История появления и развития лазера, теории и эксперименты

История лазера.

 

 

История появления и развития лазера ­– история, включающая в себя несколько важных дат, когда произошли значимые события, тем или иным образом способствующие широкому распространению и применению лазеров в различных областях.

 

Краткая история создания лазера:

К наиболее значимым годам по разработке лазера можно отнести следующие:

  • 1917 – появилась работа Альберта Эйнштейна, в которой он описал принцип вынужденного излучения, являющегося основным принципом работы лазера;
  • 1928 – Р. Ладенбург в соавторстве с Г. Копферманном подтвердил практически теоретические выкладки Эйнштейна о существовании и возникновении вынужденного излучения;
  • 1928 – термин «лазер» предложен Рудольфом Ладенбургом.
  • 1940/50 – история изобретения лазера включала разработку квантовой теории ЭМИ;
  • 1950 год – А. Кастлер теоретически разработал метод оптической накачки, который практически реализовал, два года спустя, французским физиком Ж. Бросселем, совместно с Винтером и Кастлером;
  • 1954 – создан рабочий мазер на основе аммиака (независимые разработки советских физиков А. Прохорова, Н. Басова, американца Ч. Таунса)

История лазера начиналась с работ по такому устройству, как мазер. Так разработчики назвали квантовый генератор, который в сантиметровом диапазоне излучал когерентные волны электромагнитного диапазона.

Лазером именуется квантовый генератор (версия оптического типа), преобразующий энергию, используемую для накачки. Она может быть тепловой, световой, а в ряде моделей – химической, электрической, иной. Энергия преобразуется в поток излучения, характеризуемый следующими параметрами: монохроматический, когерентный. Поток является узконаправленным, поляризованным.

История создания лазера включает труд учёных из различных государств. Среди них, в обязательном порядке, следует перечислить ряд учёных из различных государств мира, включая: Ч. Таунса (США), трудящегося совместно с А. Шавловым и Г. Гулдом. Ими были проработаны базовые принципы изготовления лазера.

Независимо от американских учёных в Советском Союзе изобретать лазер начали Н. Басов, А. Прохоров. Они вместе с Таунсом за это открытие были удостоены Нобелевской премии в 1964.

 

Первые эксперименты:

  • 1953 – кардинальный прорыв, кода Чарльз Таунс (США) со своими помощниками практически реализовал усиление ЭМИ с использованием рубина;
  • 1958 – Шуман в соавторстве с Дебрюком стали фактически изобретателями, разработчиками модели оптического мазера, функционирующего на парах аммиака, и создали его действующую модель;
  • 1960 – Теодору Мейману удалось изобрести рубиновый лазер;
  • 1960 – коллектив учёных во главе с Джаваном создал и представил гелий-неоновую модель лазера;
  • 1961-1965 – создание действующих моделей лазеров в различных вариантах конструктивного исполнения.

После этого лазерные технологии стали стремительно развиваться:

  • 1962 – создана модель, работающая на парах меди;
  • 1962 – появление первых полупроводниковых лазеров;
  • 1964 – создание СО2 лазера;
  • 1970 – создана версия на основе красителей;
  • 1971 – представлен эксимерный лазер.

Начиная с конца семидесятых годов, история развития лазера становится более активной. Лазерные технологии со временем начинают широко использоваться в различных направлениях, включая их применение для резки металла лазером, в НИОКР и медицине.

 

Теоретические основы:

Работа лазера базируется на явлении вынужденного излучения (альтернативное наименование, индуцированного), суть которого описывается далее.

Любая квантовая система, включая возбуждённый атом, может излучать фотон при воздействии другого фотона, который не поглощается. Это при том условии, что энергия последнего равна разности двух величин: уровня атома, который имелся до (вариант, после) излучения. Излучённый фон представляет точную копию провоцирующего фотона (когерентен). Процесс усиливает свет, чем принципиально отличается от спонтанной разновидности излучения, в ходе которого фотоны движутся разнонаправлено.

Вероятность индуцирования излучения спонтанным фотоном равна вероятности поглощения последнего атомом, имеющим спокойное состояние. Чтобы получить усиление света требуется обеспечить инверсию населённости, когда количество возбуждённых атомов будет многократно больше тех, которые находятся в спокойном состоянии. Для этого применяют разные системы накачки, включая  химические, электрические.

Первоисточником выступает спонтанное излучение. Исходя из этого, учёные пришли к выводу о том, что, чтобы обеспечить требуемую преемственность поколений излучаемых фотонов, требуется наличие плюсовой обратной связи. Для этого активная среда располагается в устройствах, именуемых оптическими резонаторами. Они имеют разные конструктивные исполнения. Это позволяет формировать импульсное (вариант, непрерывное) излучение.