|
Arabic
Bengali
Chinese
English
French
German
Hebrew
Hindi
Italian
Japanese
Korean
Malay
Polish
Portuguese
Spanish
Turkish
Ukrainian
Vietnamese
HISTORIA TECHNOLOGII, TECHNOLOGII, OBIEKTÓW WOKÓŁ NAS
Laser. Historia wynalazku i produkcji
Katalog / Historia technologii, technologii, przedmiotów wokół nas Laser (ang. laser, akronim dla wzmocnienia światła przez wymuszoną emisję promieniowania) lub optyczny generator kwantowy to urządzenie, które przekształca energię pompy (świetlną, elektryczną, termiczną, chemiczną itp.) w energię koherentną. , monochromatyczny, spolaryzowany i wąsko skierowany strumień promieniowania. Fizyczną podstawą działania lasera jest kwantowo-mechaniczne zjawisko promieniowania wymuszonego (indukowanego). Promieniowanie laserowe może być ciągłe, ze stałą mocą lub pulsacyjne, osiągając ekstremalnie wysokie moce szczytowe. W niektórych schematach element roboczy lasera służy jako wzmacniacz optyczny dla promieniowania z innego źródła. Istnieje wiele rodzajów laserów, które wykorzystują wszystkie skupione stany materii jako medium robocze. Niektóre rodzaje laserów, takie jak lasery barwnikowe lub polichromatyczne lasery na ciele stałym, mogą generować cały zakres częstotliwości (mody wnęki optycznej) w szerokim zakresie widmowym. Lasery mają rozmiary od mikroskopijnych w przypadku niektórych laserów półprzewodnikowych do wielkości boiska piłkarskiego w przypadku niektórych laserów ze szkła neodymowego. Unikalne właściwości promieniowania laserowego umożliwiły wykorzystanie ich w różnych gałęziach nauki i techniki, a także w życiu codziennym, od czytania i zapisywania płyt CD po badania w dziedzinie kontrolowanej syntezy termojądrowej.
Pomimo stosunkowo prostego urządzenia lasera, procesy leżące u podstaw jego działania są niezwykle złożone i nie da się ich wyjaśnić klasycznymi prawami fizyki. Od czasów Maxwella i Hertza nauka ugruntowała ideę, że promieniowanie elektromagnetyczne, aw szczególności promieniowanie świetlne, ma charakter falowy. Teoria ta dobrze wyjaśniała większość obserwowanych zjawisk optycznych i fizycznych. Ale już pod koniec XIX wieku uzyskano pewne dane eksperymentalne, które nie pasowały do tej teorii. Na przykład zjawisko efektu fotoelektrycznego okazało się zupełnie niezrozumiałe z punktu widzenia klasycznych wyobrażeń o falowej naturze światła. W 1900 roku słynny niemiecki fizyk Max Planck, próbując wyjaśnić naturę tych odchyleń, przyjął założenie, że emisja promieniowania elektromagnetycznego, a w szczególności światła, nie zachodzi w sposób ciągły, ale w oddzielnych mikroskopijnych porcjach. W 1905 roku Einstein, rozwijając teorię efektu fotoelektrycznego, wzmocnił ideę Plancka i przekonująco wykazał, że promieniowanie elektromagnetyczne rzeczywiście jest emitowane w porcjach (te porcje zaczęto nazywać kwantami), a później, w procesie propagacji, każda porcja zachowuje swoje „indywidualność”, nie miażdży i nie układa się z innymi, dzięki czemu można ją tylko wchłonąć w całości. Z tego opisu wynika, że kwanty w wielu przypadkach zachowują się nie jak fale, ale jak cząstki. Ale jednocześnie nie przestają być falami (na przykład kwant nie ma masy spoczynkowej i istnieje tylko w ruchu z prędkością 300000 XNUMX km / s), to znaczy mają pewien dualizm. Teoria kwantów pozwoliła wyjaśnić wiele wcześniej niezrozumiałych zjawisk, a w szczególności charakter oddziaływania promieniowania z materią. Weźmy prosty przykład: dlaczego ciało emituje światło po podgrzaniu? Podgrzewając, powiedzmy, gwóźdź na palniku gazowym, zauważymy, że najpierw nabiera szkarłatnego koloru, a potem