История создания лазера и его применение

Реферат по предмету История и методология  науки и техники

 

История создания лазера и его применение

 

 

1. ВВЕДЕНИЕ 
   

B последние годы внедрение  лазерной техники во все отрасли  народного хозяйства значительно  расширилось. Уже сейчас лазеры  используются в космических исследованиях,  в машиностроении, в медицине, в  вычислительной технике, в самолетостроении  и военной технике. Появились  публикации, в которых отмечается, что лазеры пригодились и в  агропроме. Непрерывно совершенствуется применение лазеров в научных исследованиях- физических, химических, биологических.  
B результате гонки вооружений ускоренными темпами идет использование лазеров в различных видах военной техники - наземной, морской, воздушной.  
Ряд образцов лазерной техники - дальномеры, высотомеры, локаторы, системы самонаведения - поступили па вооружение в армиях. В военных приборах в качестве источника излучения используется лазер.  
В 1955-1957 годах появились работы Н.Г. Басова, Б.М. Вула, Ю.М. Попова и А.М. Прохорова в России, а также американских ученых Ч. Таунса и А. Шавлова, в которых были приведены научные обоснования для создания квантовых генераторов оптического диапазона. В декабре 1960 года Т. Мейман сумел построить первый успешно работающий лазер с рубиновым стержнем в качестве активного вещества. 
В 1960 году под руководством американского ученого А. Джавана был создан газовый лазер. Он использовал в качестве активной среды смесь газов гелия и неона. 
В 1962 году практически одновременно в России и в США был создан лазер, у которого в качестве активного вещества применили полупроводниковый элемент. 
Заслуги русских ученых в деле развития квантовой электроники, а также вклад американских ученых были отмечены Нобелевской премией. Её получили в 1964 году Н.Г. Басов, А.М. Прохоров и Ч. Таунс. С этого момента началось бурное развитие лазеров и приборов, основанных на их использовании. 
Большой вклад советские ученые и инженеры внесли в решение такой проблемы, как обеспечение безопасности посадки самолетов в сложных условиях. 
В последнее время получила распространение еще одна важная область применения лазеров - лазерная технология, с помощью которой обеспечивается резка, сварка, легирование, скрайбирование металлов и обработка интегральных микросхем. 
Значительный эффект получен и при использовании лазеров в медицине. Был создан лазерный скальпель. Возникла лазерная микрохирургия глаза. 
Лазеры применяются в стоматологии, нейрохирургии, при операциях на сердце и диагностике заболеваний. Ультрафиолетовые лазеры применяют для раннего обнаружения раковых опухолей. 
Имеются определенные успехи и по использованию лазеров в агропроме. 
В пищевой промышленности исследуются возможности применения лазеров для улучшения качества хлебопродуктов, ускорения производства безалкогольных напитков с улучшенными свойствами, сохранения качества мяса и мясопродуктов. Даже такие работы, как предварительная обработка режущего инструмента и подшипников в аппаратах пищевого машиностроения, дает значительное увеличение срока службы этих устройств. 
Огромные средства направляются на создание лазеров большой мощности, а также рентгеновских и химических лазеров. 
 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. ЛАЗЕРЫ. 
   

На вопрос о том, что  такое лазер, академик Н.Г. Басов  отвечал так: "Лазер - это устройство, в котором энергия, например тепловая, химическая, электрическая, преобразуется  в энергию электромагнитного  поля - лазерный луч. При таком преобразовании часть энергии неизбежно теряется, но важно то, что полученная в  результате лазерная энергия обладает более высоким качеством. Качество лазерной энергии определяется её высокой  концентрацией и возможностью передачи на значительное расстояние. Лазерный луч можно сфокусировать в  крохотное пятнышко диаметром порядка  длины световой волны и получить плотность энергии, превышающую  уже на сегодняшний день плотность  энергии ядерного взрыва. С помощью  лазерного излучения уже удалось  достичь самых высоких значений температуры, давления, магнитной индукции. Наконец, лазерный луч является самым  ёмким носителем информации и  в этой роли - принципиально новым  средством её передачи и обработки". 
Индуцированное излучение. В 1917 г. Эйнштейн предсказал возможность так называемого индуцированного (вынужденного) излучения света атомами. Под индуцированным излучением понимается излучение возбужденных атомов под действием падающего на них света. Замечательной особенностью этого излучения является то, что возникшая при индуцированном излучении световая волна не отличается от волны, падающей на атом, ни частотой, ни фазой, ни поляризацией. 
На языке квантовой теории вынужденное излучение означает переход атома из высшего энергетического состояния в низшее, но не самопроизвольно, как при обычном излучении, а под влиянием внешнего воздействия. 

