Первый Лазер — Кто придумал? Открытие и использование лазера. Кто, где и когда изобрел лазер Лазерное излучение история открытия

Кто изобрёл лазер?

Что же такое лазер?
Мы все настолько привыкли к слову ЛАЗЕР, что уже и не предполагаем, что это всего лишь аббревиатура. На самом же деле, слово "лазер" ("laser") составлено из начальных букв в английском словосочетании Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, что в переводе на русский язык означает "усиление света с помощью стимулированного испускания излучения".

Кто же изобрел лазер?

Исторически считается, что лазер изобрели русские ученые Басов и Прохоров в 1958 году, за что и получили Нобелевскую премию в 1964 году, вместе с американцем Таунсом, чьи работы Прохоров использовал при разработке. Однако американцы же первыми изготовили рубиновый лазер и наладили серийный выпуск, это была фирма Хьюз Эйркрафт. А ещё ранее, в 1916 году Альберт Эйнштейн предсказывает саму возможность индуцирования внешним электромагнитным полем излучения атомов, на основе чего в дальнейшем и будут работать все лазеры.

Лазер сегодня
Изобретение лазера относится к одному из самых значительных открытий ХХ века. И оно, конечно, сильно повлияло на мир. Сейчас нет ни одной области, в которой бы не применялся лазер. В настоящее время области применения лазеров расширяются с каждым днем. После первого промышленного использования лазеров для получения отверстий в рубинах для часов эти устройства успешно применяются в самых различных областях, при этом используются различные типы лазеров.

Принято все лазерные системы делить на три основные группы: твердотельные лазеры, газовые и полупроводниковые лазеры. Некоторое время назад появились такие системы, как перестраиваемые лазеры на красителях, твердотельные лазеры на активированных стеклах.

Особое место среди этих систем занимает СО2–лазер, относящийся к группе газовых лазеров. Эти типы лазеров способны выдавать мощность от нескольких ватт, до десятка киловатт. Так как для этих лазеров требуется такие широко применяемые газы, как Не, Ar и СО2, они нашли массовое применение в промышленности. И хотя КПД этих лазеров не высокое, 5-10% этого вполне достаточно, чтобы такие типы обработки, как лазерная резка, сварка и термообработка были конкурентоспособными.

Технология лазерной резки
Наиболее развитым из представленных процессов, на сегодняшний день является лазерная резка. По сравнению с другими методами резки: кислородная, плазменная и др. лазерная резка обладает значительными преимуществами, такими как: высокая скорость и точность резки.

Однако сам технологический процесс не так прост, как казалось бы должно быть. Луч с помощью систем зеркал или оптоволокна подают строго вертикально по отношению к обрабатываемой поверхности и фокусируют с помощью линзы. Попадая на поверхность изделия луч мгновенно доводит материал до температуры плавления и выше. Для обеспечения качественного процесса необходимо выдувать расплавленный материал иначе процесс резки превратится в сварку. Обычно для этого используют кислород, азот и другие газы, которые через специальное сопло выдувают в место действия фокального пятна. Сопло диаметром не более 1,5мм в процессе движения геометрически должно находиться в одном месте, для чего необходима специальная система, которая бы контролировала и давление, и необходимый зазор между поверхностью детали и соплом. Устройство, которое непосредственно включает в себя систему фокусировки и систему слежения называют режущей головкой (cutting head).

В итоге, для того чтобы обеспечивать резку деталей по необходимому контуру нужна трёхкоординатная система ХYZ, где перемещение режущей головки по двум осям XY идёт по заданному контуру (по программе), а третья координата Z автоматически отслеживает расстояние до поверхности или же настраивается вручную оператором. Наиболее распространённая системами считаются координатные столы портального типа с «летающей оптикой».

Кто изобрёл лазер?

Кто же изобрел лазер?