zmienia kolor na czerwony. Jeśli będziesz kontynuować ogrzewanie, czerwony kolor zmieni się w żółty, a następnie w olśniewająco biały. W ten sposób paznokieć zaczyna emitować nie tylko podczerwień (cieplną), ale także promienie widzialne. Przyczyna tego zjawiska jest następująca. Wszystkie ciała (w tym nasz paznokieć) zbudowane są z cząsteczek, a cząsteczki z atomów. Każdy atom to małe, bardzo gęste jądro, wokół którego krąży mniej lub więcej elektronów. Elektrony te nie poruszają się losowo wokół jądra, ale każdy z nich znajduje się na swoim ściśle określonym poziomie; W związku z tym niektóre poziomy znajdują się bliżej rdzenia, podczas gdy inne są dalej od niego. Poziomy te nazywane są poziomami energetycznymi, ponieważ każdy z umieszczonych na nich elektronów ma swoją specyficzną, nieodłączną tylko dla tego poziomu, energię. Gdy elektron jest na swoim poziomie stacjonarnym, porusza się bez promieniowania energii. Ten stan atomu może trwać w nieskończoność. Ale jeśli pewna ilość energii zostanie przekazana atomowi z zewnątrz (jak to się dzieje, gdy gwóźdź jest podgrzewany), atom jest „podekscytowany”. Istotą tego wzbudzenia jest to, że elektrony pochłaniają kwanty promieniowania przenikającego do substancji (w naszym przykładzie podczerwone promieniowanie cieplne palnika gazowego), pozyskują swoją energię i dzięki temu przechodzą na wyższe poziomy energetyczne. Jednak elektrony mogą pozostawać na tych wyższych poziomach tylko przez bardzo krótki czas (tysięczne, a nawet milionowe części sekundy). Po tym czasie każdy elektron ponownie powraca do swojego poziomu stacjonarnego i jednocześnie emituje kwant energii (czyli falę o określonej długości). Wśród tych fal niektóre znajdują się w zakresie widzialnym (te kwanty światła widzialnego nazywane są fotonami; obserwujemy emisję fotonów przez wzbudzone atomy, jak blask rozgrzanego paznokcia). W naszym przykładzie z gwoździem proces absorpcji i emisji kwantów przebiega chaotycznie. W złożonym atomie obserwuje się dużą liczbę przejść elektronów z wyższych poziomów na niższe, a każdy z nich emituje promieniowanie o własnej częstotliwości. Dlatego promieniowanie przebiega jednocześnie w kilku widmach iw różnych kierunkach, przy czym jedne atomy emitują fotony, a inne je pochłaniają. W ten sam sposób kwanty są emitowane przez każde ogrzane ciało. Każde z tych ciał (czy to Słońce, spawanie łukowe, czy żarnik żarówki) jednocześnie emituje wiele fal o różnej długości (lub, co jest tym samym, kwanty o różnych energiach). Dlatego bez względu na to, jak doskonały dysponujemy obiektywem lub innym układem optycznym, nigdy nie będziemy w stanie skupić promieniowania emitowanego przez nagrzany korpus w ściśle równoległą wiązkę – zawsze będzie się ona rozchodzić pod pewnym kątem. Jest to zrozumiałe - w końcu każda fala będzie załamywana w soczewce pod swoim kątem; dlatego w żadnym wypadku nie będziemy w stanie osiągnąć ich równoległości. Jednak twórcy teorii kwantowej rozważali już inną możliwość promieniowania, która nie zachodzi w warunkach naturalnych, ale może być z powodzeniem modelowana przez człowieka. Rzeczywiście, gdyby można było wzbudzić wszystkie elektrony substancji należące do jednego określonego poziomu energii, a następnie zmusić je do emitowania kwantów jednocześnie w jednym kierunku, to byłoby możliwe uzyskanie niezwykle silnego i jednocześnie niezwykle jednorodny impuls promieniowania. Skupiając taką wiązkę (ponieważ wszystkie tworzące ją fale są tej samej długości) można by osiągnąć niemal idealną równoległość wiązki. Po raz pierwszy o możliwości takiego, jak to