Портал об устройстве канализации и водосточных труб / Бетонные лотки / Для чего был создан лазер. Что такое лазер? Принцип работы и применение

Для чего был создан лазер. Что такое лазер? Принцип работы и применение

19.10.2023

Как известно, лазер – это устройство способное к усилению света путем вынужденного излучения. И возможность построения этого устройства была сначала предсказана в теории, а лишь много лет спустя удалось построить первый образец. Напомню, что вынужденное излучение было объяснено с точки зрения квантовой теории Эйнштейном, а первое воплощение этого принципа в железе началось в 50х годах ХХ века независимо различными группами ученых, наиболее известными из которых стали Ч. Таунс, А. М. Прохоров и Н. Г. Басов. Тогда им удалось построить первый квантовый генератор – мазер, который генерировал излучение в области сантиметровых волн. Непокоренным на то время оставался оптический диапазон, и о том, как его удалось покорить я и постараюсь рассказать в этой статье.

А покорить его удалось Теодору Мейману в 1960м году. Он провёл множество расчетов и пришел к выводу, что идеальным рабочим телом для генерации волн оптического диапазона станет кристалл рубина. Он же предложил принцип накачки рабочего тела – короткими вспышками света от соответствующей лампы-вспышки и способ создания положительной обратной связи для того чтобы усилитель стал генератором – эту функцию выполняли зеркальные покрытия на торцах кристалла. Расчеты Меймана показали, что атомы хрома, которые являются примесью в кристаллах сапфира и делающие его рубином имеют подходящую систему энергетических уровней, которая делает возможной генерацию лазерного излучения. В рубине реализуется простейшая трехуровневая схема. Атом хрома, поглощая свет в сине-зелёной области спектра, переходит на верхний возбужденный уровень, с которого происходит безизлучательный переход на метастабильный уровень, на котором он может задержаться на время порядка 1 мс. Из этого состояния атом возвращается на основной уровень, излучая фотон с длиной волны или 694 или 692 нм, так как метастабильный уровень на самом деле не один, их два очень близко расположенных. Возможность накопления атомов на метастабильном уровне и позволяет создать инверсную заселенность, а вместе с ней и генерацию лазерного излучения, когда один или несколько спонтанно испущенных фотонов заставляют лавинообразно «осыпаться» все остальные атомы из метастабильного состояния в основное, испуская новые фотоны с одинаковой длиной волны, фазой, поляризацией и направлением движения. Они и создают яркий красный луч, которому свойственна когерентность.

С историей изобретения первого оптического квантового генератора связано много достаточно интересных и порой очень несправедливых событий. Для начала надо отметить, что разработку первого лазера Мейман осуществлял по своей инициативе и самостоятельно, только со своим помощником, при этом, лазер на рубине создавался вопреки мнениям многих специалистов, которые были уверены в том, что рубин не годится в качестве рабочей среды. Есть городская легенда, согласно которой, его помощник, будучи дальтоником, впервые в жизни увидел красный свет, в тот момент когда лазер был собран и он заработал. Согласно этой же легенде, Мейман не наблюдал лазерный пучок визуально, так как был очень занят настройками регистрирующей аппаратуры – нужно было срочно собирать экспериментальные данные и готовить статью к публикации, в которой будут представлены убедительные доказательства, что было впервые получено когерентное излучение оптического диапазона. Тут-то и начались сложности. Во-первых, статью Меймана о том, что возможна генерация оптического когерентного излучения в кристалле рубина отклонили от публикации в журнале Physical Review Letters, уточнив, что в «его статье нет ничего принципиально нового». Вместо этого статья была опубликована в Nature. Что характерно – в 1958 году в журнале Physical Review Letters была уже опубликована статья о принципах работы лазера, направленная из конкурирующей организации – Bell Labs, и это не смотря на то, что рабочего экземпляра лазера у них не было, статья описывала просто теоретическое обоснование. Они же быстро состряпали патент на лазер, которого у них ещё не было. А Мейман получил отклонение из этого журнала, хотя построил первый работоспособный лазер. Более того, он подробно потом объяснил ученым из Bell Labs в разговоре по телефону, что нужно для создания лазера и как его построить, уже после того, как он создал свой. Тем не менее, приоритет Меймана в изобретении лазера так и не был признан. Да и Нобелевскую премию за изобретение лазера присудили Ч. Таунсу, а не ему, которая должна была принадлежать ему по праву. Отчасти это объясняют тем фактом, что Мейман работал в частной фирме, которая выполняла заказы для военных, а не в университетской лаборатории.

Теперь, оставим драму в покое и посмотрим, как был устроен рубиновый лазер Меймана в железе. Конструкция была чрезвычайно проста – в компактном корпусе находилась миниатюрная спиральная лампа-вспышка, внутри которой фиксировался ещё более миниатюрный кристалл рубина. Противоположные его торцы были посеребрены – один торец был «глухим» зеркалом, второй был посеребрен более тонким слоем, который пропускал некоторое количество света. Первый в мире лазер был длиной в 12 сантиметров, весил 300 грамм и выглядел игрушечным.