Это непротиворечиво. Все световые волны лазера расположены друг с другом. «Это похоже на поток волн, которые одновременно достигают берега и в котором все они имеют одинаковую форму», - говорит Сантьяго Мигель Олаизола, исследователь Центра исследований технических исследований в Гипускоа в Сан-Себастьяне. Он монохроматичен, в то время как большинство источников света имеют полосу излучения с разными цветами и интенсивностью.

Другое свойство состоит в том, что оно направленно. Что ты имеешь в виду? «Это похоже на пулю, она не расширяется», - резюмирует Олаизола. Это луч света, который после путешествия на большие расстояния едва рассеивается на несколько миллиметров. Возможно, лучшим примером для этого является лазерная указка, которая и раздражает игроков на поле: на расстоянии от стендов до центра стадиона свет сохраняет свою траекторию. На практике это позволяет проводить выравнивание и измерение. Например, если вы оставляете зеркало в определенном месте, и вы направляетесь на лазер, вы можете рассчитать, сколько времени требуется, чтобы вернуть свет в точку происхождения, и, следовательно, у вас есть представление о расстоянии.

В общем, лучи света рассеиваются от источника происхождения, с которым энергия уменьшается с расстоянием. Но с помощью лазера вы можете сосредоточиться на одном месте, где много энергии, чтобы расплавить, вырезать или очистить. Источники происхождения могут быть разнообразными. Майман, например, использовал синтетическую рубиновую ручку. Таунс, один из лауреатов Нобелевской премии, сказал, что лазер будет охватывать очень широкий диапазон полей в будущем и будет делать практически все. Ученые говорят, что все, что вы получаете с лазером, невозможно с другим инструментом.

Или, в любом случае, не с той же точностью, чистотой, качеством и скоростью. Как говорит Маргарита Муньос, «лазер обнаружен в большинстве приложений нашей цивилизованной жизни». Некоторые из них хорошо известны. В торговле читатели штрих-кода в супермаркетах полагаются на лазер, а также на защитные голограммы на кредитных карточках. Игроки проектируют низкочастотный луч на диске, который представляет собой ряд изменений. Способ, которым эти изменения отражают свет, определяет звук или изображения.

Но если необходимо подчеркнуть одно из существенных достижений этого изобретения, следует отметить оптическое волокно. Без лазера сегодня было бы что-то столь же необходимым, как и высокоскоростной интернет, поскольку лазер позволяет передавать данные. Волоконная оптика использует лазерные световые импульсы на тонких стеклянных кабелях, которые идут в 25 раз быстрее, чем традиционные кабели, для отправки информации. «Если мы хотим передать большой объем данных из точки А в точку Б, сегодня без лазера это будет невозможно», - говорит Олаизола.

Принято все лазерные системы делить на три основные группы: твердотельные лазеры , газовые и полупроводниковые лазеры . Некоторое время назад появились такие системы, как перестраиваемые лазеры на красителях, твердотельные лазеры на активированных стеклах.

Особое место среди этих систем занимает СО2–лазер, относящийся к группе газовых лазеров . Эти типы лазеров способны выдавать мощность от нескольких ватт, до десятка киловатт. Так как для этих лазеров требуется такие широко применяемые газы, как Не, Ar и СО2, они нашли массовое применение в промышленности. И хотя КПД этих лазеров не высокое, 5-10% этого вполне достаточно, чтобы такие типы обработки, как лазерная резка, сварка и термообработка были конкурентоспособными.

В военной промышленности с конца 1970-х годов американские военные приняли его на обучение. Лазер используется в качестве руководства для ракет и для повышения точности стрельбы из определенного оружия. Его использование может пойти еще больше: в будущем говорят о создании лазерной системы противовоздушной обороны, для обнаружения целей в воздухе. В аэрокосмическом секторе лазер уже окупается.

Кроме того, его промышленное применение очень распространено. Например, для дорожного строительства лазеры используются для выравнивания. Благодаря своей энергии есть очень мощные устройства, которые используются для бурения алмазов и вырезания других компонентов или материалов. Мы также знаем, что лазер поощряет танцполы в ночных клубах. Но малоизвестных или даже неожиданных приложений. Например, лазер может также служить для восстановления произведений искусства. Поскольку Маргарита Муньос, которая провела много исследований по этому вопросу, позволяет лазеру начинать небольшие слои химической природы , не разрушая остальных. Благодаря радиации лаки краски, которые являются полимерами, очищаются.