nazwał, promieniowania stymulowanego pisał Einstein w 1917 r. w swoich pracach „Emisja i pochłanianie promieniowania według teorii kwantowej” oraz „O kwantowej teorii promieniowania”. Emisję stymulowaną można osiągnąć w szczególności w następujący sposób. Wyobraźmy sobie ciało, którego elektrony są już „nadwzbudzone” i znajdują się na wyższych poziomach energii, i załóżmy, że są napromieniowane nową porcją kwantów. W tym przypadku zachodzi proces przypominający lawinę. Elektrony są już „przesycone” energią. W wyniku dodatkowego napromieniowania rozpadają się z górnych poziomów i schodzą jak lawina na dolne, emitując kwanty energii elektromagnetycznej. Co więcej, kierunek i faza oscylacji tych kwantów pokrywa się z kierunkiem i fazą fali padającej. Pojawi się niejako efekt rezonansowego wzmocnienia fali, gdy energia fali wyjściowej wielokrotnie przekroczy energię tej, która była na wejściu. Ale jak osiągnąć ścisłą równoległość emitowanych fotonów? Okazuje się, że można to zrobić za pomocą bardzo prostego urządzenia zwanego rezonatorem z otwartym zwierciadłem. Składa się z substancji aktywnej umieszczonej w tubie pomiędzy dwoma lustrami: zwykłym i półprzezroczystym.
Fotony emitowane przez substancję, padając na półprzezroczyste zwierciadło, częściowo przez nią przechodzą. Pozostałe odbijają się i lecą w przeciwnym kierunku, następnie odbijają się od lewego lustra (teraz wszystkie) i ponownie docierają do półprzezroczystego lustra. W tym przypadku strumień fotonów po każdym przejściu przez wzbudzoną substancję jest wielokrotnie zwielokrotniony. Wzmacniana będzie jednak tylko fala poruszająca się prostopadle do luster; cała reszta, która pada na lustro z co najmniej niewielkim odchyleniem od pionu, nie otrzymując wystarczającego wzmocnienia, opuszcza substancję czynną przez jego ścianki. W rezultacie strumień wychodzący ma bardzo wąską kierunkowość. To właśnie ta zasada uzyskiwania emisji wymuszonej leży u podstaw działania laserów (samo słowo laser składa się z pierwszych liter angielskiej definicji wzmocnienia światła przez emisję wymuszoną oraz promieniowania, co oznacza wzmocnienie światła przez emisję wymuszoną). Stworzenie tego niezwykłego urządzenia poprzedziła długa historia. Ciekawe, że technologia zawdzięcza wynalezienie lasera specjalistom, którym na pierwszy rzut oka daleko do optyki i elektrodynamiki kwantowej, czyli radiofizykom. Ma to jednak swój głęboki wzór. Już wcześniej mówiono, że od początku lat 40-tych radiofizycy na całym świecie pracują nad opanowaniem zakresów fal centymetrowych i milimetrowych, ponieważ pozwoliło to znacznie uprościć i zredukować sprzęt, zwłaszcza systemy antenowe. Wkrótce jednak stało się jasne, że starych generatorów lampowych trudno było przystosować do pracy w nowych warunkach. Za ich pomocą prawie nie było możliwe generowanie fal 1 mm (jednocześnie częstotliwość oscylacji elektromagnetycznych w tych generatorach sięgała kilku miliardów na sekundę), ale stworzenie generatorów dla jeszcze krótszych fal okazało się niemożliwe. Potrzebna była całkowicie nowa metoda generowania fal elektromagnetycznych. Właśnie w tym czasie radzieccy radiofizycy Aleksander Prochorow i Nikołaj Basow zaczęli badać bardzo interesujący problem - pochłanianie fal radiowych przez gazy. Już w czasie wojny odkryto, że fale o określonej długości emitowane przez radar nie odbijają się, jak inne, od otaczających obiektów i nie dają „echa”. Na przykład wiązka fal o długości 1 cm wydawała się rozpuszczać w przestrzeni - okazało się, że fale tej długości są aktywnie pochłaniane przez cząsteczki pary