Содержание:
Введение
Глава 1. История создания лазеров и мазеров
Глава 2. Лазеры
2.1 Принцип действия
2.2 Устройство лазера
2.3 Активная среда
2.4 Система накачки
2.5 Оптический резонатор
2.6 Классификация лазеров
2.7 Использование лазеров
Глава 3. Мазеры
Введение
Прошло 50 лет со дня изобретения первого лазера. Без полного понимания того, что свет все же является электромагнитной волной, его изобретение было бы невозможным. В 1918 году за открытие элементарной порции энергии – кванта - Макс Планк (Max Planck) был удостоен Нобелевской премии. Планк работал с абсолютно черным телом, объектом, поглощающим все длины волн падающего на него света. Он пытался объяснить, почему абсолютно черное тело излучает неравномерно на разных длинах волн.
В своей наиболее значимой работе, опубликованной в 1900 году, Планк привел выражение, связывающее частоту электромагнитного излучения и энергию кванта, постулируя при этом, что энергия может излучаться или поглощаться дискретно, даже если эти порции энергии малы. Его теория совершила перелом в физике, вдохновила на дальнейшие исследования в этой области многих прогрессивных ученых того времени, и в частности таких, как Альберт Эйнштейн (Albert Einstein). В 1905 году тот опубликовал свой знаменитый доклад о фотоэффекте, в котором утверждал, что энергия, которую сообщает электронам в фотоматериале падающий свет, также дискретна, и наименьшую единицу этой дискретности он назвал фотоном.
В 1917 Эйнштейн выдвинул теорию вынужденного излучения, согласно которой, кроме процессов спонтанного поглощения и излучения света существует возможность вынужденного (или стимулированного) излучения, когда можно «заставить» электроны излучить свет определенной длины волны одновременно. Однако только спустя 40 лет, основываясь на положениях этой теории, был создан первый лазер.
Глава 1.
История создания лазеров и мазеров
26 апреля 1951 года Чарльзу Таунсу (Charles Hard Townes) из Колумбийского университета, что в Нью Йорке (Columbia University, New York), пришла в голову идея о создании мазера (microwave amplification by stimulated emission of radiation ) – прибора, усиливающего микроволновые колебания с помощью явления вынужденного излучения.
В 1954 этот первый мазер был продемонстрирован Таунсом, Гербертом Цайгером (Herbert J. Zeiger) и выпускником Колумбийского университета Джеймсом Гордоном (James P. Gordon). Мазер излучал на длине волны 1 см и генерировал мощность около 10 нВт.
Наши соотечественники Николай Басов и Александр Прохоров, ученые Физического института АН СССР им. П.Н. Лебедева в Москве, в 1955 предложили трехуровневый метод накачки мазера. Молекулы с помощью излучения накачки переходят на третий (верхний) уровень, время жизни молекул на котором мало. Затем молекулы релаксируют на метастабильный (промежуточный) уровень, и впоследствии излучают энергию, равную разности между промежуточным и основным уровнями. Годом позже Николас Блумберген (Nicolaas Bloembergen) из Гарвардского университета (Harvard University) представил мазер на твердом теле.
14 сентября 1957 года Таунс делает первые наброски «мазера» в лабораторном журнале, мазера, работающего уже в оптическом диапазоне, а выпускник Колумбийского университета Гордон Гуд (Gordon Gould) впервые упоминает в своих заметках слово «лазер» и нотариально закрепляет свое право на предложенные принципы его создания. Вскоре Гуд оставляет университет и начинает карьеру в частной фирме TRG (Technical Research Group).
В 1958 Таунс, работавший в то время консультантом Bell Labs, и его шурин Артур Шавлов (Arthur L. Schawlow) в совместной статье в Physical Review Letter показали, что «мазер» может работать и в оптическом диапазоне. В ФИАН им. П.Н. Лебедева Басов И Прохоров вели работу по этому же направлению.
Весной 1959 Гуд и TRG подают заявки на патенты, дабы защитить заверенные нотариально еще в 1957 принципы создания лазера. Однако 22 марта 1960 года за номером 2,929,922 был получен патент на имя Таунса и Шавлова, подтверждающий их право на изобретение оптического мазера, который сегодня мы называем просто лазер. Гуд и TRG в течение 30 лет пытались обжаловать это решение. Но безуспешно.
16 мая 1960 года физик из Калифорнии Теодор Мейнман (Theodore H. Maiman) создает первый лазер на рубине. Кристалл рубина был 1 см в диаметре и около 2 см в длину. Боковые грани стержня были покрыты серебром для создания резонатора типа Фабри-Перо. В качестве источника накачки использовалась лампа-вспышка. 7 июня была созвана пресс-конференция, во время которой действие рубинового лазера было представлено общественности. В ноябре 1960-го учеными IBM был продемонстрирован твердотельный лазер, работающий по 4-х уровневой схеме накачки.
Первый газовый (гелий-неоновый) лазер, излучающий в ИК области спектра на длине волны 1.15 мкм, создали Али Яван, Вильям Беннет и Дональд Херриот (Ali Javan, William Bennett Jr. и Donald Herriott) из Bell Labs в декабре 1960.
На коммерческом рынке лазеры появились с начала 1961 года, реализовывались такими компаниями как Trion Instruments Inc., Perkin-Elmer and Spectra-Physics.
