Основными свойствами лазерного излучения являются: монохроматичность, пространственная и временная когерентность, направленность, высокая мощность и яркость.

Монохроматичность и поляризация .

Монохроматичность характеризует степень концентрации излучения по спектру. Количественной характеристикой степени монохроматичности является ширина спектральной линии на уровне 0,5 от ее максимума или спектральный диапазон , занимаемый группой линии.

Более объективной характеристикой является относительная ширина спектра
, где,- угловая частота и длина волны, соответствующие максимуму спектра.

Ширина спектральной моды, выделяемой резонатором, определяется его добротностью
. В свою очередь величинаопределяется потерями в резонаторе.

Теоретический предел ширины спектральной линии лазерного излучения определяется двумя факторами: 1) шумами, обусловленными тепловым излучением в резонаторе; 2) шумами, связанными со спонтанным излучением активного вещества. В оптическом диапазоне шумы за счет спонтанного излучения преобладаю над тепловыми шумами. Если учитывать только шумы, вызванные спонтанными переходами, то окажется, что спектральная линия выходного лазерного излучения имеет лоренцову формулу (см. п.1.7) с полушириной
, гдеР – выходная мощность лазерного излучения.

Для лазера с выходной мощностью Р = 1 мВт, излучающего в красной области спектра (λ 0 = 0,63 мкм) и имеющего добротность резонатора 10 8 , получаем
≈ 5∙10 -16 . Так как
, приL =1м допустимое отклонение длины резонатора составляет
= 5∙10 -7 нм. Очевидно, стабилизировать длину резонатора в таких пределах весьма проблематично. В реальных условиях монохроматическое лазерное излучение определяется изменениями длины резонатора, вызванными тепловыми эффектами, вибрациями и т.д.

Рассмотрим вопрос о поляризации лазерного излучения. Свет, у которого существует упорядоченность ориентации векторов напряженностей E и H , называется поляризованным . Лазер, вообще говоря, может генерировать неполяризованный свет, но это вредит стабильной работы лазера. Для обеспечения работы лазера на одной поляризации и получить на выходе плоскополяризованный свет, достаточно внутрь резонатора ввести потери для одной из двух поляризаций. Плоскополяризованным называется свет, у которого направления колебаний векторов E и H в любой точке пространства остаются неизменными во времени . В твердотельных лазерах для этого используется анизотропия оптических свойств активного вещества. Например, излучение рубинового лазера, как правило, поляризовано вследствие его двулучепреломления и несовпадения оптической оси кристалла с осью резонатора.

Когерентность характеризует согласованное протекание во времени и в пространстве двух или нескольких колебательных волновых процессов, появляющееся при их сложении.

В простейшем виде в оптике когерентность связана с постоянством разности фаз двух различных излучений или двух частей одного излучения . Интерференция двух излучений при их сложении может наблюдаться только, если они взаимно когерентны .

Для электромагнитной волны можно определить два независимых понятия - пространство и время когерентности.

Под пространственной когерентностью понимают корреляцию фаз электромагнитных волн, испущенных из двух различных точек источника в одинаковые моменты времени.

Под временной когерентностью понимают корреляцию фаз электромагнитных волн, испущенных из одной и той же точки.

Пространственная и временная когерентность – независимые параметры: один вид когерентности может существовать в отсутствии другого. Пространственная когерентность зависит от поперечной выходной моды лазера. Лазер непрерывного действия, работающий на одной поперечной моде, обладает почти идеальной пространственной когерентностью. Импульсный лазер в многомодовом режиме имеет ограниченную пространственную когерентность.

Временная когерентность непосредственно связана с монохроматичностью. Одночастотные (одномодовые) лазеры непрерывного действия имеют высокую степень временной когерентности.

Степень взаимной когерентности двух излучателей можно экспериментально определить по контрасту интерференционной картины

, (1)

и
- интенсивности в максимуме и минимуме нтерференционных полос.

Измерив интенсивности
и
вблизи выбранных точек экрана, можно определить функцию, характеризующую степень взаимной когерентности первого порядка.

. (2)

Для наблюдения только пространственной когерентности в точках х 1 и х 2
, т.е. производить измерения вблизи точки 0 (см. рис. 2.10). Для наблюдения только временной когерентности отверстиях 1 и х 2 должны быть расположены сколь угодно близко (совпадать), но для двух интерферирующих волн должна быть обеспечена задержка во времени на , например, путем разделения волны от отверстиях 1 на две части с помощью дополнительного полупрозрачного зеркала, как это делается в интерферометре Майкельсона.

Рис. 2.10. Измерение степени когерентности электромагнитной волны с помощью интерферометра Юнга.

Время когерентности равно 1/∆ ω , где ∆ ω – ширина линии в Гц. Время когерентности, помноженное на скорость света, представляет собой длину когерентности. Последняя характеризует глубину резкости в голографии и предельные дистанции, на которых возможны интерферометрические измерения.

Когерентность излучения имеет значение в тех применениях лазера, где происходит расщепление и последующее сложение составляющих лазерного пучка. К этим применениям относятся интерферометрическая лазерная дальнометрия, голография.

Если расположить источники оптического излучения в порядке уменьшения степени когерентности генерации ими излучения, то будем иметь: газовые лазеры – жидкостные - твердотельные лазеры на диэлектриках- полупроводниковые лазеры- газоразрядные лампы – светодиоды - лампы накаливания.

Направленность и яркость.

Направленностью излучения называют локализацию излучения вблизи одного направления, которое является осью распространения излучения. Лазерное излучение по своей природе обладает высокой степенью направленности. Для лазерного излучения коэффициент направленности может достигать 2000. Расходимость лазерного излучения ограничивается явлениями дифракции.

Направленность лазерного излучения характеризуется его расходимостью, которая определяется отношением длины волны генерируемого излучения к линейному размеру резонатора .

Излучение лазеров является когерентным и поэтому фронт волны представляет собой, как правило, почти плоскость или сферу с очень большим радиусом. Таким образом, лазер можно рассматривать как источник почти параллельных лучей с очень малой расходимостью. В принципе эта расходимость определяется дифракцией лучей на выходном отверстии. Угловая расходимость  изл , определяемая дифракцией, оценивается выражением
, гдеd – диаметр отверстия или диаметр пучка в наиболее узкой его части.

Когерентное излучение лазера можно сфокусировать в пятно чрезвычайно малых размеров, где плотность энергии будет очень большой. Теоретическим пределом минимального размера лазерного пучка является длина волны. Для промышленных лазеров размеры сфокусированного светового пятна составляют 0,001-0,01 см. В настоящее время с помощью лазеров достигнуты мощности излучения 10 11 Вт/см 2 (плотность излучения Солнца составляет только 7∙10 3 Вт/см 2).

