З фізики : «Лазери і Мазери»

Колись світ жив без лазерів. Це зараз досягнення квантової фізики, лазерної електроніки, комп’ютерні технології є невід’ємними складовими нашого життя і застосовуються навіть у побуті. А біля витоків глобальних змін стояли видатні фізики XX століття М.Г. Басов, А.М. Прохоров і Ч. Таунс.

Слово «лазер» – це абревіатура: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (посилення світла в результаті вимушеного випромінювання).

Лазери є принципово новими джерелами світла (а також випромінювання інфрачервоного та ультрафіолетового діапазону), якого не існує в природі. Лазерне випромінювання когерентно, тобто строго упорядковане по фазі, тому його можна дуже сильно фокусувати. Для висвітлення лазери застосовувати безглуздо, а ось у вимірювальній техніці, в лініях зв’язку, в комп’ютерах (для зчитування і запису інформації на компакт-дисках), в медицині (операції на очах), в технологічному обладнанні (гравірування, зварювання, поверхневе загартування, свердління , різка важкооброблюваних матеріалів) вони знайшли найширше застосування. Дешеві напівпровідникові лазери використовуються навіть у дитячих іграшках.

Лазери прості по конструкції: активний елемент поміщений між двома строго паралельними дзеркалами. Одне з дзеркал роблять напівпрозорим – для виходу променя. Активний елемент «накачують» енергією від зовнішнього джерела, збуджені атоми при дотриманні деяких умов випускають фотони узгоджено, і лазер народжує майже нерозгалужений промінь. Першими (1960 р.) були створені імпульсні лазери з вирощеним кристалом рубіна в якості активного елементу. «Накачування» відбувалося від газорозрядної лампи. Зараз розроблено безліч типів лазерів – газові (на інертних газах, на вуглекислому газі), рідинні (на барвниках), твердо тільні (на кристалах і спеціальнім склі), напівпровідникові. Лазерний промінь можна отримати навіть від струменя реактивного двигуна або ядерного вибуху. Басовий народився у 1922 р. в місті Усмані Липецької області у професорській родині. Ледь закінчивши школу, він відправився на фронт Великої Вітчизняної. Після демобілізації в грудні 45-го вступив до Московського механічний інститут (згодом – знаменитий МІФІ).

Він розумів, що фізика – його наука, незважаючи на те, що батьки пророкували йому кар’єру лікаря. І з 1948 року, поряд з навчанням, Микола Басов починає наукову діяльність в лабораторії коливань Фізичного інституту ім. Лебедєва АН СРСР (ФІАН) під керівництвом професора Прохорова. Перші його роботи відносяться до області радіоспектроскопічних методів визначення ядерних моментів. Приблизно в цей же час в США відомий вчений Чарльз Таунс, один з «батьків» квантової фізики, працював над тим же, над чим міркували Прохоров і його підопічний Басов. Одночасно і незалежно один від одного Таунс і Басов з Прохоровим висунули і теоретично обґрунтували принципи посилення і генерації електромагнітних хвиль квантовими системами з інверсною заселеністю. Ця теорія дозволила створити в 1955 р. принципово нові джерела електромагнітних хвиль мікрохвильового діапазону – квантові генератори, так звані мазери, і малошумні квантові підсилювачі радіохвиль діапазону НВЧ.Це було одним з найважливіших відкриттів XX століття. У 1958 р. Прохоров запропонував застосовувати в квантовій електроніці рубіни і висунув ідею відкритих резонаторів. Ці ідеї були використані при створенні джерел когерентного світла – лазерів.

5 стр., 2032 слов

Зріджений газ та його використання

... не можна перекласти на ліквідність. До таких газам ставляться повітря (і навіть його складові – азот, кисень і аргон), ... явища і властивостей скраплених газів, і навіть вивчення способів отримання й використання таких газів. Тема роботи актуальна ... ній втрачається частина тиску газу та газ виходить із перегородки за більш низькому тиску. Газ розширюється чидросселируется.Дросселем називається будь-яке ...