Далее история лазеров развивалась стремительными темпами. Появились лазеры, использующие в качестве активного элемента самые разнообразные, как жидкие, так твердотельные и газообразные вещества. Лазер на неодиме появляется в октябре 1961 в American Optical Co. Его изобретатель – Элиас Снитцер (Elias Snitzer). В декабре этого же года в США провели первую операцию на сетчатке с использованием рубинового лазера. В 1962 получен импульсный режим работы рубинового лазера, в дальнейшем он использовался для сварки швов на ручных часах.
Полупроводниковый лазер на галлий-арсениде изобрели сотрудники GE, IBM, MIT’s Lincoln Laboratory. Это устройство, превращающее электрический ток непосредственно в ИК излучение. Всем известные GaAsP - светодиоды , излучающие в красном диапаоне, появились в 1962 году благодаря Нику Холоньяку мл. (Nick Holonyak Jr.), работавшему тогда в General Electric Co. lab в Сиракузах, штат Нью-Йорк. Сегодня это основа для красных LED, используемых CD, DVD-плеерах , сотовых телефонах.
Лазер на иттрий-алюминиевом гранате (YAG) появился в июне 1962. К концу этого года общий объем лазерных продаж составил более 1 миллиона американских долларов. В 1963 разрабатываются принципы лазеров с синхронизацией мод. В современном мире без них трудно представить оптическую связь и фемтосекундные лазеры.
В этом же году Герберт Кромер из университета Калифорнии (Herbert Kroemer of the University of California) и команда ученых под руководством Жореса Алферова из Института им. А.Ф. Иоффе в Санкт-Петербурге предложили использовать гетероструктуры в работе полупроводниковых лазеров. В 2000 году оба ученых получили за это Нобелевскую премию.
В марте 1964 благодаря Вильяму Бриджесу (William B. Bridges) из США появляется аргоновый лазер, КПД его был низок, зато излучал он на нескольких длинах волн, в том числе и в УФ диапазоне.
В 1964 Таунс, Басов и Прохоров были удостоены Нобелевской премии за фундаментальный труд в области квантовой электроники, в результате которого были созданы колебательные системы и усилители, работающие на мазер-лазерном принципе.
В том же 64-м создали СО2 лазер, который и по сей день успешно используется в промышленности и медицине.
В 1965 году на практике наблюдали синхронизацию мод – важный шаг на пути к телекоммуникациям.
В 1966 создан лазер на красителях, накачка которого осуществлялась рубиновым лазером.
За изобретение «накачки» лазеров и мазеров Нобелевской премии в 1966 был удостоен французский физик Альфред Кастлер (Alfred Kastler).
В 1970 в ФИАН СССР им. Лебедева Басов, Данилевич и Попов изобрели эксимерный лазер.
Весной этого года Ж.Алферов продемонстрировал непрерывное излучение полупроводниковых лазеров при комнатной температуре, делая все для того, чтобы перевести связь на оптическое волокно с использованием полупроводниковых излучателей. В Corning Glass Works же показали передачу оптического сигнала по оптоволокну с затуханием менее 20 дБ/км. Артур Ашкин (Arthur Ashkin) из Bell Labs изобретает оптическую ловушку, когда атомы вещества оказываются в «подвешенном» состоянии в скрещенных лучах лазеров.
В 1972 изобретают лазер на квантовой яме. Его работа была продемонстрирована в 1977 в университете штата Иллинойс (Illinois). Фактически массово он появился в начале 90-х. В 1972 впервые использовался лазер для создания рисунка на керамической подложке компьютерной микросхемы.
В 1976 создали лазер на свободных электронах. Вместо активной среды такой лазер использует пучок электронов, разгоняемый до больших скоростей и пропускаемый через поперечное магнитное поле для получения когерентного излучения.
В 1978 появляются лазерные диски. Самые первые плееры для считывания информации использовали гелий-неоновый лазер, которые впоследствии заменили на ИК лазерные диоды. В этом же году Philips выпускает миниатюрные CD, какими мы привыкли их видеть сегодня.
В 1987 году Дэвид Пейн (David Payne) из Великобритании представил оптоволокно, легированное эрбием. Новые оптические усилители сразу же усиливали сигнал без его конвертации в электрическую форму, а затем снова в оптическую.
В 1994 мир увидел квантовые каскадные лазеры (ККЛ) Bell Labs, способные излучать сразу на нескольких длинах волн, разделенных промежутками. ККЛ производились методом молекулярной эпитаксии. Изменение толщины определенного слоя ККЛ меняло длины волн излучения. В этом же году в Институте им. А.Ф.Иоффе показали работу лазера на квантовой точке.
В июне 2009 NASA запустило лунный исследовательский комплекс LRO (Lunar Reconnaissance Orbiter), который будет использовать лазер для детального изучения поверхности Луны, что в будущем поможет нам производить безопасную лунную посадку космических кораблей, а также определить, где находится лед на поверхности нашей космической спутницы.
В январе 2010 года в США в Национальном комплексе лазерных термоядерных реакций получен рекордный уровень мощности генерации лазера – беспрецедентный 1МДж в течение одной наносекунды. В будущем планируется использование лазеров для осуществления инерциального термоядерного синтеза