История возникновения лазерной технологии

История изобретения лазера началась с предположения. В 1916 году Альберт Эйнштейн создал теорию взаимодействия излучения с веществом, из которой вытекала принципиальная возможность создания квантовых усилителей и генераторов электромагнитных волн, названую концепцией вынужденного излучения.

Однако первая попытка экспериментально обнаружить индуцированное излучение была только в 1928 году, когда Рудольф Ланденбург, изучая отрицательную дисперсию света, сформулировал условия обнаружения индуцированного излучения как преобладание его над поглощением отметив, что для этого необходимо специальное избирательное возбуждение квантовой системы.

До 50-х годов двадцатого века в связи с несовершенством технологий и отсутствием необходимых знаний были только предпосылки создания лазера, пока в 1955 году ученые Николай Басов и Александр Прохоров, выдающиеся советские физики, не разработали квантовый генератор - усилитель микроволн с помощью индуцированного излучения, активной средой которого являлся аммиак.

Изобретение лазера, использующего аммиак, позволило американскому ученому Чарльзу Таунсу начать разработку принципов лазера. Работая параллельно в том же направлении, Александр Прохоров в 1958-м использовал для создания лазера резонатор Фабри-Перо, представляющий собой два параллельных зеркала, одно из которых полупрозрачно.

Позже, в 1964 году, Александр Михайлович Прохоров, Николай Геннадиевич Басов и Чарлз Хард Таунс получили нобелевскую премию по физике «За фундаментальные работы в области квантовой электроники, которые привели к созданию излучателей и усилителей на лазерно-мазерном принципе».

В мае 1960 г. сотрудник исследовательского центра фирмы Hughes, американский физик Теодор Мейман, основываясь на работах Н.Басова, А.Прохорова и Ч.Таунса, сконструировал первый лазер на рубине с длиной волны в 0,69 мкм. Спустя полгода в лабораториях корпорации IBM заработал инфракрасный лазер на фториде кальция с добавкой ионов урана, построенный Питером Сорокиным и Миреком Стивенсоном Это был уникальный прибор, который действовал лишь при температуре жидкого водорода и практического значения не приобрел.

Наконец, в декабре того же года исследователи из Bell Laboratories Али Джаван, Уильям Беннетт и Дональд Хэрриот продемонстрировали первый в мире газовый лазер на смеси гелия и неона, который повсеместно применяется и в наши дни.

После этого физики и инженеры всего мира включились в гонку по созданию всевозможных лазеров, которая идет и по сей день.

Принцип действия, виды, устройство лазера

Что есть свет? Свет- это особая форма материи. Свет состоит из своего рода сгустков, которые называются квантами. Любое вещество состоит из атомов; атомы вещества, излучая или поглощая свет, испускают или, соответственно, поглощают цельные кванты. Длина волны (следовательно – цвет) излучения определяется энергией его кванта. При отсутствии каких-либо дополнительных условий атомы вещества с долями квантов не взаимодействуют. Атомы, одинаковые по своей природе, излучают или поглощают кванты лишь конкретной длины волны. Поскольку энергия переносится порциями и от атома, и к нему, то он способен пребывать только в одном состоянии: в основном, для которого свойственна минимальная энергия, или в одном из возбужденных. Если атом пребывает в основном состоянии, то после поглощения кванта света он переходит в состояние возбуждения. Соответственно, при излучении кванта – все наоборот. Таким образом, чем большее количество квантов вблизи атомов, тем больше число атомов, совершающих переходы с повышением или же с понижением энергии. Само присутствие света вынуждает атомы принимать участие в энергетических переходах. Отсюда и название подобных процессов – вынужденное поглощение и вынужденное излучение. В процессе вынужденного поглощения количество квантов снижается и, как следствие, интенсивность света тоже снижается. Некоторое количество атомов, попав в освещение, начинает вынужденно излучать суммарно большее количество энергии, чем вынужденно поглощает. Так возникает лазерный эффект, то есть усиление света посредством вынужденного излучения данного множества атомов.

Лазерная генерация способна возникнуть лишь в том множестве микрочастиц, где число возбужденных атомов выше, чем находящихся в основном состоянии. Отсюда следует сделать вывод, что это множество следует сначала подготовить, предварительно накачав в него энергию, черпаемую от внешнего источника. Данная операция носит именно это название – накачка.

Главное различие всех типов лазера именно в способе накачки. Накачкой могут служить: электромагнитное излучение с длиной волны, отличающейся от лазерной; электрический ток; пучок релятивистских электронов; электрический разряд; химическая реакция в пригодной для генерации среде.

Если говорить конкретней, то принцип работы лазера заключается в следующем: происходит инверсия электронной населенности в следствии «накачки» рабочей среды, для чего к рабочей среде подводится энергия ( световые или электрические импульсы). Рабочая среда помещается в резонансную полость (оптический резонатор), при циркуляции волны в котором её энергия экспоненциально возрастает благодаря механизму вынужденного излучения. При этом энергия накачки должна превышать определённый порог, иначе потери в резонаторе будут превышать усиление и выходная мощность будет крайне мала.

Все лазеры состоят из трех основных конструкционных блоков: ¹

1. Активная ( рабочая) среда ,которая определяет возможную длину волн эмиссии.

Активная среда представляет собой вещество, в котором создается инверсная заселенность. Активная среда может быть:

• твердой - кристаллы рубина или алюмо-иттриевого граната, стекло с примесью неодима в виде стержней различного размера и формы ;

• жидкой - растворы анилиновых красителей или растворы солей неодима в кюветах;

• газообразной - смесь гелия с неоном, аргон, углекислый газ, водяной пар низкого давления в стеклянных трубках.

Полупроводниковые материалы и холодная плазма, продукты химической реакции тоже дают лазерное излучение. В зависимости от типа активной среды лазеры называются рубиновыми, гелий-неоновыми, на красителях и т.п.

2. Источник энергии (накачки) . Например, электрический ток, импульсная лампа или химическая реакция.

3. Резонансная полость (оптический резонатор) с емкостным устройством -обычно два зеркала. Оптические резонаторы бывают с плоскими зеркалами, сферическими, комбинациями плоских и сферических и множеством других комбинаций. Резонатор представляет собой пару зеркал, которые располагаются параллельных друг другу. Между этими зеркалами помещается активная среда.

Первое из зеркал отражает весь падающий на него свет ( " глухое зеркало", обычно используется призма полного внутреннего отражения). Второе зеркало полупрозрачное (используется стопа стеклянных пластин), оно возвращает часть излучения в среду для осуществления вынужденного излучения, а часть излучения возвращает в среду , а часть выводится наружу в виде лазерного луча. Резонатор можно настроить таким образом, что лазер станет генерировать излучение только одного, строго определенного типа ( моду). Настройка осуществляется путем подбора расстояния между зеркалами.

На схеме обозначены: 1 — активная среда; 2 — энергия накачки лазера;

3 — непрозрачное зеркало; 4 — полупрозрачное зеркало; 5 — лазерный луч.

__________________

¹http://navgeotech.com/index.php?ukey=articles&articles_cat=Lazernye_niveliry_689_174&topic=Lazery_princip_deystviya,_bezopasnost_pri_rabote_s_lazerami