Детали лазера крупным планом:

Собственно, кристалл рубина.

И весь лазер в сборе, без источника питания.

В прессу же попала фотография лазера уже более крупных размеров, но уже далеко не первого в истории. И журналисты сразу же начали поднимать панику, дескать, изобретены «лучи смерти».

Буквально через год-два, когда новость об изобретении лазера уже разлетелась по миру, стали появляться первые лабораторные образцы лазеров в СССР. В отличии от стран запада, спиральные лампы накачки в лазерах не прижились сразу. Во-первых спиральная лампа не смотря на свою «очевидность» имеет далеко не оптимальную форму тела свечения – лишь малая доля света идет по адресу, так как соседние витки спирали в основном подсвечивают друг друга, а не вставленный внутрь неё кристалл рубина. Во-вторых – советская промышленность не выпускала широкую номенклатуру спиральных импульсных ламп. А те которые выпускались, имели неподходящую форму – спираль была слишком большого диаметра но мало витков, как например, достаточно известные лампы ИФК-20000 и ИФК-80000. Была спиральная модификация у достаточно известной и распространенной лампы ИФК-2000, но она встречается очень редко и смогла бы «прокачать» лишь самый миниатюрный кристаллик рубина, как у Меймана. Поскольку спиральные лампы в СССР были редки, то пошли по пути использования тех ламп, которые есть в достаточном количестве. Первый лазер в СССР имел возможность устанавливать в него кристаллы различных размеров, а для накачки использовались «классические» U-образные лампы ИФК-2000. Так он выглядел «живьем».

А так его показывали в книжках Б. Ф. Федорова различных изданий.

Поскольку такой способ накачки все равно остается неэффективным, то от него быстро ушли в пользу накачки прямыми трубчатыми лампами серии ИФП. Кристаллы же рубина также стали выпускаться всего нескольких стандартных размеров, в точности по размеру светящейся части лампы. Кристалл рубина и лампу стали размещать в фокусах эллиптического отражателя, чтобы кристалл собирал максимум доступного света. Так это выглядит схематически.

А так выглядит эллиптический отражатель вживую.

Была ещё конструкция с так называемой «полостной» лампой. Полостная лампа получается, если постепенно увеличивать число витков в спиральной лампе до бесконечности, пока они не сольются в сплошную полость. Такая лампа представляет собой две трубки из кварцевого стекла вложенные одна в другую и спаянные на торцах. Электроды впаяны в противоположные концы лампы. Единственная известная полостная лампа советского производства – ИФПП-7000, применялась в накачке лазерной установки УИГ-1.

Такая схема накачки обладает всеми недостатками схемы со спиральной лампой, поэтому больше нигде не применялась. На фотографии лампа ИФПП-7000 и кристалл рубина использовавшийся с ней. Кроме теперь уже экзотических схем со спиральными и полостными лампами накачки, возможна работа рубинового лазера в ещё более экзотической схеме – с непрерывной накачкой. Это возможно если кристалл рубина очень маленький, охлаждается жидким азотом и освещается сфокусированным пучком от ртутной лампы сверхвысокого давления или лучом мощного аргонового лазера. Но такие устройства так и не покинули стены лабораторий, оставшись экзотикой, описанной в научных статьях, не смотря на то, что со временем его удалось «отучить» от жидкого азота. Впоследствии и от напыленных на торцы зеркал отказались, так как они недолговечны и в случае их повреждения придется менять весь кристалл. Такая конструкция сохранилась только в тех устройствах где нужна максимальная компактность, как, например, в излучателях лазерных эпилляторов. Во всех остальных зеркала смонтированы отдельно на юстировочных приспособлениях.

Было бы странно, если бы мне не захотелось построить свой собственный рубиновый лазер, используя подручный и подножный выброшенный из лазерной лаборатории хлам. Хотелось отдать своего рода дань истории. Ну и получить первый опыт работы с импульсными твердотельными лазерами. Дальше следует описание постройки моего собственного лазера на рубине.

Информация представлена в ознакомительных целях. Автор не несет ответственности за попытки повторения описанного.

Основой стал упомянутый выше кристалл от установки УИГ-1. Это кристалл бледно-розового цвета с размером рабочей окрашенной части 8*120 мм, с дополнительными бесцветными наконечниками, что дает общую длину кристалла в 180 мм. Наконечники нужны для крепления кристалла в корпусе излучателя. Ещё одна причина, по которой окрашенную часть делают точно по размеру лампы накачки в том, что у рубина есть крайне нехорошее свойство поглощать собственное излучение на длине волны генерации. Если какая-то часть кристалла остается незасвеченной, то она начинает поглощать излучение, которое усиливается в засвеченной части и эффективность лазера сильно снижается. Обусловлено это трехуровневой схемой атомов хрома в рубине. По этой же причине у рубина очень высокая пороговая энергия накачки.