Высокая направленность лазерного излучения определяет и его высокую яркость. Яркость источника электромагнитной волны есть мощность излучения, испускаемого с единицы поверхности в единичном телесном угле в направлении, перпендикулярном излучательной поверхности.

Кроме энергетической яркости вводится понятие фотометрической яркости. Она служит для оценки эффективности воздействия света на глаз человека. Переход от энергетических величин к фотометрическим осуществляется через коэффициент
, зависящий от длины волны.

Этот коэффициент является световым эквивалентом потока излучения и называется спектральной световой эффективностью монохроматического излучения или видностью. Для нормального дневного зрения максимум функции видности приходится на длину волны = 555 нм (зеркальный свет). При=380 и 780 нм видность уменьшается почти до нуля.

Лазеры

Урок объяснения нового материала, 2 ч. 11-й класс

Материал рассчитан на два урока, домашнее занятие и 3-й урок, на котором заслушивают подготовленные сообщения о применении лазеров. Структура и содержание урока должны служить не только расширению кругозора на основе полученных знаний по квантовой оптике, но и развивать умение думать, сопоставлять, обобщать, анализировать.

Ход урока

I. Название темы сегодняшнего урока записано по-английски. А что это означает по-русски? (Ответ. Лазер – английская аббревиатура названия.) Подберите к слову «лазерный» подходящие существительные. (Ответ. Шоу, оружие, принтер, указка, диск...) Ответы показывают, что вы знакомы с применением удивительного изобретения ХХ в. – лазера. Подтверждением его важности является присуждение в 1964 г. Нобелевской премии Н.Г.Басову, А.М.Прохорову и Ч.Таунсу «за фундаментальные работы в области квантовой электроники, приведшие к созданию генераторов и усилителей на основе принципа мазера – лазера».

Перед вами лабораторный лазер и лазерные указки. Интересно, что же особенного в этих источниках света, как они устроены, ведь столь высокая оценка изобретения лазера, наверное, заслуженная?

II. В основе квантового усиления электромагнитных волн (ЭМВ) лежат два процесса: возбуждение индуцированного излучения и накапливание возбуждения.

Излучение вообще связано с переходом атомов (молекул) из возбуждённого состояния с энергией E m в стабильное состояние с более низкой энергией E n . Частота излучения при этом . В обычных источниках света число переходов E m E n равно числу переходов E n E m , излучение происходит в широком диапазоне частот, фазы волн, излучаемых отдельными атомами, произвольны. Такое излучение называется самопроизвольным , или спонтанным .

Если же искусственно создать перенаселённость верхних энергетических уровней E m , то, по догадке В.А.Фабриканта, внешнее излучение частотой mn , проходящее через такую активную среду, может быть усилено за счёт «спровоцированных» им переходов в среде E m E n . Такое вынужденное , или индуцированное , излучение отличается от спонтанного: направление распространения, поляризация, частота и фаза волн, излучаемых отдельными атомами, полностью тождественны внешней волне.

Создать стабильную перенаселённость уровней в двухуровневой системе долго не удавалось, т.к. переходы на нижний уровень происходили слишком быстро, через 10 –8 с. Более стабильной оказалась трёхуровневая система, когда электроны переходили сначала с верхнего уровня на средний (подуровень), причём этот переход не сопровождался излучением, задерживались на нём до 10 –3 с, а потом уже с излучением «сваливались» на нижний уровень. В рубиновых лазерах подуровень создаётся за счёт введения примесей хрома в кристалл оксида алюминия (рубина). Бывают и четырёхуровневые системы.

Уровень m _____________
________________Подуровень

Уровень n _____________

В квантовых генераторах между зеркалами, образующими так называемый резонатор Фабри–Перо , помещают активную среду. Проходя несколько раз от одного зеркала до другого, волна усиливается и частично выходит через полупрозрачное зеркало наружу. Как вы думаете, длина резонатора – путь между зеркалами – может быть любой? Оказывается, нет, должно выполняться условие резонанса: на длине резонатора должно укладываться целое число длин волн распространяющейся в резонаторе волны: 2L = n , где L – расстояние между зеркалами, – длина волны, n – целое число.

Это условие является важнейшим для генерации волны, оно и обеспечивает монохроматичность излучения. В лазере (квантовом генераторе) не могут возникать волны произвольной частоты. Генерируются волны лишь с дискретным набором частот:

Лазер, по существу, представляет собой автоколебательную систему, в которой возуждаются незатухающие колебания на одной из собственных частот резонатора.

III. Проверим, как вы поняли рассказанное, какие мысли, вопросы возникли у вас.

– Почему лазеры называют квантовыми источниками , ведь и в обычных источниках излучение возникает тоже вследствие переходов электронов с верхних энергетических уровней на нижние? (Ответ . Лазер – искусственный источник излучения, основными свойствами которого, отличающими его от естественных источников, являются монохроматичность и когерентность излучения.)

– Какие характеристики первичной волны, падающей на активную среду, изменяются в лазере? (Ответ . Интенсивность.)

– Назовите процесс, обратный процессу индуцированного излучения. (Ответ . Процесс возбуждения, которому соответствуют переходы электронов с нижних уровней энергии на верхние.)

– Назовите элементы лазера как автоколебательной системы. (Ответ . Резонаторы, активная среда.)

– Что в конструкции лазера определяет монохроматичность излучаемой волны? (Ответ . Расстояние между зеркалами.)

– В чём физика индуцированного излучения? (Ответ . Явление резонанса.)

IV. По полученной литературе за 3 минуты подготовьте сообщения в группах о работе рубинового, полупроводникового, газового, химического лазеров. При изложении придерживайтесь плана: способ получения трёхуровневых систем, способ возбуждения, особенности устройства и область применения. На листе ватмана начертите упрощённую схему.

V. Вы заслушали сообщения. Проверьте степень усвоения, ответив на вопросы:

– Что общего в работе разных типов лазеров? (Ответ . Разные виды энергии переходят в энергию оптического излучения.)

– Назовите режимы работы лазера. Чем обусловлен режим работы? (Ответ . Импульсный, непрерывный; обусловлен способом возбуждения и видом активной среды.)

– Назовите диапазоны волн, излучаемых квантовыми генераторами. Чем они обусловлены? (Ответ . Радиодиапазон – мазеры; рентгеновский, оптический, в том числе инфракрасный, – лазеры.)

– Есть ли предел усиления излучения? (Ответ . Да. Иначе сама система себя разрушит. Но использование многоканальных установок значительно расширяет этот предел.)

