Кто придумал лазер


Кто изобрел лазер? Факты и теоретическое обоснование

Главный вопрос, на который дается ответ сегодня: кто изобрел лазер? Также здесь приводится краткое теоретическое обоснование и причины для создания столь полезного устройства.

Применение лазера

Современная жизнь немыслима без маленьких пучков когерентного излучения, которые генерирует лазер. Его создание привело к революции, прежде всего, в информационной сфере. Раньше данные надо было наносить непосредственно на поверхность какого-то материала – бумаги, глины, камня. Теперь же любой текст, формула или таблица умещаются на очень маленьком кусочке оптического диска. Тому, кто изобрел лазер, мы обязаны современными методами передачи учебной и научной информации, общения, развлечений и путешествий. Запись и считывание букв и цифр теперь не требует непосредственного участия человеческого глаза, за людей это делает лазерный привод.

Непосредственно устройство используется и во множестве других видов деятельности:

  • для резки дерева, железа, пластика на производстве;
  • для сварки материалов между собой;
  • для нанесения символов и знаков на металлические детали;
  • для проведения хирургических операций.

Преимущества применения этой технологии неоспоримы. Расскажем, с какими теоретическими и практическими трудностями столкнулся изобретатель лазера.

Теоретические основы

В начале двадцатого века квантовая физика дала толчок к исследованию микромира. Например, к середине пятидесятых годов были известны конфигурации электронных облаков всех доступных химических элементов. Ученые умели рассчитать длину волны фотона, образованного любым переходом. Среди прочих больших открытий Эйнштейн предсказал явление вынужденного излучения: электрон находится в возбужденном состоянии, мимо пролетает соответствующий фотон и «заставляет» электрон переходить на более низкий уровень, даже если время его жизни на прежнем еще не закончилось. Особенностью такого явления стал удивительный факт: второй фотон будет идентичен первому. Получить поток одинаковых частиц было очень заманчиво. Но требовалось решить ряд практических задач.

Сказать однозначно, кто изобрел лазер, можно легко. Это был Теодор Харальд Майман, физик из Лос-Анджелеса. Он первым смог продемонстрировать работающий прототип на искусственном гранате. Однако до него другими учеными было сделано немало:

  1. А. Эйнштейн в 1916 году предсказал вынужденное излучение.
  2. П. Дирак в теории, разработанной в 1927-1930 годах, математически описал возможность вынужденного излучения.
  3. Р. Ланденбург и Г. Копферманн в 1928-м подтвердили существование вынужденного излучения экспериментально.
  4. В. Фабрикант и Ф. Бутаева в 1940 году предположили, что усилить вынужденное электромагнитное излучение поможет уровень с инверсной населенностью электронов.
  5. А. Кастлер в 1950-м предложил создавать инверсную населенность с помощью оптической накачки. За это он получил Нобелевскую премию.
  6. Н.Г. Басов, А.М. Прохоров, Ч. Таунс в 1954 году продемонстрировали генератор микроволн на аммиаке. Они добавили положительную обратную связь в виде резонатора. Это достижение также принесло ученым Нобелевскую премию.
  7. Т. Мейман в 1960-м наконец представил первое устройство на искусственном рубине, легированном хромом.

Таким образом, говорить, что тот, кто изобрел лазер в 1960 году, сделал это единолично, не совсем верно.

Технические помехи на пути изобретения

Согласно одному известному анекдоту, физики-теоретики расходуют очень мало оборудования. Им нужны только бумага, карандаш и ластик. Но предсказанные ими явления требуют подтверждения на практике. Часто это бывает очень сложно. Например, подтвердить наличие гравитационных волн смогли только в XXI веке, хотя Эйнштейн предположил их наличие еще в начале XX. Изобретатель лазера и его предшественники решали следующие технические задачи:

  1. Поиск материалов с инверсной заселенностью уровней.
  2. Отбор стабильно работающих источников для оптической накачки.
  3. Выращивание кристаллов с заданными оптическими свойствами для рабочего тела лазера.
  4. Нанесение на торцы кристалла напыления с заданным коэффициентом отражения для создания оптического резонатора.