Слово лазер образовано как  сочетание первых букв слов английского  выражения "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation" ("усиление света при помощи индуцированного излучения"). 
Еще в 1940 г. советский физик В.А. Фабрикант указал на возможность использования явления вынужденного излучения для усиления электромагнитных волн. В 1954 г. советские ученые Н.Г. Басов и А.М. Прохоров и независимо от них американский физик Ч. Таунс использовали явление индуцированного излучения для создания микроволнового генератора радиоволн с длиной волны 1,27 см.

 
Свойства лазерного излучения.

 

Лазерные источники света  обладают рядом существенных преимуществ  по сравнению с другими источниками  света: 
1. Лазеры способны создавать пучки света с очень малым углом расхождения (около 10-5 рад). На Луне такой пучок, испущенный с Земли, дает пятно диаметром 3 км. 
2. Свет лазера обладает исключительной монохроматичностью. В отличие от обычных источников света, атомы которых излучают свет независимо друг от друга, в лазерах атомы излучают свет согласованно. Поэтому фаза волны не испытывает нерегулярных изменений. 
3. Лазеры являются самыми мощными источниками света. В узком интервале спектра кратковременно (в течение промежутка времени продолжительностью порядка 10-13 с) у некоторых типов лазеров достигается мощность излучения 1017 Вт/см2. Напряженность электрического поля в электромагнитной волне, излучаемой лазером, превышает напряженность поля внутри атома.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Предпосылки к созданию

Исследования в области физики света и предполагающие появление  устройства, способного производить  пучки света. Еще в 1917 году Альберт  Эйнштейн создал теоретические основы для последующего изобретения лазера и квантового генератора. Впоследствии через пересмотр закона Макса  Планта о радиации, концептуально основанный на коэффициентах Эйнштейна, известные как коэффициенты вероятности. Эти коэффициенты выражали поглощение, непосредственной эмиссии и стимулируемой эмиссии электромагнитной радиации. 
В конце 1920-ых годов ученый Рудольф В. Лэденберг подтвердил существование явлений стимулируемой эмиссии и отрицательного поглощения. В конце 1930-ых годов Валентин Фабрикант предсказал использование стимулируемой эмиссии для усиления коротких волн, в то время как в середине 1940-ых годов ученые Р. Ретэрфорд и У. Лэмб нашли очевидную стимулируемую эмиссию в водородных спектрах и произвели первую демонстрацию стимулируемой эмиссии, а спустя три года Альфред Кастлер предложил использовать метод оптической накачки. Этот метод был экспериментально подтвержден через два года учеными Бросселем, Кастлером и Винтером. 
Таким образом, до того, как появился лазер, учеными был создан Квантовый генератор. И в 1954 году Чарльз Таунс и Артур Шавлоу изобрели микроволновое увеличение стимулируемой эмиссией радиации, который назвали квантовым генератором. Во время опытов ученые использовали газ аммиака и микроволновую радиацию. Технология очень близка к оптическому лазеру, но не использует видимый свет. В конце марта 1959 года Чарльзу Таунсу и Артуру Шавлоу предоставили патент на квантовый генератор. 
Квантовый генератор использовался, чтобы усилить радиосигналы и как ультрачувствительный датчик для разного рода исследований, например, космических. В 1958 году эти ученые теоретизировали и опубликовали работы о видимом лазере, изобретении, которое использовало инфракрасный и\или свет видимого спектра, однако, исследования не были возобновлены. Множество различных материалов может быть использовано в качестве лазеров. Некоторые, такие как рубиновый лазер, испускают короткий импульс лазерного света, в то время как другие, например, гелий-неоновый лазер, испускают непрерывный пучок света.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Мазер