В первую очередь был построен макет источника питания для лампы накачки. Основная его деталь – это батарея конденсаторов емкостью 1000 мкФ, которая заряжалась до напряжения 3 кВ.

Напомню, что схемы с высоковольтными конденсаторами большой ёмкости смертельно опасны!

Схема заряда и поджига лампы. Для первой попытки взята ИФП-5000.

Сначала схема с лампой испытывалась без какого либо корпуса. Вспышка лампы крайне мощная, происходит с достаточно громким хлопком и её легко видно в соседних комнатах – свет распространяется через коридор, переотражаясь от стен. Вспышка лампы способна обугливать дерево и бумагу, расположенные к ней в упор. Каждая вспышка сопровождается запахом подгоревшей пыли и озона, выработанного могучим импульсом жёсткого ультрафиолета, и сопровождается волной жара, если находиться рядом с ней. Прямое наблюдение вспышки без средств защиты глаз крайне опасно! Для защиты достаточно обычной сварочной маски или очков.

Наигравшись с самой мощной на тот момент фотовспышкой, я собрал излучатель с этой лампой и показанным выше кристаллом. Корпусом для лампы и кристалла стал стеклянный моноблочный отражатель от технологического лазера «Квант-16», а снованием стал кусок металлического швеллера. Из кусков этого же швеллера были сделаны юстировочные приспособления для зеркал резонатора.

В качестве глухого зеркала я решил использовать призму полного отражения.

А в качестве выходного было выбрано зеркало якобы от рубинового лазера.
Забегая вперед, скажу, что этот конструктив оказался нерабочим. Лазерную генерацию получить на нем не удалось. Причины вполне очевидны – лампа накачки в два раза длиннее кристалла и её свет используется крайне неэффективно. Да и возможность выходного зеркала обеспечить эту генерацию тоже вызывала вопросы. Квантрон (так называется блок лампа+кристалл+отражатель) пришлось переделать. Во втором варианте я сделал новый держатель для кристалла и ламп, вместо одной лампы ИФП5000 решил использовать две лампы ИФП2000, размещенные в упор к кристаллу и соединенные последовательно электрически. Длина ИФП2000 идеально соответствует длине окрашенной части кристалла. Такой способ компоновки называется «плотная упаковка».

В качестве отражателя было решено испытать белые кафельные плитки. Современной тенденцией в коммерческом лазеростроении является использование керамических диффузных отражателей сделанных из спеченной окиси алюминия, которая отражает до 97% падающего света. Фирменные отражатели мне, конечно же, недоступны, но вот кафельные плитки выглядят не хуже, тоже идеально белые.

Было заменено и выходное зеркало на новое с измеренным коэффициентом пропускания 45% на длине волны 694 нм.

И в такой конфигурации удалось получить генерацию с первого импульса! Порог генерации оказался довольно высоким – около 1500 Дж энергии накачки. Лазер выдавал луч насыщенно-красного цвета, ослепительной яркости. К сожалению из-за его «скоротечности» сфотографировать его не удалось. Зато удалось зафиксировать его разрушительное действие на металл при фокусировке. Из железа он хорошо высекает искры.

Поскольку кристалл не имеет водяного охлаждения, то с повышением его температуры энергия луча довольно быстро падает, вплоть до полного срыва генерации. Да и кафельные плитки хорошо нагревались и затрудняли отвод тепла. При разборке я заметил, что поверхность плиток все же начала темнеть. Было решено испытать металлический отражатель, согнутый из хромированной пластины фотоглянцевателя.

Этот отражатель работал также как и кафельные плитки, но гораздо быстрее охлаждался и стрелять можно было чуть чаще. Было проведено несколько стрельб по металлу и резине. От сорта металла зависит вид высекаемых искр. Стрельба в трансформаторное железо. Для сквозного пробоя понадобилось 4 выстрела.

Стрельба в нержавейку. Искры более яркие.

Стрельба в лезвие канцелярского ножа из углеродистой стали дает обилие пушистых звездочек.

Стрельба в резину дает выброс факела пламени длиной до 3-4 см с последующими колечками дыма.

Также удалось выяснить, что из-за применения призмы полного отражения в качестве глухого зеркала лазер работает в одномодовом режиме и выдает энергию меньшую, чем мог бы, при том же уровне накачки. Дело в том, что центральное ребро у призмы – это мертвая зона и, исходя из схемы хода лучей света в призме полного отражения, световой пучок расщепляется на два параллельных, что соответствует моде ТЕМ10. Опозналось это по пятну ожога на черном карболите – было четко видно расщепленное пополам пятно как на картинке.