VI. На листе появляется запись: «Не смотри в лазер оставшимся глазом».

Смотреть прямо в лазер, даже слабомощный, не стоит – интенсивность света на сетчатке может оказаться в 10 4 раз выше, чем максимальная интенсивность солнечного луча. Если луч случайно «мазнул» по глазам, сфокусированным на каком-то другом предмете, то можно ослепнуть лишь на время, без необратимых повреждений глаза. Но искать границу между этими крайностями не стоит!

VII. Экспериментальное исследование особенностей излучения лазеров

1. Монохроматичность – электромагнитное излучение имеет одну, определённую и строго постоянную, частоту. Это обусловлено тем, что усиливаются только волны, удовлетворяющие условию резонанса. Однако соотношение неопределённостей E t h приводит к тому, что энергия возбуждённого состояния на уровне m может иметь значения между E m – E и E m + E , поэтому и частоты, излучаемые лазером, будут отличаться на , причём .

где d = 1 мм – расстояние между штрихами, +3 и –3 – углы, под которыми наблюдаются максимумы +3-го и –3-го порядков, L = 1 м. Сделав преобразования, находим:

где h +3 и h –3 – высоты расположения соответствующих максимумов. Измерив h –3 = 10 см и h +3 = 14 см и подставив все числовые значения, получаем: = 730 нм. – Ред .]

Школьники готовятся к измерению длины волны лазерного излучения с помощью штангенциркуля

Для проверки проведём измерения со стандартной дифракционной решёткой с N = 600 штр./мм. Направив луч на неё перпендикулярно, получим:

Cогласно измерениям, L = 1 м, k = ±1, h +1 = 43,5 см = 0,435 м, h –1 = 45 см = 0,45 м. Тогда:

Измерение длины волны лазерного излучения с помощью обычной дифракционной решётки

2. Когерентность – согласованность во времени и пространстве нескольких колебательных или волновых процессов, что позволяет получить при их сложении чёткую интерференционную картину.

Времення когерентность отвечает за формирование интерференционной картины при делении луча на два. Чем шире спектр излучения, тем оно менее когерентно: Таким образом, монохроматичность связана с когерентностью.

Если направить луч лазера на экран или чёрную копировальную бумагу, то мы увидим, что он представляет собой не ровное пятно, как луч электрического фонаря, а узор из отдельных как бы пляшущих зёрен. Эта структура так и называется – зернистой , или гранулированной , или спеклом . Она создаётся параллельным пучком пространственно когерентного света, который диффузно рассеивается на тонкой структуре листа бумаги и объясняется интерференцией света, рассеиваемого отдельными шероховатостями, размеры которых сравнимы с длиной волны света. Пространственная когерентность означает, что фазы световых волн, излучаемых любой частью лазера, совпадают, что и обеспечивает устойчивость интерференционной картины.

Чёткость интерференционной картины определяется размерами области пространственной когерентности. В этом можно убедиться опытным путём, наблюдая интерференцию лучей, прошедших через два маленьких отверстия, как в опыте Юнга. Для этого мы наложили друг на друга две иголки с маленькими ушками и получили при освещении лазерной указкой чёткую интерференционную картину, что является доказательством пространственной когерентности лазерного луча.

3. Малая расходимость пучка. Благодаря слабой расходимости лазерный пучок виден, как точка на препятствии, даже удалённом на большое расстояние. Убедимся в этом на опыте. Лазерный луч, отразившись в зеркале, попадал на экран.

При L = 10 м (длина кабинета) и диаметре луча ( = 740 нм) при выходе из указки D = 3 мм диаметр луча при падении на зеркало составил D 1 = 6 мм и при падении на экран D 2 = 8 мм. Получилась расходимость луча примерно 2 мм на расстоянии 10 м.

Действительно, теоретически угол расходимости a определяется только диаметром пучка D и длиной волны :

На длине 10 м размер пучка должен увеличиться до 10 м 0,25 10 –3 = 2,5 10 –3 м = 2,5 мм. Луч карманного фонарика расходится значительно больше.

4. Мощность излучения. Лазеры являются самым мощным источником излучения: их мощность достигает 10 14 Вт/см 2 , в то время как мощность излучения Солнца 7 10 3 Вт/см 2 . Спектральная мощность излучения (приходящаяся на узкий интервал длин волн = 10 –6 см) составляет 0,2 Вт/см 2 у Солнца и у лазерной указки.

Измерим на нашей установке мощность излучения лазерной указки и сравним её с мощностью излучения электрической лампы.

Ток, потребляемый лампой, составляет 0,15 А при напряжении 3,6 В. Мощность лампы P 1 = 0,15 А 3,6 В = 0,54 Вт. Фототок, полученный при облучении фотоэлемента этой лампой, расположенной на расстоянии L = 10 см, составил 25 мкА.

Мощность светового потока лампы с учётом светоотдачи лампы (5%) и диаметра фотоэлемента (3 см) составляет всего:

Фототок от лазерной указки, расположенной на таком же расстоянии L = 10 см, составил 300 мкА.

Если светоотдача лазерной указки равна 0,6, то отношение фототоков:

следовательно, мощность излучения лазерной указки

VIII. Сегодня на уроке вы узнали (говорят ученики ): чем и почему лазерное излучение отличается от излучения других источников; как образуется это излучение. Осталось разобраться, как эти свойства используются в технических устройствах: медиатехнике, медицинских аппаратах, голографических средствах записи и воспроизведения изображений, оружии, термоядерных реакторах. Каждая группа дома готовит один вопрос и решает задачу.

1. Прохождение монохроматического света через прозрачную среду.

2. Создание инверсной населенности. Способы накачки.

3. Принцип действия лазера. Типы лазеров.

4. Особенности лазерного излучения.

5. Характеристики лазерного излучения, применяемого в медицине.

6. Изменения свойств ткани и ее температуры под действием непрерывного мощного лазерного излучения.

7. Использование лазерного излучения в медицине.

8. Основные понятия и формулы.

9. Задачи.

Мы знаем, что свет испускается отдельными порциями - фотонами, каждый из которых возникает в результате излучательного перехода атома, молекулы или иона. Естественный свет - это совокупность огромного числа таких фотонов, различающихся по частоте и фазе, испущенных в случайные моменты времени в случайных направлениях. Получение мощных пучков монохроматического света с помощью естественных источников - задача практически неразрешимая. В то же время потребность в таких пучках ощущалась как физиками, так и специалистами многих прикладных наук. Создание лазера позволило решить эту задачу.

Лазер - устройство, генерирующее когерентные электромагнитные волны за счет вынужденного излучения микрочастиц среды, в которой создана высокая степень возбуждения одного из энергетических уровней.

Лазер (LASER Light Amplification by Stimulated of Emission Radiation) - усиление света с помощью вынужденного излучения.

