История создания лазера реферат

Обновлено: 18.05.2024

Сегодня различные типы лазеров используются во многих отраслях науки, техники, на производстве и в медицине. Даже в повседневной жизни мы все чаще встречаем эти электронные приборы. Однако всего лишь каких-то 50-60 лет назад о лазере мало кто знал, да и самого прибора, по сути, еще не существовало – были лишь обособленные разработки в этой области и неиссякаемый энтузиазм некоторых ученых. Именно эти ученые из России, США и других стран собственно и стояли у истоков история лазера, о которой пойдет речь в этой статье.

Но до появления первого функционирующего лазера была еще достаточно длинная история различных открытий и изобретений, которые в последствие и легли в основу изобретения этого прибора. И так, обо всем по порядку.

В 1900 году один из талантливейших умов нашей планеты – немецкий ученый Макс Планк открывает элементарную порцию энергии – квант и теоретически описывает связь энергии кванта с частотой электромагнитного излучения, вызвавшей его появление. Спустя 8 лет в 1918 году за свое открытие он получает Нобелевскую премию. Кстати примерно в это же время другой выдающийся ученый Альберт Эйнштейн открывает наименьшую элементарную частицу света – фотон и доказывает теорию дискретности света.

Спустя год в 1955 году советские ученые Александр Прохоров и Николай Басов из Института физики Академии наук CCCP совершенствуют конструкцию мазера, изменяя метод накачки электронов. В 1964 году они вместе с Таунсом получают за свои открытия Нобелевскую премию. В 1956 году американский ученый Николас Блумберген из Гарвардского университета разрабатывает твердотельный мазер. До этого существовали только газовые.

Первое коммерческое использование лазера произошло в 1961 году. Тогда на рынке работало уже несколько компаний, разрабатывающих и производящих подобные оптические приборы. В 1962 году был впервые использован рубиновый лазер. С его помощью сваривались швы на корпусе наручных часов.

Первый полупроводниковый лазер был создан в 1962 году в компании General Electric. Его разработчиком стал инженер Ник Холоньяк. Сейчас лазеры этого типа широко используются в бытовой электронике: CD-проигрывателях и DVD-плеерах.

Нарастающие темпы исследований в области лазерной техники открывают возможности создания новых типов лазеров со значительно улучшенными характеристиками, позволяющими расширить области их применения в машино- и приборостроении. В настоящее время мы являемся свидетелями непрерывно увеличивающейся мощности излучения как твердотельных, так и газовых лазеров, работающих в постоянном режиме, что расширяет возможности их применения при различных технологических операциях: сварке деталей значительно больших габаритов, резке более толстых листов с большими скоростями, сверлении с увеличенными скоростями отверстий значительных диаметров и т.д. Открываются новые возможности в области упрочнения деталей машин и приборов, а также режущих инструментов. Дальнейшие успехи в этом направлении пока ограничиваются выходом из строя отдельных оптических элементов лазера: зеркал, выходных окон и др. – из-за их недостаточно высокой лучевой прочности. В области повышения лучевой прочности производятся обширные исследования. Одновременно открываются новые возможности применения лазеров в технологических операциях. Повышение стабильности работы лазеров позволяет поднять на новый уровень выполнение “тонких” операций доводки, размерной обработки локального характера. Для этой цели, по-видимому, наиболее перспективны лазеры, работающие в импульсном режиме, длительность импульсов излучения которых не превосходит нескольких десятков наносекунд.

Одной из характерных особенностей развития современной лазерной технологии является разделение сфер влияния твердотельных и газовых лазеров. Твердотельные лазеры в ближайшие годы будут иметь преимущества при выполнении энергетических импульсных процессов обработки, к которым относятся точечная сварка, сверление алмазных и рубинных камней, нанесение рисунков на тонких пленках за один импульс на большой площади и т.д. В тех случаях, когда для выполнения какой-либо технологической операции достаточно энергии излучения газовых лазеров, следует отдавать им предпочтение ввиду более высоких частот повторения импульсов, стабильности и большого срока службы. Газовые лазеры и установки на их основе предоставляют технологу-исследователю большие возможности в выборе частот и режимов работы, что имеет особое значение при обработке и нанесении различных пленочных покрытий. При этом найдут применение теплохимические и фотохимические методы воздействия лазерного излучения на материалы, которые широко используются в различных областях микроэлектроники.

Импульсные лазеры уже на современном уровне превзошли по импульсной мощности все другие источники энергии, и можно ожидать дальнейшего улучшения характеристик их излучения. Однако средняя мощность лазеров пока недостаточна.

Выдержка из текста

Изобретение лазера стоит в одном ряду с наиболее выдающимися достижениями науки и техники XX века. Первый лазер появился в 1960 г., и сразу же началось бурное развитие лазерной техники. В короткое время были созданы разнообразные типы лазеров и лазерных устройств, предназначенных для решения конкретных научных и технических задач. Лазеры уже успели завоевать прочные позиции во многих отраслях народного хозяйства. Как заметил академик А.П. Александров, “всякий мальчишка теперь знает слово лазер”. И все же, что такое лазер, чем он интересен и полезен? Один из основоположников науки о лазерах – квантовой электроники – академик Н.Г. Басов отвечает на этот вопрос так: “Лазер – это устройство, в котором энергия, например тепловая, химическая, электрическая, преобразуется в энергию электромагнитного поля – лазерный луч.

