| Дополнительный, справочный материал для выполнения задания
| «История создания лазеров»
Существование явления вынужденного излучения – физической основы работы любого лазера – было предсказано в 1916 году А. Эйнштейном. Строгое теоретическое обоснование в рамках квантовой механики это явление получило в работах П. Дирака в 1927 – 1930 г.г.
1928 год – экспериментальное подтверждение Р. Ладенбургом и Г. Копферманном существования вынужденного излучения.
Следующая крупная теоретическая работа была выполнена советскими учеными в 1940 году В. Фабрикантом и Ф. Бутаевой – они предсказали возможность использования вынужденного излучения среды для усиления электромагнитного излучения.
1950 год – А. Кастлер (Нобелевская премия по физике 1966 года) предлагает метод оптической накачки среды для создания в ней инверсионной населенности. Реализован на практике в 1952 году Бросселем, Кастлером и Винтером. До создания квантового генератора остался один шаг: ввести в среду положительную обратную связь, то есть поместить эту среду в резонатор.
Предсказание Фабриканта было реализовано в 1954 году советскими учеными А. Прохоровым и Н. Басовым на молекулярных квантовых усилителях (мазерах, работавших при низких температурах и в СВЧ-диапазоне). В 1964 году они и Ч. Таунс (американский ученый, первым, в 1953 году, получивший когерентный микроволновой пучок, 1954 год – первый микроволновой генератор – мазер на аммиаке) были удостоены Нобелевской премии по физике.
Для усиления электромагнитного излучения оптического диапазона необходимо было создать объемный резонатор, размеры которого были бы порядка микрона. Из-за связанных с этим технологических трудностей многие ученые считали, что это невозможно. Настоящим прорывом оказалось предложение А. Прохорова использовать для усиления излучения открытый резонатор – резонатор Фабри-Перо.
Первый работающий в импульсном режиме лазер был получен Теодором Мейманом в мае 1960 года в исследовательской лаборатории компании Хьюза, штат Калифорния (США) с привлечением групп Таунса из Колумбийского Университета и Шалоу из компании Bell laboratories. В декабре того же года был создан гелий-неоновый лазер, излучающий в непрерывном режиме (А. Джаван, У. Беннет, Д. Хэрриот).
В 1961 году был создан лазер на неодимовом стекле, а в течение следующих пяти лет были разработаны лазерные диоды, лазеры на красителях, лазеры на двуокиси углерода, химические лазеры.
В 2000 году за разработку в 1963 году полупроводниковых гетероструктур, легших в основу миниатюрных лазеров, способных работать при комнатной температуре, Нобелевская премия по физике была присуждена Ж. Алферову (Россия) и Г. Кремеру (Германия)
«Николай Геннадиевич Басов – отец лазера и мазера».
Николай Геннадиевич Басов (1922 – 2001) – нобелевский лауреат, «отец лазера».
Он родился 14 декабря 1922 года в семье ученого-лесовода в «полуворонежском» городе Усмани, который теперь относится к Липецкой области. Геннадий Федорович Басов (тоже уроженец Усмани) снискал в Воронеже славу продолжателя дела профессора Докучаева, изучавшего влияние лесополос на почву и подземные воды. Семья жила там, где работал отец – в городке сельскохозяйственного института. Воронеж дал Николаю то, что было необходимо впоследствии для «открытия века».
Он окончил воронежскую школу №13, позднее здесь была построена новая школа №58, у которой сложился стойкий имидж «математической школы». Теперь бывшая 58-я именуется гимназией имени Басова при ВГУ. До 13-й школы в жизни Н. Басова была другая воронежская школа – №1 (ныне 11-я), где он проучился восемь лет. Отличник учебы Николай Басов проявлял неординарные способности. Занимался в кружке юных техников, его работы завоевывали различные призы и грамоты и выставлялись даже на ВДНХ.
Басов окончил 10-й класс в роковом 1941 году и сразу был призван в армию, на войну… Судьба уберегла от пуль будущего гения.