Интенсивность лазерного излучения (ЛИ) во много раз превосходит интенсивность естественных источников света, а расходимость лазерного луча менее одной угловой минуты (10 -4 рад).

31.1. Прохождение монохроматического света через прозрачную среду

В лекции 27 мы выяснили, что прохождение света через вещество сопровождается как фотонным возбуждением его частиц, так и актами вынужденного излучения. Рассмотрим динамику этих процессов. Пусть в среде распространяется монохроматический свет, частота которого (ν) соответствует переходу частиц этой среды с основного уровня (E 1) на возбужденный (Е 2):

Фотоны, попадающие в частицы, находящиеся в основном состоянии, будут поглощаться, а сами частицы будут переходить в возбужденное состояние Е 2 (см. рис. 27.4). Фотоны, которые попадают в возбужденные частицы, инициируют вынужденное излучение (см. рис. 27.5). При этом происходит удвоение фотонов.

В состоянии теплового равновесия соотношение между числом возбужденных (N 2) и невозбужденных (N 1) частиц подчиняется распределению Больцмана:

где k - постоянная Больцмана, T - абсолютная температура.

При этом N 1 >N 2 и поглощение доминирует над удвоением. Следовательно, интенсивность выходящего света I будет меньше интенсивности падающего света I 0 (рис. 31.1).

Рис. 31.1. Ослабление света, проходящего через среду, в которой степень возбуждения менее 50 % (N 1 > N 2)

По мере поглощения света степень возбуждения будет расти. Когда она достигнет 50 % (N 1 = N 2), между поглощением и удвоением установится равновесие, так как вероятности попадания фотонов в возбужденную и невозбужденную частицы станут одинаковыми. Если освещение среды прекратится, то через некоторое время среда вернется в начальное состояние, соответствующее распределению Больцмана (N 1 > N 2). Сделаем предварительный вывод:

При освещении среды монохроматическим светом (31.1) невозможно добиться такого состояния среды, при котором степень возбуждения превышает 50 %. И все-таки давайте рассмотрим вопрос о прохождении света через среду, в которой каким-то способом достигнуто состояние N 2 > N 1 . Такое состояние называется состоянием с инверсной населенностью (от лат. inversio - переворачивание).

Инверсная населенность - такое состояние среды, при котором число частиц на одном из верхних уровней больше, чем на нижнем.

В среде с инверсной населенностью вероятность попадания фотона в возбужденную частицу больше, чем в невозбужденную. Поэтому процесс удвоения доминирует над процессом поглощения и имеет место усиление света (рис. 31.2).

По мере прохождения света через среду с инверсной населенностью степень возбуждения будет снижаться. Когда она достигнет 50%

Рис. 31.2. Усиление света, проходящего через среду с инверсной населенностью (N 2 > N 1)

(N 1 = N 2), между поглощением и удвоением установится равновесие и эффект усиления света исчезнет. Если освещение среды прекратится, то через некоторое время среда вернется в состояние, соответствующее распределению Больцмана (N 1 > N 2).

Если вся эта энергия выделится в излучательных переходах, то мы получим световой импульс огромной мощности. Правда, он еще не будет обладать требуемой когерентностью и направленностью, но будет в высокой степени монохроматичен (hv = E 2 - E 1). Это еще не лазер, но уже нечто близкое.

31.2. Создание инверсной населенности. Способы накачки

Так можно ли добиться инверсной населенности? Оказывается, можно, если использовать три энергетических уровня со следующей конфигурацией (рис. 31.3).

Пусть среда освещается мощной вспышкой света. Часть спектра излучения будет поглощена в переходе с основного уровня Е 1 на широкий уровень Е 3 . Напомним, что широким является энергетический уровень с малым временем релаксации. Поэтому большинство частиц, попавших на уровень возбуждения Е 3 , безызлучательно переходит на узкий метастабильный уровень Е 2 , где происходит их накопление. Вследствие узости этого уровня лишь малая доля фотонов вспышки

Рис. 31.3. Создание инверсной населенности на метастабильном уровне

способна вызвать вынужденный переход Е 2 → Е 1 . Этим и обеспечиваются условия для создания инверсной населенности.

Процесс создания инверсной населенности называется накачкой. В современных лазерах применяются различные виды накачки.

Оптическая накачка прозрачных активных сред использует импульсы света от внешнего источника.

Электроразрядная накачка газовых активных сред использует электрический разряд.

Инжекционная накачка полупроводниковых активных сред использует электрический ток.

Химическая накачка активной среды из смеси газов использует энергию химической реакции между компонентами смеси.

31.3. Принцип действия лазера. Типы лазеров

Функциональная схема лазера показана на рис. 31.4. Рабочее тело (активная среда) представляет собой длинный узкий цилиндр, торцы которого закрыты двумя зеркалами. Одно из зеркал (1) полупрозрачно. Такая система называется оптическим резонатором.

Система накачки переводит частицы с основного уровня Е 1 на поглощательный уровень Е 3 , откуда они безызлучательно переходят на метастабильный уровень Е 2 , создавая его инверсную населенность. После этого начинаются спонтанные излучательные переходы Е 2 → Е 1 с испусканием монохроматических фотонов:

Рис. 31.4. Схематическое устройство лазера

Фотоны спонтанного излучения, испущенные под углом к оси резонатора, выходят через боковую поверхность и в процессе генерации не участвуют. Их поток быстро иссякает.

Фотоны, которые после спонтанного излучения движутся вдоль оси резонатора, многократно проходят через рабочее тело, отражаясь от зеркал. При этом они взаимодействуют с возбужденными частицами, инициируя вынужденное излучение. За счет этого происходит «лавинообразное» нарастание индуцированных фотонов, движущихся в том же направлении. Многократно усиленный поток фотонов выходит через полупрозрачное зеркало, создавая мощный пучок почти параллельных когерентных лучей. Фактически лазерное излучение порождается первым спонтанным фотоном, который движется вдоль оси резонатора. Это и обеспечивает когерентность излучения.

Таким образом, лазер преобразует энергию источника накачки в энергию монохроматического когерентного света. Эффективность такого преобразования, т.е. КПД, зависит от типа лазера и лежит в диапазоне от долей процента до нескольких десятков процентов. У большинства лазеров КПД составляет 0,1-1 %.

Типы лазеров

Первый созданный лазер (1960 г.) использовал в качестве рабочего тела рубин и оптическую систему накачки. Рубин - это кристаллическая окись алюминия А1 2 О 3 , содержащая около 0,05 % атомов хрома (именно хром придает рубину розовый цвет). Атомы хрома, внедренные в кристаллическую решетку, являются активной средой

с конфигурацией энергетических уровней, изображенной на рис. 31.3. Длина волны излучения рубинового лазера равна λ = 694,3 нм. Затем появились лазеры, использующие другие активные среды.

