Как работают лазеры и кто их изобрел

2024 Автор: Sherilyn Boyd | [email protected]. Последнее изменение: 2023-12-16 09:37

Ранняя история

На плечах великана

Большинство историков прослеживает развитие лазера назад к Альберту Эйнштейну, который в 1917 году занимался одним из своих «мысленных экспериментов», на этот раз над явлением эмиссии энергии. Как описано другими:Если атом находится в возбужденном состоянии, он может спонтанно распадаться на более низкий энергетический уровень через некоторое время, высвобождая энергию в виде фотона, который испускается в случайном направлении. Этот процесс называется спонтанным излучением ».

Полагая, что если бы только правильный фотон был доступен «по мере прохождения света через вещество, он мог бы стимулировать излучение света»:Эйнштейн предположил, что фотоны предпочитают путешествовать вместе в одном и том же состоянии.,,, Если проходит мимолетный фотон с правильной длиной волны.,, его присутствие будет стимулировать атомы высвобождать свои фотоны [называемые вынужденным излучением].,, и эти фотоны будут двигаться в одном направлении с одинаковой частотой и фазой в качестве исходного блуждающего фотона. Возникает каскадный эффект: по мере того, как толпа идентичных фотонов движется через остальные атомы, все больше фотонов будут испускать их атомы, чтобы присоединиться к ним ».

В 1928 году Рудольф У. Ланденбург подтвердил теорию стимулированного излучения Эйнштейна и начал поиск того, что в конечном итоге станет лазером.

слаженность

Обратите внимание, что существует принципиальное различие между двумя типами выбросов: когда происходит спонтанно, энергия выделяется случайным образом и на разных частотах; но при его стимулировании высвобождаемая энергия будет отражать частоту и перемещаться в том же направлении, что и стимулирующий фотон, причем этот эффект способен «усилить» исходный вход энергии излучения.

Эта способность стимулированного излучения оставаться сосредоточенной на очень узком диапазоне частот, ее согласованность, является ключом к созданию усиленного электромагнитного излучения, полезного в качестве инструмента связи (а также интенсивного источника энергии): "Предыдущие источники световой энергии, такие как лампы накаливания, являются «некогерентными» источниками, поскольку они одновременно генерируют энергию в относительно большой части электромагнитного спектра. Источники радиочастот, с другой стороны, очень когерентны. Преимущества когерентного источника много [и включают в себя возможность].,, получать информацию от желаемого источника при фильтрации всех остальных. Если ваша любимая радиостанция должна транслироваться по широкой части спектра (то есть, если … были некогерентные …), у вас возникли бы помехи.,, «.

МАСЕР

Вначале способность ученых усиливать и генерировать энергию ограничивалась более низким и средним диапазоном электромагнитного спектра, который простирается от самых низких частот:Где работает ваш AM-приемник. Постепенно более высокие частоты называются короткой волной; VHF (для очень высокой частоты), содержащий диапазоны FM и ТВ; СВЧ (для сверхвысокой частоты); микроволны, где работают большинство радаров; инфракрасные или тепловые волны; свет; ультрафиолетов, рентгеновских лучей, гамма-лучей и, наконец, космических лучей ».

В 1954 году Чарльз Таунс и Джим Гордон из Колумбийского университета в США и Николай Басов и Александр Прохоров в России раздельно разработали предшественник лазера, MASER, сокращенный для микроволнового усиления путем стимулированного излучения, который усиливал микроволны.

В ограниченном использовании Таунс и его будущий шурин Артур Шаулоу придумали план, опубликованный в Физический обзор в 1958 году, для усиления высокочастотного инфракрасного и видимого света, в соответствии с которым:Лазер прототипа должен был быть оснащен двумя зеркалами, по одному на каждом конце полости генерации. Фотоны конкретных длин волн затем отражали бы зеркала и перемещались взад и вперед через среду генерации. Поступая таким образом, они, в свою очередь, заставляют другие электроны расслабляться обратно в их основные состояния, излучая еще больше фотонов на одной и той же длине волны. «.

ЛАЗЕР

В предложении Таунс-Шэвло вмешался Теодор Майман из Исследовательской лаборатории Хьюза в Малибу, Калифорния, который 16 мая 1960 года первым успешно усилил излучение видимого спектра:Источник света, в виде мощной лампы вспышки, облучает синтетический кристалл рубина [с двумя параллельными гранями, покрытыми серебром], который поглощает энергию на широкой полосе частот. Эта оптическая энергия возбуждает атомы в более высокое энергетическое состояние, из которого энергия переизлучается в очень узкой полосе частот. Возбужденные атомы соединяются с оптическим резонатором и стимулируются для испускания излучения вместе … "

Несмотря на то, что в первой демонстрации мощности лазера не излучался яркий луч света, как отметил Таунс, устройство было, тем не менее, лазером, потому что оно создавало энергию:Заметное сужение диапазона частот, которые он содержал. Это было именно то, что было предсказано [в 1958 году, и было] определенным доказательством действия лазера. Вскоре после этого, как в лаборатории Майнмана в Хьюзе, так и в лаборатории Schawlow в Bell Laboratories в Нью-Джерси, были замечены и восхищены ярко-красные пятна от рубиновых лазерных лучей, поражающих лабораторную стену.,, «.

Патентная борьба

Один из ранних членов команды Таунса был выпускником Колумбийского университета Гордоном Гулдом, который разработал ряд идей, касающихся «перекачки» атомов в более высокие энергетические состояния, чтобы они излучали свет »для его дипломной работы, которую он разделил с Таунсом. Фактически, именно Гулд первым придумал фразу «Усиление света» путем стимулированного излучения радиации (LASER).

Предполагая, что его идеи будут включены в исследование Таунса, Гулд начал в 1957 году вести учет своих идей, даже до тех пор, пока некоторые из страниц его записных книжек не были засвидетельствованы. По мере того, как их идеи и предложения стали кристаллизоваться, оба лагеря бросились на сохранение своих прав:Гоулд подал патент на патент в апреле 1959 года, но это было отклонено Патентным ведомством США в пользу патентов Schawlow и Townes для оптического мазера (присуждено в 1960 году) …“

Не так несправедливо, как это звучит, Таунс и Шаулоу подали заявку на патент, от имени Bell Laboratories, за девять месяцев до того, как Гоулд подал заявку. В любом случае, после того, как патент был присужден Белу, «Тридцатилетняя патентная война» началась с того, что Гоулд подал иск. Судебный процесс затянулся, но, наконец, начиная с 1987 года, Гулд начал выигрывать поселения по своим патентным претензиям. К концу судебного разбирательства Гулд был в конечном итоге награжден «48 патентами.,, для коммерчески ценных аспектов лазеров.,, «.