После демобилизации в 1946 году он становится студентом столичного механического института (теперь Московский инженерно-физический институт, МИФИ), там же в 1950 году поступает в аспирантуру.
Еще в 1948 году начинает работать лаборантом в судьбоносном для него Физическом институте имени П.К. Лебедева Академии наук СССР (ФИАН). Работая вместе с другими молодыми физиками под руководством А.М. Прохорова, он сближается с этим ученым, возникает их плодотворное сотрудничество, которое приводит к мировым высотам.
Часто в науке над великими открытиями и изобретениями одновременно ломают головы в лабораториях сразу несколько научных школ в разных странах. По вопросу о том, кто первым придумал лазер, мнения авторов разных книг не всегда совпадают. В 1960 году американцем Мейманом был запущен первый рубиновый лазер. Но этому событию предшествовала большая теоретическая работа советских и американских ученых. Открытие, опубликованное в том же 1960 году, совершил американец Джаван. Между тем это открытие сделали еще в 1957 году наши физики, но работа вышла в печати позднее, и она не привлекла внимание ученых Запада. А Басов и его коллеги параллельно проделали математический анализ условий, при которых возникает желаемое излучение. И эта работа опубликована в знаменательном 1960 году вскоре после открытия Джавана…
В 1964 году очередная Нобелевская премия объединила русских с американцем Чарльзом Таунсом. Н.Г. Басову, А.М. Прохорову и Ч. Таунсу присудили премию «за фундаментальную работу в области квантовой электроники, которая привела к созданию генераторов и усилителей, основанных на лазерно-мазерном принципе».
В буквальном переводе аббревиатура LASER означает усиление света с помощью вынужденного излучения (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation). А мазер (термин, заимствованный из американской литературы у Таунса) означает подобные же квантовые генераторы, но не светового излучения, а радиодиапазона волн. Если с лазером нашим физикам в чем-то «не повезло», их опередили публикациями, то уж создателем мазера призван именно Н.Г. Басов.
Если следовать биографии Басова, то еще в 1954 голу они с Прохоровым разработали первый в мире квантовый генератор, и именно это стало началом целой эпохи в физике, во всяком случае, в нашей стране. В следующем году Басов и Прохоров пошли еще дальше: они предложили эффективный метод «селективной накачки электромагнитным излучением трехуровневой системы», на основе которой действуют практически все современные лазеры.
В 1961 году наш гениальный земляк выдвинул идею нового, лазерного подхода к проблеме термоядерного синтеза и начал исследования для создания необходимой лазерной и мишенной техники. В 1971 году он создает установку «Кальмар», в 1981 году запускает термоядерный «Дельфин-1». Вместе с врачами проектирует множество лазерных медицинских приборов, без которых современная хирургия немыслима.
«Басов был самым талантливым из моих учеников, сказал в интервью газете «Известия» академик Александр Прохоров. – После «Нобеля» он сильно вырос, развивал свое перспективное направление «лазерный термояд»».
В 1954 году Н.Г. Басов стал кандидатом наук, защитив диссертацию «Определение ядерных моментов радиоспектроскопическим методом», в 1957 году ему присвоили докторскую степень за диссертацию «Молекулярный генератор». В 1958 году ученый уже занял должность заместителя директора ФИАН, а в 1959-м получил Ленинскую премию. В 1973 – 1989 годах работал директором ФИАН. В 1982 – 1989 годах был членом Президиума Верховного Совета СССР. Помимо двух звезд Героя Социалистического Труда (1969, 1982), получил пять орденов Ленина, а в 1989 году – Государственную премию СССР.
Власти не забыли об «отце лазера» и после развала СССР. С 1991 года он работал в Экспертном совете при Председателе Правительства России.
«Классификация лазеров»
Твердотельные лазеры – накопителем энергии (активной средой) является кристалл, возбуждение происходит оптическим путем (рубиновый лазер).
