Открытие и использование лазера. Кто, где и когда изобрел лазер

Сложно в наше время найти человека, который никогда не слышал бы слова «лазер» , однако чётко представляют, что это такое, весьма немногие.

За полвека с момента изобретения лазеры разных видов нашли применение в широком спектре направлений, от медицины до цифровой техники. Так что же такое лазер, каков принцип его действия, и для чего он нужен?

Что такое лазер?

Возможность существования лазеров была предсказана Альбертом Эйнштейном, который ещё в 1917 году опубликовал работу, говорящую о возможности излучения электронами квантов света определённой длины. Это явление было названо вынужденным излучением, но долгое время оно считалось нереализуемым с технической точки зрения.

Однако с развитием технических и технологических возможностей создание лазера стало делом времени. В 1954 году советские учёные Н. Басов и А. Прохоров получили Нобелевскую премию за создание мазера – первого микроволнового генератора, работающего на аммиаке. А в 1960 году американец Т. Мейман изготовил первый квантовый генератор оптических лучей, названный им лазером (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Устройство преобразовывает энергию в оптическое излучение узкой направленности, т.е. световой луч, поток квантов света (фотонов) высокой концентрации.

Принцип функционирования лазера

Явление, на котором основана работа лазера, называется вынужденным, или индуцированным, излучением среды. Атомы определённого вещества могут испускать фотоны под действием других фотонов, при этом энергия воздействующего фотона должна быть равной разности между энергетическими уровнями атома до излучения и после него.

Излучённый фотон является когерентным тому, который вызвал излучение, т.е. в точности подобен первому фотону. В результате слабый поток света в среде усиливается, причём не хаотично, а в одном заданном направлении. Образуется луч вынужденного излучения, которое и получило название лазера.

Классификация лазеров

По мере исследования природы и свойств лазеров были открыты различные виды этих лучей. По виду состояния исходного вещества лазеры могут быть:

газовыми;
жидкостными;
твердотельными;
на свободных электронах.

В настоящее время разработано несколько способов получения лазерного луча:

при помощи электрического тлеющего либо дугового разряда в газовой среде – газоразрядные;
при помощи расширения горячего газа и создания инверсий населённости – газодинамические;
при помощи пропускания тока через полупроводник с возбуждением среды – диодные или инжекционные;
путём оптической накачки среды лампой-вспышкой, светодиодом, другим лазером и т. д.;
путём электронно-лучевой накачки среды;
ядерной накачкой при поступлении излучения из ядерного реактора;
при помощи особых химических реакций – химические лазеры.

Все они обладают своими особенностями и отличиями, благодаря которым находят применение в различных сферах промышленности.

Практическое использование лазеров

На сегодняшний день лазеры разных типов применяются в десятках отраслей промышленности, медицины, IT технологий и других сферах деятельности. С их помощью осуществляются:

резка и сварка металлов, пластмасс, других материалов;
нанесение изображений, надписей и маркировка поверхности изделий;
сверление сверхтонких отверстий, прецизионная обработка полупроводниковых кристаллических деталей;
формирование покрытий изделий напылением, наплавкой, поверхностным легированием и т.д.;
передача информационных пакетов при помощи стекловолокна;
выполнение хирургических операций и других лечебных воздействий;
косметологические процедуры омоложения кожи, удаления дефектных образований и др.;
наведение на цель различных видов вооружений, от стрелкового до ракетного оружия;
создание и использование голографических методов;
применение в различных научно-исследовательских работах;
измерение расстояний, координат, плотности рабочих сред, скорости потоков и многих других параметров;
запуск химических реакций для проведения различных технологических процессов.

Существует ещё немало направлений, в которых лазеры уже используются или найдут применение в самое ближайшее время.

Лазер без преувеличения можно назвать одним из важнейших открытий XX века.

Что такое лазер

Говоря простыми словами, лазер - это устройство, создающее мощный узконаправленный пучок света. Название «лазер» (laser ) образовано путём сложения первых букв слов, составляющих английское выражение l ighta mplification bys timulatede mission ofr adiation , что означает «усиление света посредством вынужденного излучения». Лазер создаёт световые лучи такой силы, что они способны прожигать отверстия даже в очень прочных материалах, затрачивая на это лишь доли секунды.