wodnej. Później okazało się, że każdy gaz pochłania fale o określonej długości w taki sposób, że jego cząsteczki są do niego jakoś „dostrojone”. Z tych eksperymentów był tylko krok do następnego pomysłu: jeśli atomy i cząsteczki są w stanie pochłaniać fale o określonej długości, to mogą je również emitować, czyli działać jako generator. W ten sposób narodził się pomysł stworzenia gazowego generatora promieniowania, w którym zamiast lamp elektronowych jako źródła promieniowania wykorzystano by miliardy cząsteczek specjalnie wzbudzonego gazu. Perspektywy takich prac wydawały się bardzo kuszące, ponieważ możliwe stało się opanowanie na potrzeby radiotechniki nie tylko zasięgu fal mikrofalowych, ale także znacznie krótszych, na przykład zasięgu fal widzialnych (długość fali światła widzialnego wynosi 0-4 mikrona, co odpowiada częstotliwości rzędu tysięcy miliardów drgań na sekundę). Najważniejszym problemem po drodze było stworzenie aktywnego środowiska. Basow i Prochorow wybrali jako taki amoniak. Aby zapewnić działanie generatora konieczne było oddzielenie cząsteczek gazu aktywnego, których atomy były w stanie wzbudzonym, od tych niewzbudzonych, których atomy były zorientowane na absorpcję kwantów. Opracowany w tym celu schemat instalacji był naczyniem, w którym powstała próżnia. Do tego naczynia wpuszczono cienką wiązkę cząsteczek amoniaku. Na ich drodze zainstalowano kondensator wysokiego napięcia. Cząsteczki wysokoenergetyczne swobodnie przelatywały przez jego pole, podczas gdy molekuły niskoenergetyczne były unoszone przez pole kondensatora. W ten sposób cząsteczki są sortowane według energii. Aktywne cząsteczki weszły do rezonatora zaprojektowanego w taki sam sposób jak opisany powyżej. Pierwszy generator kwantowy powstał w 1954 roku. Miał moc zaledwie jednej miliardowej wata, więc tylko precyzyjne instrumenty mogły rejestrować jego pracę. Ale w tym przypadku o wiele ważniejsze było potwierdzenie fundamentalnej poprawności samego pomysłu. To było niezwykłe zwycięstwo, które otworzyło nową kartę w historii techniki. W tym samym czasie na Uniwersytecie Columbia grupa amerykańskiego radiofizyka Charlesa Townsa stworzyła podobne urządzenie, zwane „maserem”. (W 1963 Basow, Prochorow i Townes otrzymali Nagrodę Nobla za swoje fundamentalne odkrycie). Generator kwantowy Basowa-Prochorow i maser Townesa nie były jeszcze laserami - generowały fale radiowe o długości 1 cm, a lasery emitują fale elektromagnetyczne w zakresie widzialnym, który jest dziesiątki tysięcy razy krótszy. Jednak zasada działania obu urządzeń jest taka sama, więc twórca lasera musiał rozwiązywać tylko określone problemy. Najpierw trzeba było znaleźć odpowiednią substancję aktywną, która mogłaby przejść w stan wzbudzony, ponieważ nie każda substancja ma tę właściwość. Po drugie, aby stworzyć źródło wzbudzenia, czyli urządzenie, które ma możliwość przeniesienia substancji czynnej do stanu wzbudzonego poprzez nadanie jej dodatkowej energii. Po trzecie, potrzebny był otwarty rezonator, aby wymusić udział w wzbudzeniu wszystkich wzbudzonych cząstek substancji czynnej, a także wzmocnić tylko te drgania, które rozchodzą się wzdłuż osi podłużnej substancji czynnej. Po czwarte, potrzebne było źródło zasilania do zasilenia źródła wzbudzenia, w przeciwnym razie laser nie działałby. Wszystkie te problemy można rozwiązać na różne sposoby. Prace prowadzone były przez wielu naukowców w kilku kierunkach jednocześnie. Jednak amerykański fizyk Theodor Meiman, który w 1960 roku stworzył pierwszy laser na bazie rubinów, miał szczęście osiągnąć upragniony cel przed innymi.
Istota działania lasera rubinowego jest następująca. Energia ze źródła zasilania jest przekształcana przez źródło wzbudzenia w pole elektromagnetyczne, które naświetla substancję czynną. W wyniku tego napromieniowania substancja czynna przechodzi ze stanu równowagi do stanu wzbudzonego. Energia wewnętrzna substancji czynnej znacznie wzrasta. Proces ten nazywa się „pompowaniem” lub „pompowaniem” substancji czynnej, a źródło wzbudzenia nazywane jest źródłem „pompowania” lub „pompowania”. Gdy atomy substancji czynnej przejdą w stan wzbudzony, wystarczy, że z jakiegoś powodu jeden elektron wydostanie się z górnego poziomu, aby zaczął emitować foton światła, który z kolei zrzuci kilka elektronów z górny poziom, co spowoduje lawinowe uwolnienie energii przez resztę wzbudzonych elektronów. Otwarty rezonator skieruje i wzmocni promieniowanie substancji czynnej tylko w jednym kierunku. Meiman zastosował sztuczny rubin jako substancję czynną (rubin jest substancją krystaliczną składającą się z tlenku glinu, w której część atomów glinu zastąpiono atomami chromu, co jest szczególnie ważne, ponieważ nie cały materiał, a jedynie jony chromu uczestniczy w pochłanianiu światła). Generator wzbudzenia składał się z trzech bloków: głowicy promieniującej, zasilacza i wyrzutni. Głowica emitująca stworzyła warunki do działania substancji czynnej. Zasilacz dostarczał energię do ładowania dwóch kondensatorów – głównego i pomocniczego. Głównym zadaniem jednostki wyzwalającej było generowanie impulsu wysokiego napięcia i przyłożenie go do elektrody wyzwalającej lampy błyskowej. Głowica emitująca składała się z rubinowego pręta i dwóch lamp błyskowych w kształcie litery U. Lampy były standardowe, wypełnione ksenonem. Ze wszystkich stron lampy oraz rubinowy pręt pokryto folią aluminiową, która pełniła rolę odbłyśnika. Kondensator akumulował i przykładał napięcie pulsacyjne około 40 tysięcy woltów, co powodowało potężny błysk lamp. Błysk natychmiast przeniósł atomy rubinu w stan wzbudzony. Dla kolejnego impulsu konieczne było ponowne ładowanie kondensatora.
