Изобретение лазера

метки: История, Создание, Открытие, Развитие, Лазер, Изобретение, Гелий, Фотон

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 ее 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, индукции магнитного поля. Наконец, лазерный луч является самым емким носителем информации и в этой роли — принципиально новым средством ее передачи и обработки».

Возникновение лазеров

В 50-х годах были созданы устройства, при прохождении через которые электромагнитные волны усиливаются за счёт открытого Эйнштейном вынужденного излучения. В 1953 году Басовым и Прохоровым [2] и независимо от них Таунсом[3] были созданы первые молекулярные генера­торы, работающие в диапазоне сантиметровых волн и получившие название мазеров. В 1964 г. Басову, Прохорову и Таунсу была за эти работы присуждена Нобелевская премия. Слово «мазер» происходит от первых букв английского названия Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation (усиление микроволн с помощью вынужденного излучения).

В 1960 г. Мейманом был создан первый аналогичный прибор, работающий в оптическом диапазоне, — лазер (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation — усиление света с помощью вынужден­ного излучения).

Лазеры называют также оптиче­скими квантовыми генераторами.

Закон Больцмана

Воз­действующий на вещество свет частоты w, совпадаю­щей с одной из частот (Е n — Ет )/h атомов вещества (Еn>Ет), может вызывать два процесса: I) выну­жденный переход т ® n и 2) вынужденный переход n ® т. Первый процесс приводит к поглощению света и ослаблению падающего пучка, второй — к увеличе­нию интенсивности падающего пучка. Результирую­щее изменение интенсивности светового пучка зависит от того, какой из двух процессов преобладает.

В случае термодинамического равновесия распре­деление атомов по различным энергетическим состоя­ниям определяется законом Больцмана

Методика измерения перемещений при помощи лазерных интерферометров

... вносит в интерферометр, образован- ный светоделительной призмой-куб 2 и отражателями 4, разность ГРХ, равную l /4, для составляющих излучения лазера параллельной ... измерения показателя преломления воздуха. Таблица 1 Df/2p Dl/l Dn/n Лазер СО 2 Лазер He-Ne Лазерный диод 10 -4 10 -8 10 -9 10 ... 45 0 с плос- костью чертежа, в результате интерференции пучков с разными час- тотами образуются опорный I 0 и ...

(1.1)

где N — полное число, атомов, N _i — число атомов, на­ходящихся при температуре Т в состоянии с энергией E_i (для простоты предположили, что все энергети­ческие уровни не являются вырожденными).

Из этой формулы следует, что с увеличением энергии состояния населенность уровня, т. е. количество атомов в дан­ном состоянии, уменьшается. Число переходов между двумя уровнями пропорционально населенности исход­ного уровня. Следовательно, в системе атомов, нахо­дящейся в термодинамическом равновесии, поглоще­ние падающей световой волны будет преобладать над вынужденным излучением, так что падающая волна при прохождении через вещество ослабляется.

Для того чтобы получить усиление падающей вол­ны, нужно обратить населенность энергетических уров­ней, т. е. сделать так, чтобы в состоянии с большей энергией находилось большее число атомов, чем в со­стоянии с меньшей энергией. В этом случае говорят, что данная совокупность атомов имеет инверсную населенность.

Изменение интенсивности света при прохождении через поглощающую среду описывается формулой

(1.2)

В веществе с инверсной населенностью энергетических уровней вынужденное излучение может превысить по­глощение света атомами, вследствие чего падающий пучок света при прохождении через вещество будет усиливаться. В случае усиления падающего пучка яв­ление протекает так, как если бы коэффициент погло­щения a в формуле (1.2) стал отрицательным. Соот­ветственно совокупность атомов с инверсной населен­ностью можно рассматривать как среду с отрицатель­ным коэффициентом поглощения.

Удивительный источник света

[Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/referat/izobretenie-lazera/

квантами.

возбужденным.

Рис. 1

отрица­тельное поглощение света.

Первые лазеры и их устройство

Создание лазера стало возможным после того, как были найдены способы осуществления инверсной на­селенности уровней в некоторых веществах. В по­строенном Мейманом первом лазере рабочим телом был цилиндр из розового рубина. Диаметр стержня был порядка 1 см, длина — около 5 см. Торцы руби­нового стержня были тщательно отполированы и пред­ставляли собой строго параллельные друг другу зер­кала. Один торец покрывался плотным непрозрачным слоем серебра, другой торец покрывался таким слоем серебра, который пропускал около 8 % упавшей на него энергии.

