|
Arabic
Bengali
Chinese
English
French
German
Hebrew
Hindi
Italian
Japanese
Korean
Malay
Polish
Portuguese
Spanish
Turkish
Ukrainian
Vietnamese
ІСТОРІЯ ТЕХНІКИ, ТЕХНОЛОГІЇ, ПРЕДМЕТІВ НАВКОЛО НАС
Лазер. Історія винаходу та виробництва
Довідник / Історія техніки, технології, предметів довкола нас Лазер (англ. laser, акронім від light amplification by stimulated emission of radiation "посилення світла у вигляді вимушеного випромінювання"), чи оптичний квантовий генератор - це пристрій, що перетворює енергію накачування (світлову, електричну, теплову, хімічну та інших.) в енергію когерентного , монохроматичного, поляризованого та вузьконаправленого потоку випромінювання Фізичною основою роботи лазера є квантовомеханічне явище вимушеного (індукованого) випромінювання. Випромінювання лазера може бути безперервним, з постійною потужністю, або імпульсним, що досягає гранично великих пікових потужностей. У деяких схемах робочий елемент лазера використовується як оптичний підсилювач для випромінювання від іншого джерела. Існує велика кількість видів лазерів, що використовують як робоче середовище всі агрегатні стани речовини. Деякі типи лазерів, наприклад лазери на розчинах барвників або твердотільні поліхроматичні лазери, можуть генерувати цілий набір частот (мод оптичного резонатора) в широкому спектральному діапазоні. Габарити лазерів відрізняються від мікроскопічних для низки напівпровідникових лазерів до розмірів футбольного поля для деяких лазерів на неодимовому склі. Унікальні властивості випромінювання лазерів дозволили використовувати їх у різних галузях науки і техніки, а також у побуті, починаючи з читання та запису компакт-дисків та закінчуючи дослідженнями в галузі керованого термоядерного синтезу.
Незважаючи на порівняно простий пристрій лазера, процеси, що лежать в основі його роботи, надзвичайно складні і не пояснюються з точки зору класичних законів фізики. З часів Максвелла і Герца у науці утвердилося уявлення, що електромагнітне і, зокрема, світлове випромінювання має хвильову природу. Ця теорія добре пояснювала більшість оптичних і фізичних явищ, що спостерігаються. Але вже наприкінці XIX століття було отримано деякі експериментальні дані, які не підходили під цю теорію. Наприклад, абсолютно незрозумілим з погляду класичних уявлень про хвильову природу світла виявлялося явище фотоефекту. В 1900 відомий німецький фізик Макс Планк, намагаючись пояснити природу цих відхилень, зробив припущення, що випромінювання електромагнітного випромінювання і, зокрема, світла відбувається не безперервно, а окремими мікроскопічними порціями. У 1905 році Ейнштейн, розробляючи теорію фотоефекту, підкріпив ідею Планка і переконливо показав, що електромагнітне випромінювання справді випускається порціями (ці порції стали називати квантами), причому надалі, у процесі поширення, кожна порція зберігає свою "індивідуальність", не дробиться складається з іншими, так що поглинути її можна тільки всю. З цього опису виходило, що кванти у багатьох випадках поводяться не як хвилі, бо як частинки. Але при цьому вони не перестають бути хвилями (наприклад, квант не має маси спокою і існує лише рухаючись зі швидкістю 300000 XNUMX км/с), тобто їм властивий певний дуалізм. Квантова теорія дозволила пояснити багато раніше незрозумілих явищ і, зокрема, природу взаємодії випромінювання з речовиною. Візьмемо простий приклад: чому тіло при нагріванні випромінює світло? Нагріваючи, скажімо, на газовому пальнику цвях, ми помітимо, що спочатку він набуває малинового кольору, потім стане червоним. Якщо продовжувати нагрівання, то червоний колір переходить у жовтий і потім сліпучо білий. Таким чином, цвях починає випромінювати не тільки інфрачервоні (теплові), але й видимі промені. Причина цього явища така. Усі тіла (і навіть наш цвях) складаються з молекул, а молекули складаються з атомів. Кожен атом є невеликим дуже щільним ядром, навколо якого обертається більша або менша кількість електронів. Ці електрони рухаються навколо ядра не абияк, але кожен з них знаходиться на своєму