Со временем лак становится непрозрачным, но благодаря лазеру вы можете поднять первые слои, микроскопическую толщину, не проникая в интерьеры, - объясняет он. Одним из полей, в которых лазер широко используется, является медицина. И с максимальной безопасностью и неагрессивным образом для организма. «Единственная проблема заключается в том, что если вы идете с интенсивностью, происходят ожоги, поэтому вы должны убедиться, что устройство является точным», - говорит он. С лазерными устройствами происходит немного то, что уже произошло с компьютерами: его размер постепенно уменьшается.

Машины становятся все меньше и дешевле. Прежде чем они заполнили комнату, теперь они за столом, и скоро они будут в кармане. Кроме того, его цена падает, поэтому лечение, которое много лет назад имело непомерно высокую стоимость, стало гораздо более доступным.

В области эстетики лазерная эпиляция была важной новинкой. По сравнению с некоторыми обработками кожи, которые использовались до дермабразии или лицевой хирургии, преимущества лазера значительны. Не говоря уже о глазных операциях, которые смогли решить проблему близорукости, или о вмешательствах в этих очень деликатных областях, таких как голосовые связки. Многие применения выполняются без анестезии, без госпитализации, без работы, с простой амбулаторной процедурой. Пациент благодарит его и даже готов заплатить немного больше, - говорит Морага.

Лазер без преувеличения можно назвать одним из важнейших открытий XX века.

Что такое лазер

Говоря простыми словами, лазер - это устройство, создающее мощный узконаправленный пучок света. Название «лазер» (laser ) образовано путём сложения первых букв слов, составляющих английское выражение l ighta mplification bys timulatede mission ofr adiation , что означает «усиление света посредством вынужденного излучения». Лазер создаёт световые лучи такой силы, что они способны прожигать отверстия даже в очень прочных материалах, затрачивая на это лишь доли секунды.

Благодаря своим свойствам лазер очень полезен в биомедицинском изображении. Например, его свет, поглощенный выборочно, позволил понять эпидемию СПИДа, потому что в середине восьмидесятых были усовершенствованы методы дискриминации типов клеток и выяснения того, какие из них были инфицированы вирусом. Следуя тому же принципу, в ближайшие годы анализ полного генома человека может быть осуществлен за очень короткое время, и могут быть разработаны устройства визуализации, способные обнаруживать зарождающиеся опухоли.

В будущем, по всей вероятности, лазер расширит свой луч действия. Большая проблема состоит в том, чтобы принести лазер в организм человека. В настоящее время его основным ограничением является глубина. Его свет не может поражать более 5 мм на поверхности кожи. Но лазер может превышать этот предел. Направляя свет в оптическое волокно через зонд и, таким образом, достигайте определенной точки, используя другие кабели, например, например, писсуар.

Обычный свет рассевается от источника по разным направлениям. Чтобы собрать его в пучок, используют различные оптические линзы или вогнутые зеркала. И хотя таким световым лучом можно даже разжечь огонь, его энергию невозможно сравнить с энергией лазерного луча .

Принцип работы лазера

Так, например, гипертрофия предстательной железы может быть излечена, - говорит Морага. Помимо медицины, самые амбициозные эксперименты с лазером происходят в энергетическом секторе. Не забывайте, что лазер, даже если это энергия, требует энергии для его работы. Но он также может генерировать его. Возможно, в больших количествах. Это то, что сейчас исследуется. Да, вы хорошо читали: эксперимент направлен на воспроизведение динамики работы маленькой звезды, с неисчерпаемым, чистым и свободным от излучения источником энергии.

Для Сантьяго Мигеля Оляйола, после более чем 50 лет, далеко не устаревшего, лазер жив, пинает и становится ярче, чем когда-либо. И, кроме того, это технология, ориентированная на знания, которая не загрязняет окружающую среду и не создает отходов. Итак, с днем рождения, лазер.

