Квантовый светоч: история одного изсамых важных изобретенийxx века лазера

      Комментарии к записи Квантовый светоч: история одного изсамых важных изобретенийxx века лазера отключены

Квантовый светоч: история одного изсамых важных изобретенийxx века лазера

Но идея изучить газовые разряды для наблюдения вынужденного излучения в те времена никому не пришла в голову — так как ученые кроме того не подозревали о его существовании.

А в 1913 году Альберт Эйнштейн высказал догадку, что в недрах звезд излучение может генерироваться под действием вынуждающих фотонов. В хорошей статье «Квантовая теория излучения», опубликованной в 1917, Эйнштейн не только вывел существование для того чтобы излучения из неспециализированных правил квантовой термодинамики и механики, но и доказал, что оно когерентно вынуждающему излучению (другими словами имеет однообразное направление, длину волны, поляризацию и фазу). А спустя десятилетие Поль Дирак строго обосновал и обобщил эти выводы.

Первые опыты

Работы теоретиков не остались незамеченными. Во второй половине 20-ых годов двадцатого века Рудольф Ладенбург, директор отдела ядерной физики Университета электрохимии Общества и физической химии кайзера Вильгельма, и его ученик Ганс Копферманн экспериментально замечали инверсию населенностей (см. врезку «Квантовое усиление света»), причем как раз в опытах с неоновыми трубками. Но вынужденное излучение было весьма не сильный, и различить его на фоне спонтанного излучения было сложно.

До лазера оставался только ход: дабы усилить вынужденное излучение, в среду нужно ввести хорошую обратную сообщение, другими словами поместить ее в резонатор. Но для данной идеи время еще не настало.

Мало кто занимался усилением оптических сигналов посредством вынужденного излучения и в 1930-е годы. самая серьёзной работой по данной теме была диссертация москвича Валентина Фабриканта, размещённая в 1940 году. В первой половине 50-ых годов XX века В.А. Фабрикант, Ф.А. Бутаева и М.М.

Вудинский подали заявку на изобретение нового способа усиления электромагнитного излучения, основанного на применении среды с инверсией населенностей. К сожалению, эта работа была опубликована только через 8 лет и мало кем увидена, а попытки выстроить действующий оптический усилитель были бесплодными — опять-таки из-за отсутствия резонатора. Во второй половине 50-ых годов XX века Бутаева и Фабрикант кроме того замечали квантовое усиление световых волн в опытах с пропусканием электрических разрядов через ртутные пары, но это так и осталось их личным достижением.

Путь к созданию лазера был отыскан не оптиками, а радиофизиками, каковые с покон веков умели строить усилители и генераторы электромагнитных колебаний, применяющие резонаторы и обратную сообщение. Им-то и было суждено сконструировать первые квантовые генераторы когерентного излучения, лишь не светового, а микроволнового.

Мазеры

Возможность создания для того чтобы генератора первым понял доктор физических наук Колумбийского университета Чарльз Таунс. Эта идея осенила его весной 1951 года на протяжении прогулки по Франклин-скверу в центре Вашингтона. (Кстати, этому маленькому парку самой судьбой было предназначено войти в историю физической оптики. Именно там 3 июня 1880 года изобретатель телефона Александр Белл в первый раз испытал устройство, которое он считал своим главным изобретением.

Прибор, что Белл назвал фотофоном, передавал звук не по проводам, а по световому лучу. Сейчас белловский фотофон вычисляют предтечей опто-волоконных совокупностей связи.)

Таунс осознал, что возможно выстроить микроволновой генератор посредством пучка молекул, имеющих пара уровней энергии. Для этого их необходимо поделить электростатическими полями и загнать пучок возбужденных молекул в железную полость, где они перейдут на нижний уровень, излучая электромагнитные волны. Дабы эта полость трудилась как резонатор, ее линейные размеры должны равняться длине излучаемых волн.

Таунс поделился данной мыслью с аспирантом Джеймсом научным сотрудником и Гордоном Гербертом Цайгером. На роль среды они избрали аммиак, молекулы которого при переходе с возбужденного колебательного уровня на основной испускают волны длиной 12,6 мм. Изготовить отличный объемный резонатор таковой величины было не через чур легко, но все же вероятно. В апреле 1954-го Таунс и Гордон (Цайгер тогда уже ушел из университета) запустили первый в мире микроволновой квантовый генератор.

