История создания лазера и применения его в медицине. Школьная энциклопедия Кто изобрел лазерный луч

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

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.

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.

Также используются лазерные дальномеры и целеуказатели

Также лазеры применяются в быту. Лазерные указки, считыватели штрих-кодов и тому подобная техника успела завоевать популярность.

Поделись с друзьями в социальных сетях:

• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 

Сегодня мы живем в мире достижений технологий, квантовой физики и лазерной электроники. Они окружают нас даже в быту и давно стали обыденностью, а ведь когда-то такое изобретение как лазер, совершило целую революцию.

Термин лазер является аббревиатурой, которая расшифровывается, как «усиление света в результате вынужденного излучения». Сам по себе он представляет некое устройство, которое преобразует энергию накачки в энергию излучения.

Изобретение лазера

К истории возникновения лазера имеют отношение несколько ученых. В первую очередь, это Альберт Эйнштейн, озвучивший в 1918 году предположение о наличии вынужденного излучения, которая является физической базой работы всех лазеров.

Впервые существование вынужденного излучения было экспериментально подтверждено в 1928 году учеными Р. Ладенбургом и Г. Копферманном.

Первым, кто в действительности изобрел рабочий лазер, считается Теодор Майман. Это случилось 16 мая 1960 года в США. До этого времени разные ученые пытались создать действующий лазер, но их попытки не увенчались успехом. Для создания излучения ученый использовал искусственный рубин, импульсную лампу и резонатор. Майман назвал свое изобретение «рубиновым лазером» из-за получившегося оттенка.

Применение лазеров

Являясь одним из важнейших изобретений прошлого столетия, лазер нашел свое применение в самых различных направлениях человеческой деятельности. Вот лишь некоторые примеры.

Огромную роль лазеры играют в совершенствовании вооружения. Это касается создания лазерного оружия , лазерного прицела, лазерного наведения, систем обнаружения снайперов, создание помех для них, введение противника в заблуждение, дальномеры.

В информационных технологиях лазеры используют для хранения данных на дисках, оптической связи и оптических, в лазерной печати и голографии.

В промышленности манипуляции с лазерами используются для повышения срока эксплуатации изделий, увеличения пластичности материала, улучшения качества поверхностей и многом другом.

Очень важным событием стало появление лазеров для медицины, а в особенности для хирургии. Здесь он служит замечательной альтернативой скальпелю, так как минимизирует кровопотери при операции. Помимо хирургии, лазеры широко используются в офтальмологии и медицине красоты. Появление лазера для медицины. можно сравнить с появлением или.

Изобретение лазерного диска

Лазерный диск представляет собой диск с записанными звуками и изображениями, воспроизводимыми при помощи лазера. Является аналогом компакт-диска.

Самый первый лазерный диск был изобретен Джоном Бейердом в 1928 году, когда он создал Phonodisc. Это был 2,5-дюймовый диск, делавший 78 оборотов за 60 секунд, как и подобные ему диски в то время. Однако, это изобретение не имело коммерческого успеха.

В 1970-х годах, в продаже появились видео-диски, которые были выпущены такими гигантами, как Philips и Sony. Они стали популярны в Азии, но широкого распространения лазерные диски на 2,5 дюйма никогда не получали. Это связано, прежде всего, с необходимостью покупки недешевого оборудования и невозможностью перезаписи их содержимого. Через некоторое время появились знакомые нам компакт диски (CD-ROM), которые вытеснили другие аналоги своей ценой.

100 великих событий ХХ века Непомнящий Николай Николаевич

1960 Изобретение лазера

Изобретение лазера

Когда-то мир жил без лазеров. Это сейчас достижения квантовой физики, лазерной электроники, компьютерные технологии являются неотъемлемыми составляющими нашей жизни, применяются даже в быту. А у истоков глобальных перемен стояли выдающиеся физики XX века Н.Г. Басов, А.М. Прохоров и Ч. Таунс.

