Слово "лазер" складене з перших букв англійської фрази "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation", що в перекладі на російську означає: посилення світла за допомогою вимушеного випромінювання.
Зробимо лазер так.
Візьмемо стрижень або пластинку, зроблену з матеріалу, від якого ми хочемо домогтися випромінювання. Матеріал повинен бути прозорим, щоб світло пронизував його наскрізь. Найпоширеніші матеріали для стрижнів - штучно вирощені кристали рубіна або граната (або скло, в яке додана невелика кількість рідкого елементу неодиму). Стрижні зазвичай бувають діаметром від 6 до 20 міліметрів і завдовжки від 10 до 60 сантиметрів. Сам лазер часто називають за матеріалом стержня. Так, вираз "рубіновийлазер" не означає, що весь прилад зроблений з цього дорогоцінного каменю. Просто всередині нього знаходиться кристал штучного рубіна величиною з олівець.
Поруч зі стрижнем помістимо освітлювач, його називають лампою накачування. Лампа буде імпульсної, на кшталт тих ламп-спалахів, якими користуються фотографи, - всі процеси в атомах проходять за мільйонні частки секунди, так що надовго включати її немає сенсу. Лампу накачування разом зі стрижнем оточимо відбивачем, щоб жоден квант світла накачування не пропав даремно. Біля торців робочого стрижня встановимо два дзеркала: ззаду - глухе, що відображає весь падаючий на нього світло, спереду - напівпрозоре. Дзеркала встановимо строго паралельно один одному і перпендикулярно осі стержня. Лазер готовий. Підключимо до лампи накачування дроти від джерела живлення через замикаючу кнопку і натиснемо її. Лампа спалахнула. Тепер спробуємо здогадатися, що ж відбувається в лазері.
Отже, лампа спалахнула. Потік світлової енергії обрушився на стрижень. Його атоми швидко переходять в збуджений стан. З кожним миттю таких збуджених атомів стає все більше і більше. Але довго в збудженому стані вони не живуть, в середньому всього одну стомільйонний частку секунди, а потім переходять в нормальне, збудженому стан. На малюнку внизу видно, як один атом віддав квант світла, за ним другий, третій. Але кванти ці летять майже поперек стрижня. Тому, змусивши по дорозі випроменити в тому ж напрямку ще кілька атомів, вони швидко його залишають. А лампа горить, і випромінюючи світло атоми знову порушуються. Але ось зовсім випадково кілька атомів випромінюючи кванти вздовж осі стрижня. Після кожного зіткнення з атомами число квантів подвоюється, потік випромінювання рухається уздовж стрижня і росте, як лавина. Відбиваючись в дзеркалах, випромінювання багаторазово пронизує стрижень, змушуючи все атоми без винятку нести свою частку енергії в загальний потік світла. Крізь напівпрозоре дзеркало-віконце цей світ виривається назовні. Спалах! Її тривалість близько однієї мільйонної частки секунди. А лампа горить, і через три мільйонних частки секунди все повторюється знову. І знову, і знову, до тих пір, поки яскравості світла вже потухають лампи-спалаху не стане мало для підтримки генерації. Лампа накачування горить близько однієї тисячної частки секунди, чверть цього часу вона розгорається, ще стільки ж часу згасає. Але і за час, що залишився лазер встигає зробити близько двохсот спалахів, злитих в один світловий імпульс тривалістю в кілька десятитисячних доль секунди. На швидкісному знімку видно, що він схожий на гребінку і складається з безлічі коротеньких піків - окремих світлових спалахів. Тому такий режим роботи лазера називається пічковим. або режимом вільної генерації.
Саме так було зроблено і працював перший лазер, побудований на кристалі рубіна в 1960 році.
Але не вся енергія лампи накачування перетвориться в лазерну спалах. Більша її частина - на жаль! - іде на непотрібний і навіть просто шкідливий нагрів стрижня і дзеркала. Потужні імпульсні лазери охолоджують потоком повітря, води, а іноді і рідким азотом. Частота повторення імпульсів залежить також і від того, наскільки добре стрижень лазера витримує високу температуру. Неодимові і рубінові лазери дають одну-дві спалаху в секунду, лазер на гранаті - кілька сотень. Рекордна частота генерації для імпульсного лазера - дванадцять мільйонів спалахів в секунду. Випромінювання таких лазерів сприймається вже як безперервне.