Жидкостные лазеры – накопителем энергии является, например, органические молекулы, растворенные в воде. Возбуждение происходит оптическим путем.
Газовые лазеры – накопителями энергии являются, например, смеси инертных газов (гелий-неоновый лазер). Возбуждение происходит электронными ударами. Отличаются высокой мощностью, монохроматичностью, а также узкой направленностью излучения.
В зависимости от системы накачки газовые лазеры разделяют на газоразрядные, газовые лазеры с оптическим возбуждением и возбуждением заряженными частицами, газодинамические и химические лазеры.
По типу лазерных переходов различают газовые лазеры на атомных переходах, ионные лазеры, молекулярные лазеры на электронных, колебательных, вращательных переходах молекул и эксимерные лазеры.
Полупроводниковые лазеры – накопителем энергии является полупроводник. Излучение генерируется в результате квантовых переходов между разрешенными энергетическими зонами. Наибольшее распространение получили инжекционные лазеры, в которых накачка достигается путем инжекции (впрыскивания) носителей заряда в активную область.
Лазеры на красителях – тип лазеров, использующий в качестве активной среды раствор флюоресцирующих с образованием широких спектров органических красителей. Лазерные переходы осуществляются между различными колебательными подуровнями первого возбужденного и основного синглетных электронных состояний. Накачка оптическая, могут работать в непрерывном и импульсном режимах. Основной особенностью является возможность перестройки длины волны излучения в широком диапазоне.
Волоконный лазер – лазер, резонатор которого построен на базе оптического волокна, внутри которого полностью или частично генерируется излучение.
Лазеры непрерывного действия – они постоянно испускают лазерное излучение (например, гелиево-неоновый лазер).
Импульсные лазеры – испускают кратковременно лазерное излучение большой мощности (например, рубиновый лазер).
«Лазерные технологии»
Слово "лазер" представляет собой абревиатуру английской фразы "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation", переводимой как усиление света в результате вынужденного (индуцированного) излучения. Гипотеза о существовании индуцированного излучения была высказана в 1917 г. А Эйнштейном. Советские ученые Н.Г. Басов и A.M. Прохоров и независимо от них американский физик Ч. Таунс использовали явление индуцированного излучения для создания микроволнового генератора радиоволн с длинной волны 1=1,27 см.
Чтобы создать лазер или оптический квантовый генератор - источник когерентного света необходимо:
1) рабочее вещество с инверсной населенностью. Только тогда можно получить усиление света за счет вынужденных переходов.
2) рабочее вещество следует поместить между зеркалами, которые осуществляют обратную связь.
3) усиление, даваемое рабочим веществом, а значит, число возбужденных атомов или молекул в рабочем веществе должно быть больше порогового значения, зависящего от коэффициента отражения полупрозрачного зеркала.
Первым квантовым генератором был рубиновый твердотельный лазер. Также были созданы: газовые, полупроводниковые, жидкостные, газодинамические, кольцевые (бегущей волны).
Лазеры нашли широкое применение в науке - основной инструмент в нелинейной оптике, когда вещества прозрачные или нет для потока обычного света меняют свои свойства на противоположные.
Лазеры позволили осуществить новый метод получения объемных и цветных изображений, названный голографией.
Лазеры широко применяются в медицине, особенно в офтальмологии, хирургии и онкологии, способные создать малое пятно, благодаря высокой монохроматичности и направленности. В офтальмологии лазерное излучение с энергией 0,2 - 0,3 дж позволяет осуществлять ряд сложных операций, не нарушая целостности самого глаза. Одной из таких операций является приварка и укрепление отслоившейся сетчатки с помощью коагуляционных спаек. Кроме того, лазерный луч применяется для выжигания злокачественных и доброкачественных опухолей. В хирургии сфокусированный световой луч непрерывного лазера (мощностью до 100 Вт) служит чрезвычайно острым и стерильным скальпелем, осуществляющим бескровные операции даже на печени и селезенке. Весьма перспективно использование непрерывных и импульсных лазеров для прижигания ран и остановки кровотечений у больных с пониженной свертываемостью крови.