Слово «лазер» – это аббревиатура: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (усиление света в результате вынужденного излучения). Лазеры являются принципиально новыми источниками света (а также излучения инфракрасного и ультрафиолетового диапазона), какого не существует в природе. Лазерное излучение когерентно, то есть строго упорядочено по фазе, поэтому его можно очень сильно фокусировать. Для освещения лазеры применять бессмысленно, а вот в измерительной технике, в линиях связи, в компьютерах (для считывания и записи информации на компакт-дисках), в медицине (операции на глазах), в технологическом оборудовании (гравирование, сварка, поверхностная закалка, сверление, резка труднообрабатываемых материалов) они нашли широчайшее применение. Дешевые полупроводниковые лазеры используются даже в детских игрушках.

Лазеры просты по конструкции: активный элемент помещен между двумя строго параллельными зеркалами. Одно из зеркал делают полупрозрачным – для выхода луча. Активный элемент «накачивают» энергией от внешнего источника, возбужденные атомы при соблюдении некоторых условий испускают фотоны согласованно, и лазер рождает почти нерасходящийся луч. Можно сказать, сбылась мечта инженера Гарина из книги Алексея Толстого.

Первыми (1960 г.) были созданы импульсные лазеры с выращенным кристаллом рубина в качестве активного элемента. «Накачка» происходила от газоразрядной лампы .

Советский физик Н.Г. Басов

Американский физик Чарльз Таунс

Сейчас разработано множество типов лазеров – газовые (на инертных газах, на углекислом газе), жидкостные (на красителях), твердотельные (на кристаллах и специальных стеклах), полупроводниковые. Лазерный луч можно получить даже от струи реактивного двигателя или ядерного взрыва.

В 1922 г. в городе Усмани Липецкой области, в профессорской семье Басовых родился мальчик, которого назвали Николаем. Едва закончив школу, он отправился на фронт Великой Отечественной. После демобилизации в декабре 45?го поступил в Московский механический институт (впоследствии – знаменитый МИФИ). Он понимал, что физика – его наука, несмотря на то, что родители прочили ему карьеру врача. И с 1948 года, наряду с учебой, Николай Басов начинает научную деятельность в лаборатории колебаний Физического института им. Лебедева АН СССР (ФИАН) под руководством профессора Прохорова. Первые его работы относятся к области радиоспектроскопических методов определения ядерных моментов.

Примерно в это же время в США известный ученый Чарльз Таунс, один из «отцов» квантовой физики, работал над тем же, над чем размышляли Прохоров и его подопечный Басов. Одновременно и независимо друг от друга Таунс и Басов с Прохоровым выдвинули и теоретически обосновали принципы усиления и генерации электромагнитных волн квантовыми системами с инверсной заселенностью. Эта теория позволила создать в 1955 г. принципиально новые источники электромагнитных волн микроволнового диапазона – квантовые генераторы, так называемые мазеры, и малошумящие квантовые усилители радиоволн диапазона СВЧ.

Это было одним из важнейших открытий XX века. В 1958 г. Прохоров предложил применять в квантовой электронике рубины и выдвинул идею открытых резонаторов. Эти идеи были использованы при создании источников когерентного света – лазеров. За открытие нового принципа генерации излучения и создание квантового генератора на пучке молекул аммиака в 1959 г. Басову и Прохорову была присуждена Ленинская премия. А исследования по полупроводниковым лазерам и вовсе предопределили интенсивное развитие физики и техники.

Значимость новой науки стала неоспоримой. Сегодня объем производства полупроводниковых лазеров различных типов составляет сотни миллионов штук в год, а стоимость излучателя зачастую не превышает одного доллара. За разработки в квантовой электронике, приведшие к созданию мазеров и лазеров, Прохоров, Басов и Таунс были удостоены в 1964 г. Нобелевской премии.

Басов, не останавливаясь на достигнутом, выдвинул казавшуюся в то время утопической идею лазерного подхода к проблеме управляемого термоядерного синтеза. И уже в 1968 г. он и его сотрудники зарегистрировали нейтроны, полученные лазерным облучением. Эти результаты, представленные Басовым на Международной конференции по квантовой электронике в США (1968 г.), создали почву для международного сотрудничества по лазерному термоядерному синтезу. Под руководством Басова была создана многоканальная лазерная установка «Кальмар», которая обеспечивала симметричное и одновременное импульсное облучение мишеней, содержащих термоядерное топливо. Важнейшим достоинством данного подхода была его полная безопасность.