Обычный свет рассевается от источника по разным направлениям. Чтобы собрать его в пучок, используют различные оптические линзы или вогнутые зеркала. И хотя таким световым лучом можно даже разжечь огонь, его энергию невозможно сравнить с энергией лазерного луча.

Принцип работы лазера

В физической основе работы лазера лежит явление вынужденного, или индуцированного, излучения . В чём же его суть? Какое излучение называют вынужденным?

В стабильном состоянии атом вещества имеют наименьшую энергию. Такое состояние считается основным , а все другие состояния - возбуждёнными . Если сравнить энергию этих состояний, то в возбуждённом состоянии она избыточна по сравнению с основным. При переходе атома из возбуждённого состояния в стабильное атом самопроизвольно испускает фотон. Такое электромагнитное излучение называется спонтанным излучением .

Если же переход из возбуждённого состояния в стабильное происходит принудительно под воздействием внешнего (индуцирующего) фотона, то образуется новый фотон, энергия которого равна разности энергий уровней перехода. Такое излучение называется вынужденным .

Новый фотон является «точной копией» фотона, вызвавшего излучение. Он имеет такую же энергию, частоту и фазу. При этом он не поглощается атомом. В результате фотонов становится уже два. Воздействуя на другие атомы, они вызывают дальнейшее появление новых фотонов.

Новый фотон излучается атомом под воздействием индуцирующего фотона, когда атом находится в возбуждённом состоянии. Атом, находящийся в невозбуждённом состоянии, просто поглотит индуцирующий фотон. Поэтому, чтобы свет усиливался, необходимо, чтобы возбуждённых атомов было больше, чем невозбуждённых. Такое состояние называется инверсией населённости .

Как устроен лазер

В конструкцию лазера входят 3 элемента:

1. Источник энергии, который называют механизмом «накачки» лазера.

2. Рабочее тело лазера.

3. Система зеркал, или оптический резонатор.

Источники энергии могут быть разными: электрические, тепловые, химические, световые и др. Их задача - «накачать» энергией рабочее тело лазера, чтобы вызвать в нём генерацию светового лазерного потока. Источник энергии называют механизмом «накачки» лазера . Им могут быть химическая реакция, другой лазер, импульсная лампа, электрический разрядник и др.

Рабочим телом , или лазерными материалами , называют вещества, выполняющие функции активной среды . Собственно в рабочем теле и зарождается лазерный луч. Как же это происходит?

В самом начале процесса рабочее тело находится в состоянии термодинамического равновесия, а большинство атомов - в нормальном состоянии. Для того чтобы вызвать излучение, необходимо подействовать на атомы, чтобы система перешла в состояние инверсии населённости . Эту задачу и выполняет механизм накачки лазера. Как только новый фотон появится в одном атоме, он запустит процесс образования фотонов в других атомах. Этот процесс вскоре станет лавинообразным. Все образующиеся фотоны будут иметь одинаковую частоту, а световые волны сформируют световой луч огромной мощности.

В качестве активных сред в лазерах используют твёрдые, жидкие, газообразные и плазменные вещества. Например, в первом лазере, созданном в 1960 г., активной средой был рубин.

Рабочее тело помещается в оптический резонатор . Самый простой из них состоит из двух параллельных зеркал, одно из которых полупрозрачное. Часть света оно отражает, а часть пропускает. Отражаясь от зеркал, пучок света возвращается обратно и усиливается. Это процесс повторяется многократно. На выходе из лазера образуется очень мощная световая волна. Зеркал в резонаторе может быть и больше.

Кроме того, в лазерах используют и другие устройства - зеркала, способные менять угол поворота, фильтры, модулятора и др. С их помощью можно изменять длину волны, длительность импульсов и других параметров.

Когда изобрели лазер

В 1964 г. русские физики Александр Михайлович Прохоров и Николай Геннадиевич Басов, а также американский физик Чарлз Хард Таунс стали лауреатами Нобелевской премии по физике, которая была присуждена им за открытие принципа работы квантового генератора на аммиаке (мазера), которое они сделали независимо друг от друга.

Александр Михайлович Прохоров

Николай Геннадиевич Басов

Нужно сказать, что мазер был создан за 10 лет до этого события, в 1954 г. Он излучал когерентные электромагнитные волны сантиметрового диапазона и стал прообразом лазера.