Чарльз Хард Таунс и его аспиранты Джеймс П. Гордон и Герберт Дж. Зейджер произвели первый микроволновой усилитель, устройство, действующее по тем же принципам, что и лазер, но усиливающее микроволновую радиацию, в не инфракрасную радиацию или радиацию видимого спектра. Квантовый генератор Таунса был неспособен производить непрерывный свет. Тем временем, советские ученые Николай Басов и Александр Прохоров, также работающие над созданием квантового генератора, решили проблему системы непрерывного производства света при использовании больше, чем двух энергетических уровней. Эти уровни стали основой для выпускания стимулирующей эмиссии между возбужденными состояниями, облегчая инверсию. 
В 1955 году команда советских ученых предложила осуществлять оптическую перекачку многоуровневой системы как способ для получения инверсии, а позже он стал главным способом лазерной перекачки. В то же время на другом конце планеты Таунс работал над этой проблематикой. Как следствие, в 1964 году все ученые, работавшие над созданием квантового генератора и мазера, получили Нобелевскую премию по физике «за фундаментальный вклад в области квантовой электронике, которая привела к созданию генератором и усилителей, основанных на лазерном квантовом генераторе».  
Мазер или квантовый генератор представляет собой устройство, которое производит последовательные электромагнитные волны посредством увеличения стимулируемой эмиссией. Мазер, появившийся в 1957 году, стал прототипом лазера. Работа мазера основана на принципе стимулируемой эмиссии, предложенного Альбертом Эйнштейном еще в 1917 году. Когда атомы помещены в возбужденную энергетическую среду, они могут усилить радиацию в надлежащей частоте. Помещая такую среду усиления в резонансную впадину, создается обратная связь, которая и производит последовательную радиацию. Существует несколько типов мазеров, среди которых стоит выделить атомные мазеры, аммиачные мазеры, водородный и другие газовые мазеры.

Использование мазера

Мазеры или квантовые генераторы из-за своей способности производить  высокие по точности частоты нашли  применение не только в исследовательской  сфере. Например, мазер благодаря  атомным стандартам частот являются одной из форм атомных часов. Также  мазеры используются в качестве электронных  усилителей в радиотелескопах и  в сфере создания оружия, в котором  применяют направленную энергию.  
В настоящее время самый важный тип мазера – это водородный мазер, который используется в качестве атомного стандарта частот. Вместе с другими типами атомных часов, этот мазер составляет ТАИ (международные временные рамки, которые координируются Международным Бюро Мер). Водородный мазер был создан Норманном Рэмси и его коллегами, и современные мазеры идентичны оригинальному устройству.  
Водородный мазер полагается на стимулирующую эмиссию между двумя уровнями атомного водорода. Произведенный луч атомного водорода, когда газ помещают под низкое давление. Затем чтобы получить стимулирующую эмиссию создается инверсия атома. После прохождения через апертуру и магнитное поле, многие из атомов в луче начинают излучать когерентный свет. 
Другим известным мазером современности является астрофизический мазер. Этот мазер используют для того, чтобы изучать природу межзвездного пространства. Он действует на основании стимулирующей эмиссии, подобной той, что встречается в космосе. Такая эмиссия наблюдается в молекулах, таких как вода, гидроксильные радикалы, метанол, формальдегид и кремниевую одноокись. Молекулы воды в формирующих звезды состояниях могут подвергнуться инверсии и испустить радиацию в 22 ГГц, создавая самую яркую спектральную линию во вселенной. Эти мазеры чрезвычайно мощные и связаны с активными исследованиями галактического пространства.  
Таким образом, можно с уверенностью сказать, что главная сфера применения мазера – это наука, особенно атомная физика и астрофизика, хотя исследования в сфере развития мазеров проводятся до сих пор и не исключены применения в других сферах.

 

1950-1960 года – первые  лазеры

Доскональное исследование инфракрасного  лазера было начато Чарльзом Таунсом и Артуром Шавлоу и Лабораториями Белла в 1957 году. Поскольку в этот период активной исследовательской деятельности идеи развивались достаточно быстро, Таунс и Шавлоу быстро оставили исследование инфракрасной радиации, вместо этого сконцентрировав свою работу на исследования света в видимом спектре. Изначально лазер назвали оптическим квантовым генератором, и в 1958 году именно под этим названием Лаборатория Белла подала заявку на патент. В этот же период Таунс и Шавлоу напечатали статью со своими исследованиями в научных журналах, а в Колумбийском университете, аспирант Гордон Гульд работал над свой докторской диссертацией, посвященной энергетическим уровням возбужденного таллия. 
Когда Гульд и Таунс встретились, они обсудили вопросы радиационной эмиссии, и впоследствии осенью 1957 года Гульд обозначил свои идеи как «лазер», и именно он первым включал в это понятие использование открытого резонатора, который позже стал важной составляющей устройства лазера. На научной конференции в 1959 году Гульд впервые официально использовал термин Лазер, используя его, чтобы обозначить спектр света, излучаемого лазерным устройством. Гульд подал заявку на патент на лазер в апреле 1959 года, но бюро отклонило его заявку и отдало патент Лаборатории Белла в 1960 году.  
Несмотря на то, что Гульд подал иск в суд, он судился в течение долгого времени относительно своего изобретения и первый свой патент получил только в конце 1970-ых годов. Однако этот суд показал насколько быстро и обширно развивается наука, и какие средства требуются для научного развития и новых изобретений. В конечном счете, спустя почти два десятилетия Гульд получил патент на устройство оптической накачки и газовый лазер через решение федерального судью США. 
Первый функционирующий лазер был запущен 16-ого мая 1960 года в исследовательских лабораториях Хьюза, в Калифорнии. Этот лазер работал на твердом теле активной среды лазера, на синтетическом кристалле рубина.