В зависимости от типа рабочего тела лазеры делятся на газовые, твердотельные, жидкостные, полупроводниковые. В твердотельных лазерах активный элемент обычно изготавливается в виде цилиндра, длина которого много больше его диаметра. Газовые и жидкие активные среды помещают в цилиндрическую кювету.

В зависимости от способа накачки можно получить непрерывную и импульсную генерацию лазерного излучения. При непрерывной системе накачки инверсия населенности поддерживается длительное время за счет внешнего источника энергии. Например, непрерывное возбуждение электрическим разрядом в газовой среде. При импульсной системе накачки инверсия населенности создается в импульсном режиме. Частота следования импульсов от 10 -3

Гц до 10 3 Гц.

31.4. Особенности лазерного излучения

Лазерное излучение по своим свойствам значительно отличается от излучения обычных источников света. Отметим его характерные особенности.

1. Когерентность. Излучение является высококогерентным, что обусловлено свойствами вынужденного излучения. При этом имеет место не только временная, но и пространственная когерентность: разность фаз в двух точках плоскости, перпендикулярной направлению распространения, сохраняется постоянной (рис. 31.5, а).

2. Коллимированность. Лазерное излучение является коллимированным, т.е. все лучи в пучке почти параллельны друг другу (рис. 31.5, б). На большом расстоянии лазерный пучок лишь незначительно увеличивается в диаметре. Так как угол расходимости φ мал, то интенсивность лазерного пучка слабо убывает с расстоянием. Это позволяет передавать сигналы на огромные расстояния при малом ослаблении их интенсивности.

3. Монохроматичность. Лазерное излучение является в высокой степени монохроматическим, т.е. содержит волны практически одинаковой частоты (ширина спектральной линии составляет Δλ ≈0,01 нм). На

рисунке 31.5, в приведено схематическое сравнение ширины линии лазерного луча и луча обычного света.

Рис. 31.5. Когерентность (а), коллимированность (б), монохроматичность (в) лазерного излучения

До появления лазеров излучение с некоторой степенью монохроматичности удавалось получить с помощью приборов - монохроматоров, выделяющих из сплошного спектра узкие спектральные интервалы (узкие полосы длин волн), однако мощность света в таких полосах мала.

4. Высокая мощность. С помощью лазера можно обеспечить очень высокую мощность монохроматического излучения - до 10 5 Вт в непрерывном режиме. Мощность импульсных лазеров на несколько порядков выше. Так, неодимовый лазер генерирует импульс с энергией Е = 75 Дж, длительность которого t = 3х10 -12 с. Мощность в импульсе равна Р = Е/t = 2,5х10 13 Вт (для сравнения: мощность ГЭС составляет Р ~10 9 Вт).

5. Высокая интенсивность. В импульсных лазерах интенсивность лазерного излучения очень высока и может достигать I = 10 14 -10 16 Вт/см 2 (ср. интенсивность солнечного света вблизи земной поверхности I = 0,1 Вт/см 2).

6. Высокая яркость. У лазеров, работающих в видимом диапазоне, яркость лазерного излучения (сила света с единицы поверхности) очень велика. Даже самые слабые лазеры имеют яркость 10 15 кд/м 2 (для сравнения: яркость Солнца L ~ 10 9 кд/м 2).

7. Давление. При падении лазерного луча на поверхность тела создается давление (Д). При полном поглощении лазерного излучения, падающего перпендикулярно поверхности, создается давление Д = I/c, где I -интенсивность излучения, с - скорость света в вакууме. При полном отражении величина давления в два раза больше. Для интенсивности I = 10 14 Вт/см 2 = 10 18 Вт/м 2 ; Д = 3,3х10 9 Па = 33 000 атм.

8. Поляризованность. Лазерное излучение полностью поляризовано.

31.5. Характеристики лазерного излучения, применяемого в медицине

Длина волны излучения

Длины волн излучения (λ) медицинских лазеров лежат в диапазоне 0,2 -10 мкм, т.е. от ультрафиолетовой до дальней инфракрасной области.

Мощность излучения

Мощность излучения (P) медицинских лазеров варьируется в широких пределах, определяемых целями применения. У лазеров с непрерывной накачкой Р = 0,01-100 Вт. Импульсные лазеры характеризуются мощностью в импульсе Р и и длительностью импульса τ и

Для хирургических лазеров Р и = 10 3 -10 8 Вт, а длительность импульса т и = 10 -9 -10 -3 с.

Энергия в импульсе излучения

Энергия одного импульса лазерного излучения (Е и) определяется соотношением Е и = Р и -т и, где т и - длительность импульса излучения (обычно т и = 10 -9 -10 -3 с). Для хирургических лазеров Е и = 0,1-10 Дж.

Частота следования импульсов

Эта характеристика (f) импульсных лазеров показывает количество импульсов излучения, генерируемых лазером за 1 с. Для терапевтических лазеров f = 10-3 000 Гц, для хирургических f = 1-100 Гц.

Средняя мощность излучения

Эта характеристика (Р ср) импульсно-периодических лазеров показывает, какую энергию лазер излучает за 1 с, и определяется следующим соотношением:

Интенсивность (плотность мощности)

Эта характеристика (I) определяется как отношение мощности лазерного излучения к площади поперечного сечения пучка. Для непрерывных лазеров I = P/S. В случае импульсных лазеров различают интенсивность в импульсе I и = P и /S и среднюю интенсивность I ср = Р ср /S.

Интенсивность хирургических лазеров и давление, создаваемое их излучением, имеют следующие значения:

для непрерывных лазеров I ~ 10 3 Вт/см 2 , Д = 0,033 Па;

для импульсных лазеров I и ~ 10 5 -10 11 Вт/см 2 , Д = 3,3 - 3,3х10 6 Па.

Плотность энергии в импульсе

Эта величина (W) характеризует энергию, которая приходится на единицу площади облучаемой поверхности за один импульс и определяется соотношением W = E и /S, где S (см 2) - площадь светового пятна (т.е. поперечного сечения лазерного луча) на поверхности биоткани. У лазеров, используемых в хирургии, W ≈ 100 Дж/см 2 .

Параметр W можно рассматривать как дозу облучения D за 1 импульс.

31.6. Изменения свойств ткани и ее температуры под действием непрерывного мощного лазерного излучения

Изменение температуры и свойств ткани

под действием непрерывного лазерного излучения

Поглощение мощного лазерного излучения биологической тканью сопровождается выделением теплоты. Для расчета выделяющейся теплоты используют специальную величину - объемную плотность теплоты (q).