Лазерная обработка металлов. Возможность получать с помощью лазеров световые пучки высокой мощности до 1012 —1016 вт/см2 при фокусировки излучения в пятно диаметром до 10-100 мкм делает лазер мощным средством обработки оптически непрозрачных материалов, недоступных для обработки обычными методами (газовая и дуговая сварка). Это позволяет осуществлять новые технологические операции, например, просверливание очень узких каналов в тугоплавких материалах, различные операции при изготовлении пленочных микросхем, а также увеличения скорости обработки деталей. При пробивании отверстий в алмазных кругах сокращает время обработки одного круга с 2-3 дней до 2 мин. Наиболее широко применяется лазер в микроэлектронике, где предпочтительна сварка соединений, а не пайка. Основные преимущества: отсутствие механического контакта, возможность обработки труднодоступных деталей, возможность создания узких каналов, направленных под углом к обрабатываемой поверхности.
Лазерная связь и локация. По сравнению с существующими средствами радиосвязи и радиолокации лазерные обладают двумя основными преимуществами: узкой направленностью передачи и широкой полосой пропускания передаваемых частот. Сам лазер создает, направленный луч (расходимостью ~10'), а применение оптической системы позволяет сформировать еще более параллельный луч (расходимостью ~2-3"). Один лазерный луч позволяет передавать сигнал в полосе частот -100 Мгц. Это дает возможность одновременной передачи 200 телевизионных каналов.
Первые сведения о применении лазерной локации относятся к 1962 г., когда была осуществлена локация Луны. Увеличение мощности, излучаемой лазером, сделает возможным картографирование поверхности Луны с Земли с высокой точностью (около 1,5 м). Лазерная локация применяется также в геофизике для определения высоты облаков, исследовании инверсионных и аэрозольных слоев в атмосфере, турбулентности и т.п.
Лазерные системы навигации и обеспечения безопасности полетов. Одним из основных элементов инерциальных систем навигации, широко используемых в авиации, являются гироскопы, которые в основном и определяют точность системы. Лазерные гироскопы обладают достаточно высокой точностью, большим диапазоном измерения угловых скоростей, малым собственным дрейфом, невосприимчивостью к линейным перегрузкам. Лазеры успешно применяются как измерители скорости полета (воздушной и путевой), высотомеры. Лазерные курсоглиссадные системы обеспечивают безопасность полетов. Связанную с увеличением точности систем посадки, снижения ограничений по метеоусловиям, обеспечением больших удобств работы экипажа при выполнении такого ответственного участка полета, как посадка. В близи взлетно-посадочного полотна установленные лазерные лучи создают геометрическую картину, позволяющую судить о правильности выдерживания траектории посадки.
Лазерные системы управления оружием резко повысили точность попадания. Лазерная полуактивная система наведения состоит из лазерного целеуказателя (лазерной системы подсвета цели) и боеприпаса с лазерной головкой самонаведения
«Применение лазеров»
В истории известны случаи, когда писатель-фантаст предугадывал создание технических устройств. Жуль Верн придумал подводную лодку «Наутилус» и полет «из пушки на Луну». Так и Алексей Николаевич Толстой в своем знаменитом научно-фантастическом романе «Гиперболоид инженера Гарина», опубликованном в 1925 году, предугадал лазер задолго до его появления. «В природе не существует ничего, что могло бы сопротивляться силе «лучевого шнура»… Здания, крепости, дредноуты, воздушные корабли, скалы, горы, кора земли – все пронижет, разрушит, разрежет мой луч…». Во время написания романа автору оказывал помощь известный русский физик П.П. Лазарев.
Лазер – оптический квантовый генератор, источник излучения с большой плотностью энергии. Рассмотрим историю создания этого фантастического устройства, оказавшего влияние на развитие науки и техники XX века.