За відкриття нового принципу генерації випромінювання і створення квантового генератора на пучку молекул аміаку в 1959 р. Басову і Прохорову була присуджена Ленінська премія. А дослідження по напівпровідникових лазерах і зовсім визначили інтенсивний розвиток фізики і техніки. Значимість нової науки стала незаперечною. Сьогодні обсяг виробництва напівпровідникових лазерів різних типів становить сотні мільйонів штук на рік, а вартість випромінювача часто не перевищує одного долара. За розробки в квантовій електроніці, що призвели до створення мазерів і лазерів, Прохоров, Басов і Таунс були удостоєні в 1964 р. Нобелівської премії. Басов, не зупиняючись на досягнутому, висунув здававшуся в той час утопічною ідею лазерного підходу до проблеми керованого термоядерного синтезу. І вже в 1968 р. він і його співробітники зареєстрували нейтрони, отримані лазерним опроміненням. Ці результати, представлені Басовим на Міжнародній конференції з квантової електроніки в США (1968 р.), створили грунт для міжнародного співробітництва по лазерному термоядерному синтезу. Під керівництвом Басова була створена багатоканальна лазерна установка «Кальмар», яка забезпечувала симетричне і одночасне імпульсне опромінення мішеней, що містять термоядерне паливо.

Найважливішим достоїнством даного підходу була його повна безпека. Лазерні технології були визнані дуже перспективними, і з 1962 року Басов очолює розробку пристроїв квантової електроніки підвищеної потужності, орієнтованих на використання в обороні країни, зокрема, для лазерної поразки повітряно-космічних цілей. На основі цих розробок вчені створили безліч всяких типів лазерів – фотодіссоціонних (йодних), ексимерних, електроіонізаційних, хімічних. Разом з науковим колективом знаменитого секретного міста Арзамас-16 Басов створює надпотужні йодні лазери вибухового типу. М.Г. Басов виховав плеяду високопрофесійних, талановитих фізиків, створив і очолив Вищу школу фізики при МІФІ і ФІАН. Перелік його регалій величезний: член Президії РАН, тривалий час директор ФІАН, голова товариства «Знання», головний редактор журналів «Квантова електроніка» і «Природа», двічі Герой Соціалістичної Праці, лауреат Ленінської, Нобелівської та Державної премій, нагороджений п’ятьма орденами Леніна і орденом Вітчизняної війни II ступеня, удостоєний Золотої медалі ім. Ломоносова АН СРСР. З 1966 року він – академік АН СРСР (РАН), обраний членом багатьох іноземних академій. Помер Микола Геннадійович у грудні 2002 року.

4 стр., 1902 слов

Механічний рух та його види

... в один, то в другий бік відносно положення рівноваги. Механічна система, в якій одне або декілька тіл можуть ... руху: поступальний, коливальний, обертальний. Рух тіла, при якому всі його точки рухаються однаково, називаютьпоступальним рухом. Поступально рухається автомобіль ... разі визначається також трьома координатами: відстанню до літака І і двома кутами, які визначають за розташуванням антени під ...

Класифікація лазерів

  • Дивіться також статтю Види лазерів
  • Газові лазери
  • Гелій-неонові лазери (HeNe) (543 нм, 632,8 нм, 1,15 нм, 3,39 нм)
  • Аргонові лазери (458 нм, 488 нм або 514,5 нм)
  • Лазери на вуглекислому газі (9,6 мкм і 10,6 мкм) використовуються в промисловості для різання та зварювання матеріалів, мають потужність до 100 кВт
  • Лазери на монооксиду вуглецю. Вимагають додаткового охолодження, проте мають велику потужність – до 500 кВт
  • Ексимерні газові лазери, що дають ультрафіолетове випромінювання.

Використовуються в електронній промисловості і в установках корекції зору. F2 (157 нм), ArF (193 нм), KrCl (222 нм), KrF (248 нм), XeCl (308 нм), XeF (351 нм)

  • Широко використовуються в дерматології, у тому числі для видалення татуювань: рубінові (694 нм), олександритів (755 нм), масиви імпульсних діодів (810 нм), Nd: YAG (1064 нм), Ho: YAG (2090 нм), Er: YAG (2940 нм)
  • Напівпровідникові лазерні діоди

Мазери

Чарльз Хард Таунс і його аспіранти Джеймс П. Гордон і Герберт Дж. Зейджер зробили перший мікрохвильової підсилювач, пристрій, чинний за тими ж принципами, що і лазер, але підсилює мікрохвильову радіацію, а не інфрачервону радіацію або радіацію видимого спектру. Квантовий генератор Таунса був нездатний виробляти безперервне світло. Тим часом, радянські вчені Микола Басов і Олександр Прохоров, також працюють над створенням квантового генератора, вирішили проблему системи безперервного виробництва світла при використанні більше, ніж двох енергетичних рівнів. Ці рівні стали основою для випускання стимулюючої емісії між збудженими станами, полегшуючи інверсію.