Выделение теплоты сопровождается повышением температуры и в тканях протекают следующие процессы:

при 40-60°С имеют место активация ферментов, образование отеков, изменение и в зависимости от времени действия гибель клеток денатурация протеина, начало коагуляции и некрозы;

при 60-80°С - денатурация коллагена, дефекты мембран; при 100°С - обезвоживание, выпаривание тканевой воды; свыше 150°С - обугливание;

свыше 300°С - выпаривание ткани, газообразование. Динамика протекания этих процессов изображена на рис. 31.6.

Рис. 31.6. Динамика изменения температуры ткани под воздействием непрерывного лазерного излучения

1 фаза. Сначала температура ткани повышается от 37 до 100 °С. В этом диапазоне температур термодинамические свойства ткани остаются практически неизменными, и происходит линейный рост температуры со временем (α = const и I = const).

2 фаза. При температуре 100 °С начинается выпаривание тканевой воды, и до окончания этого процесса температура остается постоянной.

3 фаза. После выпаривания воды температура вновь начинает расти, но медленнее, чем на участке 1, так как обезвоженная ткань поглощает энергию слабее нормальной.

4 фаза. По достижении температуры Т ≈ 150 °С начинается процесс обугливания и, следовательно, «почернения» биоткани. При этом коэффициент поглощения α возрастает. Поэтому наблюдается нелинейный, ускоряющийся со временем рост температуры.

5 фаза. По достижении температуры Т ≈ 300 °С начинается процесс испарения обезвоженной обугленной биоткани и рост температуры вновь прекращается. Именно в этот момент лазерный луч рассекает (удаляет) ткань, т.е. становится скальпелем.

Степень повышения температуры зависит от глубины залегания ткани (рис. 31.7).

Рис. 31.7. Процессы, протекающие в облучаемых тканях на различной глубине: а - в поверхностном слое ткань нагревается до нескольких сотен градусов и испаряется; б - мощность излучения, ослабленного верхним слоем, недостаточна для испарения ткани. Происходит коагуляция ткани (иногда совместно с обугливанием - черная жирная линия); в - происходит нагревание ткани вследствие передачи теплоты из зоны (б)

Протяженности отдельных зон определяются как характеристиками лазерного излучения, так и свойствами самой ткани (в первую очередь коэффициентами поглощения и теплопроводности).

Воздействие мощного сфокусированного пучка лазерного излучения сопровождается и возникновением ударных волн, которые могут стать причиной механического повреждения прилегающих тканей.

Абляция ткани под воздействием мощного импульсного лазерного излучения

При воздействии на ткань коротких импульсов лазерного излучения с высокой плотностью энергии реализуется другой механизм рассечения и удаления биоткани. В этом случае происходит очень быстрый нагрев тканевой жидкости до температуры Т > Т кип. При этом тканевая жидкость оказывается в метастабильном перегретом состоянии. Затем происходит «взрывное» вскипание тканевой жидкости, которое сопровождается удалением ткани без обугливания. Это явление называется абляцией. Абляция сопровождается генерацией механических ударных волн, способных вызвать механическое повреждение тканей в окрестностях зоны лазерного воздействия. Этот факт необходимо учитывать при выборе параметров импульсного лазерного излучения, например при шлифовке кожи, сверлении зубов или при лазерной коррекции остроты зрения.

31.7. Использование лазерного излучения в медицине

Процессы, характеризующие взаимодействие лазерного излучения (ЛИ) с биообъектами, можно разделить на 3 группы:

невозмущающее воздействие (не оказывающее заметного действия на биообъект);

фотохимическое действие (возбужденная лазером частица либо сама принимает участие в соответствующих химических реакциях, либо передает свое возбуждение другой частице, участвующей в химической реакции);

фоторазрушение (за счет выделения тепла или ударных волн).

Лазерная диагностика

Лазерная диагностика представляет собой невозмущающее воздействие на биообъект, использующее когерентность лазерного излучения. Перечислим основные методы диагностики.

Интерферометрия. При отражении лазерного излучения от шероховатой поверхности возникают вторичные волны, которые интерферируют между собой. В результате образуется картина темных и светлых пятен (спеклов), расположение которых дает информацию о поверхности биообъекта (метод спеклоинтерферометрии).

Голография. С помощью лазерного излучения получают 3-мерное изображение объекта. В медицине этот метод позволяет получать объемные изображения внутренних полостей желудка, глаза и т.д.

Рассеяние света. При прохождении остронаправленного лазерного пучка через прозрачный объект происходит рассеяние света. Регистрация угловой зависимости интенсивности рассеянного света (метод нефелометрии) позволяет определять размеры частиц среды (от 0,02 до 300 мкм) и степень их деформации.

При рассеянии может изменяться поляризация света, что также используется в диагностике (метод поляризационной нефелометрии).

Эффект Доплера. Этот метод основан на измерении доплеровского сдвига частоты ЛИ, который возникает при отражении света даже от медленно движущихся частиц (метод аненометрии). Таким способом измеряется скорость кровотока в сосудах, подвижность бактерий и т.д.

Квазиупругое рассеяние. При таком рассеянии происходит незначительное изменение длины волны зондирующего ЛИ. Причина этого - изменение в процессе измерения рассеивающих свойств (конфигурации, конформации частиц). Временные изменения параметров рассеивающей поверхности проявляются в изменении спектра рассеяния по сравнению со спектром подающего излучения (спектр рассеяния либо уширяется, либо в нем появляются дополнительные максимумы). Данный метод позволяет получать информацию о меняющихся характеристиках рассеивателей: коэффициенте диффузии, скорости направленного транспорта, размерах. Так осуществляется диагностика макромолекул белков.

Лазерная масс-спектроскопия. Этот метод используют для исследования химического состава объекта. Мощные пучки лазерного излучения испаряют вещество с поверхности биообъекта. Пары подвергают масс-спектральному анализу, по результатам которого судят о составе вещества.

Лазерный анализ крови. Лазерный луч, пропускаемый через узкий кварцевый капилляр, по которому прокачивается специально обработанная кровь, вызывает флуоресценцию ее клеток. Флуоресцентное свечение затем улавливается чувствительным датчиком. Это свечение специфично для каждого типа клеток, проходящих поодиночке через сечение лазерного луча. Подсчитывается общее число клеток в заданном объеме крови. Определяются точные количественные показатели по каждому типу клеток.

Метод фоторазрушения. Его используют для исследования поверхностного состава объекта. Мощные пучки ЛИ позволяют брать микропробы с поверхности биообъектов путем испарения вещества и последующего масс-спектрального анализа этого пара.