На данный момент все эти задачи успешно решаются и не представляют для ученых каких-либо трудностей.

Лазер и космос

Как только все сложности остались позади, и устройства прочно вошли в повседневность, познания человечества о космосе расширились в десятки раз. Если вспомнить, в каком году изобрели лазер, то сразу станет понятно, почему с 1960-х так активно начала развиваться космическая программа многих стран. Помимо значительного уменьшения веса оборудования за счет полупроводниковых и лазерных приборов, спектральная чистота и когерентность генерируемых пучков помогли улучшить наши знания об окружающем Землю пространстве. Благодаря современным устройствам ученым теперь точно известен состав всех планет, астероидов и комет Солнечной системы. Также способы определения расстояния до звезд и галактик теперь намного точнее. А потенциальные возможности применения лазеров безграничны.

fb.ru

Что такое лазер? Принцип работы и применение. - Сайт для Всезнаек и Почемучек

Сложно в наше время найти человека, который никогда не слышал бы слова «лазер», однако чётко представляют, что это такое, весьма немногие. За полвека с момента изобретения лазеры разных видов нашли применение в широком спектре направлений, от медицины до цифровой техники. Так что же такое лазер, каков принцип его действия, и для чего он нужен?

Что такое лазер?

Возможность существования лазеров была предсказана Альбертом Эйнштейном, который ещё в 1917 году опубликовал работу, говорящую о возможности излучения электронами квантов света определённой длины. Это явление было названо вынужденным излучением, но долгое время оно считалось нереализуемым с технической точки зрения.

Однако с развитием технических и технологических возможностей создание лазера стало делом времени. В 1954 году советские учёные Н. Басов и А. Прохоров получили Нобелевскую премию за создание мазера – первого микроволнового генератора, работающего на аммиаке. А в 1960 году американец Т. Мейман изготовил первый квантовый генератор оптических лучей, названный им лазером (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Устройство преобразовывает энергию в оптическое излучение узкой направленности, т.е. световой луч, поток квантов света (фотонов) высокой концентрации.

Принцип функционирования лазера

Явление, на котором основана работа лазера, называется вынужденным, или индуцированным, излучением среды. Атомы определённого вещества могут испускать фотоны под действием других фотонов, при этом энергия воздействующего фотона должна быть равной разности между энергетическими уровнями атома до излучения и после него.

Излучённый фотон является когерентным тому, который вызвал излучение, т.е. в точности подобен первому фотону. В результате слабый поток света в среде усиливается, причём не хаотично, а в одном заданном направлении. Образуется луч вынужденного излучения, которое и получило название лазера.

Классификация лазеров

По мере исследования природы и свойств лазеров были открыты различные виды этих лучей. По виду состояния исходного вещества лазеры могут быть:

  • газовыми;
  • жидкостными;
  • твердотельными;
  • на свободных электронах.

В настоящее время разработано несколько способов получения лазерного луча:

  • при помощи электрического тлеющего либо дугового разряда в газовой среде – газоразрядные;
  • при помощи расширения горячего газа и создания инверсий населённости – газодинамические;
  • при помощи пропускания тока через полупроводник с возбуждением среды – диодные или инжекционные;
  • путём оптической накачки среды лампой-вспышкой, светодиодом, другим лазером и т. д.;
  • путём электронно-лучевой накачки среды;
  • ядерной накачкой при поступлении излучения из ядерного реактора;
  • при помощи особых химических реакций – химические лазеры.

Все они обладают своими особенностями и отличиями, благодаря которым находят применение в различных сферах промышленности.

Практическое использование лазеров

На сегодняшний день лазеры разных типов применяются в десятках отраслей промышленности, медицины, IT технологий и других сферах деятельности. С их помощью осуществляются:

  • резка и сварка металлов, пластмасс, других материалов;
  • нанесение изображений, надписей и маркировка поверхности изделий;
  • сверление сверхтонких отверстий, прецизионная обработка полупроводниковых кристаллических деталей;
  • формирование покрытий изделий напылением, наплавкой, поверхностным легированием и т.д.;
  • передача информационных пакетов при помощи стекловолокна;
  • выполнение хирургических операций и других лечебных воздействий;
  • косметологические процедуры омоложения кожи, удаления дефектных образований и др.;
  • наведение на цель различных видов вооружений, от стрелкового до ракетного оружия;
  • создание и использование голографических методов;
  • применение в различных научно-исследовательских работах;
  • измерение расстояний, координат, плотности рабочих сред, скорости потоков и многих других параметров;
  • запуск химических реакций для проведения различных технологических процессов.