Автор первого рабочего оптического лазера - американский физик Теодор Майман. 16 мая 1960 г. он впервые получил красный лазерный луч, вышедший из красного рубинового стержня. Длина волны этого излучения составляла 694 нанометра.

Теодор Майман

Современные лазеры имеют разные размеры, от микроскопических полупроводниковых, до громадных, размером с футбольное поле, неодимовых лазеров.

Применение лазеров

Без лазеров невозможно представить современную жизнь. Лазерные технологии применяются в самых разных отраслях: науке, технике, медицине.

В быту мы пользуемся лазерными принтерами. В магазинах применяются лазерные считыватели штрих-кодов.

С помощью лазерных лучей в промышленности возможно проводить обработку поверхностей с высочайшей точностью (резку, напыление, легирование и др.).

Лазер позволил измерить расстояние до космических объектов с точностью до сантиметров.

Появление лазеров в медицине изменило многое.

Трудно представить современную хирургию без лазерных скальпелей, которые обеспечивают высочайшую стерильность и разрезают ткани аккуратно. С их помощью проводят практически бескровные операции. С помощью лазерного луча очищают сосуды организма от холестериновых бляшек. Широко используется лазер в офтальмологии, где с его помощью делается коррекция зрения, лечатся отслоения сетчатки, катаракта и др. С его помощью дробят камни в почках. Незаменим он в нейрохирургии, ортопедии, стоматологии, косметологии и т.д.

В военном деле применяют лазерные системы локации и навигации.

Главный вопрос, на который дается ответ сегодня: кто изобрел лазер? Также здесь приводится краткое теоретическое обоснование и причины для создания столь полезного устройства.

Применение лазера

Современная жизнь немыслима без маленьких пучков когерентного излучения, которые генерирует лазер. Его создание привело к революции, прежде всего, в информационной сфере. Раньше данные надо было наносить непосредственно на поверхность какого-то материала - бумаги, глины, камня. Теперь же любой текст, формула или таблица умещаются на очень маленьком кусочке оптического диска. Тому, кто изобрел лазер, мы обязаны современными методами передачи учебной и научной информации, общения, развлечений и путешествий. Запись и считывание букв и цифр теперь не требует непосредственного участия человеческого глаза, за людей это делает лазерный привод.

Непосредственно устройство используется и во множестве других видов деятельности:

для резки дерева, железа, пластика на производстве;
для сварки материалов между собой;
для нанесения символов и знаков на металлические детали;
для проведения хирургических операций.

Преимущества применения этой технологии неоспоримы. Расскажем, с какими теоретическими и практическими трудностями столкнулся изобретатель лазера.

Теоретические основы

В начале двадцатого века квантовая физика дала толчок к исследованию микромира. Например, к середине пятидесятых годов были известны конфигурации электронных облаков всех доступных химических элементов. Ученые умели рассчитать длину волны фотона, образованного любым переходом. Среди прочих больших открытий Эйнштейн предсказал явление вынужденного излучения: электрон находится в возбужденном состоянии, мимо пролетает соответствующий фотон и «заставляет» электрон переходить на более низкий уровень, даже если время его жизни на прежнем еще не закончилось. Особенностью такого явления стал удивительный факт: второй фотон будет идентичен первому. Получить поток одинаковых частиц было очень заманчиво. Но требовалось решить ряд практических задач.

Путь к созданию первого устройства

Сказать однозначно, кто изобрел лазер, можно легко. Это был Теодор Харальд Майман, физик из Лос-Анджелеса. Он первым смог продемонстрировать работающий прототип на искусственном гранате. Однако до него другими учеными было сделано немало:

А. Эйнштейн в 1916 году предсказал вынужденное излучение.
П. Дирак в теории, разработанной в 1927-1930 годах, математически описал возможность вынужденного излучения.
Р. Ланденбург и Г. Копферманн в 1928-м подтвердили существование вынужденного излучения экспериментально.
В. Фабрикант и Ф. Бутаева в 1940 году предположили, что усилить вынужденное электромагнитное излучение поможет уровень с инверсной населенностью электронов.
А. Кастлер в 1950-м предложил создавать инверсную населенность с помощью оптической накачки. За это он получил Нобелевскую премию.
Н.Г. Басов, А.М. Прохоров, Ч. Таунс в 1954 году продемонстрировали генератор микроволн на аммиаке. Они добавили положительную обратную связь в виде резонатора. Это достижение также принесло ученым Нобелевскую премию.
Т. Мейман в 1960-м наконец представил первое устройство на искусственном рубине, легированном хромом.