В физической основе работы лазера лежит явление вынужденного, или индуцированного, излучения . В чём же его суть? Какое излучение называют вынужденным?

В стабильном состоянии атом вещества имеют наименьшую энергию. Такое состояние считается основным , а все другие состояния - возбуждёнными . Если сравнить энергию этих состояний, то в возбуждённом состоянии она избыточна по сравнению с основным. При переходе атома из возбуждённого состояния в стабильное атом самопроизвольно испускает фотон. Такое электромагнитное излучение называется спонтанным излучением .

Первый велосипед с педалями с рычагами управления, похожий на тот, который мы знаем сегодня, был изобретен шотландским кузнецом Киркпатриком Макмилэном. Он не запатентовал его, но его соотечественник Гавин Далцелл, которому приписывали создание за полвека.

Мораль обычно определяется как способ регулирования человеческого поведения человека в обществе для достижения мирного сосуществования. Человек по определению является неявным, эгоистичным существом. Блейз Паскаль был математиком, физиком, католическим философом и писателем. Его вклад в математику и естественные науки включает в себя проектирование и построение механических калькуляторов, вклад в теорию вероятностей, исследование жидкостей и разъяснение таких понятий, как давление и вакуум.

Если же переход из возбуждённого состояния в стабильное происходит принудительно под воздействием внешнего (индуцирующего) фотона, то образуется новый фотон, энергия которого равна разности энергий уровней перехода. Такое излучение называется вынужденным .

Новый фотон является «точной копией» фотона, вызвавшего излучение. Он имеет такую же энергию, частоту и фазу. При этом он не поглощается атомом. В результате фотонов становится уже два. Воздействуя на другие атомы, они вызывают дальнейшее появление новых фотонов.

Компас - это устройство, которое служит для ориентирования и основывает свою работу на намагниченных иглах, которые указывают направление магнитного поля Земли, указывая на северный полюс и южный полюс. Этот древний инструмент в настоящее время заменяется навигационными системами, которые обеспечивают большую точность.

Йоханнес Гутенберг Йоханнес Гутенберг был немецким ювелиром, изобретателем современной печати печатных материалов. Его лучшей работой была 42-строчная Библия. Его настоящая фамилия - Генсфлейш. Многое пришло в нашу жизнь и заставило его остаться. Но для того, чтобы человек достиг такой ситуации чрезвычайного комфорта, для этого потребовалась большая цепь открытий.

Новый фотон излучается атомом под воздействием индуцирующего фотона, когда атом находится в возбуждённом состоянии. Атом, находящийся в невозбуждённом состоянии, просто поглотит индуцирующий фотон. Поэтому, чтобы свет усиливался, необходимо, чтобы возбуждённых атомов было больше, чем невозбуждённых. Такое состояние называется инверсией населённости .

Таунс скончался почти сотню лет, который вошел в историю как один из изобретателей лазера. Таунс с детства очень любил знать операцию и причину вещей. Его детство было проведено на ферме в Южной Каролине, где его родители способствовали любопытству, контакту с природой и творчеству у своих детей. Похоже, что постоянная конкуренция со своим братом в детстве была предчувствием того, что позже станет одним из самых значимых эпизодов в истории патентов в его стране и который он был отчасти главным героем.

Он всегда понимал свое научное и академическое призвание и хотел остаться в университете, быть учителем и продолжать обучение и исследования. Ученые, столь престижные, как Нильс Бор, ранее отказались от идеи создания устройства, такого как мазер, потому что они не верили, что это возможно, и даже посоветовали против Таунс, который продолжался в его усилиях. Как это ни парадоксально, для этих теоретических работ по мазеру и, в частности, для его успешного развития в последующие годы можно получить Нобелевскую премию физики.

Как устроен лазер

В конструкцию лазера входят 3 элемента:

1. Источник энергии, который называют механизмом «накачки» лазера.

2. Рабочее тело лазера.