При таком преобразовании часть энергии неизбежно теряется, но важно то, что полученная в результате лазерная энергия обладает несравненно более высоким качеством. Качество лазерной энергии определяется ее высокой концентрацией и возможностью передачи на значительное расстояние. Лазерный луч можно сфокусировать в крохотное пятнышко диаметра порядка длины световой волны и получить плотность энергии, превышающую еже на сегодняшний день плотность энергии ядерного взрыва… С помощью лазерного излучения уже удалось достичь самых высоких значений температуры, давления, напряженности магнитного поля. Наконец, лазерный луч является самым емким носителем информации и в этой роли – принципиально новым средством ее передачи и обработки”. Широкое применение лазеров в современной науке и технике объясняется специфическими свойствами лазерного излучения.

Лазер – это генератор когерентного света. В отличии от других источников света (например, ламп накаливания или ламп дневного света) лазер дает оптическое излучение, характеризующееся высокой степенью упорядоченности светового поля или, как говорят, высокой степенью когерентности. Такое излучение отличается высокой монохроматичностью и направленностью. В наши дни лазеры успешно трудятся на современном производстве, справляясь с самыми разнообразными задачами. Лазерным лучом раскраивают ткани и режут стальные листы, сваривают кузова автомобилей и приваривают мельчайшие детали в радиоэлектронной аппаратуре, пробивают отверстия в хрупких и сверхтвердых материалах. Доводка номиналов пассивных элементов микросхем и методы получения на них активных элементов с помощью лазерного луча получили дальнейшее развитие и применяются в производственных условиях. Причем лазерная обработка материалов позволяет повысить эффективность и конкурентоспособность по сравнению с другими видами обработки. В руках хирурга лазерный луч превратился в скальпель, обладающий рядом удивительных свойств. Лазеры широко используются в современных контрольно-измерительных устройствах, вычислительных комплексах, системах локации и связи. Лазеры позволяют быстро и надежно контролировать загрязненность атмосферы и поверхности моря, выявлять наиболее нагруженные участки деталей различных механизмов, определять внутренние дефекты в них. Лазерный луч становится надежным помощником строителей, картографов, археологов, криминалисто

Список использованной литературы

1. Применения лазеров. Под редакцией д-ра техн. Наук В.П. Тычинского, издательство “Мир”, Москва 1974.

2. Применение лазеров в машиностроении и приборостроении. Авт.: Крылов К.И., Прокопенко В.Т., Митрофанов А.С. Л. Машиностроение. Ленингр.отд-ние,1978.

3. Лазеры и их применение. Тарасов Л.В. Учебное пособие для ПТУ. М.: Радио и связь, 1983.

4. Лазеры: действительность и надежды. Тарасов Л.В. М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1985.

5. Лазеры. Основы устройства и применения. Федоров Б.Ф. М.: ДОСААФ, 1988.

Вложенные файлы: 1 файл

История создания лазера.docx

Реферат по предмету История и методология науки и техники

История создания лазера и его применение

B последние годы внедрение лазерной техники во все отрасли народного хозяйства значительно расширилось. Уже сейчас лазеры используются в космических исследованиях, в машиностроении, в медицине, в вычислительной технике, в самолетостроении и военной технике. Появились публикации, в которых отмечается, что лазеры пригодились и в агропроме. Непрерывно совершенствуется применение лазеров в научных исследованиях- физических, химических, биологических.
B результате гонки вооружений ускоренными темпами идет использование лазеров в различных видах военной техники - наземной, морской, воздушной.
Ряд образцов лазерной техники - дальномеры, высотомеры, локаторы, системы самонаведения - поступили па вооружение в армиях. В военных приборах в качестве источника излучения используется лазер.
В 1955-1957 годах появились работы Н.Г. Басова, Б.М. Вула, Ю.М. Попова и А.М. Прохорова в России, а также американских ученых Ч. Таунса и А. Шавлова, в которых были приведены научные обоснования для создания квантовых генераторов оптического диапазона. В декабре 1960 года Т. Мейман сумел построить первый успешно работающий лазер с рубиновым стержнем в качестве активного вещества.
В 1960 году под руководством американского ученого А. Джавана был создан газовый лазер. Он использовал в качестве активной среды смесь газов гелия и неона.
В 1962 году практически одновременно в России и в США был создан лазер, у которого в качестве активного вещества применили полупроводниковый элемент.
Заслуги русских ученых в деле развития квантовой электроники, а также вклад американских ученых были отмечены Нобелевской премией. Её получили в 1964 году Н.Г. Басов, А.М. Прохоров и Ч. Таунс. С этого момента началось бурное развитие лазеров и приборов, основанных на их использовании.
Большой вклад советские ученые и инженеры внесли в решение такой проблемы, как обеспечение безопасности посадки самолетов в сложных условиях.
В последнее время получила распространение еще одна важная область применения лазеров - лазерная технология, с помощью которой обеспечивается резка, сварка, легирование, скрайбирование металлов и обработка интегральных микросхем.
Значительный эффект получен и при использовании лазеров в медицине. Был создан лазерный скальпель. Возникла лазерная микрохирургия глаза.
Лазеры применяются в стоматологии, нейрохирургии, при операциях на сердце и диагностике заболеваний. Ультрафиолетовые лазеры применяют для раннего обнаружения раковых опухолей.
Имеются определенные успехи и по использованию лазеров в агропроме.
В пищевой промышленности исследуются возможности применения лазеров для улучшения качества хлебопродуктов, ускорения производства безалкогольных напитков с улучшенными свойствами, сохранения качества мяса и мясопродуктов. Даже такие работы, как предварительная обработка режущего инструмента и подшипников в аппаратах пищевого машиностроения, дает значительное увеличение срока службы этих устройств.
Огромные средства направляются на создание лазеров большой мощности, а также рентгеновских и химических лазеров.