Данный прибор Таунс назвал мазером (MASER — Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation).

В Лаборатории колебаний Физического университета АН СССР данной же темой занимались научный сотрудник Александр его аспирант и Прохоров Николай Басов. В мае 1952 года на Общесоюзной конференции по радиоспектроскопии они сделали доклад о возможности создания квантового усилителя СВЧ-излучения, трудящегося на пучке молекул все того же аммиака.

В первой половине 50-ых годов XX века, практически сразу после выхода работы Таунса, Гордона и Цайгера, Прохоров и уже «остепенившийся» Басов разместили статью, где были приведены теоретические обоснования работы для того чтобы прибора. В первой половине 60-ых годов двадцатого века Таунс, Прохоров и Басов за эти изучения были удостоены Нобелевской премии.

От микроволн к свету

Не будет преувеличением заявить, что в середине 1950-х годов призрак оптического (в отличие от микроволнового) квантового генератора маячил в головах многих физиков — через чур многих, дабы поведать обо всех. Практически не была решена только задача усиления вынужденного излучения посредством хорошей обратной связи. Потому, что длины световых волн измеряют десятыми долями микрона, изготовление объемного резонатора таких размеров было делом нереальным.

Возможно, возможность генерации света посредством макроскопических открытых зеркальных резонаторов первым понял американский физик Роберт Дике, что в мае 1956 года оформил эту идею в патентной заявке. В сентябре 1957 года Таунс набросал в записной книжке замысел создания для того чтобы генератора и назвал его оптическим мазером. Через год Таунс со своим ветхим втором и шурином Артуром Шавловым и независимо от них Прохоров выступили со статьями, содержащими теоретические обоснования этого способа генерации когерентного света.

Сам термин «лазер» появился кроме того раньше. Эту британскую сокращение, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (в дословном переводе «усиление света посредством стимулированного испускания излучения», не смотря на то, что лазерами все же принято именовать не усилители, а генераторы излучения, замена слова amplification на generation дает непроизносимое звукосочетание lgser), придумал аспирант Колумбийского университета Гордон Гулд, что самостоятельно совершил детальный анализ способов получения стимулированного излучения оптического диапазона.

Поздней в осеннюю пору 1957 года это слово показалось на страницах блокнота, где он записывал вычисления и свои размышления. В то время Гулд ничего не публиковал и исходя из этого не взял признания, которое, несомненно, заслужил. Действительно, в 1970—1980-х он добился утверждения собственных патентных заявок и наконец-то начал купаться если не в славе, то в долларах.

Лазеры

Первый трудящийся лазер вышел из рук сотрудника корпорации Hughes Aircraft Теодора Меймана, что в качестве активной среды выбрал рубин. Данный минерал является оксидом алюминия с маленькой примесью хрома, что и придает ему красный цвет (чистый оксид алюминия бесцветен). Мейман осознал, что поделённые громадными промежутками атомы хрома смогут «светить» не хуже атомов газа.

Для получения оптического резонанса он напылил узкий слой серебра на полированные параллельные торцы цилиндрика из синтетического рубина. Цилиндр по особому заказу изготовила компания Union Carbide, на что ей пригодилось пять месяцев. Мейман поместил рубиновый столбик в спиральную трубку, дающую броские световые вспышки. Шестнадцатого мая 1960 года первый в мире лазер выдал первый луч.

А в декабре того же года в Лабораториях Белла получил гелий-неоновый лазер (на смеси гелия и неона), созданный Али Джаваном, Уильямом Беннеттом и Дональдом Хэрриотом. По интересному совпадению случилось это ровно через 5 десятилетий по окончании того, как Клод поразил воображение визитёров Парижской автомобильной выставки собственными светящимися трубками. Лазер Джавана и его сотрудников трудился в инфракрасном диапазоне, но через два года Уайт и Ригден вынудили гелий-неоновый лазер излучать красный цвет.