Существует ещё немало направлений, в которых лазеры уже используются или найдут применение в самое ближайшее время.

www.vseznaika.org

Лазер

За прошедшие тысячелетия человек изобрел множество различных источников света, начиная от лучин и свечей до современных ламп дневного света и ламп накаливания. В 60-е годы ХХ-го столетия были обнаружены новые источники света — лазеры. Если прежние источники использовались в основном для освещения, то лазеры, источники оптического излучения, предназначены для сваривания, обработки и разрезания различных материалов (стекла, дерева, тканей, стальных листов и т.д.), выполнения хирургических операций, применяются в вычислительных комплексах и современных измерительных приборах.

Схема лазера предполагает наличие двух взаимно параллельных зеркал, образующих оптический резонатор. Одно из них является чуть прозрачным, сквозь него из резонатора проходит лазнрный луч. Между зеркалами помещают активный элемент, накачанный энергией от специального устройства накачки, для генерации лазерного излучения. Слово лазер составлено из начальных букв выражения, которое переводится с английского, как «усиление света в результате вынужденного излучения». Первый в мире лазер сконструировал физик Теодор Мейман в 1960 году. Однако рождение лазерной техники началось еще в 50-е годы. Так, в 1955 году советские ученые Н. Басов и А. Прохоров разработали квантовый генератор (усилитель микроволн индуцированным излучением, с использованием аммиака в качестве активной среды). На основании данного изобретения американские ученые Ч. Таунс и А. Шавлов принялись за создание разработки принципов лазера. В 1958 году А. Прохоров при конструировании лазера использовал резонатор Фабри-Перо, который состоял из двух параллельных зеркал, одно из них — полупрозрачное.

Рубиновый лазер Меймана содержал следующие компоненты: кварцевую трубку, кристалл рубина, два параллельных зеркала, а также источник питания. Рубин представлял кристалл оксида алюминия. Некоторые атомы алюминия заменили в нем атомами хрома, придающим рубину красный цвет. При этом синий и зеленый свет поглощается и только красный свет испускается и отражается. Чтобы изменить естественное кристаллическое состояние рубина, его поместили в цилиндр, вокруг которого Мейман завернул кварцевую трубку, которая обеспечивала вспышку белого света. При вспышке электроны в атомах хрома с помощью синих и зеленых волн попадают на высший энергетический уровень. Потом электроны возвращаются в нормальное состояние, испуская при этом рубиново-красный свет. На одной стороне кристалла Мейман закрепил полностью отражающее зеркало, с другой — отражающее. Зеркало отражало внутри кристалла некоторые красные длины волн фотонов взад-вперед, что являлось стимулом к возбуждению других атомов хрома и рождению нового количества фотонов. Между зеркалами нарастает фотонная лавина. Выходя из резонатора через частично отражающее зеркало, эта лавина и образует лазерный луч. Сегодняшние лазеры отличаются по размерам (малютки, гиганты), конструкции, внешнему виду. Разнообразие лазеров зависит от типов активных элементов (кристаллы, полупроводники, жидкие растворы красителей, газовые смеси), способов накачки и поставленных перед ними задач.

mirnovogo.ru

Первый лазер

Лазерный луч может резать металл точнее любой пилы, но лазеры используют и для тончайших глазных операций. Топографы измеряют лазерами расстояния, лазеры, установленные на самолетах, отмечают мельчайшие детали, позволяющие составлять очень точные карты земной поверхности. Лазеры применяются во многих компьютерных принтерах, без лазеров не было бы ни CD-, ни DVD-дисков.