На вопрос о том, что такое лазер, академик Н.Г. Басов отвечал так: "Лазер - это устройство, в котором энергия, например тепловая, химическая, электрическая, преобразуется в энергию электромагнитного поля - лазерный луч. При таком преобразовании часть энергии неизбежно теряется, но важно то, что полученная в результате лазерная энергия обладает более высоким качеством. Качество лазерной энергии определяется её высокой концентрацией и возможностью передачи на значительное расстояние. Лазерный луч можно сфокусировать в крохотное пятнышко диаметром порядка длины световой волны и получить плотность энергии, превышающую уже на сегодняшний день плотность энергии ядерного взрыва. С помощью лазерного излучения уже удалось достичь самых высоких значений температуры, давления, магнитной индукции. Наконец, лазерный луч является самым ёмким носителем информации и в этой роли - принципиально новым средством её передачи и обработки".
Индуцированное излучение. В 1917 г. Эйнштейн предсказал возможность так называемого индуцированного (вынужденного) излучения света атомами. Под индуцированным излучением понимается излучение возбужденных атомов под действием падающего на них света. Замечательной особенностью этого излучения является то, что возникшая при индуцированном излучении световая волна не отличается от волны, падающей на атом, ни частотой, ни фазой, ни поляризацией.
На языке квантовой теории вынужденное излучение означает переход атома из высшего энергетического состояния в низшее, но не самопроизвольно, как при обычном излучении, а под влиянием внешнего воздействия.

Слово лазер образовано как сочетание первых букв слов английского выражения "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation" ("усиление света при помощи индуцированного излучения").
Еще в 1940 г. советский физик В.А. Фабрикант указал на возможность использования явления вынужденного излучения для усиления электромагнитных волн. В 1954 г. советские ученые Н.Г. Басов и А.М. Прохоров и независимо от них американский физик Ч. Таунс использовали явление индуцированного излучения для создания микроволнового генератора радиоволн с длиной волны 1,27 см.

Свойства лазерного излучения.

Лазерные источники света обладают рядом существенных преимуществ по сравнению с другими источниками света:
1. Лазеры способны создавать пучки света с очень малым углом расхождения (около 10-5 рад). На Луне такой пучок, испущенный с Земли, дает пятно диаметром 3 км.
2. Свет лазера обладает исключительной монохроматичностью. В отличие от обычных источников света, атомы которых излучают свет независимо друг от друга, в лазерах атомы излучают свет согласованно. Поэтому фаза волны не испытывает нерегулярных изменений.
3. Лазеры являются самыми мощными источниками света. В узком интервале спектра кратковременно (в течение промежутка времени продолжительностью порядка 10-13 с) у некоторых типов лазеров достигается мощность излучения 1017 Вт/см2. Напряженность электрического поля в электромагнитной волне, излучаемой лазером, превышает напряженность поля внутри атома.

Исследования в области физики света и предполагающие появление устройства, способного производить пучки света. Еще в 1917 году Альберт Эйнштейн создал теоретические основы для последующего изобретения лазера и квантового генератора. Впоследствии через пересмотр закона Макса Планта о радиации, концептуально основанный на коэффициентах Эйнштейна, известные как коэффициенты вероятности. Эти коэффициенты выражали поглощение, непосредственной эмиссии и стимулируемой эмиссии электромагнитной радиации.
В конце 1920-ых годов ученый Рудольф В. Лэденберг подтвердил существование явлений стимулируемой эмиссии и отрицательного поглощения. В конце 1930-ых годов Валентин Фабрикант предсказал использование стимулируемой эмиссии для усиления коротких волн, в то время как в середине 1940-ых годов ученые Р. Ретэрфорд и У. Лэмб нашли очевидную стимулируемую эмиссию в водородных спектрах и произвели первую демонстрацию стимулируемой эмиссии, а спустя три года Альфред Кастлер предложил использовать метод оптической накачки. Этот метод был экспериментально подтвержден через два года учеными Бросселем, Кастлером и Винтером.
Таким образом, до того, как появился лазер, учеными был создан Квантовый генератор. И в 1954 году Чарльз Таунс и Артур Шавлоу изобрели микроволновое увеличение стимулируемой эмиссией радиации, который назвали квантовым генератором. Во время опытов ученые использовали газ аммиака и микроволновую радиацию. Технология очень близка к оптическому лазеру, но не использует видимый свет. В конце марта 1959 года Чарльзу Таунсу и Артуру Шавлоу предоставили патент на квантовый генератор.
Квантовый генератор использовался, чтобы усилить радиосигналы и как ультрачувствительный датчик для разного рода исследований, например, космических. В 1958 году эти ученые теоретизировали и опубликовали работы о видимом лазере, изобретении, которое использовало инфракрасный и\или свет видимого спектра, однако, исследования не были возобновлены. Множество различных материалов может быть использовано в качестве лазеров. Некоторые, такие как рубиновый лазер, испускают короткий импульс лазерного света, в то время как другие, например, гелий-неоновый лазер, испускают непрерывный пучок света.