точно встановленому рівні; відповідно одні рівні розташовуються ближче до ядра, інші далі від нього. Ці рівні називаються енергетичними, тому що кожен з розташованих на них електронів має свою певну, властиву тільки цьому рівню, енергію. Поки електрон перебуває на своєму стаціонарному рівні, він рухається, не випромінюючи енергії. Такий стан атома може продовжуватися як завгодно довго. Але якщо атому повідомляється ззовні певну кількість енергії (як це відбувається при нагріванні цвяха), атом "збуджується". Суть цього збудження полягає в тому, що електрони поглинають кванти випромінювання, що пронизує речовину (у нашому прикладі інфрачервоне теплове випромінювання газового пальника), набувають їхньої енергії і завдяки цьому переходять на вищі енергетичні рівні. Однак на цих вищих рівнях електрони можуть бути лише дуже незначний час (тисячні і навіть мільйонні частки секунди). Після закінчення цього часу кожен електрон знову повертається на свій стаціонарний рівень і при цьому випускає квант енергії (або, що те саме, хвилю певної довжини). Серед цих хвиль деякі припадають на видимий діапазон (ці кванти видимого світла називаються фотонами; випромінювання фотонів збудженими атомами ми спостерігаємо як свічення нагрітого цвяха). У нашому прикладі із цвяхом процес поглинання та випромінювання квантів протікає хаотично. У складному атомі спостерігається велика кількість переходів електронів з верхніх рівнів на нижні, і при кожному відбувається випромінювання зі своєю частотою. Тому випромінювання йде відразу в декількох спектрах і в різних напрямках, причому одні атоми випромінюють фотони, інші поглинають їх. Так само відбувається випускання квантів будь-яким нагрітим тілом. Кожне з цих тіл (чи Сонце, дугове зварювання або нитка лампи розжарювання) випускає одночасно безліч хвиль різної довжини (або, що те ж саме, квантів різної енергії). Саме тому, якою б досконалою лінзою або іншою оптичною системою ми не володіли, нам ніколи не вдасться сфокусувати випромінювання, що випускається нагрітим тілом, в строго паралельний пучок - він завжди буде розходитися під деяким кутом. Це і зрозуміло - адже кожна хвиля переломлюватиметься в лінзі під власним кутом; отже, за жодних умов ми зможемо домогтися їх паралельності. Однак вже основоположники квантової теорії розглянули й іншу можливість випромінювання, яка не має місця в природних умовах, але може бути змодельована людиною. Справді, якби вдалося порушити всі електрони речовини, що належать до одного певного енергетичного рівня, а потім змусити їх разом випустити кванти в одному напрямку, то можна було б отримати надзвичайно потужний і одночасно однорідний імпульс випромінювання. При фокусуванні такого пучка (оскільки всі хвилі, його складові, мають ту саму довжину) можна було б досягти майже ідеальної паралельності променя. Вперше про можливість такого, як він його назвав, стимульованого випромінювання написав у 1917 році Ейнштейн у роботах "Випускання та поглинання випромінювання за квантовою теорією" та "До квантової теорії випромінювання". Стимульоване випромінювання може бути, зокрема, досягнуто в такий спосіб. Уявімо тіло, електрони якого вже "перезбуджені" і знаходяться на верхніх енергетичних рівнях, і припустимо, що їх опромінюють новою порцією квантів. І тут відбувається процес, що нагадує лавину. Електрони вже "перенасичені" енергією. Внаслідок додаткового опромінення вони зриваються з верхніх рівнів і переходять лавиноподібно на нижні, випускаючи кванти електромагнітної енергії. Причому напрям і фаза коливань цих квантів збігаються з напрямом і фазою хвилі, що падає. Відбудеться як би ефект резонансного посилення хвилі, коли енергія вихідної хвилі багаторазово перевищуватиме енергію тієї, що була на вході. Але як домогтися суворої паралельності випромінюваних фотонів? Виявляється, це можна зробити за допомогою дуже нескладного пристрою, яке називається відкритим дзеркальним резонатором. Він складається з активної речовини, поміщеної у трубці між двома дзеркалами: звичайної та напівпрозорої.