Использование лазерного излучения в терапии

В терапии используются низкоинтенсивные лазеры (интенсивность 0,1-10 Вт/см 2). Низкоинтенсивное излучение не вызывает заметного деструктивного действия на ткани непосредственно во время облучения. В видимой и ультрафиолетовой областях спектра эффекты облучения обусловлены фотохимическими реакциями и не отличаются от эффектов, вызываемых монохроматическим светом, полученным от обычных некогерентных источников. В этих случаях лазеры являются просто удобными монохроматическими источниками света, обеспечи-

Рис. 31.8. Схема применения лазерного источника для внутрисосудистого облучения крови

вающими точную локализацию и дозировку воздействия. В качестве примера на рис. 31.8 приведена схема использования источника лазерного излучения для внутрисосудистого облучения крови у больных с сердечной недостаточностью.

Ниже указаны наиболее распространенные методы лазеротерапии.

Терапия с помощью красного света. Излучение Не-Ne лазера с длиной волны 632,8 нм используется с противовоспалительной целью для лечения ран, язв, ишемической болезни сердца. Лечебный эффект связан с влиянием света этой длины волны на пролиферативную активность клетки. Свет выступает в роли регулятора клеточного метаболизма.

Терапия с помощью синего света. Лазерное излучение с длиной волны в синей области видимого света используется, например, для лечения желтухи новорожденных. Это заболевание - следствие резкого возрастания в организме концентрации билирубина, который имеет максимум поглощения в синей области. Если облучать детей лазерным излучением такого диапазона, то билирубин распадается, образуя водорастворимые продукты.

Лазерофизиотерапия - использование лазерного излучения при сочетании с различными методами электрофизиотерапии. Некоторые лазеры имеют магнитные насадки для сочетанного действия лазерного излучения и магнитного поля - магнитолазеротерапии. К ним относится магнито-инфракрасный лазерный терапевтический аппарат «Мильта».

Эффективность лазеротерапии увеличивается при сочетанном воздействии с лекарственными веществами, предварительно нанесенными на облучаемую зону (лазерофорез).

Фотодинамическая терапия опухолей. Фотодинамическая терапия (ФДТ) используется для удаления опухолей, доступных для облучения светом. ФДТ основана на применении локализующихся в опухолях фотосенсибилизаторов, повышающих чувствительность тканей при их

последующем облучении видимым светом. Разрушение опухолей при ФДТ основано на трех эффектах: 1) прямое фотохимическое уничтожение клеток опухоли; 2) повреждение кровеносных сосудов опухоли, приводящее к ишемии и гибели опухоли; 3) возникновение воспалительной реакции, мобилизирующей противоопухолевую иммунную защиту тканей организма.

Для облучения опухолей, содержащих фотосенсибилизаторы, используется лазерное излучение с длиной волны 600-850 нм. В этой области спектра глубина проникновения света в биологические ткани максимальна.

Фотодинамическая терапия применяется при лечении опухолей кожи, внутренних органов: легких, пищевода (при этом к внутренним органам лазерное излучение доставляется с помощью световодов).

Использование лазерного излучения в хирургии

В хирургии высокоинтенсивные лазеры используются для рассечения тканей, удаления патологических участков, остановки кровотечения, сваривания биотканей. Выбирая должным образом длину волны излучения, его интенсивность и длительность воздействия, можно получать различные хирургические эффекты. Так, для разрезания биологических тканей используется сфокусированный луч непрерывного СО 2 -лазера, имеющего длину волны λ = 10,6 мкм, мощность 2х10 3 Вт/см 2 .

Применение лазерного луча в хирургии обеспечивает избирательное и контролируемое воздействие. Лазерная хирургия имеет ряд преимуществ:

Бесконтактность, дающую абсолютную стерильность;

Селективность, позволяющую выбором длины волны излучения дозированно разрушать патологические ткани, не затрагивая окружающие здоровые ткани;

Бескровность (за счет коагуляции белков);

Возможность микрохирургических воздействий, благодаря высокой степени фокусировки луча.

Укажем некоторые области хирургического применения лазеров.

Лазерная сварка тканей. Соединение рассеченных тканей представляет собой необходимый этап многих операций. На рисунке 31.9 показано, как сваривание одного из стволов крупного нерва осуществляется в контактном режиме с использованием припоя, который

Рис. 31.9. Сваривание нерва при помощи лазерного луча

каплями из пипетки подается по месту лазирования.

Разрушение пигментированных участков. Лазеры, работающие в импульсном режиме, используются для разрушения пигментированных участков. Данный метод (фототермолиз) используется для лечения ангиом, татуировок, склеротических бляшек в кровеносных сосудах и т.п.

Лазерная эндоскопия. Внедрение эндоскопии произвело коренной переворот в оперативной медицине. Чтобы избежать больших открытых операций, лазерное излучение доставляется к месту воздействия с помощью волоконно-оптических световодов, которые позволяют подводить лазерное излучение к биотканям внутренних полых органов. При этом значительно снижается риск инфицирования и возникновения послеоперационных осложнений.

Лазерный пробой. Короткоимпульсные лазеры в сочетании со световодами применяют для удаления бляшек в сосудах, камней в желчном пузыре и почках.

Лазеры в офтальмологии. Использование лазеров в офтальмологии позволяет выполнять бескровные оперативные вмешательства без нарушения целостности глазного яблока. Это операции на стекловидном теле; приваривание отслоившейся сетчатки; лечение глаукомы путем «прокалывания» лазерным лучом отверстий (диаметром 50÷100 мкм) для оттока внутриглазной жидкости. Послойная абляция тканей роговицы применяется при коррекции зрения.

31.8. Основные понятия и формулы

Окончание таблицы

31.9. Задачи

1. В молекуле фенилаланина разница энергий в основном и возбужденном состояниях составляет ΔЕ = 0,1 эВ. Найти соотношение между заселенностями этих уровней при Т = 300 К.

Ответ: n = 3,5*10 18 .

Длительность действия лазерного излучения

Длительность определяется конструкцией лазера. Можно выделить следующие типичные режимы распределения излучения во времени:

Непрерывный режим;

Импульсный режим, длительность импульса определяется при этом длительностью вспышки лампы накачки, типичная длительность Дфл~10-3с;

Режим модуляции добротности резонатора (длительность импульса излучения определяется превышением накачки над порогом генерации и скоростью и скоростью включения добротности, типичная длительность лежит в интервале 10-9 - 10-8 с, это так называемый наносекундный диапазон длительностей излучения);

Режим синхронизации и продольных мод в резонаторе (длительность импульса излучения Дфл~10-11с - пикосекундный диапазон длительностей излучения);

Различные режимы принудительного укорочения импульсов излучения (Дфл ~10-12с).

Плотность мощности излучения

Лазерное излучение может быть сконцентрировано в узконаправленном луче с большой плотностью мощности.