Мазеры или квантовые генераторы из-за своей способности производить высокие по точности частоты нашли применение не только в исследовательской сфере. Например, мазер благодаря атомным стандартам частот являются одной из форм атомных часов. Также мазеры используются в качестве электронных усилителей в радиотелескопах и в сфере создания оружия, в котором применяют направленную энергию.
В настоящее время самый важный тип мазера – это водородный мазер, который используется в качестве атомного стандарта частот. Вместе с другими типами атомных часов, этот мазер составляет ТАИ (международные временные рамки, которые координируются Международным Бюро Мер). Водородный мазер был создан Норманном Рэмси и его коллегами, и современные мазеры идентичны оригинальному устройству.
Водородный мазер полагается на стимулирующую эмиссию между двумя уровнями атомного водорода. Произведенный луч атомного водорода, когда газ помещают под низкое давление. Затем чтобы получить стимулирующую эмиссию создается инверсия атома. После прохождения через апертуру и магнитное поле, многие из атомов в луче начинают излучать когерентный свет.
Другим известным мазером современности является астрофизический мазер. Этот мазер используют для того, чтобы изучать природу межзвездного пространства. Он действует на основании стимулирующей эмиссии, подобной той, что встречается в космосе. Такая эмиссия наблюдается в молекулах, таких как вода, гидроксильные радикалы, метанол, формальдегид и кремниевую одноокись. Молекулы воды в формирующих звезды состояниях могут подвергнуться инверсии и испустить радиацию в 22 ГГц, создавая самую яркую спектральную линию во вселенной. Эти мазеры чрезвычайно мощные и связаны с активными исследованиями галактического пространства.
Таким образом, можно с уверенностью сказать, что главная сфера применения мазера – это наука, особенно атомная физика и астрофизика, хотя исследования в сфере развития мазеров проводятся до сих пор и не исключены применения в других сферах.

1950-1960 года – первые лазеры

Газовый и рубиновый лазеры

Первый лазер, который был продемонстрирован научному сообществу, был сконструирован на основании кристалла синтетического рубина. В этом лазере был использован этот кристалл, чтобы произвести лазерный луч красного цвета с длиной волны в 694 нанометра. Немного позже в этом же году научному сообществу был продемонстрирован первый газовый лазер. Этот лазер был создан иранским ученым Али Джейваном и американскими учеными Уильямом Беннеттом и Дональдом Херрайотом. Для этого лазера использовали гелий и неон, и именно этот лазер сумел произвести непрерывный луч в инфракрасном спектре. Спустя два года Роберт Холл продемонстрировал первый лазер, работающий на диодах из арсенида галлия, который производил волну длину 850 нм.
Рубиновый лазер Меймена (или Гульда – существует противоречие в научных кругах относительно того, кто из этих двух ученых первым изобрел рубиновый лазер) был не только первым успешно работающим оптическим лазером, но и первым легким лазером. Этот лазер работал на рубиновом пруте, концы которого были покрыты серебром и помещены внутрь колбы. Конструкция первого рубинового лазера была несовершенна и была способна к продуцированию импульсов на 3-х энергетических уровнях переходов. Впоследствии она была усовершенствована Стивенсоном и Сорокиным, с добавлением еще одного уровня.
Гелий-неоновый газовый лазер стал первым лазером, который преобразовывал электроэнергию в оптическую светоотдачу. Газовый лазер Холла стал одним из наиболее важных событий в истории развития лазеров, он до сих пор повсеместно используется во многих электронных приборах и коммуникационных системах, и после изобретения в течение 20 лет был доминирующим типом лазера. Другим одним из первых газовых лазеров был лазер Кумара Пателя или лазер на углекислом газе, который был изобретен в 1964 году Кумаром Палетем. Изначально ученый работал с углекислым газом, который он смешивал с азотом, гелием и водой, чтобы получить те или иные свойства лазера.

Последующее развитие лазеров

С середины 1960-ых годов ученые во всем мире стали уделять значительное время развитию новых видов лазеров. В частности, были разработаны лазерные установки, которые использовали химические реакции вместо электрического тока, чтобы произвести излучающий когерентный свет, использовали быстрое охлаждение посредством расширения, чтобы заставить материал пройти через стадию физического и\или химического возбуждения, использовали красители как активную среду лазера, чтобы настроить более широкий диапазон длин волны и т.д.
Полезность лазеров вскоре после их открытия стала очевидной, и многие ученые концентрировались на создании лазеров, применимых в промышленности или повседневной жизни. Первым применением ларов вне сферы научных исследований было использовать лазеры как замену менее эффективных источников света, т.е. дуговых ксеноновых ламп в фототехнике и ртутных дуг в интерферометрах.
В течение 1970-1980-ых годов лазерные установки были усовершенствованы, в частности, были созданы условия для управления шириной и спектром луча, улучшены показатели продолжительности импульса и т.д. Холодная война между Западным миром и странами Варшавского договора привело к разработкам лазерных установок для военных нужд, что также дало толчок для развития высокотехничных показателей лазеров и их использования в военно-технической сфере.
В последующие периоды коммуникации стали главной сферой применения лазерных установок. Например, при помощи лазеров стала быстро развиваться сфере телефонии, ускорилась передача как телефонных, так и телевизионных сигналов. Лазеры в настоящее время повсеместно используются в сфере научных исследований, от химии и физики, до таких серьезных и малоизученных сфер, как астрофизика и спектроскопия.