практическая польза и Научная ценность лазеров были так очевидны, что ими сходу занялись инженеров и тысячи учёных из различных государств. В первой половине 60-ых годов XX века получил первый лазер на неодимовом стекле, в течение пяти лет были созданы полупроводниковые лазерные диоды, лазеры на органических красителях, химические лазеры, лазеры на двуокиси углерода.

В первой половине 60-ых годов двадцатого века Жорес Герберт и Алферов Кремер независимо друг от друга создали теорию полупроводниковых гетероструктур, на базе которых позднее были созданы многие лазеры (за эту работу они 6 лет назад взяли Нобелевскую премию). К настоящему времени тяжело отыскать такую техники и область науки, где бы не использовались лазеры. Кроме того простое перечисление разных модификаций лазеров занимает пара страниц печатного текста.

Это, непременно, одно из наиболее значимых изобретений XX века окончательно поменяло нашу жизнь.

С головы на ноги

Неизменно ли вынужденное излучение обязательно требует инверсной среды? Нет, и это было известно изобретателям лазера. Чарльз Таунс в нобелевской лекции очень подчернул, что инверсия нужна только в том случае, если фазы квантовых волновых функций излучающих частиц совсем случайны.

В случае если же это не верно, имеется методы усилить электромагнитные волны и в отсутствие инверсии. О таковой возможности продолжительно не вспоминали, но в 1980-х ей действительно занялись теоретики. В случае если вынуждающее излучение в один момент возбуждает пара когерентных колебаний с родными частотами, они смогут интерферировать между собой.

Забрав под контроль эту интерференцию, возможно отключить сотрудничество излучения с поглощающими атомами, но наряду с этим сохранить вынужденное излучение возбужденных атомов. При таких условиях излучение будет усиливаться и без инверсии населенностей (см. след. врезку).

Действительность этого результата в первый раз была доказана в 2000 году в опытах с атомарными парами. А совсем сравнительно не так давно физики из Швейцарии и Англии взяли подобные результаты и на полупроводниковых нанокристаллах с тремя энергетическими уровнями. В этих опытах населенность нижнего уровня в четыре раза превышала неспециализированную населенность двух верхних.

Квантовое усиление света

В лампе накаливания электрический ток нагревает вольфрамовую спиральку и возбуждает атомы вольфрама, перебрасывая их внешние электроны в состояния с повышенными значениями энергии. Эти состояния неустойчивы, исходя из этого электроны возвращаются на главный уровень, излучая фотоны. Никаких особенных упрочнений для этого не нужно, такое возвращение происходит самопроизвольно, спонтанно.

Потому, что спонтанные электронные переходы никак не скоррелированы между собой, световые волны с равной возможностью испускаются во всех направлениях, с различными фазами, энергиями и поляризациями.

Атомы смогут излучать фотоны кроме этого под действием фотона, энергия которого близка к отличию уровней. Таковой фотон как бы «стряхивает» атом с верхнего уровня на нижний — происходит вынужденный переход. Наряду с этим излучаемый фотон выясняется всецело когерентен вынуждающему — он имеет то же самое направление, ту же самую энергию, поляризацию и фазу.

Но в состоянии термодинамического равновесия количество невозбужденных атомов значительно больше, чем возбужденных. Дабы возбудить атомы (перевести на верхние уровни), требуется энергия — химическая, световая либо каждая вторая (это именуется накачка). Причем необходимо удержать атомы наверху достаточно продолжительное (по квантовым меркам, само собой разумеется) время, дабы накопить определенный «запас» (в научных терминах — инверсия населенностей).

В двухуровневой схеме это затруднительно (не смотря на то, что и вероятно): атомы с верхнего уровня через чур скоро скатываются на основной.

А вот в случае если у нас имеется вещество с тремя уровнями, картина изменяется. Такую схему в 1955 году внесли предложение Басов и Прохоров. Необходимо загнать атомы посредством накачки на самый верхний из трех энергетических уровней (при поглощении излучения с энергией, соответствующей разности между самым верхним и самым нижним).

С верхнего «этажа» большая часть атомов скоро спускается на промежуточный уровень и остается в том месте (выбираются активные среды, для которых самопроизвольный переход с промежуточного уровня на нижний запрещен законами квантовой механики). В случае если запустить в такую среду фотоны с энергией, соответствующей разнице между промежуточным и нижним уровнями, то они инициируют массовый «спуск» атомов на вынужденное излучение и основной уровень, причем все снова рожденные фотоны будут всецело им когерентны.