А. Эйнштейн в 1916 году первым обосновал возможность получать лазерное излучение. В 1927 – 1933 годах П. Дирак создал квантово-механическую теорию такого излучения.
Сначала появился мазер – квантовый генератор сверхвысоких частот (СВЧ). Теория молекулярного генератора – мазера была создана в начале 1950-х годов американским физиком Ч. Таунсом и советскими физиками Н.Г. Басовым и А.М. Прохоровым. Первые модели мазеров на молекулах аммиака они создали в 1954 – 1956 годах и были награждены за эту работу Нобелевской премией по физике в 1964 году.
А первый лазер – квантовый оптический генератор – создал американский ученый Г. Мейман в 1960 году на кристалле рубина. В том же году американские физики А. Джаван, В. Беннет и Д. Эрриот создали газовый лазер, работающий на смеси гелия и неона. А позднее были разработаны и другие виды лазеров: жидкостные, химические и самый миниатюрный – полупроводниковый, предложенный Н.Г. Басовым в 1962 году.
У лазерного излучения есть три особенности, которые дают возможность применять его в различных областях науки и техники:
- лазер излучает световую энергию на одной частоте и длине волны, что дает возможность создать узконаправленные и сфокусированные лучи;
- лазерное излучение обладает очень высокой стабильностью, оно распространяется без изменений на многие километры;
- лазерное излучение имеет очень высокую температуру, достигающую миллионов градусов.
В силу уникальных свойств излучения лазеров, они нашли широкое применение во многих отраслях науки и техники, а также в быту.
Лазерным лучом невысокой мощности сверлят тончайшие отверстия любой формы, например в рубиновых и алмазных камнях для часов. С помощью лазерного скальпеля делают хирургические операции. Разрезая кровеносные сосуды, луч лазера одновременно «сваривает» их и останавливает кровотечение. Лазерным лучом делают тончайшие глазные операции для лечения офтальмологических заболеваний (катаракта, отслоение сетчатки, лазерная коррекция зрения). С помощью лазерной терапии лечат самые различные болезни. В микроэлектронике с помощью маломощных лазеров режут, сваривают и маркируют миниатюрные детали, выжигая на них цифры и буквы.
Запись и считывание лазерных компакт-дисков осуществляется с помощью миниатюрных полупроводниковых лазеров.
Мощные лазеры используют для фигурной резки и сварки толстых стальных листов, мрамора, гранита, раскройки самых различных тканей и кож. При этом не требуется применять вакуумные камеры (как при электронно-лучевой сварке), и получается высокое качество шва.
Лазеры применяются в голографии для получения объемного изображения предмета, который при этом можно рассматривать с разных сторон.
С помощью лазерного луча измерено расстояние от Земли до Луны и других планет с точностью… до нескольких сантиметров! Лазерная локация космических объектов уточнила значение астрономической постоянной и способствовала уточнению систем космической навигации, расширила представления о строении атмосферы и поверхности планет Солнечной системы. В астрономических телескопах, снабженных адаптивной оптической системой коррекции атмосферных искажений, лазер применяют для создания искусственных опорных звезд в верхних слоях атмосферы.
Лазер применяется в так называемой оптоволоконной связи, позволяющей без промежуточного усиления передавать информацию на тысячи и десятки тысяч километров – по дну океанов и через континенты.
В 2001 году в нашей стране вдоль линий железных дорог проложена система оптоволоконной связи. Эта система позволяет не только управлять железными дорогами страны, но и передавать по ней самую различную информацию – многочисленные телефонные разговоры, телевизионные передачи.
Разрабатывается и мощное лазерное оружие для защиты от ракетно-ядерного нападения.
Наконец, с помощью мощного лазерного излучения ученые нагревают плазму до температуры в миллионы градусов для осуществления управляемой термоядерной реакции в термоядерных реакторах.
|