Фотони, що випускаються речовиною, потрапляючи на напівпрозоре дзеркало, частково проходять крізь нього. Інші відбиваються і летять у протилежному напрямку, потім відбиваються від лівого дзеркала (тепер уже всі) і знову досягають напівпрозорого дзеркала. При цьому потік фотонів після кожного проходу через збуджену речовину посилюється багаторазово. Посилюватиметься, втім, лише хвиля, яка переміщається перпендикулярно дзеркалам; решта, які падають на дзеркало хоча б з незначним відхиленням від перпендикуляра, не отримавши достатнього посилення, залишають активну речовину через його стінки. В результаті потік, що виходить, має дуже вузьку спрямованість. Саме такий принцип отримання стимульованого випромінювання є основою дії лазерів (саме слово лазер складено з перших букв англійського визначення light amplification by stimulated emission and radiation, що означає: посилення світла у вигляді стимульованого випромінювання). Створенню цього чудового устрою передувала довга історія. Цікаво, що винаходом лазера техніка завдячує фахівцям на перший погляд далеким як від оптики, так і від квантової електродинаміки, а саме - радіофізикам. Однак у цьому є своя глибока закономірність. Насамперед уже говорилося, що з початку 40-х років радіофізики всього світу працювали над освоєнням сантиметрового та міліметрового діапазону хвиль, оскільки це дозволяло значно спростити та зменшити апаратуру, особливо антенні системи. Але незабаром виявилося, що колишні лампові генератори навряд чи можна пристосувати до роботи у нових умовах. З їх допомогою важко вдавалося генерувати хвилі в 1 мм (при цьому частота електромагнітних коливань у цих генераторах досягала декількох мільярдів за одну секунду), але створення генераторів для ще більш коротких хвиль виявилося неможливим. Необхідний був новий метод генерації електромагнітних хвиль. Саме в цей час радянські радіофізики Олександр Прохоров та Микола Басов зайнялися вивченням дуже цікавої проблеми – поглинанням радіохвиль газами. Ще під час війни було виявлено, що хвилі деякої довжини, випущені радаром, не відбиваються, як інші, від навколишніх предметів і не дають "відлуння". Наприклад, пучок хвилі довжиною 1 см ніби розчинявся у просторі - виявилося, що хвилі цієї довжини активно поглинаються молекулами водяної пари. Пізніше з'ясувалося, що кожен газ поглинає хвилі певної довжини таким чином, ніби його молекули якось налаштовані на нього. Від цих дослідів був лише крок до наступної ідеї: якщо атоми та молекули здатні поглинати хвилі певної довжини, значить, вони можуть і випромінювати їх, тобто виступати у ролі генератора. Так народилася думка створити газовий генератор випромінювання, у якому замість електронних ламп як джерела випромінювання використовувалися мільярди молекул особливим чином збудженого газу. Перспективи такої роботи здавалися дуже привабливими, оскільки виникала можливість освоїти для потреб радіотехніки не тільки діапазон мікрохвильових хвиль, а й набагато короткіших, наприклад, діапазон видимих хвиль (довжина хвиль видимого світла 0, 4-0, 76 мікрон, що відповідає частоті близько тисяч мільярдів коливань за секунду). Найважливіша проблема цьому шляху полягала у тому, як створити активне середовище. Як таку Басов і Прохоров вибрали аміак. Щоб забезпечити роботу генератора, необхідно було відокремити активні молекули газу, атоми яких перебували у збудженому стані, від незбуджених, атоми яких були орієнтовані на поглинання квантів. Схема установки, розроблена для цієї мети, являла собою посудину, в якій було створено вакуум. У цей посудину впускався тонкий пучок молекул аміаку. На їхньому шляху було встановлено конденсатор високої напруги. Молекули великих енергій вільно пролітали через його поле, а молекули малих енергій захоплювалися убік полем конденсатора. Так відбувається сортування молекул за енергіями. Активні молекули потрапляли в резонатор, влаштований так само, як