны рэзанатар. У найпрасцейшым выпадку ён уяўляе сабой два люстэркі, адно з якіх напаўпразрыстае — праз яго прамень лазера часткова выходзіць з рэзанатара. Адлюстроўваючыся ад люстэркаў, пучок выпраменьвання шматразова праходзіць па рэзанатару, выклікаючы ў ім індуцыраваныя пераходы. Выпраменьванне можа быць як бесперапынным, так і імпульсным. Пры гэтым, выкарыстоўваючы розныя прыборы (прызмы, што верцяцца, ячэйки Кера і інш.) для хуткага выключэння і ўключэння зваротнай сувязі і памяншэння тым самым перыяду імпульсаў, можна стварыць умовы для генерацыі выпраменьвання вельмі вялікай магутнасці (так званыя гіганцкія імпульсы). Гэты рэжым работы лазера называюць рэжымам мадуляванай дыхтоўнасці.
Выпраменьванне, якое генеруецца лазерам, з’яўляецца монахраматычным (г.зн. яго спектр складаецца з адной або з дыскрэтнага набору даўжынь хваль), бо імавернасць выпраменьвання фатона вызначанай даўжыні хвалі большая, чым блізка размешчанай, звязанай з пашырэннем спектральнай лініі, а, адпаведна, і імавернасць індуцыраваных пераходаў на гэтай частаце таксама мае максімум. Таму паступова ў працэсе генерацыі фатоны дадзенай даўжыні хвалі будуць пераважаць над усімі астатнімі фатонамі. Акрамя гэтага, з-за адмысловага размяшчэння люстэркаў у лазерным прамені захоўваюцца толькі тыя фатоны, якія распаўсюджваюцца ў кірунку, паралельным аптычнай восі рэзанатара на невялікай адлегласці ад яе, астатнія фатоны хутка пакідаюць аб’ём рэзанатара. Такім чынам прамень лазера мае вельмі малы вугал разыходнасці. Нарэшце, прамень лазера мае строга вызначаную палярызацыю. Для гэтага ў рэзанатар уводзяць розныя палярызатары, напрыклад, імі могуць служыць плоскія шкляныя пласцінкі, устаноўленыя пад вуглом Брустэра да кірунку распаўсюджвання прамяня лазера.
Будова лазера 275px|thumb|справа|На схеме пазначаны: 1 — актыўнае асяроддзе; 2 — энергія накачкі лазера; 3 — непразрыстае люстэрка; 4 — напаўпразрыстае люстэрка; 5 — лазерны прамень.
Усе лазеры складаюцца з трох асноўных частак:
актыўнага (рабочага) асяроддзя; сістэмы накачкі (крыніца энергіі); аптычнага рэзанатара (можа адсутнічаць, калі лазер працуе ў рэжыме ўзмацняльніка).
Кожная з іх забяспечвае выкананне сваіх пэўных функцый.
Актыўнае асяроддзе У цяперашні час у якасці рабочага асяроддзя лазера выкарыстоўваюцца розныя агрэгатныя станы рэчыва: цвёрдае, вадкае, газападобнае, плазмаСивухин Д. В. Общий курс физики. — Издание 2-е. — М.: Наука, 1985. — Т. IV. Оптика. — С. 714—721. — 735 с.. У звычайным стане лік атамаў, якія знаходзяцца на ўзбуджаных энергетычных узроўнях, вызначаецца размеркаваннем БольцманаСивухин Д. В. Общий курс физики. — Издание 2-е. — М.: Наука, 1985. — Т. IV. Оптика. — С. 703—714. — 735 с.:
тут N — колькасць атамаў, якія знаходзяцца ва ўзбуджаным стане з энергіяй E, N0 — лік атамаў, якія знаходзяцца ў асноўным стане, k — пастаянная Больцмана, T — тэмпература асяроддзя. Іншымі словамі, узбуджаных атамаў менш, чым атамаў у асноўным стане, таму імавернасць таго, што фатон, распаўсюджваючыся ў асяроддзі, выкліча вымушанае выпраменьванне, таксама малая ў параўнанні з імавернасцю яго паглынання. Таму электрамагнітная хваля, праходзячы ў рэчыве, расходуе сваю энергію на ўзбуджэнне атамаў. Інтэнсіўнасць выпраменьвання пры гэтым спадае па закону Бугера:
тут I0 — пачатковая інтэнсіўнасць, Il — інтэнсіўнасць выпраменьвання, якое прайшло адлегласць l ў рэчыве, a1 — паказчык паглынання рэчыва. Залежнасць экспаненцыяльная, таму выпраменьванне вельмі хутка паглынаецца.
У тым выпадку, калі ўзбуджаных атамаў больш, чым неўзбуджаных (гэта значыць, у стане інверсіі насельніцтва), сітуацыя прама процілеглая. Акты вымушанага выпраменьвання пераважаюць над паглынаннем, і выпраменьванне ўзмацняецца па закону:
дзе a2 — каэфіцыент квантавага ўзмацнення. У рэальных лазерах узмацненне адбываецца да таго часу, пакуль велічыня энергіі, якая паступае за кошт вымушанага выпраменьвання энергіі, не стане роўнай велічыні энергіі, якая губляецца ў рэзанатары. Гэтыя страты звязаны з насычэннем метастабільнага ўзроўню рабочага рэчыва, пасля чаго энергія накачкі ідзе толькі на яго разагрэў, а таксама з наяўнасцю мноства іншых фактараў (рассейванне на неаднастайнасць асяроддзя, паглынанне прымешкамі, неідэальнасць люстэркаў, карыснае і непажаданае выпраменьванне ў навакольнае асяроддзе і інш.).
Сістэма накачкі Для стварэння інверснай населенасці асяроддзя лазера выкарыстоўваюцца розныя механізмы. У цвердацельных лазерах яна ажыццяўляецца за кошт апраменьвання магутнымі газаразраднымі лямпамі-ўспышкамі, сфакусіраваным сонечным выпраменьваннем (так званая аптычная накачка) і выпраменьваннем іншых лазераў (у прыватнасці, паўправадніковых). Пры гэтым магчыма праца толькі ў імпульсным рэжыме, бо патрабуюцца вельмі вялікія шчыльнасці энергіі накачкі, якія выклікаюць пры працяглым уздзеянні моцны разагрэў і разбурэнне стрыжня рабочага рэчыва. У газавых і вадкасных лазерах (гл. гелій-неонавы лазер, лазер на фарбавальніках) выкарыстоўваецца накачка электрычным разрадам. Такія лазеры працуюць у бесперапынным рэжыме. Накачка хімічных лазераў адбываецца з дапамогай хімічных рэакцый у іх актыўным асяроддзі. Пры гэтым інверсія насельніцтва ўзнікае альбо непасрэдна ў прадуктах рэакцыі, альбо ў адмыслова ўведзеных прымешках з адпаведнай структурай энергетычных узроўняў. Накачка паўправадніковых лазераў адбываецца пад дзеяннем моцнага прамога току праз p-n пераход, а таксама пучком электронаў. Існуюць і іншыя метады накачкі (газадынамічныя, заснаваныя на рэзкім ахалоджванні папярэдне нагрэтых газаў; фотадысацыяцыя, асобны выпадак хімічнай накачкі і інш.).
275px|thumb|злева|На малюнку: а — трохузроўневая і б — чатырохузроўневая схемы накачкі актыўнага асяроддзя лазера.