Лазер – одно из важнейших изобретений ХХ века и по праву стоит в одном ряду с выдающимися достижениями науки и техники. Если на секундочку отбросить в сторону в технические сферы где используется лазер, то в голове всплывает, например, любое современно шоу, обычная дискотека в клубе, мега-вечеринка на открытом воздухе или лазертаг. Как же нынче без светомузыки в виде лучей лазера?
Как только более полвека назад появился первый лазер, сразу же началось бурное развитие лазерной техники. За короткий период времени было создано большое разнообразие типов лазеров и лазерных устройств, предназначенных для решения конкретных научных и технических задач. Лазеры завоевали прочные позиции во многих сферах жизни.
Итак, что такое лазер? Чем он полезен или интересен? «Лазер – это устройство, в котором, в энергия, например, тепловая, химическая, электрическая, преобразуется в энергию электромагнитного поля – лазерный луч», так отвечает на этот вопрос один из основоположников науки о лазерах – квантовой электроники - академик Н.Г.Басов. Пусть, при таком преобразовании часть энергии теряется, но важно то, что полученная в результате лазерная энергия обладает более высоким качеством, которое, в свою очередь, определяется её концентрацией и возможностью передачи на значительное расстояние. Достичь самых высоких значений напряжённости магнитного поля, температуры, давления удалось именно с помощью лазерного излучения. Ну и, конечно, нельзя не озвучить то, что именно лазерный луч самый ёмкий носитель информации, являясь принципиально новым средством её передачи и обработки. Широчайшее применение лазеров во многих отраслях, особенно в современной науке и технике, объясняется спецификой лазерного излучения. Лазер – генератор когерентного света и в отличие от других источников света, вроде обычных лампочек накаливания, лазер даёт оптическое излучение, которое характеризуется высокой степенью упорядоченности светового поля (высокой степенью когерентности). Лазерное излучение отличается высокой монохроматичностью и направленностью.
Откуда пошло такое слово «лазер?» Оно составлено из начальных букв в английском словосочетании Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, что переводя на русский язык значит: усиление света посредством вынужденного испускания. В самом термине «лазер» отражена та фундаментальная роль процессов вынужденного испускания, которую они играют в генераторах и усилителях когерентного света.
Устройство лазера
История лазера началась когда
А. Эйнштейн впервые ввёл понятие о вынужденном излучении, произошло это знаменательное событие в 1917 году (по некоторым данным годом ранее). Это первая ступенька по лестнице изобретения лазера. Спустя почти 20 лет, в 1938 году, советский физик
В.А.Фабрикант указал на возможность использования вынужденного испускания для усиления электромагнитного излучения при его прохождении через вещество. После окончания Великой Отечественной войны, Валентин Александрович на основе своих исследований подал заявку на изобретения способа усиления излучения при помощи вынужденного испускания. На данную заявку было выдано свидетельство, в котором в рубрике «Предмет изобретения» вписано следующее: «Способ усиления электромагнитных излучений (ультрафиолетового, видимого,
инфракрасного и
радиодиапазонов волн), отличающийся тем, что усиливаемое излучение пропускают через среду, в которой с помощью вспомогательного излучения или другим путем создают избыточную по сравнению с равновесной концентрацию атомов, других частиц или их систем на верхних энергетических уровнях, соответствующих возбужденным состояниям». Поначалу такой способ усиления излучения оказался реализованным в радиодиапазоне (точнее в
СВЧ).
Весной 1952 года на Общесоюзной конференции по радиоспектроскопии Н.Г.Басов и
А.М.Прохоров сделали доклад о принципиальной возможности создания усилителя излучения в СВЧ диапазоне, который они назвали «молекулярным генератором». Примерно в это же время в Колумбийском университете, что в США, физик
Ч.Таунс предложил использовать вынужденное испускание для усиления и генерирования миллиметровых волн. В 1954 году молекулярный генератор, названный мазером, стал реальностью. Примечательно, что мазер был создан независимо одновременно в двух точках Земли: в Физическом институте имена
П.Н.Лебедева Академии наук СССР (группой под руководством уже упомянутых выдающихся физиков Н.Г.Басова и А.М.Прохорова) и в Колумбийском университете в США (под руководством Ч.Таунса). В последствии от термина «мазер» и произошёл термин «лазер», виной тому замена буквы «M», от слова Microwave (микроволновой, т.е. СВЧ), на «L», от слова Light (свет). В основе работы мазера и лазера лежит принцип, сформулированный в 1951 году В.А.Фабрикантом. Появление мазера означало не просто появление чего-то нового: появилась целое направление в науке и технике. Сначала его именовали квантовой радиофизикой, а позднее – квантовой электроникой.