У 1955 році команда радянських вчених запропонувала здійснювати оптичну перекачку багаторівневої системи як спосіб для отримання інверсії, а пізніше він став головним способом лазерного перекачки. У той же час на іншому кінці планети Таунс працював над цією проблематикою. Як наслідок, в 1964 році всі вчені, що працювали над створенням квантового генератора і мазера, отримали Нобелівську премію з фізики «за фундаментальний внесок у галузі квантової електроніки, яка привела до створення генератором і підсилювачів, заснованих на лазерному квантовому генераторі».

Мазер або квантовий генератор являє собою пристрій, який виробляє послідовні електромагнітні хвилі за допомогою збільшення стимулируемой емісією. Мазер, що з’явився в 1957 році, став прототипом лазера. Робота мазера заснована на принципі стимулируемой емісії, запропонованого Альбертом Ейнштейном ще в 1917 році. Коли атоми поміщені в збуджену енергетичну середу, вони можуть посилити радіацію в належній частоті. Помістивши таке середовище посилення в резонансну западину, створюється зворотній зв’язок, який і виробляє послідовну радіацію. Існує кілька типів мазерів, серед яких варто виділити атомні мазери, аміачні мазери, водневий та інші газові мазери.

Мазери або квантові генератори через свою здатність виробляти високі за точністю частоти знайшли застосування не тільки в дослідницькій сфері. Наприклад, мазер завдяки атомним стандартам частот є однією з форм атомних годин. Також мазери використовуються як електронних підсилювачів в радіотелескопах і в сфері створення зброї, в якому застосовують спрямовану енергію.

5 стр., 2450 слов

Особенности систем передачи информации лазерной связи

... информации в оптических информационных системах. Лазерная связь является альтернативой радио, кабельной и волоконно-оптической связи. Лазерные системы позволяют создать канал связи между двумя зданиями, находящимися на ... остаются: доступ на последней миле, преодоление преград, а также связь локальных сетей. Лазерная связь осуществляется путем передачи информации с помощью электромагнитных волн ...

В даний час самий важливий тип мазера – це водневий мазер, який використовується в якості атомного стандарту частот. Разом з іншими типами атомних годин, цей мазер становить ТАВ (міжнародні тимчасові рамки, які координуються Міжнародним Бюро Мер).

Водневий мазер був створений норманом Ремсі і його колегами, і сучасні мазери ідентичні оригінальному пристрою.

Водневий мазер покладається на стимулюючу емісію між двома рівнями атомного водню. Вироблений промінь атомного водню, коли газ поміщають під низький тиск. Потім щоб отримати стимулюючу емісію створюється інверсія атома. Після проходження через апертуру і магнітне поле, багато з атомів в промені починають випромінювати когерентний світло.

Іншим відомим мазерів сучасності є астрофізичний мазер. Цей мазер використовують для того, щоб вивчати природу міжзоряного простору. Він діє на підставі стимулюючої емісії, подібної до тієї, що зустрічається в космосі. Така емісія спостерігається в молекулах, таких як вода, гідроксильні радикали, метанол, формальдегід і кремнієву однокись. Молекули води в формують зірки станах можуть піддатися інверсії і випустити радіацію в 22 ГГц, створюючи найяскравішу спектральну лінію у всесвіті. Ці мазери надзвичайно потужні і пов’язані з активними дослідженнями галактичного простору.

Таким чином, можна з упевненістю сказати, що головна сфера застосування мазера – це наука, особливо атомна фізика і астрофізика, хоча дослідження у сфері розвитку мазерів проводяться до сих пір і не виключені застосування в інших сферах.