3. Система зеркал, или оптический резонатор.

Помимо этой блестящей и престижной научной карьеры, при рассмотрении биографии Таунса, неизбежно столкнуться с биографией другого известного американского физика Гордона Гулда и открыть одну из самых длительных правовых битв за патентные права когда-либо истории и так называемой «30-летней патентной войны».

В те дни многие физики пытались безуспешно развить нечто похожее на мазер, но работали в видимом диапазоне электромагнитного спектра. Согласно его анализу, он через технологию оптической накачки достиг бы интенсивного и когерентного излучения. И именно здесь рождается аббревиатура лазера и семена патентной войны, которая придет позже.

Источники энергии могут быть разными: электрические, тепловые, химические, световые и др. Их задача - «накачать» энергией рабочее тело лазера, чтобы вызвать в нём генерацию светового лазерного потока. Источник энергии называют механизмом «накачки» лазера . Им могут быть химическая реакция, другой лазер, импульсная лампа, электрический разрядник и др.

Рабочим телом , или лазерными материалами , называют вещества, выполняющие функции активной среды . Собственно в рабочем теле и зарождается лазерный луч. Как же это происходит?

В самом начале процесса рабочее тело находится в состоянии термодинамического равновесия, а большинство атомов - в нормальном состоянии. Для того чтобы вызвать излучение, необходимо подействовать на атомы, чтобы система перешла в состояние инверсии населённости . Эту задачу и выполняет механизм накачки лазера. Как только новый фотон появится в одном атоме, он запустит процесс образования фотонов в других атомах. Этот процесс вскоре станет лавинообразным. Все образующиеся фотоны будут иметь одинаковую частоту, а световые волны сформируют световой луч огромной мощности.

В качестве активных сред в лазерах используют твёрдые, жидкие, газообразные и плазменные вещества. Например, в первом лазере, созданном в 1960 г., активной средой был рубин.

Рабочее тело помещается в оптический резонатор . Самый простой из них состоит из двух параллельных зеркал, одно из которых полупрозрачное. Часть света оно отражает, а часть пропускает. Отражаясь от зеркал, пучок света возвращается обратно и усиливается. Это процесс повторяется многократно. На выходе из лазера образуется очень мощная световая волна. Зеркал в резонаторе может быть и больше.

Кроме того, в лазерах используют и другие устройства - зеркала, способные менять угол поворота, фильтры, модулятора и др. С их помощью можно изменять длину волны, длительность импульсов и других параметров.

Когда изобрели лазер

В 1964 г. русские физики Александр Михайлович Прохоров и Николай Геннадиевич Басов, а также американский физик Чарлз Хард Таунс стали лауреатами Нобелевской премии по физике, которая была присуждена им за открытие принципа работы квантового генератора на аммиаке (мазера), которое они сделали независимо друг от друга.

Александр Михайлович Прохоров

Николай Геннадиевич Басов

Нужно сказать, что мазер был создан за 10 лет до этого события, в 1954 г. Он излучал когерентные электромагнитные волны сантиметрового диапазона и стал прообразом лазера.

Автор первого рабочего оптического лазера - американский физик Теодор Майман. 16 мая 1960 г. он впервые получил красный лазерный луч, вышедший из красного рубинового стержня. Длина волны этого излучения составляла 694 нанометра.

Теодор Майман

Современные лазеры имеют разные размеры, от микроскопических полупроводниковых, до громадных, размером с футбольное поле, неодимовых лазеров.

Применение лазеров

Без лазеров невозможно представить современную жизнь. Лазерные технологии применяются в самых разных отраслях: науке, технике, медицине.

В быту мы пользуемся лазерными принтерами. В магазинах применяются лазерные считыватели штрих-кодов.

С помощью лазерных лучей в промышленности возможно проводить обработку поверхностей с высочайшей точностью (резку, напыление, легирование и др.).

Лазер позволил измерить расстояние до космических объектов с точностью до сантиметров.

Появление лазеров в медицине изменило многое.

