Главный вопрос, на который дается ответ сегодня: кто изобрел лазер? Также здесь приводится краткое теоретическое обоснование и причины для создания столь полезного устройства.
Применение лазера
Современная жизнь немыслима без маленьких пучков когерентного излучения, которые генерирует лазер. Его создание привело к революции, прежде всего, в информационной сфере. Раньше данные надо было наносить непосредственно на поверхность какого-то материала - бумаги, глины, камня. Теперь же любой текст, формула или таблица умещаются на очень маленьком кусочке оптического диска. Тому, кто изобрел лазер, мы обязаны современными методами передачи учебной и научной информации, общения, развлечений и путешествий. Запись и считывание букв и цифр теперь не требует непосредственного участия человеческого глаза, за людей это делает лазерный привод.
Непосредственно устройство используется и во множестве других видов деятельности:
- для резки дерева, железа, пластика на производстве;
- для сварки материалов между собой;
- для нанесения символов и знаков на металлические детали;
- для проведения хирургических операций.
Преимущества применения этой технологии неоспоримы. Расскажем, с какими теоретическими и практическими трудностями столкнулся изобретатель лазера.
Теоретические основы
В начале двадцатого века квантовая физика дала толчок к исследованию микромира. Например, к середине пятидесятых годов были известны конфигурации электронных облаков всех доступных химических элементов. Ученые умели рассчитать длину волны фотона, образованного любым переходом. Среди прочих больших открытий Эйнштейн предсказал явление вынужденного излучения: электрон находится в возбужденном состоянии, мимо пролетает соответствующий фотон и «заставляет» электрон переходить на более низкий уровень, даже если время его жизни на прежнем еще не закончилось. Особенностью такого явления стал удивительный факт: второй фотон будет идентичен первому. Получить поток одинаковых частиц было очень заманчиво. Но требовалось решить ряд практических задач.
Путь к созданию первого устройства
Сказать однозначно, кто изобрел лазер, можно легко. Это был Теодор Харальд Майман, физик из Лос-Анджелеса. Он первым смог продемонстрировать работающий прототип на искусственном гранате. Однако до него другими учеными было сделано немало:
- А. Эйнштейн в 1916 году предсказал вынужденное излучение.
- П. Дирак в теории, разработанной в 1927-1930 годах, математически описал возможность вынужденного излучения.
- Р. Ланденбург и Г. Копферманн в 1928-м подтвердили существование вынужденного излучения экспериментально.
- В. Фабрикант и Ф. Бутаева в 1940 году предположили, что усилить вынужденное электромагнитное излучение поможет уровень с инверсной населенностью электронов.
- А. Кастлер в 1950-м предложил создавать инверсную населенность с помощью оптической накачки. За это он получил Нобелевскую премию.
- Н.Г. Басов, А.М. Прохоров, Ч. Таунс в 1954 году продемонстрировали генератор микроволн на аммиаке. Они добавили положительную обратную связь в виде резонатора. Это достижение также принесло ученым Нобелевскую премию.
- Т. Мейман в 1960-м наконец представил первое устройство на искусственном рубине, легированном хромом.
Таким образом, говорить, что тот, кто изобрел лазер в 1960 году, сделал это единолично, не совсем верно.
Технические помехи на пути изобретения
Согласно одному известному анекдоту, физики-теоретики расходуют очень мало оборудования. Им нужны только бумага, карандаш и ластик. Но предсказанные ими явления требуют подтверждения на практике. Часто это бывает очень сложно. Например, подтвердить наличие смогли только в XXI веке, хотя Эйнштейн предположил их наличие еще в начале XX. Изобретатель лазера и его предшественники решали следующие технические задачи:
- Поиск материалов с инверсной заселенностью уровней.
- Отбор стабильно работающих источников для оптической накачки.
- Выращивание кристаллов с заданными оптическими свойствами для рабочего тела лазера.
- Нанесение на торцы кристалла напыления с заданным коэффициентом отражения для создания оптического резонатора.
На данный момент все эти задачи успешно решаются и не представляют для ученых каких-либо трудностей.
Лазер и космос
Как только все сложности остались позади, и устройства прочно вошли в повседневность, познания человечества о космосе расширились в десятки раз. Если вспомнить, в каком году изобрели лазер, то сразу станет понятно, почему с 1960-х так активно начала развиваться космическая программа многих стран. Помимо значительного уменьшения веса оборудования за счет полупроводниковых и лазерных приборов, спектральная чистота и когерентность генерируемых пучков помогли улучшить наши знания об окружающем Землю пространстве. Благодаря современным устройствам ученым теперь точно известен состав всех планет, астероидов и комет Солнечной системы. Также способы определения расстояния до звезд и галактик теперь намного точнее. А потенциальные возможности применения лазеров безграничны.
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
Любое современное шоу, будь то обычная дискотека в ночном клубе или грандиозная пати-вечеринка на открытом воздухе, не обходится без светомузыки в виде лучей лазера. Если раньше организаторы могли обойтись обычным зеркальным шаром, который отбрасывал однообразные световые блики, то сегодня приходится искать более оригинальные решения. Компания Robolight занимается производством сложного светового оборудования – у нас вы найдете лазерные проекторы, как для домашнего использования, так и для серьезных ночных заведений с большим количеством посетителей.