Таким образом, говорить, что тот, кто изобрел лазер в 1960 году, сделал это единолично, не совсем верно.

Технические помехи на пути изобретения

Согласно одному известному анекдоту, физики-теоретики расходуют очень мало оборудования. Им нужны только бумага, карандаш и ластик. Но предсказанные ими явления требуют подтверждения на практике. Часто это бывает очень сложно. Например, подтвердить наличие смогли только в XXI веке, хотя Эйнштейн предположил их наличие еще в начале XX. Изобретатель лазера и его предшественники решали следующие технические задачи:

Поиск материалов с инверсной заселенностью уровней.
Отбор стабильно работающих источников для оптической накачки.
Выращивание кристаллов с заданными оптическими свойствами для рабочего тела лазера.
Нанесение на торцы кристалла напыления с заданным коэффициентом отражения для создания оптического резонатора.

На данный момент все эти задачи успешно решаются и не представляют для ученых каких-либо трудностей.

Лазер и космос

Как только все сложности остались позади, и устройства прочно вошли в повседневность, познания человечества о космосе расширились в десятки раз. Если вспомнить, в каком году изобрели лазер, то сразу станет понятно, почему с 1960-х так активно начала развиваться космическая программа многих стран. Помимо значительного уменьшения веса оборудования за счет полупроводниковых и лазерных приборов, спектральная чистота и когерентность генерируемых пучков помогли улучшить наши знания об окружающем Землю пространстве. Благодаря современным устройствам ученым теперь точно известен состав всех планет, астероидов и комет Солнечной системы. Также способы определения расстояния до звезд и галактик теперь намного точнее. А потенциальные возможности применения лазеров безграничны.

Сегодня различные типы лазеров используются во многих отраслях науки, техники, на производстве и в медицине. Даже в повседневной жизни мы все чаще встречаем эти электронные приборы. Однако всего лишь каких-то 50-60 лет назад о лазере мало кто знал, да и самого прибора, по сути, еще не существовало – были лишь обособленные разработки в этой области и неиссякаемый энтузиазм некоторых ученых. Именно эти ученые из России, США и других стран собственно и стояли у истоков история лазера, о которой пойдет речь в этой статье.

Но до появления первого функционирующего лазера была еще достаточно длинная история различных открытий и изобретений, которые в последствие и легли в основу изобретения этого прибора. И так, обо всем по порядку.

В 1900 году один из талантливейших умов нашей планеты – немецкий ученый Макс Планк открывает элементарную порцию энергии – квант и теоретически описывает связь энергии кванта с частотой электромагнитного излучения, вызвавшей его появление. Спустя 8 лет в 1918 году за свое открытие он получает Нобелевскую премию. Кстати примерно в это же время другой выдающийся ученый Альберт Эйнштейн открывает наименьшую элементарную частицу света – фотон и доказывает теорию дискретности света.

В 1917 году Эйнштейн формулирует теорию «Вынужденного излучения», которая описывает возможность создания условий, при которых электроны одновременно излучают свет одной длины волны. То есть, по сути, он описал теоретическую возможность создания некоего управляемого электромагнитного излучателя, названного впоследствии лазером.

Только через 34 года идея Эйнштейна из теории начала превращаться в реальность. В 1951 году профессор Колумбийского университета Чарльз Таунс решается использовать теорию «вынужденного излучения» для создания реального действующего прибора. В 1954 году он со своими единомышленниками Гербертом Цайгером и Джеймсом гордоном на практике реализует свой замысел, представив на суд общественности – первый в мире реально работающий лазер. Правда, тогда он назывался «мазер». Прибор генерировал очень тонкий луч света на частоте 100 Гц мощностью 10 нВт. Конечно же, по сегодняшним меркам это немного, но тогда это был настоящий прорыв в оптоэлектронике .

