Лазер- что это такое?

Лазеры считаются  квантовыми генераторами. Лазерный луч  обладает высокой направленностью и когерентностью.  В радиотехнике хорошо известен принцип построения излучающих систем, имеющих высокую направленность и когерентность. Он заключается в использовании большого количества элементарных фазированных излучателей, расположенных в определённом порядке. Называются такие системы фазированными антенными решетками (ФАР). Чем большее количество элементарных излучателей используется в ФАР и чем больше размеры пространства, на котором она расположена тем большую направленность излучения можно получить. Для получения высокой направленности линейные размеры ФАР должны быть значительно больше длины излучаемой волны.
В рабочем веществе лазера содержится громадное количество элементарных дипольных  излучателей, которыми являются атомы или молекулы рабочего вещества. Если речь идёт о твердотельных лазерах, например на основе рубина, то излучающие атомы тоже расположены в кристалле рабочего вещества в строго определённом порядке. Возникает вопрос, что будет, если такие атомы, являющиеся элементарными излучателями, каким-либо образом синхронно возбудить, причём так, чтобы их колебания были определённым образом фазированы. С радиотехнической точки зрения такая система должна давать очень узконаправленное излучение, т.к. количество излучателей очень велико, а длина излучаемой волны гораздо меньше линейных размеров рабочего элемента. Элементарные излучатели, которыми в рубиновом лазере являются атомы хрома, возбуждение при помощи лампы вспышки. Но такой способ возбуждения даёт хаотическое распределение фаз колебаний излучателей. Чтобы выделить  из их числа излучатели, фазы которых соответствуют фазировке в ФАР, используется внешний макроскопический резонатор, одна из стенок которого является полупрозрачной. Этот резонатор отбирает те излучатели, которые соответствуют фазировке в ФАР, а поскольку процент таких излучателей не большой, то и КПД лазера оказывается не высоким.
Известны, многоуровневые квантовые генераторы, в которых кванты перебрасываются на высокие уровни, а излучение происходит путём их последовательного перехода на более низкие уровни. Обязательным элементом таких лазеров также является внешний макроскопический резонатор, который производит соответствующий отбор возбуждённых вибраторов. В радиотехнике также известна подобная схема преобразования энергии. Она описывается соотношениями Мэнли-Роу.