Рубин представляет собой окись алюминия (Al ₂ O₃ ), в которой некоторые из атомов алюминия замещены атомами хрома. При поглощении света ионы хрома Cr³⁺ (в таком виде хром находится в кристалле ру­бина) переходят в возбужденное состояние. Обратный переход в основное состояние происходит в два этапа. На первом этапе возбужденные ионы отдают часть своей энергии кристаллической решетке и переходят в метастабильное состояние. Переход из метастабильного состояния в основное запрещен правилами от­бора. Поэтому среднее время жизни иона в метастабильном состоянии (~10^-3 с) примерно в 10⁵ раз пре­восходит время жизни в обычном возбужденном со­стоянии. На втором этапе ионы из метастабильного состояния переходят в основное , излучая фотон с l=694,3 нм. Под действием фотонов такой же длины волны, т. е. при вынужденном излучении, переход ионом хрома из метастабильного состояния в основное происходит значительно быстрее, чем при спонтанном излучении.

Использование ионов серебра в медицине

... Краткая история проблемы использования ионов серебра в медицине О целебных свойствах серебра и о его способности ... применения серебра при лечении воспалительных процессов. В аптеках продается множество препаратов, в основе которых находится металлическое серебро, проторгол или каллоидное серебро. ... отнюдь не атомы, а ионы серебра, выделяющиеся в ничтожно малом количестве из металлического серебра за ...

Рис. 2. Схема лазера на рубине

В лазере рубин освещается импульсной ксеноновой лампой (рис.2), которая дает свет с широкой поло­сой частот. При достаточной мощности лампы боль­шинство ионов хрома переводится в возбужденное со­стояние. Процесс сообщения рабочему телу лазера энергии для перевода атомов в возбужденное состоя­ние называется накачкой. На рис. 3 дана схема уровней иона хрома Cr ³⁺ (уровень 3 представляет со­бой полосу, образованную совокупностью близко рас­положенных уровней).

Возбуждение ионов за счет накачки изображено стрелкой W ₁₃ . Время жизни уровня 3 очень мало (~ 10^-8 с).

В течение этого времени некоторые ионы перейдут спонтанно из полосы 3 на основной уровень 1. Такие переходы показаны стрелкой A₃₁ . Однако, большинство ионов перейдет на метастабильный уро­вень 2 (вероятность перехода, изображенного стрел­кой S₃₂ , значительно больше, чем перехода A₃₁ ).

При достаточной мощности накачки число ионов хрома, находящихся на уровне 2, становится больше числа ионов на уровне 1. Следовательно, возникает инверсия населенностей уровней 1 и 2.

А ₂₁

Процесс образования каскада изображен схематически на рис.4. До вспышки лампы ионы хрома находятся в основном состоянии (черные кружки на рис.4а).

Свет накачки (сплошные стрелки на рис.4б) переводит большинство ионов в возбужден­ное состояние (светлые кружки).

Каскад начинает развиваться, когда возбужденные ионы спонтанно из­лучают фотоны (штриховые стрелки на рис.4в) в направлении, параллельном оси кристалла (фотоны, испущенные по другим направлениям, выходят из кри­сталла).

Фотоны размножаются за счет вынужденного излучения. Этот процесс развивается (рис.4г и д), так как фотоны многократно проходят вдоль кристал­ла, отражаясь от его торцов.

Рис. 4. Процесс образования каскада фотонов

При каждом отражении от частично прозрачного торца небольшая доля (8 %) светового пучка выходит из кристалла. Поэтому после каждого акта накачки возникает вспышка лазерного излучения, состоящая из ряда импульсов, общая про­должительность которых равна нескольким микросе­кундам. Лазеры на рубине работают в импульсном ре­жиме с частотой порядка нескольких вспышек в ми­нуту.

В 1961 г. Джаваном был создан первый газовый лазер, работающий на смеси гелия и неона. В 1963 г. были созданы первые полупроводниковые лазеры. В настоящее время список лазерных материалов на­считывает много десятков твердых, жидких и газооб­разных веществ. Одни лазеры работают в импульсном, другие—в непрерывном режиме.

Если цилиндрический сосуд наполнить смесью гелия и у неона, внутрь его поместить металлические электро­ды и подать на них высокое напряжение, то смесь газов начнет светиться красноватым светом, почти таким же, как и неоновая реклама (рис. 5).

Е ₁ .

Очень интересен лазер с жидким излучающим телом. Мы уже знаем, что главную роль в излу­чающем теле рубинового лазера играют атомы хрома.

Рис. 5. Гелий-неоновый лазер: а — схема лазера на смеси гелия и неона; б — схема энергетических уровней гелия и неона.

На рисунке показаны только уровни, участвующие в генерации видимого излучения газового лазера. На самом деле схема уровней и неона, и гелия сложнее.

а

б

Существуют лазеры, у которых стержень не из рубина, а из стекла, а стекло, как известно, пере­охлажденная жидкость. Роль атомов хрома играют добавленные в стекло атомы редкоземельного эле­мента неодима. Но так как атомы неодима находят­ся в жидкости, они будут свободнее передвигаться и очень часто сталкиваться с атомами жидкости-растворителя. При этих столкновениях возбужден­ные атомы неодима будут отдавать свою энергию атомам растворителя, и она будет переходить в теп­ло. Не поможет и то, что электроны, переход ко­торых с орбиты на орбиту сопровождается испу­сканием фотонов, лежат на большой глубине элек­тронного облака, окружающего атом неодима. Нужно было как-то защитить этот активный атом от снующих вокруг него атомов растворителя. Но как?