В 1902 году французский химик Жорж Клод изобрел, а в 1910 году показал публике неоновую лампу. Через пару лет какой–нибудь любознательный умелец уже вполне мог бы приделать к ней боковые зеркала и при большом везении методом проб и ошибок изготовить примитивный лазер. Тогда история техники могла бы сложиться иначе.

Но мысль исследовать газовые разряды ради наблюдения вынужденного излучения в те времена никому не пришла в голову — ведь ученые даже не подозревали о его существовании.

Первые эксперименты

Работы теоретиков не остались незамеченными. В 1928 году Рудольф Ладенбург, директор отдела атомной физики Института физической химии и электрохимии Общества кайзера Вильгельма, и его ученик Ганс Копферманн экспериментально наблюдали инверсию населенностей, причем именно в опытах с неоновыми трубками. Но вынужденное излучение было очень слабым, и различить его на фоне спонтанного излучения было сложно. До лазера оставался лишь шаг: чтобы усилить вынужденное излучение, в среду необходимо ввести положительную обратную связь, то есть поместить ее в резонатор. Но для этой идеи время еще не настало.

Мало кто занимался усилением оптических сигналов с помощью вынужденного излучения и в 1930-е годы. Наиболее серьезной работой по этой теме была докторская диссертация москвича Валентина Фабриканта, опубликованная в 1940 году. В 1951 году В.А. Фабрикант, Ф.А. Бутаева и М.М. Вудинский подали заявку на изобретение нового метода усиления электромагнитного излучения, основанного на использовании среды с инверсией населенностей. К сожалению, эта работа была опубликована лишь через 8 лет и мало кем замечена, а попытки построить действующий оптический усилитель оказались бесплодными — опять-таки из-за отсутствия резонатора. В 1957 году Фабрикант и Бутаева даже наблюдали квантовое усиление световых волн в опытах с пропусканием электрических разрядов через ртутные пары, однако это так и осталось их личным достижением.

Путь к созданию лазера был найден не оптиками, а радиофизиками, которые издавна умели строить генераторы и усилители электромагнитных колебаний, использующие резонаторы и обратную связь. Им-то и было суждено сконструировать первые квантовые генераторы когерентного излучения, только не светового, а микроволнового.

Мазеры

Возможность создания такого генератора первым осознал профессор физики Колумбийского университета Чарльз Таунс. Эта мысль осенила его весной 1951 года во время прогулки по Франклин-скверу в центре Вашингтона. (Кстати, этому небольшому парку самой судьбой было предназначено войти в историю физической оптики. Именно там 3 июня 1880 года изобретатель телефона Александр Белл впервые испытал устройство, которое он считал своим главным изобретением. Прибор, который Белл назвал фотофоном, передавал звук не по проводам, а по световому лучу. Сегодня белловский фотофон считают предтечей опто-волоконных систем связи.)

Таунс понял, что можно построить микроволновой генератор с помощью пучка молекул, имеющих несколько уровней энергии. Для этого их нужно разделить электростатическими полями и загнать пучок возбужденных молекул в металлическую полость, где они перейдут на нижний уровень, излучая электромагнитные волны. Чтобы эта полость работала как резонатор, ее линейные размеры должны равняться длине излучаемых волн. Таунс поделился этой мыслью с аспирантом Джеймсом Гордоном и научным сотрудником Гербертом Цайгером. На роль среды они избрали аммиак, молекулы которого при переходе с возбужденного колебательного уровня на основной испускают волны длиной 12,6 мм. Изготовить высококачественный объемный резонатор такой величины было не слишком просто, но все же возможно. В апреле 1954-го Таунс и Гордон (Цайгер тогда уже ушел из университета) запустили первый в мире микроволновой квантовый генератор. Этот прибор Таунс назвал мазером (MASER — Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation).

От микроволн к свету

Не будет преувеличением сказать, что в середине 1950-х годов призрак оптического (в отличие от микроволнового) квантового генератора маячил в головах многих физиков — слишком многих, чтобы рассказать обо всех. Фактически не была решена лишь задача усиления вынужденного излучения с помощью положительной обратной связи. Поскольку длины световых волн измеряют десятыми долями микрона, изготовление объемного резонатора таких размеров было делом нереальным. Вероятно, возможность генерации света с помощью макроскопических открытых зеркальных резонаторов первым осознал американский физик Роберт Дике, который в мае 1956 года оформил эту идею в патентной заявке. В сентябре 1957 года Таунс набросал в записной книжке план создания такого генератора и назвал его оптическим мазером. Через год Таунс со своим старым другом и шурином Артуром Шавловым и независимо от них Прохоров выступили со статьями, содержащими теоретические обоснования этого метода генерации когерентного света.

Лазеры

Научная ценность и практическая польза лазеров были настолько очевидны, что ими сразу занялись тысячи ученых и инженеров из разных стран. В 1961 году заработал первый лазер на неодимовом стекле, в течение пяти лет были разработаны полупроводниковые лазерные диоды, лазеры на органических красителях, химические лазеры, лазеры на двуокиси углерода. В 1963 году Жорес Алферов и Герберт Кремер независимо друг от друга разработали теорию полупроводниковых гетероструктур, на основе которых позднее были созданы многие лазеры (за эту работу они 6 лет назад получили Нобелевскую премию). К настоящему времени трудно найти такую область науки и техники, где бы не применялись лазеры. Даже простое перечисление различных модификаций лазеров занимает несколько страниц печатного текста. Это, безусловно, одно из важнейших изобретений XX века навсегда изменило нашу жизнь.