Так що ж виходить, запитаєте ви? Імпульс світла лампи просто перетворили на імпульс світла лазера, та ще з втратами. Чи варто було город городити?
Варто було. Світло, отриманий з таким трудом, має масу незвичайних властивостей.
- По-перше, промінь його йде, майже не розширюючись. Для того, щоб промінь прожектора не розходився, використовують велику увігнуте дзеркало і складну систему лінз, що збирають світло від лампи в пучок. Це допомагає, але мало: вже на відстані кілометра від прожектора промінь стає в два рази ширше. Лазеру ж дзеркала і лінзи не потрібні. Він і без них сам по собі випромінює майже паралельний пучок світла, тому що в випромінюванні беруть участь тільки ті кванти, які йдуть уздовж осі стрижня.
- По-друге, світло, що випромінюється лазером, монохроматічен, він має тільки одну довжину хвилі, один колір. Білий світ, що складається з суміші багатьох довжин хвиль, проходячи через оптичні деталі - лінзи і призми, - може розкладатися на прості кольори; всі бачили веселку на небі або на стіні, коли світло сонця розклався в краплях води або в призмах. З лазерним променем цього не відбудеться, тому його можна сфокусувати в пляму діаметром 0,01 мм.
- По-третє, хоча лазер і використовує невелику частку "накачаної" в нього енергії, потужність його спалаху може бути дуже і дуже велика: сотні і тисячі ватт. Це відбувається тому, що потужність спалаху дорівнює її енергії, поділеній на її тривалість - тисячні частки секунди.
Потужність електродвигуна, парової машини, нагрівача, потоку випромінювання і взагалі будь-яка потужність вимірюється в ватах (Вт, в англійській літературі - W)
Тут часто буде згадуватися потужність лазерного випромінювання, теж вимірюється в ватах, кіловатах і мегаватах. Щоб ці поняття не були порожнім звуком, спробуйте уявити собі, що таке кіловат і наскільки великий мегават.
Кіловат енергії може нагріти до кипіння ложку води за одну секунду. Нагрівач потужністю в 400 кіловат за той же час закип'ятить літр води, а джерело енергії потужністю 1 мегават щомиті даватиме 2,5 літра окропу.
Згадавши, як довго закипає на поїть чайник, можна скласти певне уявлення про те, які потужності приховані в лазерному промені.
Сонце, маючи температуру 6000 градусів, на одній довжині хвилі випромінює потужність в соті частки вата (чому - дивіться тут). А лазер - до тисячі ват. Виникає питання: до якої температури довелося б нагрівати речовину, щоб воно світилося так само сильно, як лазер? Відповідь виходить приголомшливим. Лазер випромінює світло такої ж яскравості, як тіло, нагріте до температури кілька трильйонів градусів! Сам він при цьому залишається холодним. У всякому разі, ті 100 - 200 градусів, на які він може нагрітися, - ніщо в порівнянні з температурою, якої не витримає жодна речовина в світі.
Ось що таке імпульсний лазер. Його спалах несе величезну потужність - тисячі ват. Потужність цю можна підвищити, збільшивши розміри всього лазера. А можна поставити перед ним ще один лазер, але без дзеркал. Імпульс світла першого лазера змусить спрацювати другий. Обидва світлових імпульсу, склавшись, подвоюють енергію спалаху.
Але ось біда: зі збільшенням довжини стержня росте і тривалість імпульсу - поки всі атоми в довгому стрижні випустять кванти, пройде час. Крім того, розміри стержня можна збільшувати безмежно: чим більше стрижень, тим більше втрати світла в ньому. Додаткова енергія, отримана з таким трудом за рахунок випромінювання нової ділянки стрижня, повністю втрачається через поглинання світла цим же ділянкою. Тому стрижні навіть з найкращих матеріалів немає сенсу робити довше 50 - 60 см, це не дасть майже нічого, крім помітного подорожчання лазерних деталей. А вони і без того недешеві. Значить, цей шлях не може нам дати великого збільшення потужності випромінювання. Але залишається іншого: що, якщо скоротити час спалаху, увігнати всю її енергію в сотні, в тисячі разів менший проміжок часу? Тоді в стільки ж разів зросте і її потужність! Вона буде тоді вимірюватися вже мегаватами. Вийде в буквальному сенсі гігантський імпульс.