описаний вище. Перший квантовий генератор було створено 1954 року. Він мав потужність всього в одну мільярдну вату, тож його роботу могли зареєструвати лише точні прилади. Але у разі набагато важливіше було те, що підтвердилася принципова правильність самої ідеї. Це була чудова перемога, що відкрила нову сторінку історії техніки. У ті ж дні в Колумбійському університеті група американського радіофізика Чарльза Таунса створила аналогічний прилад, який отримав назву "мазер". (1963 р. Басов, Прохоров і Таунс за своє фундаментальне відкриття отримали Нобелівську премію.) Квантовий генератор Басова - Прохорова і мазер Таунса ще були лазерами - вони генерували радіохвилі довжиною 1, 27 див, а лазери випускають електромагнітні хвилі видимого діапазону, які у десятки тисяч разів коротше. Однак принцип роботи обох приладів однаковий, тому творець лазера мав вирішити лише приватні завдання. По-перше, необхідно було знайти відповідну активну речовину, яка могла б переходити в збуджений стан, тому що не всяка речовина має таку властивість. По-друге, створити джерело збудження, тобто такий пристрій, який має здатність переводити активну речовину в збуджений стан за допомогою повідомлення додаткової енергії. По-третє, був потрібний відкритий резонатор для того, щоб змусити брати участь у збудженні всі збуджені частинки активної речовини, а також для того, щоб посилити тільки ті коливання, які поширюються вздовж поздовжньої осі активної речовини. По-четверте, було потрібне джерело живлення для того, щоб підживлювати енергією джерело збудження, інакше лазер не став би працювати. Вирішити всі ці проблеми можна різними способами. Роботи велися багатьма вченими одразу в кількох напрямках. Однак раніше за інших пощастило досягти заповітної мети американському фізику Теодору Мейману, який у 1960 році створив перший лазер на рубіновій основі.
Сутність роботи лазера на рубіні полягає в наступному. Енергія від джерела живлення перетворюється джерелом збудження в електромагнітне поле, яким опромінюється активна речовина. Внаслідок цього опромінення активна речовина переходить зі стану рівноваги у збуджений стан. Внутрішня енергія активної речовини значно зростає. Цей процес носить назву "накачування" або "підкачування" активної речовини, а джерело збудження називається джерелом "накачування" або "підкачування". Коли атоми активної речовини перейдуть у збуджений стан, достатньо одному електрону зірватися з якихось причин з верхнього рівня, щоб він почав випускати фотон світла, який, у свою чергу, скине кілька електронів з верхнього рівня, чим викличе лавиноподібне виділення енергії іншими збудженими електронами . Відкритий резонатор направить та посилить випромінювання активної речовини лише в одному напрямку. В якості активної речовини Мейман використовував штучний рубін (рубін є кристалічною речовиною, що складається з окису алюмінію, в якому частина атомів алюмінію заміщена атомами хрому, що особливо важливо, так як в поглинанні світла бере участь не весь матеріал, а тільки іони хрому). Генератор збудження складався з трьох блоків: випромінюючої голівки, блоку живлення та блоку запуску. Випромінювальна головка створювала умови для роботи активної речовини. Блок живлення забезпечував енергією заряд двох конденсаторів – основного та допоміжного. Головним призначенням блоку запуску було генерування імпульсу високої напруги та подача його на запускаючий електрод лампи-спалаху. Випромінювальна головка складалася з рубінового стрижня і двох П-подібних ламп-спалахів. Лампи були стандартні, наповнені ксеноном. З усіх боків лампи та рубіновий стрижень охоплювала алюмінієва фольга, яка відігравала роль рефлектора. Конденсатор накопичував і подавав імпульсну напругу близько 40 тисяч вольт, що викликало потужний спалах ламп. Спалах миттєво переводив атоми рубіну в збуджений стан. Для наступного імпульсу потрібна була нова зарядка конденсатора.