История создания лазера
Точкой отсчета изобретения лазерных лучей следует считать 1917 год, когда Эйнштейн ввел в физику теорию воздействия на молекулы вынужденного излучения. Его гипотеза гласит о том, что под воздействием электромагнитного поля атом может переходить в различные энергетические состояния и при этом поглощать или испускать фотоны. Кроме того великий ученый предположил, что атом может испускать фотоны спонтанно без воздействия на него каких-либо вынужденных излучений. На основании этой гипотезы в 1939 году физик из СССР В. Фабрикант вычислил – чтобы усилить электромагнитное излучение, необходимо пропустить его через вещество.
Следующим этапом в истории изобретения лазера является создание мазера (первые буквы от словосочетания Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Этот прибор был сделан практически одновременно в Советском Союзе (Н. Басовым и А. Прохоровым) и в Америке (Ч. Таунсом). Правда, в нашей стране его называли не мазер, а молекулярный генератор. Мазер усиливал излучение в сверхвысокочастотном диапазоне и стал родоначальником квантовой электроники.
В середине прошлого века на смену молекулярным пришли квантовые генераторы, работающие в оптическом диапазоне. И только в 1960 году американцам удалось создать первый газовый лазер, который мог генерировать оптическое излучение в гелиево-неоновой газовой смеси. Именно тогда прибор и получил название «LASER», которое произошло из аббревиатуры «MASER» путем замены Microwave (микроволны) на Light (световые волны).
Принцип работы лазера
Чтобы не запутаться в многочисленных постулатах квантовой физики, рассмотрим работу самого простого лазера.
Переходу атома из обычного состояния в возбужденное, сопутствует его переход на более высокий энергетический уровень и поглощение фотона веществом.
Для электрона несвойственно находиться в возбуждении - он всегда стремиться вернуться в свое основное состояние (поэтому время пребывания электрона в возбужденном состоянии длиться всего лишь одну наносекунду). Во время возвращения электрона на обычный для него низкий уровень энергии происходит самопроизвольная вспышка квантового излучения.
Индуцированное (вынужденное) излучение, которое было открыто Эйнштейном, происходит под воздействием внешнего электромагнитного излучения на электрон, который уже находится в состоянии возбуждения. В результате, он переходит на более низкий уровень энергии и испускает фотон, который когерентен фотону, спровоцировавшему этот переход – получается, что в одном направлении движется уже два фотона. Один из этих фотонов бьет в расположенный рядом атом и также вызывает испускание из него еще одного (уже третьего) фотона и т. д. В итоге даже незначительное внешнее излучение вызывает лавинообразное усиление потока света, в котором движется огромное количество фотонов с одинаковой направленностью и энергетическим значением. Так получается когерентное излучение.
Непременным условием для возникновения такого излучения и усиления светового потока является количественное преобладание «возбужденных» атомов над «спокойными». При возбуждении большинства атомов происходит, так называемая, инверсия населенности вещества. Если подвергнуть такое вещество дополнительному облучению, то начнут преобладать переходы атомов с верхних уровней энергии на более низкие. А это, в свою очередь, будет способствовать усилению светового потока.
Процесс приведения вещества в состояние инверсной населенности называется накачкой. Методы накачки отличаются разнообразием и зависят от разновидности лазера, но в основном применяется электрический ток/разряд, химические реакции, пучок релятивистских (ускоренных) электронов или электромагнитное излучение.
Основные виды лазеров
Полупроводниковые лазеры работают в видимом и инфракрасном диапазоне, имеют высокий показатель преобразования электроэнергии в когерентное излучение. Такие лазеры позволяют легко управлять световым пучком и перестраивать частоты излучения. Что касается недостатков, то полупроводниковые лазеры обладают относительно низкой направленностью излучения.
Газовые лазеры генерируют монохроматичное излучение с высокой направленностью светового пучка. Такие лазеры обладают высокой оптической однородностью газовой среды, а потому незаменимы в научно-технических областях, где нужно высокоточное излучение (например, в лазерной хирургии). Наиболее распространенным является гелиево-неоновый лазер, который выполнен в виде газоразрядной трубки, заключенной в оптический резонатор.
Кроме того, широкое распространение получили жидкостные и твердотельные лазеры, которые называются так в связи с применением в них твердой или жидкой рабочей среды.
Сферы применения лазеров
Лазеры нашли широкое применение в различных сферах нашей жизни:
Лазерная гироскопия,
Обработка материалов, сверление отверстий и сварка,
Лазерная хирургия и ретинопатия (воздействие на раковые опухоли),
Лазерная связь,
Цифровая голография и другие области науки и техники.
В нашей компании имеются многоцветные аналоговые и графические лазеры, которые производят оригинальные световые и 3D-эффекты и могут использоваться в любых погодных условиях. Купите лучевой, анимационный или заливочный лазерный проектор и ваша дискотека превратиться в грандиозное шоу, которое надолго запомниться вашим посетителям.
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.
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!