Лазерные технологии были признаны очень перспективными, и с 1962 года Басов возглавляет разработку устройств квантовой электроники повышенной мощности, ориентированных на использование в обороне страны, в частности, для лазерного поражения воздушно-космических целей. На основе этих разработок ученые создали множество всевозможных типов лазеров – фотодиссоционных (йодных), эксимерных, электроионизационных, химических. Вместе с научным коллективом знаменитого секретного города Арзамас-16 Басов создает сверхмощные йодные лазеры взрывного типа.

Н.Г. Басов воспитал плеяду высокопрофессиональных, талантливых физиков, создал и возглавил Высшую школу физики при МИФИ и ФИАН. Перечень его регалий огромен: член Президиума РАН, длительное время директор ФИАН, председатель общества «Знание», главный редактор журналов «Квантовая электроника» и «Природа», дважды Герой Социалистического Труда, лауреат Ленинской, Нобелевской и Государственной премий, награжден пятью орденами Ленина и орденом Отечественной войны II степени, удостоен Золотой медали им. Ломоносова АН СССР. С 1966 года он – академик АН СССР (РАН), избран членом многих иностранных академий.

Из книги Энциклопедия серийных убийц автора Шехтер Гарольд

ИЗОБРЕТЕНИЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ В прошлые времена убийц-психопатов, погубивших множество людей, считали порождением нечистой силы и называли по-разному - демонами, дьяволами, монстрами. В конце 1800-х годов некий изобретательный журналист, пытавшийся определить сущность

Из книги США: История страны автора Макинерни Дэниел

Из книги Кратчайшая история музыки. Самый полный и самый краткий справочник автора Хенли Дарен

Из книги Философский словарь автора Конт-Спонвиль Андре

Из книги Гражданский кодекс РФ автора ГАРАНТ

автора Автор неизвестен

Изобретение ИЗОБРЕТЕНИЕ - новая совокупность приемов и способов действий в любой области человеческой деятельности, направленная на достижение поставленной цели. И. обозначает обретение автором определенного жизненного блага в результате творческой, в первую очередь

Из книги Энциклопедия юриста автора Автор неизвестен

Служебное изобретение СЛУЖЕБНОЕ ИЗОБРЕТЕНИЕ - изобретение, созданное работником в связи с выполнением им своих служебных обязанностей или полученного от работодателя конкретного рабочего задания. Особый режим С.и. состоит в том, что первоначальное право на получение

Из книги 100 великих рекордов авиации и космонавтики автора

Изобретение Сирано де Бержерака «Воздух был чист, ветер умерен, и „Виктория“ поднялась вертикально на высоту 1500 футов… На этой высоте быстрое воздушное течение понесло шар к юго-западу»…Прежде чем Жюль Верн смог написать в 1862 году строки первого в своей жизни романа,

Изобретение определения В прошлые времена убийц-психопатов, погубивших множество людей, считали порождением нечистой силы и называли по-разному: демонами, дьяволами, монстрами. В конце 1800-х годов некий изобретательный журналист, пытавшийся определить сущность

автора

Изобретение лука Лук и стрелы тоже были изобретены еще в каменном веке. Только, конечно, все это было сделано не сразу, не за один день. Прошли десятки тысяч лет, прежде чем первобытные люди довели свой арсенал до определенного совершенства.Более того, поскольку различные

Из книги Я познаю мир. Оружие автора Зигуненко Станислав Николаевич

Изобретение патрона Новое оружие потребовало и новых патронов. И тут настало время вспомнить, что еще в сентябре 1812 года известный парижский оружейник Самюэль Паули запатентовал ружье, заряжавшееся с казенной части металлическими патронами. Оно сразу заинтересовало

Из книги Право интелектуальной собственности: Шпаргалка автора Автор неизвестен

35. СРОКИ ДЕЙСТВИЯ ИСКЛЮЧИТЕЛЬНЫХ ПРАВ НА ИЗОБРЕТЕНИЕ. РАСПОРЯЖЕНИЕ ИСКЛЮЧИТЕЛЬНЫМ ПРАВОМ НА ИЗОБРЕТЕНИЕ Срок действия исключительного права на изобретение, полезную модель, промышленный образец и удостоверяющего это право патента исчисляется со дня подачи

Кто изобрёл лазер?