Плотность Ps мощности излучения определяется отношением мощности излучения, проходящего через сечение лазерного пучка, к площади сечения и имеет размерность Вт см-2.

Соответственно плотность Ws энергии излучения определяется отношением энергии, проходящей через сечение лазерного пучка, к площади сечении и имеет размерность Дж см-2

Плотность мощности в луче лазера достигает больших величин вследствие сложения энергии огромного множества когерентных излучений отдельных атомов, приходящих в выбранную точку пространства в одинаковой фазе.

Когерентное излучение лазера с помощью оптической системы линз можно сфокусировать на малую, сравнимую с длиной волны площадку на поверхности объекта.

Плотность мощности лазерного излучения на этой площадке достигает огромной величины. В центре площадки плотность мощности:

где Р - выходная мощность лазерного излучения;

D - диаметр объектива оптической системы;

л - длина волны;

f - фокусное расстояние оптической системы.

Излучение лазера с огромной плотностью мощности, воздействуя на различные материалы, разрушает и даже испаряет их в области падающего сфокусированного излучения. Одновременно в области падения лазерного излучения на поверхность материала на нем создается световое давление в сотни тысяч мегапаскалей.

В итоге отметим, что фокусируя излучение ОКГ до пятна, диаметр которого приблизительно равен длине волны излучения, можно получить световое давление в 106МПа, а так же огромные плотности мощности излучения, достигающие величин 1014-1016Вт.см-2, при этом возникают температуры до нескольких миллионов кельвин.

Блок схема оптического квантового резонатора

Лазер состоит из трех основных частей: активная среда, устройство накачки и оптический резонатор. Иногда добавляют и устройство термостабилизации.

Рисунок 3 - Блок-схема лазера

1) Активная среда.

Для резонансного поглощения и усиления за счет вынужденного излучения необходимо, чтобы волна проходила сквозь материал, атомы или системы атомов которого "настроены" на нужную частоту. Иначе говоря, разность энергетических уровней E2 - E1 для атомов материала должна быть равна частоте электромагнитной волны, умноженной на постоянную Планка: E2 - E1 = hn. Далее, для того чтобы вынужденное излучение преобладало над поглощением, атомов на верхнем энергетическом уровне должно быть больше, чем на нижнем. Обычно этого не бывает. Более того, всякая система атомов, на достаточно длительное время предоставленная самой себе, приходит в равновесие со своим окружением при низкой температуре, т.е. достигает состояния наинизшей энергии. При повышенных температурах часть атомов системы возбуждается тепловым движением. При бесконечно высокой температуре все квантовые состояния были бы одинаково заполнены. Но поскольку температура всегда конечна, преобладающая доля атомов находится в низшем состоянии, и чем выше состояния, тем менее они заполнены. Если при абсолютной температуре T в низшем состоянии находится n0 атомов, то число атомов в возбужденном состоянии, энергия которого на величину E превышает энергию низшего состояния, дается распределением Больцмана: n=n0e-E/kT, где k - постоянная Больцмана. Поскольку атомов, находящихся в низших состояниях, в условиях равновесия всегда больше, чем в высших, в таких условиях всегда преобладает поглощение, а не усиление за счет вынужденного излучения. Избыток атомов в определенном возбужденном состоянии можно создавать и поддерживать, только искусственно переводя их в это состояние, причем быстрее, чем они возвращаются к тепловому равновесию. Система, в которой имеется избыток возбужденных атомов, стремится к тепловому равновесию, и ее необходимо поддерживать в неравновесном состоянии, создавая в ней такие атомы.

2) Резонатор.

Оптический резонатор представляет собой систему специально согласованных двух зеркал, подобранных таким образом, чтобы возникающее в резонаторе за счет спонтанных переходов слабое вынужденное излучение многократно усиливалось, проходя через активную среду, помещенную между зеркалами. Вследствие многократных отражений излучения между зеркалами происходит как бы удлинение активной среды в направлении оси резонатора, что определяет высокую направленность лазерного излучения. В более сложных лазерах применяются четыре и более зеркал, образующих резонатор. Качество изготовления и установки этих зеркал является для качества полученной лазерной системы. Также, в лазерной системе могут монтироваться дополнительные устройства дли получения различных эффектов, такие как поворачивающиеся зеркала, модуляторы, фильтры и поглотители. Их применение позволяет менять параметры излучения лазера, например, длину волны, длительность импульсов и т. д.

Резонатор -- основной определяющий фактор рабочей длины волны, а также остальных свойств лазера. Существуют сотни или даже тысячи различных рабочих тел, на основе которых можно построить лазер. Рабочее тело подвергается «накачке», чтобы получить эффект инверсии электронных населённостей, что вызывает вынужденное излучение фотонов и эффект оптического усиления. В лазерах используются следующие рабочие тела.

Жидкость, например в лазерах на красителях состоит из органического растворителя, например метанола, этанола или этиленгликоля, в которых растворены химические красители, например кумарин или родамин. Конфигурация молекул красителя определяет рабочую длину волны.

Газы, например, углекислый газ, аргон, криптон или смеси, такие как в гелий-неоновых лазерах. Такие лазеры чаще всего накачиваются электрическими разрядами.

Твёрдые тела, такие как кристаллы и стекло. Сплошной материал обычно легируется (активируется) добавкой небольшого количества ионов хрома, неодима, эрбия или титана. Типичные используемые кристаллы: алюминиевый гранат (YAG), литиево-иттриевый фторид (YLF), сапфир (оксид алюминия) и силикатное стекло. Самые распространённые варианты: Nd:YAG, титан-сапфир, хром-сапфир (известный также как рубин), легированный хромом стронций-литий-алюминиевый фторид (Cr:LiSAF), Er:YLF и Nd:glass (неодимовое стекло). Твердотельные лазеры обычно накачиваются импульсной лампой или другим лазером.

Полупроводники. Материал, в котором переход электронов между энергетическими уровнями может сопровождаться излучением. Полупроводниковые лазеры очень компактны, накачиваются электрическим током, что позволяет использовать их в бытовых устройствах, таких как проигрыватели компакт-дисков.

3) Устройство накачки.

Источник накачки подаёт энергию в систему. Это может быть электрический разрядник, импульсная лампа, дуговая лампа, другой лазер, химическая реакция или даже взрывчатое вещество. Тип используемого устройства накачки напрямую зависит от используемого рабочего тела, а также определяет способ подвода энергии к системе. Например, гелий-неоновые лазеры используют электрические разряды в гелий-неоновой газовой смеси, а лазеры на основе алюмо-иттриевого граната с неодимовым легированием (Nd:YAG лазеры) -- сфокусированный свет ксеноновой импульсной лампы, эксимерные лазеры -- энергию химических реакций.