Спустя год в 1955 году советские ученые Александр Прохоров и Николай Басов из Института физики Академии наук CCCP совершенствуют конструкцию мазера, изменяя метод накачки электронов. В 1964 году они вместе с Таунсом получают за свои открытия Нобелевскую премию. В 1956 году американский ученый Николас Блумберген из Гарвардского университета разрабатывает твердотельный мазер. До этого существовали только газовые.

Что касается самого названия, то впервые термин «лазер» упоминает в своих научных работах выпускник Колумбийского университета и коллега по научным изысканиям Чарльза Таунса – Гордон Гуд. Это произошло в 1957 году . Почему такое изменение? Дело в том, что первые мазеры работали не в оптическом диапазоне и были невидимы для человеческого глаза. Таунс же разработал конструкцию оптического светогенерирующего прибора, а Гуд ввел понятие «лазер» и нотариально заверил право первого, кто описал принцип работы этого прибора.

В 1960 году американский физик Теодор Мейнман создает первый в мире лазер, который работает на кристалле драгоценного камня – рубине. Позже этот тип лазеров стали называть «рубиновыми» и они достаточно долгое время были самыми широко распространенными. Чуть позже в этом же году в ноябре месяце компания IBM представила свой твердотельный лазер, использующий технологию 4-уровневой накачки.

Первое коммерческое использование лазера произошло в 1961 году . Тогда на рынке работало уже несколько компаний, разрабатывающих и производящих подобные оптические приборы. В 1962 году был впервые использован рубиновый лазер. С его помощью сваривались швы на корпусе наручных часов.

Первый полупроводниковый лазер был создан в 1962 году в компании General Electric. Его разработчиком стал инженер Ник Холоньяк. Сейчас лазеры этого типа широко используются в бытовой электронике: CD-проигрывателях и DVD-плеерах.

Вот такая вот история!

В 1900 году один из талантливейших умов нашей планеты – немецкий ученый Макс Планк открывает элементарную порцию энергии – квант и теоретически описывает связь энергии кванта с частотой электромагнитного излучения, вызвавшей его появление. Спустя 8 лет в 1918 году за свое открытие он получает Нобелевскую премию. Кстати примерно в это же время другой выдающийся ученый Альберт Эйнштейн открывает наименьшую элементарную частицу света – фотон и доказывает теорию дискретности света.

В 1917 году Эйнштейн формулирует теорию «Вынужденного излучения», которая описывает возможность создания условий, при которых электроны одновременно излучают свет одной длины волны. То есть, по сути, он описал теоретическую возможность создания некоего управляемого электромагнитного излучателя, названного впоследствии лазером.

Только через 34 года идея Эйнштейна из теории начала превращаться в реальность. В 1951 году профессор Колумбийского университета Чарльз Таунс решается использовать теорию «вынужденного излучения» для создания реального действующего прибора. В 1954 году он со своими единомышленниками Гербертом Цайгером и Джеймсом гордоном на практике реализует свой замысел, представив на суд общественности – первый в мире реально работающий лазер.

Правда, тогда он назывался «мазер». Прибор генерировал очень тонкий луч света на частоте 100 Гц мощностью 10 нВт. Конечно же, по сегодняшним меркам это немного, но тогда это был настоящий прорыв в оптоэлектронике.

Чарльз Таунс (слева) - изобретатель лазера, получивший Нобелевскую премию вместе советскими учеными А. Прохоровым и Н. Басовым

Спустя год в 1955 году советские ученые Александр Прохоров и Николай Басов из Института физики Академии наук CCCP совершенствуют конструкцию мазера, изменяя метод накачки электронов. В 1964 году они вместе с Таунсом получают за свои открытия Нобелевскую премию. В 1956 году американский ученый Николас Блумберген из Гарвардского университета разрабатывает твердотельный мазер. До этого существовали только газовые.

Профессор Ч. Таунс в гостях у академика Н. Г. Басова

Что касается самого названия, то впервые термин «лазер» упоминает в своих научных работах выпускник Колумбийского университета и коллега по научным изысканиям Чарльза Таунса – Гордон Гуд. Это произошло в 1957 году. Почему такое изменение? Дело в том, что первые мазеры работали не в оптическом диапазоне и были невидимы для человеческого глаза. Таунс же разработал конструкцию оптического светогенерирующего прибора, а Гуд ввел понятие «лазер» и нотариально заверил право первого, кто описал принцип работы этого прибора.