лиган­дами.

Световой телеграф

Ценность лазерного луча не только в его необычай­ной яркости, но еще более в его монохроматично­сти, когерентности. Только благодаря этим свойст­вам получают голограммы, а в будущем по лазер­ному лучу будут передавать радиопрограммы и программы телевидения.

Чтобы понять, в чем же состоят достоинства ла­зера как передатчика информации, рассмотрим ли­нию связи, изображенную на рисунке 7.

Рис. 7. Шариковый телеграф. Чем выше частота поступлений шариков с одного берега на другой, тем большее количество информации передается с берега на берег.

Рис. 8

Непрерывно катятся по желобу одинаковые ша­рики. Число шариков, проходящих с левого берега реки на правый в единицу времени, частота их по­явления неизменны. Пересчитывая шарики, мы мо­жем сказать, как долго они падали из желоба, и только. Чтобы передать с помощью такого устрой­ства какое-либо сообщение, нужно пометить шари­ки, например, буквами алфавита и отправлять, и принимать их в определенном порядке. Тогда ко­личество информации (в нашем случае число букв), передаваемое за определенное время, будет пропорционально частоте появления шариков из желоба.

«Неискаженная» синусоида лазерного света по­добна чистым шарикам. Зарегистрировав синусои­дальное излучение каким-либо приемником, мы лишь узнаем, что включен передатчик, а также смо­жем установить направление его излучения. На си­нусоиде, как и на шариках, необходимо сделать метки, чтобы передать более существенные данные. Оказывается, эффективно можно пометить только когерентный монохроматический луч. Такой луч служит как бы чистым листом бумаги, на котором записывается информация. Нанести «метки» можно, модулируя луч, т. е. меняя амплитуду или частоту колебаний (рис. 8).

Тогда передаваемые данные бу­дут закодированы в «узорах», нанесенных на сину­соиду. Чем меньше времени потребует передача «узора», тем более емким является канал связи. А это время, как видно на рисунке, обратно про­порционально частоте излучения. Значит, чем выше частота колебаний, тем большее количество инфор­мации можно передать за единицу времени. Часто­та электромагнитных колебаний излучения рубино­вого лазера 430 ТГц (4,3

— 10 ¹⁴ Гц) — в миллион раз превосходит частоту, на которой работает телевиде­ние в наше время. Поэтому в принципе один лазер­ный луч способен транслировать миллионы телеви­зионных программ и миллиарды радиопередач. Однако ученые еще не смогли найти способ эффектив­ной модуляции колебаний столь высокой частоты. По аналогии с нашим шариковым телеграфом мож­но сказать, что поток лазерных шариков так быстр, что далеко не все из них удается пометить.

Потоки лазерного излучения находят множество других применений. С их помощью осуществляют тончайшие хирургические операции, измеряют рас­стояния, управляют химическими процессами, полу­чают нагретую до высокой температуры плазму, ис­следуют строение атома.

Заключение

Лазеры имеют многочисленные применения. Она используются в технике для сварки, резки, и плавле­ния металлов; в медицине — как бескровные скаль­пели, при лечении глазных и кожных болезней. Ла­зерная локация позволила измерить скорость враще­ния планет, уточнить характеристики движения Луны и планеты Венера. Лазеры используются также в различных приборах для тонких физических исследо­ваний. Наконец, применяя лазеры для нагрева плаз­мы, пытаются с их помощью решить проблему управ­ляемого термоядерного синтеза.

1. Ахматова А.С., «Физика, часть2. Оптика и волны», М., 1973г., изд. «Наука».

2. Громов С.В., «Физика 11», 3 издание, М., 2002г., изд. «Просвещение».

3. «Детская энциклопедия» Т.3 «Вещество и энергия», издание 3, М., 1973г., изд. «Педагогика».

4. Мякишев Г.Я., Синяков А.З., Учебник для углубленного изучения физики «Оптика. Квантовая физика», М., 2002г., изд. «Дрофа».

Николай Геннадиевич Басов (род. 1922) — советский физик.

Александр Михайлович Прохоров (род. 1916) — советский физик.

Чарлз Хард Таунс (род. 1915) — американский физик.

Теодор Гарольд Мейман, (род. 1927) — американский физик.

Правила отбора не являются абсолютно строгими. Ве­роятность запрещенных переходов значительно меньше, чем разрешенных, но все же отлична от нуля.

Али Джаван (род. 1926)—американский физик» Родился в Тегеране, В 1948 г, переехал в США.