Дослідження радянських та американських вчених в галузі лазерної фізики

План:

1. Вступ
2. Що таке лазер? (загальна інформація, класифікація, будова і види,застосування,короткий історичний огляд)
3. Відкриття лазеру
4. Квантова теорія як передісторія виникнення лазера.
5. Дослідження радянських та американських вчених в галузі лазерної фізики.
6. Висновок.
7. Додаток 1 -Хронологія

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ла́зер (англ. LASER — Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, підсилення світла за допомогою вимушеного випромінювання) — пристрій для генерування або підсилення монохроматичного світла, створення вузького пучка світла, здатного поширюватися на великі відстані без розсіювання і створювати винятково велику густину потужності випромінювання при фокусуванні (108 Вт/см² для високоенергетичних лазерів). Лазер працює за принципом, аналогічним принципові роботи мазера. Лазери використовуються для зв'язку (лазерний промінь може переносити набагато більше інформації, ніж радіохвилі), різання, пропалювання отворів, зварювання, спостереження за супутниками, медичних і біологічних досліджень і вхірургії.

Інша назва лазера — оптичний квантовий генератор.

Загальна інформація

Лазер — джерело когерентного, монохроматичного і вузькоспрямованого електромагнітного випромінювання оптичного діапазону, яке характеризується великою густиною енергії. Існують газові лазери, рідинні та на твердих тілах (діелектричних кристалах, склі, напівпровідниках). В лазері має місце перетворення різних видів енергії в енергію лазерного випромінювання. Головний елемент лазера — активне середовище, для утворення якого використовують: вплив світла, електричний розряд у газах, хімічні реакції, бомбардування електронним пучком та ін. методи «накачування». Активне середовище розташоване між дзеркалами, які утворюють оптичний резонатор. Існують лазери неперервної та імпульсної дії. Лазери отримали широке застосування в наукових дослідженнях (фізика, хімія,біологія, гірнича справа тощо), голографії і в техніці.

Класифікація лазерів

За схемами функціонування:

• 3-рівневі

• квазі-4-рівневі

• 4-рівневі

За агрегатним станом активного середовища:

• газові

• рідинні

• твердотільні

За методом отримання інверсії:

• з електронною накачкою

• з хімічною накачкою

• з оптичною накачкою

• з тепловою накачкою

Найбільш розповсюдженою є класифікація за фізичними особливостями активного середовища:

• твердотільні

• напівпровідникові

• волоконні

• газові

• іонні

• молекулярні

• рідинні

• газодинамічні

• хімічні

• ексимерні

• лазери на центрах забарвлення

• фотодисоціаційні

• лазери на вільних електронах

• рентгенівські

• лазери з перебудовою довжини хвилі генерації

• раманівські

• параметричні

Будова лазера

• Активне середовище (серце лазера)

• Система накачки (джерело енергії)

• Оптичний резонатор (система дзеркал)

Лазер — джерело світла. У порівнянні з іншими джерелами світла лазер має низку унікальних властивостей, пов'язаних з когерентністю і високою спрямованістю його випромінювання. Випромінювання «нелазерних» джерел світла не має цих особливостей.

«Серце лазера» — його активний елемент. В одних лазерів це кристалічний або скляний стрижень циліндричної форми. В інших — запаяна скляна трубка, всередині якої перебуває спеціально підібрана газова суміш. В третіх — кювета зі спеціальною рідиною. Відповідно розрізняють лазери твердотільні, газові й рідинні.

При нагріванні будь-яке тіло починає випромінювати тепло. Однак випромінювання теплового джерела поширюється в усіх напрямках, тобто заповнює тілесний кут 4π стерадіан. Формування спрямованого пучка від такого джерела, здійснюване за допомогою системи діафрагм або оптичних систем, що складаються з лінзі дзеркал, завжди супроводжується втратою енергії. Жодна оптична система не дозволяє одержати на поверхні освітлюваного об'єкта потужність випромінювання більшу, ніж у самім джерелі світла.

Робота лазера

Збуджений атом може мимовільно (спонтанно) перейти на один з нижчих рівнів енергії, випромінивши при цьому квант світла. Світлові хвилі, випромінені нагрітими тілами, формуються саме в результаті таких спонтанних переходів атомів і молекул. Спонтанне випромінювання різних атомів некогерентне. Однак, крім спонтанного випромінювання, існують випромінювальні акти іншого роду. Щоб створити лазер або оптичний квантовий генератор — джерело когерентного світла необхідно:

1. робоча речовина з інверсною заселеністю. Тільки тоді можна одержати підсилення світла за рахунок вимушених переходів.

2. робочу речовину слід помістити між дзеркалами, які здійснюють зворотний зв'язок.

3. підсилення дає робоча речовина, а отже, число збуджених атомів або молекул у робочій речовині повинне бути більшим від певного порогового значення, що залежить від коефіцієнта відбиття напівпрозорого дзеркала.

Види лазерів

Рубіновий лазер працює в імпульсному режимі. Існують також лазери неперервної дії. У газових лазерах цього типу робочою речовиною є газ. Атоми робочої речовини збуджуються електричним розрядом. Застосовуються й напівпровідникові лазери безперервної дії. Вони створені вперше в нашій країні. У них енергія для випромінювання запозичиться від електричного струму. Створені дуже потужні газодинамічні лазери неперервної дії на сотні кіловатів. У цих лазерах «перенаселеність» верхніх енергетичних рівнів створюється при розширенні й адіабатному охолодженні надзвукових газових потоків, нагрітих до декількох тисяч Кельвін.