Первый советский рубиновый лазер, созданный в ФИАНе

Создатель лазера академик Александр Михайлович Прохоров

Первое коммерческое использование лазера произошло в 1961 году. Тогда на рынке работало уже несколько компаний, разрабатывающих и производящих подобные оптические приборы. В 1962 году был впервые использован рубиновый лазер. С его помощью сваривались швы на корпусе наручных часов.

Американский физик, обосновавший возможность создания лазера, Нобелевский лауреат Артур Леонард Шавлов

Первый полупроводниковый лазер был создан в 1962 году в компании General Electric. Его разработчиком стал инженер Ник Холоньяк.

Отцом светодиодной технологии в нынешнем ее понимании стал Ник Холоньяк

Затем лазерная техника получила бурное развитие. Появились: газовые, газодинамические, химические лазеры, лазеры на свободных электронах, волоконные и другие.

Гелий-неоновый лазер

Лазеры широко применяются в научных измерениях и экспериментах. Они позволяют создать высокую точность там, где это потребуется.

Современные источники лазерного излучения дают в руки экспериментаторов монохроматический свет с практически любой желаемой длиной волны. В зависимости от поставленной задачи это может быть как непрерывное излучение с чрезвычайно узким спектром, так и ультракороткие импульсы длительностью вплоть до сотен аттосекунд (1 ас = 10−18 секунды).

Высокая энергия, запасенная в этих импульсах, может быть сфокусирована на исследуемый образец в пятно, сравнимое по размерам с длиной волны, что дает возможность исследовать различные нелинейные оптические эффекты. С помощью перестройки по частоте осуществляются спектроскопические исследования этих эффектов, а управление поляризацией лазерного излучения позволяет проводить когерентный контроль исследуемых процессов.

Лазеры применяются в информационной сфере. Лазерные принтеры и лазерные проигрыватели компакт дисков прочно вошли в наш обиход.

Полупроводниковый лазер, применяемый в узле генерации изображения принтера Hewlett-Packard

Лазеры используются в связи, в том числе и космической.

Большой размах получило лазерное сопровождение музыкальных представлений (так называемое «лазерное шоу»).

Лазер используется в строительстве. Лазерные уровни, угломеры и линейки позволяют делать замеры с большой точностью.

Лазерная резка металла - технология резки и раскроя материалов, использующая лазер высокой мощности и обычно применяемая на промышленных производственных линиях. Сфокусированный лазерный луч, обычно управляемый компьютером, обеспечивает высокую концентрацию энергии и позволяет разрезать практически любые материалы независимо от их теплофизических свойств. В процессе резки, под воздействием лазерного луча материал разрезаемого участка плавится, возгорается, испаряется или выдувается струей газа.

При этом можно получить узкие резы с минимальной зоной термического влияния. Лазерная резка отличается отсутствием механического воздействия на обрабатываемый материал, возникают минимальные деформации, как временные в процессе резки, так и остаточные после полного остывания. Вследствие этого лазерную резку, даже легкодеформируемых и нежестких заготовок и деталей, можно осуществлять с высокой степенью точности.

Лазеры широко применяются в медицине. С появлением промышленных лазеров наступила новая эра в хирургии. При этом пригодился опыт специалистов по лазерной обработке металла. Приваривание лазером отслоившейся сетчатки глаза - это точечная контактная сварка; лазерный скальпель - автогенная резка; сваривание костей - стыковая сварка плавлением; соединение мышечной ткани - тоже контактная сварка.

С середины 50-х годов XX века в СССР осуществлялись широкомасштабные работы по разработке и испытанию лазерного оружия высокой мощности, как средства непосредственного поражения целей в интересах стратегической противокосмической и противоракетной обороны. Среди прочих были реализованы программы «Терра» и «Омега». Испытания лазеров осуществлялись на полигоне Сары-Шаган (ПВО, ПРО, ПКО, СККП, СПРН) в Казахстане. После распада Советского Союза работы на полигоне Сары-Шаган были остановлены.

В середине марта 2009 года американская корпорация Northrop Grumman объявила о создании твердотельного электрического лазера мощностью около 100 кВт. Разработка данного устройства была произведена в рамках программы по созданию эффективного мобильного лазерного комплекса, предназначенного для борьбы с наземными и воздушными целями.