Исследуя взаимодействие между электромагнитным излучением и группой молекул в замкнутом пространстве, Альберт Эйнштейн еще в 1917г. вывел уравнение с тремя членами, содержащее нечто неожиданное. Первые два члена в уравнении Эйнштейна связаны с процессами поглощения и спонтанного (самопроизвольного) излучения. Третий член был связан с неизвестным тогда типом излучения. Это был переход с более высокого на более низкий уровень энергии, вызванный наличием излучения подходящей частоты, чьи фотоны обладают энергией, равной разности между этими уровнями.Поскольку данное излучение происходит не спонтанно, а провоцируется специальными обстоятельствами, оно было названо стимулированным (индуцированным) излучением. Появляющиеся в результате фотоны добавляются к окружающему (индуцирующему) излучению.

Хотя это было интересное явление, его польза была далеко не очевидной. В самом деле, в соответствии с законом Больцмана, более высокие уровни заняты меньшим числом электронов, чем более низкие. Поэтому в индуцированном излучении принимает участие относительно малое число атомов. Однако ситуация может кардинально измениться, если в состоянии с большей энергией окажется большее число атомов, чем в состоянии с меньшей энергией, т.е. реализуется инверсная заселенность уровней энергии. В результате интенсивность будет нарастать и быстро превысит тот уровень, создаваемый за счет спонтанного излучения. Указанное интенсивное излучение из системы с инверсной заселенностью и составляет суть работы лазера.

Таким образом, вынужденное излучение – это процесс испускания электромагнитных волн возбужденными частицами вещества (атомами, молекулами) под действием внешнего (вынуждающего) электромагнитного излучения. Частота, фаза, направление распространения и поляризации вынужденного излучения те же, что и у вынуждающего излучения. Вынужденное излучение когерентно и при определенных условиях может привести к значительному усилению и генерации электромагнитных волн. Обычно вынужденное излучение наиболее сильно проявляется в неравновесной термодинамической системе, в которой число атомов, находящихся в возбужденном состоянии и способных испускать квант вынужденного излучения, больше чем в основном.

Гипотеза Эйнштейна состоит в том, что под действием электромагнитного поля частоты ω молекула может:
1) перейти с более низкого энергетического уровня E₁ на более высокий E₂ с поглощением фотона энергией: ,

2) перейти с более высокого энергетического уровня E₂ на более низкий E₁ с испусканием фотона энергией:  ,

3) кроме того, как и в отсутствие возбуждающего поля, остаётся возможным самопроизвольный переход молекулы с верхнего на нижний уровень с испусканием фотона энергией:  .

Первый процесс принято называть поглощением, второй – вынужденным (индуцированным) испусканием, третий – спонтанным испусканием. Скорость поглощения и вынужденного испускания фотона пропорциональна вероятности соответствующего перехода:

и

где B₁₂, B₂₁– коэффициенты Эйнштейна для поглощения и испускания, u – спектральная плотность излучения. Число переходов dn₁ с поглощением света выражается как

с испусканием света даётся выражением:

где A₂₁ – коэффициент Эйнштейна, характеризующий вероятность спонтанного излучения, а n₁, n₂ – число частиц в первом или во втором состоянии соответственно. Согласно принципу детального равновесия, при термодинамическом равновесии число квантов света dn1 при переходах 1-2 должно равняться числу квантов dn₂, испущенных в обратных переходах 2-1.

 

 

Вынужденное излучение является основным эффектом, лежащем в основе работы квантовых генераторов. В зависимости от того, какую длину волны излучает квантовый генератор, он может называться по разному: лазер, мазер, разер, газер. Впервые на возможность создания квантового генератора указал советский физик В.А. Фабрикант в конце 40-х годов.

Под мазером понимают квантовый генератор, излучающий когерентные радиоволны длиной около сантиметра. Его название - сокращение фразы «Усиление микроволн с помощью вынужденного излучения» (microwave amplification stimulated by emission of radiation) - было дано в 1954 году его создателями: советскими учёными А.М. Прохоровым, Н.Г. Басовым, а также американцами Ч.Таунсом, Д.Гордоном и Х.Цейгером.

Лазер (англ. laser, сокр. от Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation - «Усиление света с помощью вынужденного излучения») - устройство, использующее квантовомеханический эффект вынужденного (стимулированного) излучения для создания когерентного потока света. Луч лазера может быть непрерывным, с постоянной амплитудой, или импульсным, достигающим экстремально больших пиковых мощностей. Во многих конструкциях рабочий элемент лазера используется в качестве оптического усилителя для излучения от другого источника. Усиленный сигнал очень точно совпадает с исходным по длине волны, фазе и поляризации, что очень важно в устройствах оптической связи.

 

Лазер обычно состоит из трёх основных элементов:
- Источник энергии (механизм «накачки»);
- Рабочее тело;
- Система зеркал («оптический резонатор»).

Основная идея работы лазера заключается в инверсии электронной населённости путём «накачки» рабочего тела, подводя к нему энергию, например в виде световых или электрических импульсов. Рабочее тело помещается в оптический резонатор, при циркуляции волны в котором её энергия экспоненциально возрастает благодаря механизму вынужденного излучения. При этом энергия накачки должна превышать определённый порог, иначе потери в резонаторе будут превышать усиление и выходная мощность будет крайне мала.
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.

Рабочее тело — основной определяющий фактор рабочей длины волны, а также остальных свойств лазера. Существуют 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. Состоят 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. Такае 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: алюмо-иттриевый 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.

Оптический резонатор, простейшей формой которого являются два параллельных зеркала, находится вокруг рабочего тела лазера. Вынужденное излучение рабочего тела отражается зеркалами обратно и опять усиливается. Волна может отражаться многократно до момента выхода наружу. В более сложных лазерах применяются четыре и более зеркал, образующих резонатор. Качество изготовления и установки этих зеркал является определяющим для качества полученной лазерной системы.

Также, в лазерной системе могут монтироваться дополнительные устройства для 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.