 

 

Застосування лазерів

Великі можливості відкриваються перед лазерною технікою в біології й медицині. Лазерний промінь застосовується не тільки в хірургії (наприклад, при операціях на сітківці ока) як скальпель, але й у терапії. Інтенсивно розвиваються методи лазерної локації й зв'язку. Локація Місяця за допомогою рубінових лазерів і спеціальних кутових відбивачів, доставлених на Місяць, дозволила збільшити точність виміру відстаней Земля — Місяць до декількох см. Отримано обнадійливі результати в спрямованому стимулюванні хімічних реакцій. За допомогою лазерів можна вибірково збуджувати одне із власних коливань молекули. Виявилося, що при цьому молекули здатні вступати в реакції, які не можна або важко стимулювати звичайним нагріванням. За допомогою лазерної техніки інтенсивно розробляються оптичні методи обробки передачі й зберігання інформації, методи голографічного запису інформації, кольорове проекційне телебачення.

ІСТОРІЯ ВІДКРИТТЯ

Лазери - це джерела когерентного оптичного випромінювання, принцип дії яких заснований на використанні явища індукованого випромінювання. Слово В«лазерВ» представляє собою абревіатуру англійської фрази В«Light Amplification by Stimulated Emission of RadiationВ», що переводиться як посилення світла в результаті вимушеного випромінювання. Гіпотеза про існування вимушеного (Індукованого) випромінювання була висловлена ​​в 1917 р. А. Ейнштейном. У 1940 р. професор Московського енергетичного інституту В. А. Фабрикант сформулював умови, при виконанні яких можна виявити індуковане випромінювання, а в 1951 він спільно з М. М. Вудинскім і Ф. А. Бутаєва отримав авторське свідоцтво на спосіб посилення електромагнітного випромінювання. Пристрій, генеруюче електромагнітні коливання на основі використання явища індукованого випромінювання в НВЧ діапазоні, було створено в 1953-1954 рр.. Н. Г. Басовим і А. М. Прохоровим в СРСР і групою Ч. Таунс в США. p> У 1958 р. А. М. Прохоров в СРСР, а в США Ч. Таунс і А. Шавлов показали можливість використання індукованого випромінювання для створення генераторів когерентного оптичного випромінювання - лазерів. У 1959 р. Н. Г. Басов і А. М. Прохорову за розробку нового принципу генерування і посилення електромагнітних коливань і створення на основі цього принципу СВЧ генераторів і підсилювачів була присуджена Ленінська премія, а в 1964 р. спільно з Ч. Таунсом - Нобелівська премія з фізики за дослідження в галузі квантової електроніки.

 

 

Відкриття лазера

У перше десятиліття нового століття, багато людей були стурбовані пошуками символів минає часу, подій, що стали етапними і мали вплив на життя людства за минулі сто років. Називають атомну бомбу, комп'ютери і інтернет, відкриття генетичного коду, клоновану овечку. Якщо подивитися уважніше і на інші більш дрібні події століття, то все одно виявляється, що, підбиваючи підсумки часу, ми, перш за все, виділяємо досягнення науки і техніки.

За даними опитування населення - перше місце серед найбільш значущих технологій і винаходів віддається генної інженерії.

Друге місце в рейтингу великих досягнень займає інтернет.

Третє місце в списку досягнень - розвиток атомної енергетики.

Четвертим пунктом у списку досягнень 20 століття соціологи ставлять відкриття лазера.

Ще в 1916 році Ейнштейн передбачив існування вимушеного випромінювання - фізичного базису дії будь-якого лазера.

З моменту свого відкриття лазери отримали "звання" "Готових рішень ще не відомих проблем". Вони широко застосовуються майже у всіх галузях науки і техніки, а так само в побуті: різання металів, зварювання, гравірування, пайка, маркування, голографія, лазерна локація космічних об'єктів, лазерне охолодження. Нікого вже не дивують лазерні принтери, штрих - коди, програвачі компакт-дисків. Лазерні указки є майже у всіх дітей в якості простої іграшки. У військових цілях лазер застосовують для створення засобів наведення. Лазером видаляють татуювання, пігментні плями. У медицині за допомогою лазера проводяться найскладніші безкровні операції.

Мобільна, телефонний зв'язок, томографія, молекулярні мікрочіпи. Реактивна авіація, телебачення, синтез пластмас. Бульбашкова камера, роторні автоматизовані лінії, визначення абсолютного віку гірських порід, нанотехнології, радіолокація, термоядерний синтез - ось далеко не повний список досягнень 20 століття.

Біля витоків розробки промислових лазерів стояв прекрасний конструктор, керівник заводського КБ Михайло Олександрович Архипов.

ЛОМО (' Ленінградське оптико - механічне об'єднання ') співпрацювало не тільки з ГОИ (Державного оптичного інституту) ім.С.І. Вавілова, де в 1961 р. заробив перший рубіновий лазер. Було укладено понад сто угод про спільну роботу з науковими центрами країни. Був такий договір і з Фізичним інститутом ім.П.Н. Лебедєва АН СРСР, де трудилися А.М. Прохоров і Н.Г. Басов, які отримали в 1964 р. Нобелівську премію з фізики за "основоположні роботи в галузі квантової радіофізики, які призвели до створення генераторів і підсилювачів в радіо і оптичному діапазоні довжин хвиль (мазерів і лазерів) ".