Це дуже простий пристрій викликав до себе величезний інтерес. Якщо суть відкриття Басова і Таунса була зрозумілою лише фахівцям, то лазер Меймана справляв величезне враження навіть на непосвячених. У присутності журналістів Мейман неодноразово вмикав свій прилад та демонстрував його роботу. При цьому з отвору в торці випромінювався промінь, товщиною не більше олівця. Майже не розширюючись, він упирався в стіну, закінчуючись сліпучою круглою цяткою. Втім, Мейман лише трохи випередив інших винахідників. Пройшло зовсім небагато часу, і повідомлення про створення нових типів лазерів почали надходити з усіх боків. Як активна речовина в лазерах крім рубіну можуть використовуватися і багато інших сполук, наприклад, фтористий стронцій з домішками, фтористий барій з домішками, скло і т.д. Їм може бути газ. У тому ж 1960 газовий лазер на гелій-неоновій основі створив Алі Джаван. Збуджений стан газової суміші досягався за рахунок сильного електричного поля та газових розрядів. Проте як твердотільні, і газові лазери мають дуже низький ККД. Їхня вихідна енергія не перевищує 1% від спожитої. Отже, решта 99% витрачається марно. Тому дуже важливим став винахід у 1962 році Басовим, Крохіним та Поповим напівпровідникового лазера.
Радянські фізики відкрили, що й на напівпровідники впливати електричним чи світловим імпульсом, частина електронів залишить свої атоми, і тут утворюються " дірки " , які грають роль позитивних зарядів. Одночасне повернення електронів на орбіти атомів можна як перехід із вищого енергетичного рівня більш низький, з допомогою чого відбувається випромінювання фотонів. ККД напівпровідникового лазера при збудженні електронним пучком може досягати 40%. Як активну речовину використовувався арсенід галію, що містить домішки n-типу. З цього матеріалу робилися заготівлі або у формі куба, або у формі паралелепіпеда - так званий напівпровідниковий діод. Пластинку діода припаювали до молібденової пелюстки, покритої золотом, щоб забезпечити електричний контакт з n-областю. На поверхню p-області було нанесено сплав золота зі сріблом. Торці діода грали роль резонатора, тому вони ретельно полірувались. Водночас у процесі полірування їх із високою точністю виставляли паралельно одне одному. Випромінювання виходило саме з цих сторін діода. Верхня і нижня сторони служили контактами, яких прикладалося напруга. На вхід пристрою подавалися імпульси. Лазери дуже швидко увійшли в життя людини і почали застосовуватися в багатьох галузях техніки та науки. Їхній промисловий випуск почався в 1965 році, коли тільки в Америці понад 460 компаній взялися за розробку та створення лазерних установок. Автор: Рижов К.В.
▪ Рубило
Машина для проріджування квітів у садах
02.05.2024 Удосконалений мікроскоп інфрачервоного діапазону
02.05.2024 Пастка для комах
01.05.2024
▪ Запрацювала перша у світі шахтна ГЕС ▪ Сітківка зі стовбурових клітин ▪ Альтернатива болезаспокійливим лікам
▪ розділ сайту Моделювання. Добірка статей ▪ стаття Найчистішої принади найчистіший зразок. Крилатий вислів ▪ стаття Що таке епідермофітія стопи? Детальна відповідь ▪ стаття Економіст з праці. Посадова інструкція ▪ стаття Автоматичний вимикач світла. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки ▪ стаття Вгадування карти на суперечку. Секрет фокусу
Головна сторінка | Бібліотека | Статті | Карта сайту | Відгуки про сайт
www.diagram.com.ua |
Рекомендуємо цікаві статті розділу 
Дивіться інші статті розділу 
Останні новини науки та техніки, новинки електроніки:
All languages of this page