Лазер - полезнейшее изобретение, нашедшее применение во многих сферах жизни. Чтобы понять, как оно покорило мир, проследим историю появления лазеров, рассмотрим их виды, а также попытаемся спрогнозировать, по какому из направлений эта технология будет развиваться в дальнейшем.

Тем не менее лазеры — это уже давно не фантастика, а рабочий инструмент во многих областях современной науки. Эти устройства, будучи очень функциональными, окружают современного человека в повседневной жизни.

Как расшифровывается?

Попросту говоря, лазер производит поток света, обладающий чрезвычайной концентрацией.

Кто изобрел лазер?

Первые открытия, подарившие человечеству лазер, были сделаны еще на заре XX века.

Эйнштейн

Майман

Реализовать эту идею на практике удалось только в 60-е годы двадцатого века. Самый первый лазер создал калифорнийский физик Теодор Майман 16 мая 1960 года. В работе этого лазера использовались кристалл рубина и резонатор Фабри — Перо. Лампа-вспышка являлась источником накачки. Работа лазера была импульсной, волна имела длину 694,3 нм.

Басов, Прохоров и Таунс

В 1952 году академики из СССР Николай Басов и Александр Прохоров рассказали всему миру, что возможно создание микроволнового лазера, работающего на аммиаке. Эта же идея параллельно и независимо развивалась физиком из Америки Чарлзом Таунсом. Он создал и показал, как работает такой лазер, в 1954 году. Спустя десятилетие, в 1964 году, все трое удостоились за эти достижения Нобелевской премии по физике.

Наши дни

Сегодня мы можем наблюдать очень интенсивное развитие лазеров. Практически ежегодно изобретаются новые их виды — химические, эксимерные, полупроводниковые, лазеры на свободных электронах.

ПРинцип работы лазера

Чтобы понять, как работает лазер, посмотрим на его структуру. Типичный лазер выглядит так: трубка, внутри которой размещен твердый кристалл, чаще всего рубин. С обоих торцов она закрыта зеркалами: прозрачным и не полностью прозрачным. Под воздействием электрической обмотки атомы кристалла генерируют световые волны. Эти волны перемещаются от одного зеркала к другому до того момента, пока не наберут интенсивность, достаточную для прохождения через не полностью прозрачное зеркало.

Как создается лазерный луч?

Электроны всех атомов (на картинке — черные точки на внутренних окружностях) занимают основной энергетический уровень.

Под действием энергии из разрядной трубки электроны перемещаются на более высокие энергетические орбиты (на картинке — внешние окружности).

Электроны начинают покидать высокие энергетические орбиты и спускаться к основному уровню. При этом они начинают испускать свет и побуждают к этому остальные электроны. Образуется общий результирующий пучок света с одинаковой длиной волны у каждого источника. Чем больше новых электронов вернется к низким орбитам, тем мощнее свет лазера.

Резкость фокусировки

Длина световой волны в лазерном пучке только одна, следовательно, и цвет также один. Этот свет четко фокусируется линзой почти что полностью в одной точке.

(См. рисунок: слева — свет лазера, справа — естественный свет). Если сравнить свет лазера с естественным светом, то будет видно, что последний не способен иметь настолько резкий фокус. Благодаря концентрации в узком луче огромной энергии лазер способен передать этот луч на гигантские расстояния, избегая рассеяния и ослабления, присущих многоцветному свету — естественному. Эти качества лазера превращают его в незаменимый инструмент для человека.

Физическое обоснование

Разберем вышеописанный механизм работы лазера подробнее. Выясним, какие именно физические законы делают возможным его функционирование.

Активная среда

Энергетические уровни атомов

Важный момент: состав активной среды таков, что у каждого ее атома есть как минимум три энергетических уровня. В спокойном состоянии атомы активной среды располагаются на низшем энергетическом уровне Е0. Как только включается лампа, атомы поглощают энергию ее света, поднимаются на уровень Е1 и довольно долго пребывают в таким возбужденном состоянии. Именно это и обеспечивает лазерный импульс.

Инверсная заселенность

Инверсная заселенность — фундаментальное физическое понятие. Это такое состояние среды, когда число частиц на каком-то верхнем энергетическом уровне атома (любом из существующих) больше, чем на нижнем. Собственно, активной и называется та среда, в которой уровни являются инверсно заселенными.

Фотоны и световой пучок

Электроны атома не располагаются хаотично. Они занимают определенные орбиты, окружающие ядро. Атом, получающий квант энергии, с огромной вероятностью переходит в состояние возбуждения, характеризующееся сменой орбиты электронами — с самой низкой (метастабильной или основной) на обладающую более высоким уровнем энергии. На такой орбите длительное нахождение электронов невозможно, поэтому происходит их самопроизвольное возвращение к основному уровню. В момент возвращения каждый электрон испускает волну света, называемую фотоном. Одним атомом запускается цепная реакция, и электроны многих других атомов также перемещаются на орбиты с более низкой энергией. Одинаковые световые волны движутся огромным потоком. Изменения этих волн согласованы во времени и в результате формируют общий мощный световой пучок. Этот пучок света и зовется лазерным лучом. Мощность луча у каких-то лазеров настолько огромна, что им можно разрезать камень или металл.