Трудно представить современную хирургию без лазерных скальпелей, которые обеспечивают высочайшую стерильность и разрезают ткани аккуратно. С их помощью проводят практически бескровные операции. С помощью лазерного луча очищают сосуды организма от холестериновых бляшек. Широко используется лазер в офтальмологии, где с его помощью делается коррекция зрения, лечатся отслоения сетчатки, катаракта и др. С его помощью дробят камни в почках. Незаменим он в нейрохирургии, ортопедии, стоматологии, косметологии и т.д.

В военном деле применяют лазерные системы локации и навигации.

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.

Путь к созданию первого устройства

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:

А. Эйнштейн в 1916 году предсказал вынужденное излучение.
П. Дирак в теории, разработанной в 1927-1930 годах, математически описал возможность вынужденного излучения.
Р. Ланденбург и Г. Копферманн в 1928-м подтвердили существование вынужденного излучения экспериментально.
В. Фабрикант и Ф. Бутаева в 1940 году предположили, что усилить вынужденное электромагнитное излучение поможет уровень с инверсной населенностью электронов.
А. Кастлер в 1950-м предложил создавать инверсную населенность с помощью оптической накачки. За это он получил Нобелевскую премию.
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.
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 смогли только в XXI веке, хотя Эйнштейн предположил их наличие еще в начале XX. Изобретатель лазера и его предшественники решали следующие технические задачи:

Поиск материалов с инверсной заселенностью уровней.
Отбор стабильно работающих источников для оптической накачки.
Выращивание кристаллов с заданными оптическими свойствами для рабочего тела лазера.
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.

2.1 Принцип действия

2.2 Устройство лазера

2.3 Активная среда

2.4 Система накачки

2.5 Оптический резонатор

2.6 Классификация лазеров

2.7 Использование лазеров

Глава 3. Мазеры

Введение

Прошло 50 лет со дня изобретения первого лазера. Без полного понимания того, что свет все же является электромагнитной волной, его изобретение было бы невозможным. В 1918 году за открытие элементарной порции энергии – кванта - Макс Планк (Max Planck) был удостоен Нобелевской премии. Планк работал с абсолютно черным телом, объектом, поглощающим все длины волн падающего на него света. Он пытался объяснить, почему абсолютно черное тело излучает неравномерно на разных длинах волн.

В своей наиболее значимой работе, опубликованной в 1900 году, Планк привел выражение, связывающее частоту электромагнитного излучения и энергию кванта, постулируя при этом, что энергия может излучаться или поглощаться дискретно, даже если эти порции энергии малы. Его теория совершила перелом в физике, вдохновила на дальнейшие исследования в этой области многих прогрессивных ученых того времени, и в частности таких, как Альберт Эйнштейн (Albert Einstein). В 1905 году тот опубликовал свой знаменитый доклад о фотоэффекте, в котором утверждал, что энергия, которую сообщает электронам в фотоматериале падающий свет, также дискретна, и наименьшую единицу этой дискретности он назвал фотоном.

В 1917 Эйнштейн выдвинул теорию вынужденного излучения, согласно которой, кроме процессов спонтанного поглощения и излучения света существует возможность вынужденного (или стимулированного) излучения, когда можно «заставить» электроны излучить свет определенной длины волны одновременно. Однако только спустя 40 лет, основываясь на положениях этой теории, был создан первый лазер.

Глава 1.

История создания лазеров и мазеров

26 апреля 1951 года Чарльзу Таунсу (Charles Hard Townes) из Колумбийского университета, что в Нью Йорке (Columbia University, New York), пришла в голову идея о создании мазера (microwave amplification by stimulated emission of radiation) – прибора, усиливающего микроволновые колебания с помощью явления вынужденного излучения.

В 1954 этот первый мазер был продемонстрирован Таунсом, Гербертом Цайгером (Herbert J. Zeiger) и выпускником Колумбийского университета Джеймсом Гордоном (James P. Gordon). Мазер излучал на длине волны 1 см и генерировал мощность около 10 нВт.

