Для эффективного использования света в лазерной резке необходимо добиться синхронного и синфазного излучения атомов, то есть когерентного излучения.
Можно представить себе следующую упрощенную схему получения когерентного излучения. Пусть имеется цепочка атомов, вытянутая в прямую линию. Если все эти атомы находятся в возбужденном состоянии, то внешний фотон, ударив в крайний атом по направлению вдоль цепочки, вызовет излучение фотона из этого атома, причем излученный фотон будет иметь такую же энергию и то же направление излучения, что и ударивший фотон. Таким образом, будут двигаться уже два одинаковых фотона. Один из этих фотонов ударит в следующий атом, который даст излучение еще одного такого же фотона и т.д. Происходит многократное увеличение светового потока. В результате такого усиления будет двигаться поток фотонов, имеющих одинаковую энергию и одинаковое направление движения, то есть излучение будет когерентным.
В действительности кроме атомов, находящихся в возбужденном состоянии, имеются атомы, находящиеся в основном, невозбужденном состоянии. Эти атомы поглощают энергию ударившихся в них фотонов и уменьшают энергию выходного излучения.
Если число возбужденных атомов равно числу невозбужденных, усиления света не происходит, так как число фотонов, поглощенных невозбужденными атомами будет равно числу фотонов, излученных возбужденными атомами. Следовательно, для усиления света и получения когерентного излучения необходимо, чтобы число возбужденных атомов было больше числа невозбужденных. Иначе говоря, должна быть обеспечена инверсия населенности энергетических уровней. В отличие от состояния, когда атомы не возбуждены и электроны находятся на основных орбитах, необходимо «переселить» электроны на более удаленные от ядра орбиты, т.е. возбудить большинство атомов. Для этого к данному веществу, называемому активной средой или рабочим веществом, необходимо подводить энергию, вызывающую возбуждение атомов. Такой процесс получил название накачки.
Мы рассмотрели принцип создания усилителя света, получившего название лазер – от начальных букв слов light amplification by stimulated emission of radiation, что означает «усиление света с помощью вынужденного излучения».
Квантовый усилитель света можно превратить в генератор, если осуществить в нем положительную обратную связь, при которой часть излучения с выхода возвращается на вход и снова усиливается. Принцип лазера, называемого иначе оптическим квантовым генератором, можно пояснить следующим образом.
В пространстве, заполненном активной средой, между двумя плоскими зеркалами, одно из которых полупрозрачно, движется поток излучаемых атомами фотонов. Большая часть этого потока проходит через полупрозрачное зеркало и излучается во внешнее пространство, в виде когерентного луча, а небольшая часть потока отражается, движется обратно, усиливаясь по пути, затем отражается от зеркала 1, снова движется к зеркалу 2, где частично отражается и т.д. При условии, что внешний источник поддерживает инверсное состояние активной среды, через зеркало 2 постоянно будет излучаться когерентный поток фотонов.