В 1917 г. Альберт Эйнштейн установил, что при определенном возбуждении возможно вынужденное испускание света атомами и молекулами. На этом принципе и основано действие лазера, однако физики только в 1950-х гг. предложили устройство, способное генерировать узконаправленный луч. В 1952 г. американский физик Чарлз Таунс описал способ возбуждения молекулы аммиака для испускания микроволнового радиоизлучения и создал на его основе генератор микроволнового излучения - мазер. Одновременно с ним то же открытие сделали советские физики Александр Михайлович Прохоров и Николай Геннадиевич Басов. В 1964 г. все трое получили за это Нобелевскую премию. Мазеры работают в атомных часах, радиотелескопах и усилителях сигналов, поступающих со спутников.

Сверхвысокочастотное радиоизлучение невидимо, но в 1958 г. Таунс и другой американский физик Артур Шавлов описали устройство для получения лазерного эффекта на видимом свете - лазер. Первый такой прибор создал американский физик Теодор Мейман в 1960 г.

При поглощении веществом энергии, например тепла, его атомы или молекулы переходят с низкоэнергетического уровня на высокоэнергетический. Возвращаясь на низкоэнергетический уровень, они испускают избыточную энергию в форме света. В обычных условиях каждый атом или молекула излучают свет независимо от остальных и с различной длиной волны. Но если вещество подвергнуть кратковременному интенсивному воздействию света с определенной длиной волны, когда атомы пребывают на высокоэнергетическом уровне, оно будет излучать свет с той же длиной волны, как и тот, которым его освещали. Следующий шаг - усиление света с помощью зеркал. Зеркало, установленное с одной стороны устройства, отражает свет обратно на возбуждаемое вещество. Полупосеребренное зеркало, расположенное с другой стороны, отражает часть света, а оставшаяся часть выходит наружу в виде лазерного луча. Лазер испускает узкий луч когерентного излучения, представляющего собой свет с одной длиной волны, в котором волновые колебания происходят синхронно. Излучение может происходить непрерывно или в виде серии вспышек.

На снимке 1960 г. Теодор Мейман рассматривает изготовленный им первый в мире лазер. Главная деталь находится в стеклянном сосуде - это кристалл рубина, испускающий лазерный луч.

Когерентное световое излучение при возбуждении дают многие вещества. Мейман использовал искусственный кристалл оксида алюминия (рубиновый). Кроме того, в лазерах используется неодимовое стекло и жидкие соединения окисла или хлорида неодима, растворенные в хлорокиси селена, а также газы - двуокись углерода, синильная кислота и смесь гелия с неоном.

Луч света от прожектора заметно расходится, освещая обширное пространство, а луч гелий-неонового лазера расходится менее чем на одну тысячную длины. Расходимость можно уменьшить, пропуская лазерный луч через телескоп в обратном направлении, от окуляра к объективу. Лазеры такого типа определяют точное направление при укладке трубопроводов и бурении туннелей. Рубиновый лазер просверливает алмаз.

Когда лазерный луч встречается с преградой, она поглощает часть световой энергии и нагревается. Лазеры обеспечивают сильный нагрев на очень малой площади, благодаря чему их можно использовать для обрезки кромок в электронных компонентах и для операций на сетчатке глаза.

Лазерным лучом измеряют расстояния. Когда световой импульс достигает поверхности, часть его отражается. Поскольку скорость света всегда одинакова, расстояние легко рассчитать по времени между излучением импульса и возвращением отражения. Такое устройство называется лидаром (световым радаром). Астронавты с «Аполлона-11» установили рефлекторы на Луне, и лидар измерил расстояние между Землей и Луной с точностью до нескольких сантиметров. Топографы лазерами осуществляют визирование объектов на поверхности, а лидарами измеряют расстояния. Лидарами измеряют также скорость движущихся предметов. Если предмет удаляется, длина волны отраженного света будет чуть больше, нежели излученного, а если приближается, длина волны станет меньше.

Операционная сестра следит за хирургом, оперирующим с помощью лазера. Лазерный луч обеспечивает более точный и аккуратный разрез, чем скальпель или нож, и меньше травмирует пациента.

25.10.2018

altpp.ru


Смотрите также

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

*

Можно использовать следующие HTML-теги и атрибуты: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>