Классификация лазеров

Существует несколько видов лазера, отличающихся друг от друга по принципу агрегатного состояния активной среды и по способу ее возбуждения. Перечислим основные.

Твердотельные лазеры

С этих лазеров все начиналось. Активная среда в них была твердой и состояла из кристаллов рубина и небольшого количества ионов хрома. Накачка осуществлялась при помощи импульсной лампы. Самый первый рубиновый лазер собрал американец Т. Майман в 1960 году. Твердотельные лазеры также изготавливают из стекла с примесью неодима Nd, алюмоиттриевого граната Y2Al5O12 с примесью хрома и неодима — все это также вещества для активной среды твердотельного лазера.

Газовые лазеры

В газовых лазерах активная среда формируется из газов с очень низким давлением или из их смесей. Газы заполняют стеклянную трубку, в которую впаяны электроды. Американцы А. Джаван, У. Беннетт и Д. Эрриот стали первыми создателями газового лазера в 1960 году. В качестве накачки такого лазера обычно применяют разряд электричества, производимый генератором высоких частот. Излучение газового лазера отличается своей непрерывностью. Плотность газов невысока, так что требуется довольно длинный стержень активной среды. Интенсивность излучения обеспечивается в этом случае за счет массы активного вещества.

Газодинамические, химические и эксимерные лазеры

По большому счету эти три вида можно классифицировать как газовые лазеры.

Газодинамический лазер по принципу работы схож с реактивным двигателем. В нем по сути происходит сгорание топлива, в которое добавлены частицы газов активной среды. В процессе сгорания молекулы газов приходят в возбуждение, а потом, будучи охлажденными сверхзвуковым течением, испускают мощнейшее когерентное излучение, тем самым отдавая энергию.
В химическом лазере импульс излучения появляется в результате химической реакции. В самом мощном лазере этого типа работает атомарный фтор в реакции с водородом.
Работу эксимерных лазеров обеспечивают особые молекулы, которые всегда находятся в возбужденном состоянии.

Жидкостные лазеры

Первые жидкостные лазеры появились почти тогда же, когда и твердотельные — в 60-х годах XX века. Для создания активной среды в них используются разнообразные растворы органических соединений. Плотность такого вещества выше, чем у газа, хотя и ниже, чем у твердых тел. Поэтому такие лазеры способны генерировать достаточно сильное излучение (до 20 Вт), при том что объем их активного вещества сравнительно невелик. Работать они могут и в импульсном, и в непрерывном режимах. В качестве накачки используются импульсные лампы и другие лазеры.

Полупроводниковые лазеры

В 1962 году появились и первые полупроводниковые лазеры — в результате параллельной работы нескольких ученых из США: Р. Холла, М.И. Нейтена, Т. Квиста и их групп. Теоретически работа этого лазера была обоснована ранее, в 1958 году, русским физиком Н.Г. Басовым.

В полупроводниковом лазере в качестве активной среды используется кристалл-полупроводник, например арсенид галлия GaAs. Поэтому на первый взгляд его можно было бы отнести к твердотельным лазерам. Однако он принципиально отличается тем, что излучательные переходы в нем происходят не между энергетическими уровнями атомов, а между энергетическими зонами или подзонами кристалла.

Накачка такого лазера производится постоянным электрическим током. Грани кристалла-полупроводника тщательно полируются, и из них получается отличный резонатор.

Лазеры в природе

В нашей Вселенной учеными были найдены лазеры с естественным происхождением. Существуют гигантские межзвездные облака, созданные конденсированными газами. В них инверсная заселенность образуется естественным образом. Свет ближних звезд или другие излучения в космосе выполняют роль накачки, а газовые облака сами по себе являются превосходной активной средой протяженностью в несколько сотен миллионов километров. Возникает естественный астрофизический лазер, который не нуждается в резонаторе, — вынужденное электромагнитное излучение образуется в них самопроизвольно, как только проходит волна света.

Свойства лазерного излучения

Свет от лазера имеет особенные и очень ценные свойства, выгодно отличающие его от света обычных, тепловых источников.

Излучение лазера когерентно и практически полностью монохроматично. Ранее подобные свойства были лишь у радиоволн от хорошо стабилизированных передатчиков.
Распространение вынужденного излучения происходит только вдоль оси резонатора. В связи с этим расширение лазерного луча очень слабое, имеет почти незаметную расходимость (несколько угловых секунд).
Благодаря вышеназванным свойствам лазерный луч способен фокусироваться в точку невероятно маленького размера. Энергия в точке его фокуса имеет огромную плотность.
По причине монохроматичности излучения и чрезвычайной плотности энергии, лазерное излучение может достигать очень высоких температур. К примеру, температура излучения импульсного лазера мощностью порядка петаватта (10 15 Вт) составляет более 100 миллионов градусов.

Применение лазеров

Свойства лазерного излучения уникальны. Это превратило лазеры в незаменимый для самых различных областей науки и техники инструмент. Кроме этого, лазеры широко используются в медицине, в быту, в индустрии развлечений, в сфере транспорта.