Наши соотечественники Николай Басов и Александр Прохоров, ученые Физического института АН СССР им. П.Н. Лебедева в Москве, в 1955 предложили трехуровневый метод накачки мазера. Молекулы с помощью излучения накачки переходят на третий (верхний) уровень, время жизни молекул на котором мало. Затем молекулы релаксируют на метастабильный (промежуточный) уровень, и впоследствии излучают энергию, равную разности между промежуточным и основным уровнями. Годом позже Николас Блумберген (Nicolaas Bloembergen) из Гарвардского университета (Harvard University) представил мазер на твердом теле.

14 сентября 1957 года Таунс делает первые наброски «мазера» в лабораторном журнале, мазера, работающего уже в оптическом диапазоне, а выпускник Колумбийского университета Гордон Гуд (Gordon Gould) впервые упоминает в своих заметках слово «лазер» и нотариально закрепляет свое право на предложенные принципы его создания. Вскоре Гуд оставляет университет и начинает карьеру в частной фирме TRG (Technical Research Group).

В 1958 Таунс, работавший в то время консультантом Bell Labs, и его шурин Артур Шавлов (Arthur L. Schawlow) в совместной статье в Physical Review Letter показали, что «мазер» может работать и в оптическом диапазоне. В ФИАН им. П.Н. Лебедева Басов И Прохоров вели работу по этому же направлению.

Весной 1959 Гуд и TRG подают заявки на патенты, дабы защитить заверенные нотариально еще в 1957 принципы создания лазера. Однако 22 марта 1960 года за номером 2,929,922 был получен патент на имя Таунса и Шавлова, подтверждающий их право на изобретение оптического мазера, который сегодня мы называем просто лазер. Гуд и TRG в течение 30 лет пытались обжаловать это решение. Но безуспешно.

16 мая 1960 года физик из Калифорнии Теодор Мейнман (Theodore H. Maiman) создает первый лазер на рубине. Кристалл рубина был 1 см в диаметре и около 2 см в длину. Боковые грани стержня были покрыты серебром для создания резонатора типа Фабри-Перо. В качестве источника накачки использовалась лампа-вспышка. 7 июня была созвана пресс-конференция, во время которой действие рубинового лазера было представлено общественности. В ноябре 1960-го учеными IBM был продемонстрирован твердотельный лазер, работающий по 4-х уровневой схеме накачки.

Первый газовый (гелий-неоновый) лазер, излучающий в ИК области спектра на длине волны 1.15 мкм, создали Али Яван, Вильям Беннет и Дональд Херриот (Ali Javan, William Bennett Jr. и Donald Herriott) из Bell Labs в декабре 1960.

На коммерческом рынке лазеры появились с начала 1961 года, реализовывались такими компаниями как Trion Instruments Inc., Perkin-Elmer and Spectra-Physics.

Далее история лазеров развивалась стремительными темпами. Появились лазеры, использующие в качестве активного элемента самые разнообразные, как жидкие, так твердотельные и газообразные вещества. Лазер на неодиме появляется в октябре 1961 в American Optical Co. Его изобретатель – Элиас Снитцер (Elias Snitzer). В декабре этого же года в США провели первую операцию на сетчатке с использованием рубинового лазера. В 1962 получен импульсный режим работы рубинового лазера, в дальнейшем он использовался для сварки швов на ручных часах.

Полупроводниковый лазер на галлий-арсениде изобрели сотрудники GE, IBM, MIT’s Lincoln Laboratory. Это устройство, превращающее электрический ток непосредственно в ИК излучение. Всем известные GaAsP - светодиоды, излучающие в красном диапаоне, появились в 1962 году благодаря Нику Холоньяку мл. (Nick Holonyak Jr.), работавшему тогда в General Electric Co. lab в Сиракузах, штат Нью-Йорк. Сегодня это основа для красных LED, используемых CD, DVD-плеерах, сотовых телефонах.

Лазер на иттрий-алюминиевом гранате (YAG) появился в июне 1962. К концу этого года общий объем лазерных продаж составил более 1 миллиона американских долларов. В 1963 разрабатываются принципы лазеров с синхронизацией мод. В современном мире без них трудно представить оптическую связь и фемтосекундные лазеры.

В этом же году Герберт Кромер из университета Калифорнии (Herbert Kroemer of the University of California) и команда ученых под руководством Жореса Алферова из Института им. А.Ф. Иоффе в Санкт-Петербурге предложили использовать гетероструктуры в работе полупроводниковых лазеров. В 2000 году оба ученых получили за это Нобелевскую премию.

В марте 1964 благодаря Вильяму Бриджесу (William B. Bridges) из США появляется аргоновый лазер, КПД его был низок, зато излучал он на нескольких длинах волн, в том числе и в УФ диапазоне.

В 1964 Таунс, Басов и Прохоров были удостоены Нобелевской премии за фундаментальный труд в области квантовой электроники, в результате которого были созданы колебательные системы и усилители, работающие на мазер-лазерном принципе.

В том же 64-м создали СО 2 лазер, который и по сей день успешно используется в промышленности и медицине.

В 1965 году на практике наблюдали синхронизацию мод – важный шаг на пути к телекоммуникациям.

В 1966 создан лазер на красителях, накачка которого осуществлялась рубиновым лазером.

За изобретение «накачки» лазеров и мазеров Нобелевской премии в 1966 был удостоен французский физик Альфред Кастлер (Alfred Kastler).

В 1970 в ФИАН СССР им. Лебедева Басов, Данилевич и Попов изобрели эксимерный лазер.

Весной этого года Ж.Алферов продемонстрировал непрерывное излучение полупроводниковых лазеров при комнатной температуре, делая все для того, чтобы перевести связь на оптическое волокно с использованием полупроводниковых излучателей. В Corning Glass Works же показали передачу оптического сигнала по оптоволокну с затуханием менее 20 дБ/км. Артур Ашкин (Arthur Ashkin) из Bell Labs изобретает оптическую ловушку, когда атомы вещества оказываются в «подвешенном» состоянии в скрещенных лучах лазеров.

В 1972 изобретают лазер на квантовой яме. Его работа была продемонстрирована в 1977 в университете штата Иллинойс (Illinois). Фактически массово он появился в начале 90-х. В 1972 впервые использовался лазер для создания рисунка на керамической подложке компьютерной микросхемы.

В 1976 создали лазер на свободных электронах. Вместо активной среды такой лазер использует пучок электронов, разгоняемый до больших скоростей и пропускаемый через поперечное магнитное поле для получения когерентного излучения.

В 1978 появляются лазерные диски. Самые первые плееры для считывания информации использовали гелий-неоновый лазер, которые впоследствии заменили на ИК лазерные диоды. В этом же году Philips выпускает миниатюрные CD, какими мы привыкли их видеть сегодня.

В 1987 году Дэвид Пейн (David Payne) из Великобритании представил оптоволокно, легированное эрбием. Новые оптические усилители сразу же усиливали сигнал без его конвертации в электрическую форму, а затем снова в оптическую.

В 1994 мир увидел квантовые каскадные лазеры (ККЛ) Bell Labs, способные излучать сразу на нескольких длинах волн, разделенных промежутками. ККЛ производились методом молекулярной эпитаксии. Изменение толщины определенного слоя ККЛ меняло длины волн излучения. В этом же году в Институте им. А.Ф.Иоффе показали работу лазера на квантовой точке.

В июне 2009 NASA запустило лунный исследовательский комплекс LRO (Lunar Reconnaissance Orbiter), который будет использовать лазер для детального изучения поверхности Луны, что в будущем поможет нам производить безопасную лунную посадку космических кораблей, а также определить, где находится лед на поверхности нашей космической спутницы.

В январе 2010 года в США в Национальном комплексе лазерных термоядерных реакций получен рекордный уровень мощности генерации лазера – беспрецедентный 1МДж в течение одной наносекунды. В будущем планируется использование лазеров для осуществления инерциального термоядерного синтеза