Если создать условия, при которых все остальные моды не будут подавляться, то за счет появления высших мод можно добиться повышения выходной энергии минимум вдвое. Для этого потребовалось заменить призму, которые легкодоступны, на специальное глухое зеркало, рассчитанное для работы на длине волны 694 нм. И это того стоило! Порог генерации упал до 900 Дж, а энергии действительно стало больше! И при стрельбе в черный карболит получалось равномерное пятно ожога. Теперь пластинка трансформаторного железа пробивалась за 2-3 выстрела, а диаметр отверстия получался несколько большим. Ну и количество искр стало существенно больше! Особенно красиво получается при стрельбе в углеродистую сталь.

Обычная сталь тоже искрит весьма неслабо!

3 выстрела делают в лезвии ножа сквозную дырку.

На этот момент возможности лазера уже были в принципе понятны, и оставалось убрать весь тот бардак из конденсаторов и оголенной высоковольтной проводки в более-менее аккуратный корпус, удачно оставшийся от разобранного блока питания лазера ЛГ-70. Принято решение сократить конденсаторную батарею, оставив только 6 однотипных конденсаторов, которые идеально влазили в корпус. Впихивание остального барахла затруднений не вызвало, даже осталось место для очень важного узла обеспечения безопасности – вакуумного выключателя имеющего нормально замкнутое положение, который разряжает конденсаторы на мощный резистор, когда прекращаются занятия с лазером и блок питания обесточивается. Заряд надежно сливается примерно за 40 секунд. Платой за это стало некоторое снижение энергии излучения, но зато лампы накачки работают в более щадящем режиме.

Вверху – конденсаторы, правее – разрядный резистор, в левом нижнем углу – система поджига лампы, круглая катушка правее – балластный дроссель который включается для ограничения импульсного тока через лампы (без него лампы торжественно взрываются после пары десятков вспышек), ещё правее (в центре) трансформатор от китайской микроволновки для заряда конденсаторов, ещё правее – его пускатель, и в правом нижнем углу – вакуумный выключатель ВВ-5, который замыкает конденсаторы на резистор при выключении аппарата из сети.

Вид БП сзади. Вентилятор там стоит просто потому, что он там был, и там было место под него. Реально греющиеся узлы в этом блоке отсутствуют. Высокое напряжение выводится через два контакта на самодельных проходных изоляторах, которым ещё нужно обеспечить дополнительную защиту от случайных прикосновений.

После сборки блока питания было решено взять штурмом пятак, выполненный из нержавеющй стали толщиной примерно 1.3 мм. Понадобилось около 7 выстрелов, но сквозной пробой был получен!

Здесь уже видны искры с тыльной стороны пятака.

А вот и желаемый результат – сквозной пробой пятака.

Подводя итог, было бы странно, если бы с моим увлечением я бы не построил этот действительно выдающийся вид лазера, у которого в моей реализации выходная энергия оценивается в 5 Дж при использовании полновесной батареи конденсаторов. Именно с него началась история всей лазерной техники и совершенно новой на тот момент науки – нелинейной оптики, которая открыла совершенно необычные казусы, происходящие со светом в области больших мощностей и энергий. Отдельно я бы хотел поблагодарить Джаррода Кинси, американского лазерного самодельщика, с ним я смог обсудить конструкцию своего самодельного лазера, и получить от него ряд ценных замечаний. В статье были использованы материалы из следующих источников, помимо бездонных глубин интернетов:

1. Б. Ф. Федоров Оптические квантовые генераторы, «Энергия», 1966,
2. Б. Ф. Федоров Лазеры и их применения, «Энергия», 1973
3. А. С. Борейшо Лазеры: устройство и действие, Санкт-Петербург, 1992

Благодарю за чтение, надеюсь было интересно.

А для будущих проектов у меня припасен действительно огромный рубиновый стержень – диаметром 16мм и с длиной окрашенной части 240 мм. Полная длина – 300 мм. Из такого кристалла можно получить до 100 Дж выходной энергии. Почти то, что нужно для лазерного бластера.

ФГБОУ ВПО

Уфимский государственный авиационный технический университет

Творческая работа по истории на тему

«История создания лазера»

Выполнил: Гильмияров Р.А. ЭАС 105

Проверил: Васильев И.М.

История создания лазера

Уже более полувека лазеры помогают человеку в физике, медицине, химии, самых разных производствах и даже в исследовании космоса. Их используют при маркировке товаров, при сложных операциях (например, при коррекции зрения, которая стала возможна только благодаря лазерам), в исследовании молекул и в измерении расстояний в космосе. И даже в массовой культуре и в быту! Посмотрите вокруг себя: календарь на стене, компакт-диск, бокал с красивой гравировкой - все это сделано с помощью лазера.

Лазерная указка, луч, разрезающий железо, и астрономический прибор, измеряющий расстояния до небесных тел - все они родственники, потому что работают с применением лазерной технологии.