Технологические лазеры

Лазерная связь

Появившиеся лазеры вывели на принципиально новый уровень технику связи и записи информации.

Радиосвязь, развиваясь, постепенно переходила на все более короткие длины волн, поскольку было доказано, что высокие частоты (с наименьшей длиной волны) предоставляют каналу связи наибольшую пропускную способность. Настоящим прорывом стало понимание того, что свет — это такая же электромагнитная волна, просто короче во множество десятков тысяч раз. Следовательно, через лазерный луч возможно передавать объем информации, в десятки тысяч раз превосходящий объем, передаваемый высокочастотными радиоканалами. В результате этого были усовершенствованы различные виды связи по всему миру.

Также при помощи луча лазера записываются и воспроизводятся компакт-диски со звуками — музыкой, и изображениями — фото и фильмами. Индустрия звукозаписи, получив такой инструмент, сделала гигантский шаг вперед.

Применение лазеров в медицине

Лазерные технологии широко применяются как в хирургии, так и в терапевтических целях.

Современные научные исследования

Поскольку энергия лазера имеет высокую плотность, а излучение — огромную температуру, становятся возможными исследования веществ в таком экстремальном состоянии, в каком они существуют в раскаленных звездных глубинах.
Современные ученые ставят перед собой цель создать термоядерную реакцию. Для этого лазерными лучами необходимо сжимать ампулу со смесью дейтерия с тритием (так называемый термоядерный синтез).
Лазер незаменим в генной инженерии и нанотехнологиях (которые работают с объектами размером порядка миллионной доли миллиметра — 10 –9 м). При помощи лучей лазера преодолеваются масштабные ограничения — разрезаются, передвигаются и соединяются между собой невидимые для глаза составляющие части генов, биологических молекул и нанотехнологические детали.
Лазерные локаторы — лидары, используются для исследований свойств атмосферы.

Военные лазеры

В военных целях спектр применения лазеров очень велик. Например, их используют в разведке — для поиска целей и связи. Но все же в первую очередь при помощи лазеров изобретают и изготавливают новейшие виды оружия. Лучи химических или эксимерных лазеров наземного или орбитального базирования обладают колоссальной мощностью. Они способны без особых усилий уничтожать или выводить из строя вражеские боевые спутники и самолеты во время военных действий. Уже сегодня ведутся разработки и существуют примеры лазерных пистолетов, которыми планируется вооружать экипажи военных орбитальных станций. И это не сюжет фантастического фильма, а новейшие научные разработки!

Лазеры в индустрии развлечений

Лазеры нашли широкое применение в индустрии развлечений. Многие знакомы с лазерным шоу: такие представления часто сопровождают фестивали, концерты, праздничные мероприятия. Лазерное шоу может быть создано как внутри помещения, так и на свежем воздухе. Организатор способен выбрать оборудование под свои задачи и проецировать изображение любой сложности в любом цветовом диапазоне.

Так, одним из самых ярких и масштабных событий, которое сопровождалось лазерным шоу, стал концерт знаменитого музыканта Jean-Michel Jarre на Воробьевых горах в 1995 году. Он был приглашен Юрием Лужковым по случаю празднования 850-летия Москвы.

Музыкант выступал перед зданием МГУ, во время мероприятия на фасад университета проецировались фрагменты истории города.

Но в наше время лазерным шоу никого не удивишь. В Нью-Йорке в ноябре 2012-го появилась кратковременная лазерная установка с названием Global Rainbows — 35-километровым лазерным лучом в небо. Установка представляла собой

Еще одним интересным примером применения лазера в индустрии развлечений стал лазерный костюм для вечеринок, разработанный тайваньским дизайнером по имени Wei-Chieh Shih. Одежда представляет собой лазерную установку и способна освещать все вокруг красным светом, генерируя лучи, направленные в разные стороны.

Лазеры в сфере транспорта

Лазеры могут быть полезны и в сфере транспорта. Так, например, в Нидерландах планируют внедрить установку лазерных излучателей на локомотивах поездов: это позволит убирать мусор и опавшие листья с путей прямо во время движения. Ведь все посторонние предметы, прилипшие к колесам, увеличивают тормозной путь и повышают риск катастрофы.

Еще один схожий способ применения лазера предложили создатели инновационной системы уличной безопасности Guardian. Смысл разработки — в установке специальных излучателей на столбах возле светофоров. Когда горит красный свет для пешеходов, проход закрыт лазерным лучом. Как только загорается зеленый, красный свет закрывает путь автомобилистам. Система направлена на повышение безопасности на дорогах: она работает как сдерживающий психологический фактор.

Лазерные гаджеты

Лазер встроен в некоторые современные гаджеты. Так, например, устройство Magic Cube способно проецировать виртуальную клавиатуру на рабочий стол или другую поверхность. Гаджет ориентирован на пользователей планшетов и смартфонов.

Применение лазеров в спорте

Интересное применение лазера придумала компания Nike. Разработка представляет собой мобильную установку, которая может проецировать поля для игры в футбол при помощи лазерных лучей. Площадку можно создать на любой ровной поверхности — как в городе, так и за его пределами.

Выводы

Поделитесь этим с друзьями!

Автор HiTecher с 2019 года, редактор, педагог. Имеет степень бакалавра с отличием по английской литературе, сертификат PGCE в квалификации преподавателя PCET. Живет в Саутгемптоне (Великобритания).

Читайте также: