Лазерно мазерный принцип что это
4. 3. 027 Мазер лазер Басова, Прохорова и Таунса
4.3.027 Мазер — лазер Басова, Прохорова и Таунса
В 1964 г. два русских профессора — А.М. Прохоров, Н.Г. Басов и американский Ч. Таунс стали лауреатами Нобелевской премии по физике — «за фундаментальные работы в области квантовой электроники, приведшие к созданию генераторов и усилителей на основе принципа мазера — лазера».
Директор Института общей физики АН СССР, академик-секретарь Отделения общей физики и астрономии АН СССР (РАН), создатель школы физиков — Александр Михайлович Прохоров (1916—2002) занимался исследованиями в области радиофизики, физики ускорителей, радиоспектроскопии, квантовой электроники и ее приложений, линейной оптики.
Директор Физического института АН СССР, член Президиума АН СССР (РАН) — Николай Геннадьевич Басов (1922—2001) известен фундаментальными работами в области генераторов и усилителей, а также использования лазерной техники в термоядерном синтезе.
Прохоров и Басов — почетные члены многих зарубежных академий, лауреаты Ленинской и Государственной премий, пятикратные кавалеры орденов Ленина и других отечественных и зарубежных наград, дважды Герои Социалистического Труда.
Многие выпускники школ, успешно сдавшие ЕГЭ, при поступлении в вузы на вопрос «Кто изобрел лазеры?» отвечают: «Лазер». Про мазеры после этого у них не спрашивают, т.к. английский сегодняшние школяры знают лучше физики и уж тут-то точно скажут: «Мать». А ведь квантовый генератор — из разряда изобретений, что и космическая ракета или радио.
Между тремя шедеврами русской культуры: Шуховской башней, романом «Гиперболоид инженера Гарина» и «мазером — лазером» — прослеживается прямая связь.
Гиперболоид В.Г. Шухова (башня на Шабаловке) настолько потряс воображение А.Н. Толстого, что герой его романа назвал свое изобретение также «гиперболоидом». А за ним и весь читающий народ дал квантовому генератору такое же имя — «гиперболоид Гарина». Да и научное сообщество было с ним солидарно: «Игольчатые пучки атомных радиостанций представляют собой своеобразную реализацию идей «гиперболоида инженера Гарина» (академик Л.А. Арцимович).
Мазер — это квантовый генератор, излучающий когерентные (согласованные) радиоволны, аббревиатура фразы «microwave amplification by stimulated emission of radiation» («усиление микроволн с помощью вынужденного излучения»), предложенной в 1954 г. американцем Ч. Таунсом.
Лазер, соответственно, — «light amplification by stimulated emission of radiation», означающей «усиление света в результате вынужденного излучения».
В основе работы лазера лежит принцип индуцированного излучения, изучением которого в начале XX в. занимался А. Эйнштейн. Высказав гипотезу о том, что энергия света состоит из квантов, которые испускаются атомами и атомными системами при их переходах из одного энергетического состояния в другое, ученый показал, что можно согласовать вспышки излучения отдельных атомов, воздействуя на них внешним электромагнитным излучением, которое может сопровождаться при этом ослепительно яркой вспышкой монохроматического (т.е. одной длины волны) света.
В 1920 г. немецкий физик О. Штерн ввел в экспериментальную физику метод молекулярных пучков. Тогда же были разработаны теоретические представления о процессах излучения и поглощения света.
В 1939 г. советский ученый В.А. Фабрикант развил понятие вынужденного излучения, чем заложил фундамент для создания лазера.
Во время Второй мировой войны в связи с проблемами радиолокации развилась техника сверхвысоких радиочастот.
Объединение научных идей с широким использованием волн сверхвысокочастотного диапазона привело к построению теории излучения и поглощения света, созданию первого лазера и к основанию квантовой электроники как новой физической науки.
В середине 1950-х гг. профессор А.М. Прохоров и его ученик Н.Г. Басов приступили к исследованию молекулярного генератора на пучках аммиака. Ученым впервые удалось создать квантовый генератор, работающий на энергетических переходах в радиодиапазоне в молекулярных пучках. Им стал аммиачный мазер. К мазеру «в довесок» была создана и теория усилителя радиоизлучения. Так родилась квантовая электроника.
Впоследствии были созданы и другие молекулярные генераторы, например мазер на пучке молекул водорода. После завершения работ по мазерам возник вопрос о создании лазеров оптического диапазона.
Следующим важным шагом в развитии квантовой электроники стал предложенный в 1955 г. Басовым и Прохоровым метод трех уровней, позволивший использовать для этой цели оптическую накачку.
На этой основе в 1957—1958 гг. Г.Э. Сковилом и др. были созданы квантовые усилители на парамагнитных кристаллах (на рубине), работавшие в радиодиапазоне — первый т.н. твердотельный лазер.
Затем были созданы газовые лазеры на смеси изотопов гелия и неона, на углекислом газе, аргоновые, кадмиевые, эксимерные, полупроводниковые, инжекционные, на молекулах органических красителей и т.д.
Под «накачкой» понимают пропускание через лазер энергии извне. Смысл лазерного луча в том, что этот свет обладает некоей согласованностью (когерентностью), позволяющей энергию «сжать в точку» (т.н. талию луча) несравненно сильнее, нежели в луче от обычного источника света.
Кроме того лазер может излучать свет гораздо более короткими импульсами, чем обычные источники света. В лазерном луче при этом достигается колоссальная плотность энергии, соизмеримая с взрывом авиационной бомбы. Давление света, сконцентрированного на малой площадке, достигает миллиона атмосфер. Лазерным лучом можно разрезать металлический лист из самого твердого и тугоплавкого металла.
В 1964 г Прохорову, Басову и Ч. Таунсу, занимавшемуся этой же проблемой независимо от советских ученых, была присуждена Нобелевская премия по физике.
Вскоре после этого астрономы обнаружили, что некоторые из далеких галактик работают как исполинские мазеры, т.е. в лабораторных условиях Земли были воссозданы условия для генерации, которые возникают в огромных газовых облаках, размером в миллиарды километров, где источником накачки служит космическое излучение.
О применении квантовой электроники, и в частности, лазеров, можно говорить долго.
Радиоастрономия; космическая связь (исследование поверхности Луны, навигационное оборудование на ИСЗ, космических кораблях и пр.); медицина (хирургия, офтальмология и др.); технология (сварка, резка и т.д.); метрология (квантовые стандарты частоты и времени, лазерные дальномеры, системы дистанционного химического анализа, лазерной локации); измерительная техника (оптическая локации, сверхточные измерения расстояний, линейных и угловых скоростей, ускорений и т.д.).
Создание и управление высокотемпературной плазмой; лазерная спектроскопия, фотохимия, фитобиология, лазерная очистка, лазерное разделение изотопов; создание систем оптической связи и обработки информации.
Осуществление идеи голографии и голографических приборов; лазерные методы контроля состояния атмосферы, качества изделий; системы лазерной связи (наземные, подводные, космические).
Очистка зданий от поверхностных загрязнений, резка мрамора, гранита, раскрой тканей, кожи и других материалов.
Для осуществления управляемой термоядерной реакции…
Лазеры с каждым днем все более востребованы в науке и народном хозяйстве России, так же как все более актуальными становятся слова академика А.М. Прохорова, сказанные им в одном из последних своих интервью.
«— Как вы думаете, недавняя Нобелевская премия Ж.И. Алферову поможет изменить ситуацию с наукой в стране?
Мазер, принцип работы, типы мазеров
Мазер, принцип работы, типы мазеров.
Мазер – квантовый генератор, излучающий когерентные электромагнитные волны сантиметрового диапазона (микроволны).
Мазер, принцип работы:
Мазер – это сокращенное название данного устройства, образованное по первым буквам слов фразы «Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation», что в переводе с английского языка означает «Усиление микроволн с помощью вынужденного излучения ».
Типы мазеров:
По типу активной среды, в которой происходят квантовое усиление и генерация электромагнитных волн, мазеры делятся на два типа:
– молекулярные генераторы – мазеры, использующие молекулярные пучки. В данном типе мазеров активную среду создают путем искусственной сортировки из пучка молекул вещества только тех молекул, которые находятся в возбужденном состоянии. Отсортированный пучок молекул, находящихся в возбужденном состоянии, попадает в объемный резонатор, где происходит накопление возбужденных молекул. В резонаторе возбужденные молекулы при переходе в нормальное, стабильное, невозбужденное состояние испускают квант электромагнитного излучения сантиметрового диапазона, которое передают полю резонатора. Резонатор настроен таким образом, чтобы резонансная частота резонатора равнялась частоте электромагнитного излучения, испускаемого возбужденной молекулой при переходе в основное состояние. Поэтому такой резонатор способен длительнее время поддерживать электромагнитные колебания, возбужденные в резонаторе, на частоте резонанса.
Парамагнитные генераторы и усилители способны генерировать волны длиной от 1 до 100 см.
История открытия: от мазера к лазеру
60 лет назад в Государственном оптическом институте (ГОИ) был запущен первый отечественный лазер. Нанофотоника, медицина, пилотажно-навигационные системы, лидарные комплексы – вот далеко не полный перечень областей науки и техники, в которых лазеры нашли свое применение. Об истории возникновения лазерных систем, принципе действия и сферах использования – в нашем материале.
Вынужденное излучение
История создания лазера берет свое начало в далеких 20-х прошлого столетия. Именно тогда формировался новый раздел физики – квантовая электроника. Открытие физических принципов квантовой электроники считается одним из самых выдающихся достижений науки прошлого века, а вершиной этого достижения, безусловно, является создание лазера.
Макс Планк, 1919 год
Итак, фундаментом стало открытие немецким физиком Максом Планком элементарной порции энергии – кванта, за что он был удостоен Нобелевской премии. Планк совершил настоящую революцию в физике, вдохновил на новые открытия знаменитых ученых того времени, в числе которых был и Альберт Эйнштейн. Именно теория вынужденного (или индуцированного) излучения, которую Эйнштейн сформулировал в 1917 году, спустя несколько десятилетий стала основой для создания первого лазера. Тогда он, по сути, допускал возможность «заставить» электроны излучать свет определенной длины волны одновременно, а для этого придумать некий управляемый электромагнитный излучатель.
Чарльз Таунс со своим первым «МАЗЕРом»
В 1951 году профессор Колумбийского университета Чарльз Таунс решается воплотить теорию вынужденного излучения на практике и создать такой прибор. В 1954 году он представляет первый в мире реально работающий лазер. Правда, тогда он назывался «мазер» – от английского Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation, что в переводе означает «усиление микроволн с помощью вынужденного излучения».
Как мазер стал лазером
Мазеры смогли совершить несколько значимых открытий: точно определили значение скорости света, в очередной раз подтвердили справедливость теории относительности и даже помогли обнаружить реликтовое излучение расширяющейся Вселенной. При всем этом мазеры оказались не при делах, когда речь шла о традиционной электронике. Действительно, на практике СВЧ-электронике мазеры ничем помочь не могли – прибор излучал на длине волны 1 см и генерировал мощность около 10 нВт.
Физики понимали, что квантовые генераторы должны перейти на оптический диапазон, то есть от усиления микроволн к усилению света, или другими словами – от мазера к лазеру (от английского Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation – «усиление света посредством вынужденного излучения»).
В 1960 году американский физик Теодор Майман создает первый лазер. Это был импульсный рубиновый лазер, который состоял из кристалла рубина (сантиметром в диаметре и около двух в длину) с посеребренными торцами, а также лампы-вспышки.
От мегаватт современных лазеров к гигаваттам будущих лазерных систем
Лазеры, в отличие от мазеров, сразу же нашли применение в повседневной жизни. Например, уже в 1962 году с помощью рубиновых лазеров сваривались швы на корпусе наручных часов. Сегодня с лазерами мы сталкиваемся ежедневно – в наш обиход давно уже прочно вошли лазерные принтеры, указки, линейки, «лазерные шоу», считыватели штрих-кодов. Широкое применение лазеры нашли в медицине – их появление практически ознаменовало новую эру в хирургии.
Различное применение лазерных источников излучения стало возможным благодаря исследованиям и разработкам ГОИ на протяжении последних 60 лет, с момента создания первого рубинового лазера. Под научным руководством сотрудников института промышленностью было освоено большое число лазерных систем, более двух десятков из них было принято на вооружение армии. Мощные лазеры разработки ГОИ открыли новые возможности развития измерительных и информационных систем (например, в доплеровской локации).
Специалисты 17 научного отдела ГОИ, 1971 год
Специалисты ГОИ им. Вавилова продолжают исследования в этой сфере и находят лазеру новое применение. Один из последних проектов института связан с использованием лазеров в солнечной энергетике. В настоящее время разработками в этой области интенсивно занимаются ведущие страны, такие как США, Япония, а также страны Европы. Ученые ГОИ им. С.И. Вавилова внесли свою уникальную лепту.
В 2003 году в ГОИ впервые в мире был создан фуллерен-кислород-йодный лазер (ФОИЛ). Само использование фуллерена – новейшего наноматериала, обладающего широким спектром поглощения в ультрафиолетовой и видимой области спектра – делает этот лазер уникальным. Еще более фантастическим кажется сама идея использования прибора – преобразование солнечной энергии в лазерное излучение. Для этого планируется создание электростанции космического базирования, на геостационарных спутниках. Такая станция лишена всех недостатков солнечных электростанций на Земле – она не зависит от погодных условий, энергия по лазерному лучу может быть передана практически в любой район поверхности Земли, включая северные территории.
Конечно, создание электростанции в космосе требует разработки сложнейших оптоэлектронных систем, систем доставки и монтажа всех этих устройств на космические спутники. Это, безусловно, проект будущего, следующего поколения специалистов. Проект, который как нельзя лучше демонстрирует эволюцию лазеров и их безграничные возможности: от милливатт до гигаватт, от сварки корпуса наручных часов до задач космического масштаба.
События, связанные с этим
КАНАРСПИ: система контроля качества, опередившая время
Мазер и лазер, их устройство и работа.
Первый мазер на аммиаке (NH3), изобрели ученые Н. Г. Басов, А. М. Прохоров у нас, и Дж. Гордон, Г. Цайгер, Ч. Таунс за рубежом в 1954 году. Он имел такой вид:
Несмотря на его такую сложность в металле, его принципиальная схема очень проста.
В источник 1 мазера нагнетается аммиак. Почему аммиак? Наверное, причин много: его много, он дешев, он безопасен и еще много других причин. Это я к тому, что кто-то сидел решал уравнение Шредингера и решение указало на большую вероятность в необходимости именно аммиака.
Дальше на выходе из источника следовало получить более-менее узкий пучок молекул аммиака, чтобы они не расползались по пространству, а летели в одном направлении примерно параллельно. Эту работу выполняет фокусирующая система. Думаю, что и в этом случае никто никакую волновую функцию не привлекал. Возможно рассчитывали там кривизну и размер зеркал или какие-то другие параметры установки, но без волновой функции. Сфокусированный пучок поступает в квадрупольный конденсатор 2. Вот я взял из сети его конструкцию:
Он состоит из двух отрицательных и двух положительных параллельных стержней.
В аммиаке, который подается в устройство, есть возбужденные и не возбужденные молекулы. Молекулы спонтанно переходят из одного состояния в другое и при термодинамическом равновесии соотношение количества этих молекул примерно одно и то же. Задача этой части устройства разделить поток газа на две части. Нам важно выбрать из потока возбужденные молекулы и направить их в резонатор. Оказывается, что электрическое поле этого конденсатора отклоняет в сторону невозбужденные молекулы, а возбужденные молекулы летят прямо, что нам и нужно. И в этом случае больше ориентировались на Кауфмана, нежели на Шредингера.
Эти возбужденные молекулы попадают в резонатор 3. Резонатор представляет собой пустотелое устройство, в котором движутся фотоны от одной стенки к другой – противоположной и обратно. Конечно хотя на вид резонатор простое устройство, но технически его изготовление составляет некоторые трудности: надо выдержать размеры, соотносясь с длиной волны излучения, выдержать параллельность стенок, их отражательную способность и другое.
Что происходит, когда пучок возбужденных молекул аммиака влетает в резонатор? В резонаторе молекулы просто тормозятся, газ расширяется. Молекула, а точнее ее какой-то атом излучает фотон, которые летит к стенке резонатора и может от нее отразится, как от зеркала. И затем снова отразится от противоположной стенки. И так несколько раз.
То же самое происходит и с остальными излученными фотонами. Они все вразнобой будут бегать между стенками камеры. Но если стенки отражающих камер сдвинуть так, чтобы расстояние между ними было кратно длине волны излучения фотона, количество одновременно отраженных фотонов может оказаться большим. Что же происходит с этими фотонами?
1. В большинстве случаев эти фотоны, как и все остальные, побегают между стенками передадут энергию стенкам резонатора, попросту нагреют его, как в холодильнике заднюю стенку. Но у фотона может быть и другая судьба.
2. Бегающий, от стенки до стенки в резонаторе, фотон может встретить электрон возбужденного атома, который поглотит данный фотон, что будет разогревать сам газ. Энергия фотона перейдет в тепло.
3. Но возможен и третий сценарий поведения фотон – атом. Электрон возбужденного атома может просто ретранслировать (пере излучить) попавший на него фотон. Так обычно и происходит, так свет распространяется в любой среде.
В этом случае обменный фотон излучится атомом. А падающий фотон пере излучится и возвратит электрон на законное место, но будет уже поздно.
И теперь нужных фотонов будет 2: он сам, как ретранслировавшийся по Гюйгенсу, и выбитый обменный фотон. Исходный фотон, казалось бы, должен быть поглощен электроном, так как он похож на обменный, который всегда поглощается. Но не тут то было. Электрон готов поглотить такой фотон, только в том случае, когда он идентичен излученному абсолютно. Разница фотонов в 1 квант (ничтожно маленькая часть энергии) и это уже совершенно разные фотоны. Один их них будет точно поглощаться электроном, а другой также точно будет ретранслироваться. И никакой тут принцип Гейзенберга не работает.
Теперь мы можем получить лавинообразный процесс. Каждый фотон порождает 2 фотона. Теоретически все верно, но на практике оказалось все сложнее. Не всегда получался заметный поток излучения. Газ поступает, молекулы сепарируются, параметры резонатора меняются, а излучения все нет.
И что же делать? И то ли увеличили по каким-то признакам поток газа, то ли это получилось случайно, но при определенном потоке газа через прибор, кривая интенсивности излучения поползла резко вверх. И снова наберусь наглости утверждать, что и здесь обошлось без расчетов волновой функции.
Что же произошло? Начали думать над этим явлением и поняли, что, хотя фотоны и удваиваются, все равно их недостаточно, чтобы они могли с достаточно большим количеством поступающих в резонатор молекул про взаимодействовать. Часть фотонов терялась, не находя партнера. Тогда просто решили инжектировать в резонатор больше молекул. Вероятность встреч фотонов с электронами возбужденных атомов возросла и потянула за собою рост количества фотонов. Образовался лавинообразный процесс.
Это такое явление, как и в случае с ураном 235 – набирать критическую массу. Потом подсчитали и получилось, что для данного мазера критическая масса набирается, когда поток составляет 1013 молекул в секунду. Как только критическая масса набралась, тогда почти каждый фотон встретит свой электрон и произойдет лавинообразный процесс вынужденных излучений. И хотя будут из процесса выбывать и фотоны, и молекулы, из-за многократных отражений фотонов, возможно, все молекулы и прореагируют. Если бы могли замедлить время, то мы бы увидели в резонаторе вспышку. Исходный материал выгорел. Все молекулы перешли в стационарное состояние.
Поскольку в резонатор поток молекул идет непрерывно, то, казалось бы, и в резонаторе должен быть непрерывный процесс. Это не так. Поток очень медленный по отношению к лавинообразному процессу. Пока идет процесс излучения в резонатор, может быть, залетят единицы молекул. Как и везде все это надо рассчитывать, но только не вероятностными функциями.
Так устроен и работает мазер.
Лазер, его устройство и принцип работы.
Мы рассмотрели мазер устроен на газе, но есть еще мазеры на кристаллах, на красителях. И еще много на чем изобретут. Принцип их работы такой же, как и у газового мазера. Они отличаются только методом получения возбужденных атомов. У рассмотренного газового мазера мы выбирали возбужденные молекулы из смеси аммиака и посылали их в резонатор. В мазерах на кристаллах возбужденные атомы получаются путем воздействия на невозбужденные атомы, определенного электромагнитного излучения.
Делается это так, вырезается определенного размера кристалл. Обычно торцевые стенки кристалла представляют собой резонатор. На этот кристалл подается электромагнитное поле, получаемое каким-нибудь способом. Электромагнитное поле переводит невозбужденные атомы в возбужденное состояние. Ученые называют это “перенаселенностью”. А процесс образования “перенаселенности” называют накачкой. Как только “перенаселенность” достигнет определенной критической величины, так сразу начнется лавинообразный процесс.
Все возбужденные атомы переходят в исходное состояние, и процесс накачки начинает новый цикл.
Абсолютно также работает лазер, только длины волн в нем меньше, чем у мазера. Например, у мазера на аммиаке длина волны примерно 1,25 см, а у водорода – 21см. А у лазеров длины волн оптического спектра – это нанометры.
В настоящее время существует множество типов мазеров и лазеров: и на газе, и на жидкости, и на всевозможных твердых телах. Только успевай подбирать режимы накачки и размеры резонаторов. Важно только помнить, что усиливают эти все приборы не фотоны из накачки, а обменные фотоны атома. Поэтому если встретите такую картинку:
Не верьте ей. Переходов без излучения быть не может. Без какой-нибудь потери или приобретения ничего происходить не будет. Если Вы что-то безвозмездно отдадите, то тут же появится множество других получить это бесплатно, и Вы быстро кончитесь. Если же Вы что-то бесплатно получите, то вскорости Вы заберете все и станете Вселенной или Богом.
Басов и Прохоров нарисовали эту картинку от безысходности. У них не было модели атома, и они не могли понять, как зеленый цвет превращается в красный. Такое с учеными встречается довольно часто. Все знать не будешь.