Более того, двигаясь через среду, все эти фотоны будут приводить к появлению все новых и новых однообразных собратьев. В следствии амплитуда исходного светового сигнала многократно возрастет: это и имеется усиление света вынужденным излучением, лазерный эффект.

Оптический квантовый генератор

Но нам необходимо изготовить не усилитель, а генератор света! Для этого нужно задержать большая часть вторичных фотонов в среде с инверсией населенностей и вынудить их опять и опять индуцировать излучение собственных клонов в самоподдерживающемся режиме. Этого возможно добиться посредством особенного устройства — оптического резонатора.

Лазер в привычном смысле слова — это совокупность активной среды, источника ее резонатора и накачки.

Попытаемся перевоплотить простую «неонку» в лазер. В несложном виде неоновая лампа является прямой стеклянную трубку с парой электродов, заполненную смесью неона и гелия. В случае если на электроды подать напряжение, то в газе появится тлеющий разряд.

Высвободившиеся при ионизации газовой смеси электроны разгоняются и сталкиваются по большей части с атомами гелия, потому, что их значительно больше. Возбужденные атомы гелия не избавляются от излишней энергии, испуская световые кванты, а с легкостью отдают ее атомам неона, в следствии образуется среда с инверсией населенностей (три уровня плюс подуровни). Тлеющий разряд в неоновой лампе дает около двух десятков спектральных линий, практически все в ближней инфракрасной области.

Но на одном из переходов появляется всем известное оранжево-красное свечение с длиной волны 632,8 нм и с энергией квантов 1,96 эВ. Простоты для обо всех других фотонах сказать не будем.

Ясно, что свет неонки по большей части некогерентен. Это так как не единая инверсная среда, любой атом неона излучает независимо от всех других. Но из этого хаоса возможно извлечь согласованное излучение, причем посредством очень несложного приема. Закроем торцы трубки строго параллельными зеркалами, перпендикулярными ее продольной оси. Большинство спонтанно излученных фотонов уйдет через стеклянные стены наружу (исходя из этого КПД для того чтобы лазера мал — единицы процентов).

Но их весьма и довольно много (1019−1020 в секунду!). Значит, среди них обязательно найдутся фотоны, путь которых лежит строго по осевой линии.

В случае если таковой квант свободно добрался до правого зеркала, он отразится, отправится обратно на протяжении данной же оси и по пути встретится с возбужденным атомом неона. В следствии рандеву он индуцирует излучение фотона-копии, и в предстоящий путь отправится уже фотонная пара. По дороге к левому зеркалу они смогут наплодить еще множество клонов, каковые дружно отразятся и двинутся в обратном направлении.

Цепная реакция отправится по нарастающей, и пространство между зеркалами заполнится мириадами курсирующих взад и вперед однообразных фотонов. Зеркала на финишах трубки превращают некогерентное спонтанное излучение в когерентное вынужденное: торцовые рефлекторы и имеется тот самый оптический резонатор, что нужен для того чтобы.

Но как вывести это когерентное излучение за пределы среды? Сделаем одно зеркало всецело отражающим, а второе — полупрозрачным. Через него красный луч когерентного света (отметим, что все фотоны имеют однообразную энергию, фазу, направление и поляризацию) покидает пределы среды.

Лазер запущен и будет трудиться до тех пор, пока не отключат питание.

Само собой разумеется, на практике все пара сложнее. Дабы инверсия была стабильной, необходимо верно выбрать плотность газовой смеси и электрическое напряжение, и обеспечить и еще кое-какие технические условия. Но, не смотря на то, что в целом принцип работы гелиево-неонового лазера не через чур сложен, путь к нему от простой неоновой лампы занял ровно полвека.

Это снова говорит о том, что наука начинается отнюдь не по прямой восходящей линии.

Статья размещена в издании «Популярная механика» (№44, июнь 2006).

10 ВАЖНЕЙШИХ ИЗОБРЕТЕНИЙ В ИСТОРИИ


Интересные записи на сайте:

Подобранные по важим запросам, статьи по теме: