Одним
из крупнейших достижений науки и техники XX века, наряду с
другими открытиями, является создание генераторов индуцированного
электромагнитного излучения - лазеров. Лазеры нашли широко
применение как в научных лабораториях так и в повседневной
жизни обычных людей.
| Лазерный
компакт-диск является наиболее распространенным и широко
известным примером применения лазеров. Также в нашу
жизнь потихоньку входят волоконно-оптические линии связи,
создание которых невозможно без использования лазеров.
Но, наверное, не все представляют, что лазер позволяет
создавать очень узкий монохроматичный (одноцветный)
пучок света с высокой концентрацией энергии. Так как
же устроены лазеры, и что предшествовало их изобретению?
|
 |
В
основу их работы положено явление усиления электромагнитных
колебаний при помощи вынужденного, индуцированного излучения
атомов и молекул, которое было предсказано еще в 1917 г. Альбертом
Эйнштейном при изучении им равновесия между энергией атомных
систем и их излучением. С этого времени, пожалуй, и начинается
история создания лазеров.
Однако в то время никто не обратил внимания на принципиальную
ценность этого явления. Никому не были известны способы получения
индуцированного излучения и его использования.
В 1940 г., анализируя спектр газового разряда, советский ученый
В.А. Фабрикант указал, что, используя явление индуцированного
излучения, можно добиться усиления света. В 1951 г., совместно
с учеными Ф.А. Бутаевой и М.М. Вудынским, он провел первые
опыты в этом направлении.
В 1952 г. ученые трех стран одновременно - в Советском Союзе
Н.Г. Басов и А.М. Прохоров, в Соединенных Штатах Америки Ч.
Таунс, Дж. Гордон, X. Цайгер и в Канаде Дж. Вебер - независимо
друг от друга предложили основанный на использовании явления
индуцированного излучения новый принцип генерации и усиления
сверхвысокочастотных электромагнитных колебаний. Это позволило
создать квантовые генераторы сантиметрового и дециметрового
диапазонов, известные сейчас под названием мазеров, которые
обладали очень высокой стабильностью частоты. Использование
мазеров в качестве усилителей позволило повысить чувствительность
приемной радиоаппаратуры в сотни раз. Сначала в квантовых
генераторах использовались двухуровневые энергетические системы
и пространственная сортировка молекул с различными энергетическими
уровнями в неоднородном электрическом поле. В 1955 г. Н. Г.
Басов и А. М. Прохоров предложили использовать для получения
неравновесного состояния частиц трехуровневые энергетические
квантовые системы и внешнее электромагнитное поле для возбуждения.
В 1958 г. была рассмотрена возможность применения этого метода
для создания генераторов оптического диапазона (в СССР - Н.Г.
Басов. Б.М. Вул, Ю. М.Попов, А. Н. Прохоров; в США - Ч. Таунс
и А. Шавлов).
Опираясь
на результаты этих исследований, Т. Мейман (США) в декабре
1960 г. построил первый успешно работавший оптический
квантовый генератор, в котором в качестве активного
вещества был использован синтетический рубин. С созданием
оптического квантового генератора на рубине возникло
слово "лазер". Это слово составлено из первых
букв английского выражения: "light amplification
by stimulated emission of radiation" (laser), что
в переводе означает "усиление света с помощью индуцированного
излучения".
|
Трудно найти область
современных исследований, где не применялись бы лазеры |
Рубиновый
лазер работал в импульсном режиме.Его излучение относилось
к красной области видимого диапазона. Возбуждение осуществлялось
мощным источником света.
Через год, в 1961 г., американские ученые А. Джаван, В.
Беннет и Д. Герриотт построили газовый лазер, в котором
в качестве активного вещества применялась смесь газов гелия
и неона. Возбуждение активного вещества лазера производилось
электромагнитным полем высокочастотного генератора. Режим
работы этого лазера был непрерывным.
В 1962 г. в Советском Союзе и в Соединенных Штатах Америки
получили индуцированное излучение в полупроводниковом диоде,
что означало создание полупроводникового лазера. Впервые
на возможность использования полупроводников в качестве
активного вещества в лазерах указали еще в 1959 г. советские
ученые Н. Г. Басов, Б. М. Вул, Ю. М. Попов. Большая заслуга
в создании полупроводникового лазера принадлежит также американскому
ученому Р. Холлу. Полупроводниковый лазер возбуждается непосредственно
электрическим током. Он работает как в импульсном, так и
в непрерывном режиме.
В чем же все-таки главная ценность этих приборов? В том,
что излучение лазеров обладает рядом замечательных свойств.
В отличие от света, испускаемого обычными источниками, оно
когерентно в пространстве и времени, монохроматично, распространяется
очень узким пучком и характеризуется чрезвычайно высокой
концентрацией энергии, которая еще недавно казалась фантастической.
Это дает возможность ученым использовать световой луч лазера
в качестве тончайшего инструмента для исследований различных
веществ, выяснения особенностей строения атомов и молекул,
уточнения природы их взаимодействия, определения биологической
структуры живых клеток.
С помощью луча лазера можно передавать сигналы и поддерживать
связь как в земных условиях, так и в космосе принципиально
на любых расстояниях. Лазерные линии связи позволяют передавать
одновременно значительно большее количество информации по
сравнению с традиционными линиями связи, даже самыми совершенными.
Кроме того при этом практически к нулю сводятся внешние
помехи.
Развитие современных технологий, многих отраслей промышленности,
науки и техники, медицины сегодня трудно себе представить
без применения лазеров и устройств на их основе.
Интервь
с одним из создателей лазера
|