И это уже точно квантовые генераторы. Но прозаичные радиоинженеры и здесь говорят, что никакие они не квантовые, просто речь идёт о нелинейных параметрических системах, в которых, благодаря нелинейным свойствам среды, происходит или параметрическое усиление или параметрическая генерация. Все эти процессы хорошо описываются так называемыми соотношениями Менли-Роу.
      Все  выдумки релятивимтов и квантовиков это плод той математической схоластики, которая превратила современную физику в метафизику. Чтобы было понятно, о чём идёт речь, приведу пример обычного механического резонатора, например камертона.
Если ударить камертон, то он некоторое время звенит, генерируя звуковые волны. При этом он теряет энергию, и колебания в нём затухают. Если возбудить камертон в вакууме, то он будет «звучать» гораздо дольше, т.к будут отсутствовать потери на возбуждение звуковых волн. Любой колебательный процесс характеризуется таким параметром как добротность, чем меньше активные потери в колебательной системе, тем выше её добротность. Она численно равна количеству периодов колебаний, укладывающемся в том промежутке времени, за который амплитуда колебаний уменьшается в е раз. Это обычный классический всем нам понятный подход. Этот процесс с математической точки зрения можно рассмотреть  по-другому, считая, что это никакой не механический, а квантовый осциллятор. При этом считается, что у возбуждённого камертона имеется два энергетических уровня: нулевой и верхний (возбуждённый).  Считается, что в то время, когда мы механически возбуждаем камертон, этот механический резонатор перепрыгивает на верхний энергетический уровень. Квантовая механика определяет время жизни на этом верхнем уровне. Оно в точности равно тому отрезку времени, который необходим для того, чтобы амплитуда колебаний в механическом резонаторе уменьшилась в е раз. Схоластика? Конечно.
Если взять сто миллионов камертонов и синхронно сфазированно их возбудить, да ещё правильно расположить их в пространстве, то можно получить когерентный, мощный и узко направленный звуковой луч. Такие системы с успехом используются в гидролокаторах.  И весь этот процесс по-прежнему можно рассматривать как фазированную  решетку механических вибраторов. Квантовая механика считает, что такая система является двухуровневым квантовым генератором. Конечно, такой подход ничего общего с физикой не имеет, а является результатом тех схоластических математических подходов, о которых  уже говорилось. 
В рубиновом лазере в матрице корунда  небольшой процент атомов алюминия замещены атомами хрома. Эти атомы имеют строгую ориентацию в пространстве и свою резонансную частоту.  Но если возбудить этот резонанс, то атом хромы будут испускать не звуковые, а электромагнитные волны. Далее вся та же история как с камертонами, только атомов хрома в одном кубическом сантиметре рубина не сто миллионов, а десять в двадцать второй степени.
Квантовая механика оперирует кроме понятия времени жизни на верхнем  уровне, т.е.  в возбуждённом состоянии, такими понятиями как спонтанные и стимулированные переходы. Что это такое. Если у вас на потолке висит лампочка накаливания, то она испускает некогерентный свет.  Почему? А потому что фазы колебаний всех атомов, которые колеблются в результате нагрева вольфрама, несфазированы а самопроизвольны. Поэтому, если вы хотите поучить лазерное когерентное излучение, то вы должны не только возбудить в атомах или камертонах колебания, но и возбудить их так, чтобы их фазы совпадали. Тогда вы и получите когерентное (лазерное) излучение. Поэтому задача создания лазера заключается не только возбуждении колебаний в отдельно взятых атомах  (например атомов хрома в рубиновом лазере) но ещё и получение правильной фазировки их колебаний при таком возбуждении. Коль вы этого сумеете добиться, то  и поучите то излучение, которое в квантовой механике называют стимулированным. Для этих целей служит внешний резонатор, куда помещают активное вещество. При этом одна из колебательных мод внешнего резонатора должна в обязательном порядке совпадать с резонансной частотой атомов активного вещества. Фазировка при облучении рубина лампой вспышкой происходит очень просто. Свет вспышки возбуждает некогерентные колебания в атомах хрома, а внешний резонатор отбирает из всего множества возбуждённых атомов, только те, фаза колебаний которых совпадает с фазой колебаний в самом резонаторе. Поэтому и КПД у рубинового лазера невысок. Резонатор в даном случае выполняет те функции, которые выполняет резонансный контур вашего приёмника при его настройке на определённую частоту.
Но причём здесь соотношения Менли – Роу спросите вы? Эти соотношения работают в том случае, когда в нелинейной среде имеется несколько резонансов, скажем три резонанса. В такой среде такие резонансы не являются самостоятельными и энергетические процессы в них связаны. Причём если вы возбудите один из резонансов, то буду возбуждены и остальные. Причём если  сопоставить энергию, запасённую в каждом из рассмотренных резонаторов, то она буде пропорциональна их резонансной частоте. Это квантовая механика интерпретирует как наличие в среде энергетических уровней пропорциональных частоте. А процессы перекачки энергии из одного резонатора в другой, которую обеспечивает нелинейность среды, квантовая механика интерпретирует как перепрыгивание с одного энергетического уровня на другой.
Видите как всё просто. Но этих элементарных вещей физики просто не знают, их просто так учили.      
 
Любят физики всякие сверхестественные вещи. То у них электроны совершенно невообразимым образом с орбиты на орбиту перепрыгивают и загадочные кванты излучают. То близнецы в космических кораблях, несущихся со световыми скоростями, по миллиону лет живут. Но вот инженеры, которых физики технарями называют, никак этому не верят, и не зря!
 Любит учёная братия простолюдину лапшу на уши вешать.  А почему? Да потому что хотят выглядеть в их глазах особыми квантами нечеловеческого происхождения. Но заверяю вас, что они такие же квантовые, как и камертоны.