To na ogół bardzo proste urządzenie wzbudziło duże zainteresowanie. Jeśli istota odkrycia Basowa i Towns była jasna tylko dla specjalistów, to laser Meimana zrobił ogromne wrażenie nawet na niewtajemniczonych. W obecności dziennikarzy Meiman wielokrotnie włączał swoje urządzenie i demonstrował jego działanie. W tym samym czasie z otworu na końcu wystrzelił promień o grubości nie większej niż ołówek. Prawie nie rozszerzając się, opierał się o ścianę, kończąc się w olśniewającym okrągłym miejscu. Jednak Meiman tylko nieznacznie wyprzedził innych wynalazców. Nie minęło wiele czasu, a ze wszystkich stron zaczęły napływać doniesienia o stworzeniu nowych typów laserów. Oprócz rubinu jako substancję aktywną w laserach można zastosować wiele innych związków, np. fluorek strontu z zanieczyszczeniami, fluorek baru z zanieczyszczeniami, szkło itp. Mogą być gazem. W tym samym 1960 roku Ali Javan stworzył laser gazowy na bazie helu-neonu. Stan wzbudzenia mieszaniny gazowej uzyskano za pomocą silnego pola elektrycznego i wyładowań gazowych. Jednak zarówno lasery na ciele stałym, jak i gazowe mają bardzo niską wydajność. Ich energia wyjściowa nie przekracza 1% zużycia. W konsekwencji pozostałe 99% jest wydawane bezużytecznie. Dlatego wynalezienie w 1962 roku przez Basowa, Krokhina i Popowa lasera półprzewodnikowego stało się bardzo ważne.
Radzieccy fizycy odkryli, że jeśli półprzewodniki zostaną dotknięte impulsem elektrycznym lub świetlnym, to część elektronów opuści swoje atomy i powstają tu „dziury”, które pełnią rolę ładunków dodatnich. Jednoczesny powrót elektronów na orbity atomów można uznać za przejście z wyższego poziomu energii na niższy, dzięki czemu emitowane są fotony. Sprawność lasera półprzewodnikowego wzbudzonego wiązką elektronów może sięgać 40%. Jako substancję czynną zastosowano arsenek galu zawierający zanieczyszczenia typu n. Z tego materiału wykonano półfabrykaty w postaci sześcianu lub równoległościanu - tak zwanej diody półprzewodnikowej. Płytka diodowa została przylutowana do arkusza molibdenu pokrytego złotem, aby zapewnić kontakt elektryczny z obszarem n. Na powierzchni p-regionu osadzono stop złota ze srebrem. Końcówki diody pełniły rolę rezonatora, więc zostały starannie wypolerowane. Jednocześnie w trakcie procesu polerowania zostały umieszczone równolegle do siebie z dużą dokładnością. Promieniowanie wyszło właśnie z tych stron diody. Boki górna i dolna służyły jako styki, do których przyłożono napięcie. Na wejście urządzenia zastosowano impulsy. Lasery bardzo szybko wkroczyły w życie człowieka i zaczęły być wykorzystywane w wielu dziedzinach techniki i nauki. Ich produkcja przemysłowa rozpoczęła się w 1965 roku, kiedy ponad 460 firm w samej Ameryce podjęło się opracowywania i tworzenia systemów laserowych. Autor: Ryzhov K.V.
▪ Celofan
Nowy sposób kontrolowania i manipulowania sygnałami optycznymi
05.05.2024 Klawiatura Primium Seneca
05.05.2024 Otwarto najwyższe obserwatorium astronomiczne na świecie
04.05.2024
▪ Elastyczne druty z płynnym wypełnieniem ▪ Do 2025 roku pojemność dysków twardych wzrośnie do 100 TB
▪ sekcja serwisu Cywilna komunikacja radiowa. Wybór artykułów ▪ artykuł Czasy się zmieniają, a my razem z nimi. Popularne wyrażenie ▪ artykuł Czy temperatury na biegunie północnym i południowym są takie same? Szczegółowa odpowiedź ▪ artykuł Sprawdzanie nieznanych roślin pod kątem jadalności. Wskazówki turystyczne
Strona główna | biblioteka | Artykuły | Mapa stony | Recenzje witryn
www.diagram.com.ua |
Polecamy ciekawe artykuły Sekcja 
Zobacz inne artykuły Sekcja 
Najnowsze wiadomości o nauce i technologii, nowa elektronika:
Wszystkie języki tej strony