Лазерное шоу
В 1955 году Басов и Прохоров обосновали применение метода оптической накачки для создания инверсной заселённости уровней. Спустя два года В.А.Фабрикант и
Ф.А.Бутаева наблюдали эффект оптического квантового усиления в опытах с электрическим разрядом в смеси паров ртути и небольших количество водорода и гелия. Ещё спустя год А.М.Прохоров и независимо от него американские физики
А.Шавлов и Ч.Таунс пока ещё теоретически обосновали возможность применения явления вынужденного испускания в оптическом диапазоне. Они (как и американец
Р.Дикке) выдвинули идею применения в оптическом диапазоне не объёмных (как в СВЧ), а отрытых резонаторов. Отличие объёмных резонаторов от открытых заключается в конструкции: убраны боковые проводящие стенки и линейные размеры резонатора выбраны большими по сравнению с длиной волны излучения. В 1959 году выходит в свет работа Н.Г.Басова,
Б.М.Вула,
Ю.М.Попова с теоретическим обоснованием идеи полупроводниковых квантовых генераторов и анализом условий их создания. В 1960 году, когда в Москве запускают МКАД, появляется статья
О.Н.Крохина,
Н.Г.Басова, Ю.М.Попова, в которой с «головы до пят» были рассмотрены принципы создания и теория квантовых генераторов и усилителей в инфракрасном и видимом диапазонах. В конце статьи авторы повествуют: ”Отсутствие принципиальных ограничений позволяет надеяться на то, что в ближайшее время будут созданы генераторы и усилители в инфракрасном и оптическом диапазоне волн”.
Итак, довольно интенсивные теоретические и экспериментальные исследования и в СССР и США вплотную подвели
учёный люд в само конце 1950-х к созданию лазера. В начале 1960-х в двух журналах, посвящённых науке, появилось сообщение физика
Т.Маймана о том, что ему удалось получить на рубине генерацию излучения в оптическом диапазоне. Мир узнал о рождении первого «оптического мазера», лазера на рубине. Первый образец лазера выглядел очень скромно: небольшой рубиновый кубик (1 х 1 х 1 см), две противоположные грани которого обладали серебряным покрытием, облучался зелёным светом высокой мощности. В итоге, генерируемое излучение в виде красных световых импульсов испускалось через небольшое отверстие в одной из граней, покрытых серебром. В это же время американские физики
У.Беннетт, Д.Эрриот,
А. Джаван смогли получить генерацию оптического излучения в электрическом разряде в смеси гелия и неона. Так появился первый газовый лазер, появление которого было подготовлено исследованиями В.А.Фабриканта и Ф.А.Бутаевой, выполненными в середине 1950-х. Начиная с 1960 года лазеры разных типов, а именно: твердотельные или газовые, занимают прочное место в оптических лабораториях. Начинают осваиваться новые активные среды, разрабатываться и модернизироваться технология производства лазеров. СССР и США одновременно создают первые полупроводниковые лазеры. Начинается период лазерной оптики.
В 1964 году, спустя 10 лет после создания мазера, на церемонии, посвящённой вручению
Нобелевской премии, академик А.М.Прохоров заявил: «Казалось бы, что после создания мазеров в радиодиапазоне вскоре будут созданы квантовые генераторы в оптическом диапазоне. Однако этого не случилось. Они были созданы только через 5-6 лет. Чем это объясняется? Здесь были две трудности. Первая трудность заключалась в том, что тогда не были предложены резонаторы для оптического диапазона длин волн, и вторая – не были предложены конкретные системы и методы получения инверсной заселенности в оптическом диапазоне». Те 6 лет, которые упомянул Прохоров и были посвящены исследованиям, которые позволили, в конечном счёте, перейти от мазера к лазеру.
Лазеры успешно трудятся на современном производстве. С их помощью раскраивают ткани, режут листы металла, сваривают кузова авто, приваривают мельчайшие детали в различной аппаратуре, делают отверстия в хрупких и сверхтвёрдых материалах. Лазерная обработка материалов повышает эффективность и конкурентоспособность по сравнению с другими видами обработки. Лазер, конечно же, применяется в медицине: в руках хирурга лазерный луч становится скальпелем. Лазеры широко используются в современных контрольно-измерительных устройствах, системах локации/связи, вычислительных комплексах. Лазеры применяются в экологии: с их помощью люди могут быстро и надёжно контролировать загрязнённость водного пространства и атмосферы. В технике лазеры помогают выявлять наиболее нагруженные участки деталей различных механизмов и определять дефекты в них. Лазер применяется в строительстве, картографии, археологии, криминалистике. Постоянно расширяется область применения лазеров в научных исследованиях – биологических, физических, химических и др.
С годами появляются всё новые типы лазеров и одновременно совершенствуются старые: создаются лазерные установки с необходимыми для различных целей характеристиками, модернизируется измерительная техника. Всё вышеперечисленное и стало причиной проникновения лазеров в разные отрасли, в частности, в машиностроении и приборостроении.
Большая импульсная мощность и энергия излечения современных твердотельных и газовых лазеров позволили вплотную подойти к решению проблем лазерной энергетики – управляемого термоядерного синтеза, разделения изотопов, разработке лазерного оружия для систем ПВО или лучевой передачи энергии, включая космические объекты.
Освоение лазерных технологий серьёзно повышает эффективность современного производства. Данные технологии позволяют осуществлять наиболее полную автоматизацию производственных процессов, тем самым экономится сырьё, рабочее время, повышается качество продукции. К примеру: почти мгновенная пробивка отверстий лазерным излучением во много раз увеличивает производительность работы сверловщика и, конечно же, повышает качество этой работы. Изготовление лазером
микросхем тоже повышает производительность и отличается высоким качеством.
Сегодня особенно видны достижения лазерной техники сегодняшнего дня. Они поистине впечатляют, а ведь завтрашний день может дать куда более грандиозные свершения. С лазерами связывают большие надежды: например, в создании объёмного кино, установление сверхдальней наземной и подводной оптической связи, осуществление управляемой термоядерной реакции,
фотосинтез, появление систем с большим объёмом
памяти и, собственно ради чего эта статья здесь – быстродействующими
устройствами ввода-вывода информации.
© kool
В начало