Что такое лазерный луч? Это источник света с совершенно уникальными свойствами. Он практически не рассеивается, а может излучаться на дальние расстояния и возвращаться обратно. У лазера очень большая теплота, что позволяет ему резать материал, через который он проходит.

Первые шаги к этому великому изобретению XX века сделал легендарный ученый Альберт Эйнштейн. В 1917 году он провел исследования о вынужденном испускании света, которые позже легли в основу принципа работы лазеров.

Вторым ученым, сделавшим важный вклад в изобретение, стал наш соотечественник Валентин Фабрикант. Он открыл, что вынужденное испускание может усилить электромагнитное излучение про прохождении его через определенную среду.

Научное обоснование

Слово «Лазер» - это английская аббревиатура, то есть слово, составленное из первых букв словосочетания. «Light amplification by stimulated emission of radiation», что переводится как «свет, усиляемый вынужденным (или стимулированным) лучеиспусканием» - а сокращенно «laser». Но впервые принцип лазера был применен не на световых, а на микроволнах. Это открытие тоже принадлежит нашим соотечественникам - советским физикам Николаю Басову и Александру Прохорову. Доклад о своем «молекулярном генераторе» они сделали в 1954 году. Еще два года спустя были созданы и презентованы первые установки и получен направленный пучок молекулярных волн. Технически это был еще не лазер, а мазер («microwave amplification by stimulated emission of radiation», но принцип его работы был тем же самым.

В основе работы, как мазера, так и лазера лежит один и тот же принцип, сформулированный в 1951 г. Валентином Фабрикантом. Его появление встретили как техническую революцию, новую эпоху в науке. Вначале лазер отнесли к квантовой радиофизике, а позднее стали называть квантовой электроникой. Однако, несмотря на то, что принципы работы уже были сформулированы, путь к созданию лазера занял еще шесть лет. Эти годы были наполнены поиском резонаторов для оптического диапазона и некоторыми другими исследованиями. В разработку оптического лазера также внесли большой вклад учёные Басов и Прохоров.

С 1954 по 1960 год ученые проводили опыты с волнами света в разной среде и с применением различных резонаторов. Наконец, в 1960 году появилась обстоятельная научная работа Николая Басова, Олега Крохина и Юрия Попова, в которой были рассмотрены принципы работы квантовых генераторов (первых лазерных установок) и выражалась надежда на то, что вскоре они будут сконструированы. Параллельно такую же углубленную работу над теорией и практикой создания лазера вели американцы.

Первые лазеры

Итак, к 60-м годам были заложены все теоретические основы работы лазеров, и ученым оставалось только одно - сконструировать рабочие модели. Это удалось американцу Теодору Мейману в 1960 году. Первый из его рабочих прототипов работал на рубине и выглядел как рубиновый кубик с размером граней в 1 см. Две из его сторон были покрыты серебром (они и играли роль резонатора). Свет излучала лампа-вспышка огромной мощности. Через небольшое отверстие в одной из «серебряных» граней рубина выходил тонкий красный луч. Это и был первый в мире луч лазера.

Начало было положено, и дальше разработка лазеров пошла огромными шагами. В том же году была сконструирована первая газовая лазерная установка, а год спустя лазеры появляются в каждой оптической лаборатории. Они изучаются, совершенствуются и находят всё новое применение. Следующим шагом стало создание полупроводниковых лазеров (1962-1963 год). Это стало началом новой эры в оптике и применения лазеров во всех сферах науки.

Какими бывают лазеры?

Классификация лазеров и их характеристики

Лазеры различают по множеству признаков. Вот некоторые из классификаций:

) Состояние активного вещества (твердотельные, газовые или жидкостные);

) Принцип работы (усилители и генераторы);

) Способ возбуждения активного вещества;

) Степень мощности

) Расходимость лазерного луча

) Диапазон длины волн

Лазеры могут использовать разные активные вещества: как твердые (рубин, сапфир, стекло), так и жидкие, а также газообразные (аргон, гелий). Еще в качестве активного вещества может применяться полупроводниковый переход. В соответствии с этим лазеры называют твердотельными, жидкостными, газовыми и полупроводниковыми.

По принципу работы лазеры разделяют на генераторы и усилители. Лазер-усилитель работает по такой схеме: в то время, как сам он находится в возбужденном состоянии, на вход поступает небольшой сигнал. Это стимулирует отдачу энергии и формирует луч.

Если лазер относится к генераторам, то для его запуска стимулируют активное вещество. Когда возбуждение растет, в определенный момент происходит отдача энергии.

Возбуждение активного вещества может происходить разными способами: за счет оптического излучения, потоком электронов, ядерным излучением, химической или солнечной энергией. Процесс может происходить непрерывно (такие устройства называют «лазерами с непрерывным излучением) или с перерывами (импульсные лазеры)

По степени мощности на выходе различают лазеры высокой, средней и низкой мощности.

По диапазону длины волн, в котором ведется излучение, различают лазеры с разной степенью монохроматичности. Выше всего она у газовых лазеров. Твердотельные лазеры высокой монохроматичностью не отличаются, потому что имеют значительный диапазон частот.

Расходимость лазерного луча - параметр, от которого зависит область применения лазера. Легко понять, что это показатель того, насколько расширяется луч. Самый узкий луч имеют газовые лазеры, благодаря этому свойству они применяются в определении расстояний до цели.

Будущее лазеров

Несмотря на то, что лазер изобретен больше полувека назад, он все еще совершенствуется и продолжает находить новые применения. Сейчас ведутся разработки новых лазерных инструментов для медицины и изучается возможность применения лазерных лучей в реакции термоядерного синтеза. Термоядерный синтез - способ получения энергии, аналогичный тому, как она образуется Солнцем и другими звездами. Если будет разработана надежная технология бесперебойного термоядерного синтеза, человечество навсегда забудет о дефиците энергии. Лазеры призваны сыграть в этом открытии заметную роль.

Еще один интересный аспект - лазерное оружие. Его разработки ведутся уже много лет и даже существуют рабочие прототипы - например, ручные лазерные пистолеты ЛК, созданные в Советском Союзе для космической отрасли. Главной проблемой таких пистолетов до сих пор остается батарея: нельзя подобрать настолько мощный источник питания, чтобы лучевой пистолет был компактным и не слишком тяжелым. Сейчас к разработкам боевого оружия, способного поражать цель мощным лазерным лучом, ближе всего подошли американские ученые.

Велись и разработки мощных лазерных установок ПВО, чтобы сбивать лучами самолеты и беспилотники противника. Сейчас проект продолжается, но переориентирован: лазерные системы ПВО тестируются, чтобы препятствовать наблюдениям из космоса.

Есть травматическое лазерное оружие с лучами малой мощности, но большой яркости. Оно способно временно ослепить человека. В России, например, такие устройства называются «Поток» и официально приняты на вооружение МВД. Более мощные лазеры, которые могут нанести серьезную травму зрению, запрещены Международным правом.

Маломощные лазеры также используются в современном оружии для точности наведения. «Красная точка», по которой герой фильма понимает, что его взял на мушку снайпер - не что иное, как луч лазера.

Несмотря на такое множество применений в боевых условиях, лазер остается прежде всего мирным орудием и гораздо шире применяется в медицине, физике и других науках.

Литература

лазер луч волна диапазон

1. Применения лазеров. Под редакцией д-ра техн. Наук В.П. Тычинского, издательство Мир, Москва 1974.

Применение лазеров в машиностроении и приборостроении. Авт.: Крылов К.И., Прокопенко В.Т., Митрофанов А.С. Л. Машиностроение. Ленингр.отд-ние,1978.

Лазеры и их применение. Тарасов Л.В. Учебное пособие для ПТУ. М.: Радио и связь, 1983.

Лазеры: действительность и надежды. Тарасов Л.В. М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1985.

Лазеры. Основы устройства и применения. Федоров Б.Ф. М.: ДОСААФ, 1988.

6. Лазеры. https://ru.wikipedia.org/wiki/%CB%E0%E7%E5%F0#cite_ref-1

Назначение и область применения лазеров.bibliofond.ru/view.aspx?id=41876

Репетиторство

Нужна помощь по изучению какой-либы темы?

Наши специалисты проконсультируют или окажут репетиторские услуги по интересующей вас тематике.
Отправь заявку с указанием темы прямо сейчас, чтобы узнать о возможности получения консультации.

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.

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

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 .

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.

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 .

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.

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.

Сегодня различные типы лазеров используются во многих отраслях науки, техники, на производстве и в медицине. Даже в повседневной жизни мы все чаще встречаем эти электронные приборы. Однако всего лишь каких-то 50-60 лет назад о лазере мало кто знал, да и самого прибора, по сути, еще не существовало – были лишь обособленные разработки в этой области и неиссякаемый энтузиазм некоторых ученых. Именно эти ученые из России, США и других стран собственно и стояли у истоков история лазера, о которой пойдет речь в этой статье.

Но до появления первого функционирующего лазера была еще достаточно длинная история различных открытий и изобретений, которые в последствие и легли в основу изобретения этого прибора. И так, обо всем по порядку.

В 1900 году один из талантливейших умов нашей планеты – немецкий ученый Макс Планк открывает элементарную порцию энергии – квант и теоретически описывает связь энергии кванта с частотой электромагнитного излучения, вызвавшей его появление. Спустя 8 лет в 1918 году за свое открытие он получает Нобелевскую премию. Кстати примерно в это же время другой выдающийся ученый Альберт Эйнштейн открывает наименьшую элементарную частицу света – фотон и доказывает теорию дискретности света.

В 1917 году Эйнштейн формулирует теорию «Вынужденного излучения», которая описывает возможность создания условий, при которых электроны одновременно излучают свет одной длины волны. То есть, по сути, он описал теоретическую возможность создания некоего управляемого электромагнитного излучателя, названного впоследствии лазером.

Только через 34 года идея Эйнштейна из теории начала превращаться в реальность. В 1951 году профессор Колумбийского университета Чарльз Таунс решается использовать теорию «вынужденного излучения» для создания реального действующего прибора. В 1954 году он со своими единомышленниками Гербертом Цайгером и Джеймсом гордоном на практике реализует свой замысел, представив на суд общественности – первый в мире реально работающий лазер. Правда, тогда он назывался «мазер». Прибор генерировал очень тонкий луч света на частоте 100 Гц мощностью 10 нВт. Конечно же, по сегодняшним меркам это немного, но тогда это был настоящий прорыв в оптоэлектронике .

Спустя год в 1955 году советские ученые Александр Прохоров и Николай Басов из Института физики Академии наук CCCP совершенствуют конструкцию мазера, изменяя метод накачки электронов. В 1964 году они вместе с Таунсом получают за свои открытия Нобелевскую премию. В 1956 году американский ученый Николас Блумберген из Гарвардского университета разрабатывает твердотельный мазер. До этого существовали только газовые.

Что касается самого названия, то впервые термин «лазер» упоминает в своих научных работах выпускник Колумбийского университета и коллега по научным изысканиям Чарльза Таунса – Гордон Гуд. Это произошло в 1957 году . Почему такое изменение? Дело в том, что первые мазеры работали не в оптическом диапазоне и были невидимы для человеческого глаза. Таунс же разработал конструкцию оптического светогенерирующего прибора, а Гуд ввел понятие «лазер» и нотариально заверил право первого, кто описал принцип работы этого прибора.

В 1960 году американский физик Теодор Мейнман создает первый в мире лазер, который работает на кристалле драгоценного камня – рубине. Позже этот тип лазеров стали называть «рубиновыми» и они достаточно долгое время были самыми широко распространенными. Чуть позже в этом же году в ноябре месяце компания IBM представила свой твердотельный лазер, использующий технологию 4-уровневой накачки.

Первое коммерческое использование лазера произошло в 1961 году . Тогда на рынке работало уже несколько компаний, разрабатывающих и производящих подобные оптические приборы. В 1962 году был впервые использован рубиновый лазер. С его помощью сваривались швы на корпусе наручных часов.

Первый полупроводниковый лазер был создан в 1962 году в компании General Electric. Его разработчиком стал инженер Ник Холоньяк. Сейчас лазеры этого типа широко используются в бытовой электронике: CD-проигрывателях и DVD-плеерах.

Вот такая вот история!

В 1900 году один из талантливейших умов нашей планеты – немецкий ученый Макс Планк открывает элементарную порцию энергии – квант и теоретически описывает связь энергии кванта с частотой электромагнитного излучения, вызвавшей его появление. Спустя 8 лет в 1918 году за свое открытие он получает Нобелевскую премию. Кстати примерно в это же время другой выдающийся ученый Альберт Эйнштейн открывает наименьшую элементарную частицу света – фотон и доказывает теорию дискретности света.

В 1917 году Эйнштейн формулирует теорию «Вынужденного излучения», которая описывает возможность создания условий, при которых электроны одновременно излучают свет одной длины волны. То есть, по сути, он описал теоретическую возможность создания некоего управляемого электромагнитного излучателя, названного впоследствии лазером.

Только через 34 года идея Эйнштейна из теории начала превращаться в реальность. В 1951 году профессор Колумбийского университета Чарльз Таунс решается использовать теорию «вынужденного излучения» для создания реального действующего прибора. В 1954 году он со своими единомышленниками Гербертом Цайгером и Джеймсом гордоном на практике реализует свой замысел, представив на суд общественности – первый в мире реально работающий лазер.

Правда, тогда он назывался «мазер». Прибор генерировал очень тонкий луч света на частоте 100 Гц мощностью 10 нВт. Конечно же, по сегодняшним меркам это немного, но тогда это был настоящий прорыв в оптоэлектронике.

Чарльз Таунс (слева) - изобретатель лазера, получивший Нобелевскую премию вместе советскими учеными А. Прохоровым и Н. Басовым

Спустя год в 1955 году советские ученые Александр Прохоров и Николай Басов из Института физики Академии наук CCCP совершенствуют конструкцию мазера, изменяя метод накачки электронов. В 1964 году они вместе с Таунсом получают за свои открытия Нобелевскую премию. В 1956 году американский ученый Николас Блумберген из Гарвардского университета разрабатывает твердотельный мазер. До этого существовали только газовые.

Профессор Ч. Таунс в гостях у академика Н. Г. Басова

Что касается самого названия, то впервые термин «лазер» упоминает в своих научных работах выпускник Колумбийского университета и коллега по научным изысканиям Чарльза Таунса – Гордон Гуд. Это произошло в 1957 году. Почему такое изменение? Дело в том, что первые мазеры работали не в оптическом диапазоне и были невидимы для человеческого глаза. Таунс же разработал конструкцию оптического светогенерирующего прибора, а Гуд ввел понятие «лазер» и нотариально заверил право первого, кто описал принцип работы этого прибора.

Первый советский рубиновый лазер, созданный в ФИАНе

Создатель лазера академик Александр Михайлович Прохоров

Первое коммерческое использование лазера произошло в 1961 году. Тогда на рынке работало уже несколько компаний, разрабатывающих и производящих подобные оптические приборы. В 1962 году был впервые использован рубиновый лазер. С его помощью сваривались швы на корпусе наручных часов.

Американский физик, обосновавший возможность создания лазера, Нобелевский лауреат Артур Леонард Шавлов

Первый полупроводниковый лазер был создан в 1962 году в компании General Electric. Его разработчиком стал инженер Ник Холоньяк.

Отцом светодиодной технологии в нынешнем ее понимании стал Ник Холоньяк

Затем лазерная техника получила бурное развитие. Появились: газовые, газодинамические, химические лазеры, лазеры на свободных электронах, волоконные и другие.

Гелий-неоновый лазер

Лазеры широко применяются в научных измерениях и экспериментах. Они позволяют создать высокую точность там, где это потребуется.

Современные источники лазерного излучения дают в руки экспериментаторов монохроматический свет с практически любой желаемой длиной волны. В зависимости от поставленной задачи это может быть как непрерывное излучение с чрезвычайно узким спектром, так и ультракороткие импульсы длительностью вплоть до сотен аттосекунд (1 ас = 10−18 секунды).

Высокая энергия, запасенная в этих импульсах, может быть сфокусирована на исследуемый образец в пятно, сравнимое по размерам с длиной волны, что дает возможность исследовать различные нелинейные оптические эффекты. С помощью перестройки по частоте осуществляются спектроскопические исследования этих эффектов, а управление поляризацией лазерного излучения позволяет проводить когерентный контроль исследуемых процессов.

Лазеры применяются в информационной сфере. Лазерные принтеры и лазерные проигрыватели компакт дисков прочно вошли в наш обиход.

Полупроводниковый лазер, применяемый в узле генерации изображения принтера Hewlett-Packard

Лазеры используются в связи, в том числе и космической.

Большой размах получило лазерное сопровождение музыкальных представлений (так называемое «лазерное шоу»).

Лазер используется в строительстве. Лазерные уровни, угломеры и линейки позволяют делать замеры с большой точностью.

Лазерная резка металла - технология резки и раскроя материалов, использующая лазер высокой мощности и обычно применяемая на промышленных производственных линиях. Сфокусированный лазерный луч, обычно управляемый компьютером, обеспечивает высокую концентрацию энергии и позволяет разрезать практически любые материалы независимо от их теплофизических свойств. В процессе резки, под воздействием лазерного луча материал разрезаемого участка плавится, возгорается, испаряется или выдувается струей газа.

При этом можно получить узкие резы с минимальной зоной термического влияния. Лазерная резка отличается отсутствием механического воздействия на обрабатываемый материал, возникают минимальные деформации, как временные в процессе резки, так и остаточные после полного остывания. Вследствие этого лазерную резку, даже легкодеформируемых и нежестких заготовок и деталей, можно осуществлять с высокой степенью точности.

Лазеры широко применяются в медицине. С появлением промышленных лазеров наступила новая эра в хирургии. При этом пригодился опыт специалистов по лазерной обработке металла. Приваривание лазером отслоившейся сетчатки глаза - это точечная контактная сварка; лазерный скальпель - автогенная резка; сваривание костей - стыковая сварка плавлением; соединение мышечной ткани - тоже контактная сварка.

С середины 50-х годов XX века в СССР осуществлялись широкомасштабные работы по разработке и испытанию лазерного оружия высокой мощности, как средства непосредственного поражения целей в интересах стратегической противокосмической и противоракетной обороны. Среди прочих были реализованы программы «Терра» и «Омега». Испытания лазеров осуществлялись на полигоне Сары-Шаган (ПВО, ПРО, ПКО, СККП, СПРН) в Казахстане. После распада Советского Союза работы на полигоне Сары-Шаган были остановлены.

В середине марта 2009 года американская корпорация Northrop Grumman объявила о создании твердотельного электрического лазера мощностью около 100 кВт. Разработка данного устройства была произведена в рамках программы по созданию эффективного мобильного лазерного комплекса, предназначенного для борьбы с наземными и воздушными целями.