Лазер
Появление лазерного луча в 1927 г. предсказал А.Н. Толстой в фантастическом романе «Гиперболоид инженера Гарина». В этом же году английский физик Поль Дирак выдвинул квантовую теорию вынужденного излучения, благодаря которой в 1960 г. американский физик Теодор Мейман создал оптический квантовый генератор — лазер. Так фантастика стала реальностью.
Догадки и теории
В 1916 г. Альберт Эйнштейн предположил, что атомы можно возбудить электромагнитным излучением — электромагнитная волна, пройдя через вещество, отдаст свои фотоны его атомам. В 1927 г. один из основателей квантовой физики П. Дирак преобразовал идею Эйнштейна в квантовую теорию вынужденного излучения. В обычном состоянии в веществе преобладают спокойные атомы, «населяющие» основной уровень. При попадании фотона спокойный атом его поглотит и поднимется на возбуждённый уровень. Только возбуждённый атом может излучить фотон. В 1940 г. J советские физики Ф. Фабрикант и Ф. Бутаева предположили, что если энергией накачки искусственно вызвать инверсию населённости, при которой большинство атомов перейдёт с основного уровня на возбуждённый, то за счёт цепной реакции излучения фотонов возбуждёнными атомами можно усилить электромагнитное излучение.
div class="imgv">
Квант (от лат. quantum — сколько) — мельчайшая порция энергии. Квант любого электромагнитного излучения называется фотоном. Квантовая физика — раздел физики, изучающий закономерности и изменение энергетических состояний молекул, атомов и элементарных частиц.
Лазер (англ. laser — сокращ. light amplifi cation by stimulated emission of radiation, световое усиление посредством вынужденного излучения), или оптический квантовый генератор, — устройство, преобразующее энергию накачки в энергию узконаправленного потока светового излучения.
Спонтанное и вынужденное
Любое излучение — это поток несущих энергию фотонов — квантов электромагнитного излучения. Во всех веществах находится какое — то (обычно очень малое) количество атомов (или молекул), получивших лишний фотон энергии от случайного удара «чужой» частицы, или от облучения на свету, или под воздействием электромагнитного поля. Атом, поглотивший фотон, переходит из основного состояния в состояние возбуждения. Возбуждённый атом стремится вернуться в спокойное состояние, избавиться от лишней энергии, испустив фотон. Такое неспровоцированное испускание фотонов называется спонтанным излучением — оно слабое и разнонаправленное. При попадании фотона в возбуждённый атом поглощения не произойдёт, наоборот — атом сам испустит вслед индуцирующему фотону свой фотон. Испущенный фотон будет когерентным индуцирующему. Такое излучение называется вынужденным (индуцированным) излучением.
Мазер, опередивший лазер
В 1950 г. французский физик А. Кастлер предложил для создания инверсионной населённости использовать световое облучение. Свет, как энергия накачки, должен был возбудить большинство атомов в веществе. Оставалось добавить резонатор — излучатель, источник световых фотонов, провоцирующих возбуждённые атомы на испускание фотонов, и оптический квантовый генератор, лазер, был бы изобретён. Но первый квантовый генератор, созданный в 1954 г. одновременно американцем Ч. Таунсом и советскими физиками Н.Г. Басовым и А.М. Прохоровым, генерировал не световые, а микроволны. Этот прибор назвали мазером («микроволновое усиление посредством вынужденного излучения»).
Появление волшебного луча
В 1960 г. Т. Мейман создал рубиновый лазер, с искусственным рубином в качестве рабочего тела, с мощной газоразрядной лампой в качестве энергии накачки и с зеркалами, служащими резонаторами. Фотоны, отражаясь зеркалами, многократно проходили туда и обратно через возбуждённые светом молекулы рубина, вынуждая их излучать когерентные фотоны, устремлявшиеся в окно зеркала, формируя луч. В том же 1960 г. был создан гелий-неоновый лазер, с рабочей средой из смеси гелия и неона, с энергией накачки от электрических разрядников и зеркальным резонатором, генерирующим световое излучение в разных диапазонах частот (от инфракрасного излучения до красной, оранжевой, жёлтой и зелёной зон спектра).
Развитие идеи
С 1960 г. почти каждый год появляются новые типы лазеров для разных целей. Мощностью лазерного луча легко управлять усилением или ослаблением энергии накачки, а длину луча (точку его фокусировки, зону нагрева) можно точно установить с помощью системы линз.
Лазер даёт высокую плотность энергии излучения на микроскопической зоне нагрева (около одного микрона — 0,001 мм), что позволяет проводить точечную термическую обработку — резать различные материалы, спаивать детали микросхем, «прожигать» дорожки для записи компьютерных дисков, делать тончайшую гравировку, создавать голограммы, использовать лазер как бескровный высокоточный скальпель в глазных операциях. Лазером можно точно и порционно ввести энергию в любую систему.
Маломощными лазерными лучами разных цветов создают световое оформление представлений. Оптические квантовые генераторы используют как лазерные указки, лазерные прицелы (целеуказатели), лазерные измерители расстояний. Сфера применения лазера постоянно расширяется.