Газовый и рубиновый лазеры

Первый лазер, который был продемонстрирован  научному сообществу, был сконструирован на основании кристалла синтетического рубина. В этом лазере был использован  этот кристалл, чтобы произвести лазерный луч красного цвета с длиной волны  в 694 нанометра. Немного позже в  этом же году научному сообществу был  продемонстрирован первый газовый  лазер. Этот лазер был создан иранским ученым Али Джейваном и американскими учеными Уильямом Беннеттом и Дональдом Херрайотом. Для этого лазера использовали гелий и неон, и именно этот лазер сумел произвести непрерывный луч в инфракрасном спектре. Спустя два года Роберт Холл продемонстрировал первый лазер, работающий на диодах из арсенида галлия, который производил волну длину 850 нм.  
Рубиновый лазер Меймена (или Гульда – существует противоречие в научных кругах относительно того, кто из этих двух ученых первым изобрел рубиновый лазер) был не только первым успешно работающим оптическим лазером, но и первым легким лазером. Этот лазер работал на рубиновом пруте, концы которого были покрыты серебром и помещены внутрь колбы. Конструкция первого рубинового лазера была несовершенна и была способна к продуцированию импульсов на 3-х энергетических уровнях переходов. Впоследствии она была усовершенствована Стивенсоном и Сорокиным, с добавлением еще одного уровня.  
Гелий-неоновый газовый лазер стал первым лазером, который преобразовывал электроэнергию в оптическую светоотдачу. Газовый лазер Холла стал одним из наиболее важных событий в истории развития лазеров, он до сих пор повсеместно используется во многих электронных приборах и коммуникационных системах, и после изобретения в течение 20 лет был доминирующим типом лазера. Другим одним из первых газовых лазеров был лазер Кумара Пателя или лазер на углекислом газе, который был изобретен в 1964 году Кумаром Палетем. Изначально ученый работал с углекислым газом, который он смешивал с азотом, гелием и водой, чтобы получить те или иные свойства лазера.

 

 

 

 

 

 

 

Последующее развитие лазеров

С середины 1960-ых годов ученые во всем мире стали уделять значительное время развитию новых видов лазеров. В частности, были разработаны лазерные установки, которые использовали химические реакции вместо электрического тока, чтобы произвести излучающий когерентный  свет, использовали быстрое охлаждение посредством расширения, чтобы заставить  материал пройти через стадию физического  и\или химического возбуждения, использовали красители как активную среду лазера, чтобы настроить более широкий диапазон длин волны и т.д. 
Полезность лазеров вскоре после их открытия стала очевидной, и многие ученые концентрировались на создании лазеров, применимых в промышленности или повседневной жизни. Первым применением ларов вне сферы научных исследований было использовать лазеры как замену менее эффективных источников света, т.е. дуговых ксеноновых ламп в фототехнике и ртутных дуг в интерферометрах. 
В течение 1970-1980-ых годов лазерные установки были усовершенствованы, в частности, были созданы условия для управления шириной и спектром луча, улучшены показатели продолжительности импульса и т.д. Холодная война между Западным миром и странами Варшавского договора привело к разработкам лазерных установок для военных нужд, что также дало толчок для развития высокотехничных показателей лазеров и их использования в военно-технической сфере. 
В последующие периоды коммуникации стали главной сферой применения лазерных установок. Например, при помощи лазеров стала быстро развиваться сфере телефонии, ускорилась передача как телефонных, так и телевизионных сигналов. Лазеры в настоящее время повсеместно используются в сфере научных исследований, от химии и физики, до таких серьезных и малоизученных сфер, как астрофизика и спектроскопия.