Что же такое лазер?
Мы все настолько привыкли к слову ЛАЗЕР, что уже и не предполагаем, что это всего лишь аббревиатура. На самом же деле, слово "лазер" ("laser") составлено из начальных букв в английском словосочетании Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, что в переводе на русский язык означает "усиление света с помощью стимулированного испускания излучения".

Кто же изобрел лазер?

Исторически считается, что лазер изобрели русские ученые Басов и Прохоров в 1958 году, за что и получили Нобелевскую премию в 1964 году, вместе с американцем Таунсом, чьи работы Прохоров использовал при разработке. Однако американцы же первыми изготовили рубиновый лазер и наладили серийный выпуск, это была фирма Хьюз Эйркрафт. А ещё ранее, в 1916 году Альберт Эйнштейн предсказывает саму возможность индуцирования внешним электромагнитным полем излучения атомов, на основе чего в дальнейшем и будут работать все лазеры.

Лазер сегодня
Изобретение лазера относится к одному из самых значительных открытий ХХ века. И оно, конечно, сильно повлияло на мир. Сейчас нет ни одной области, в которой бы не применялся лазер. В настоящее время области применения лазеров расширяются с каждым днем. После первого промышленного использования лазеров для получения отверстий в рубинах для часов эти устройства успешно применяются в самых различных областях , при этом используются различные типы лазеров.

Принято все лазерные системы делить на три основные группы: твердотельные лазеры , газовые и полупроводниковые лазеры. Некоторое время назад появились такие системы, как перестраиваемые лазеры на красителях, твердотельные лазеры на активированных стеклах.

Особое место среди этих систем занимает СО2–лазер, относящийся к группе газовых лазеров. Эти типы лазеров способны выдавать мощность от нескольких ватт, до десятка киловатт. Так как для этих лазеров требуется такие широко применяемые газы, как Не, Ar и СО2, они нашли массовое применение в промышленности. И хотя КПД этих лазеров не высокое, 5-10% этого вполне достаточно, чтобы такие типы обработки, как лазерная резка, сварка и термообработка были конкурентоспособными.

Технология лазерной резки
Наиболее развитым из представленных процессов, на сегодняшний день является лазерная резка. По сравнению с другими методами резки: кислородная, плазменная и др. лазерная резка обладает значительными преимуществами, такими как: высокая скорость и точность резки.

Однако сам технологический процесс не так прост, как казалось бы должно быть. Луч с помощью систем зеркал или оптоволокна подают строго вертикально по отношению к обрабатываемой поверхности и фокусируют с помощью линзы. Попадая на поверхность изделия луч мгновенно доводит материал до температуры плавления и выше. Для обеспечения качественного процесса необходимо выдувать расплавленный материал иначе процесс резки превратится в сварку. Обычно для этого используют кислород, азот и другие газы, которые через специальное сопло выдувают в место действия фокального пятна. Сопло диаметром не более 1,5мм в процессе движения геометрически должно находиться в одном месте, для чего необходима специальная система, которая бы контролировала и давление, и необходимый зазор между поверхностью детали и соплом. Устройство, которое непосредственно включает в себя систему фокусировки и систему слежения называют режущей головкой (cutting head).

В итоге, для того чтобы обеспечивать резку деталей по необходимому контуру нужна трёхкоординатная система ХYZ, где перемещение режущей головки по двум осям XY идёт по заданному контуру (по программе), а третья координата Z автоматически отслеживает расстояние до поверхности или же настраивается вручную оператором. Наиболее распространённая системами считаются координатные столы портального типа с «летающей оптикой».

История изобретения лазера началась с предположения... А именно: в 1916 году Альберт Энштейн создал теорию взаимодействия излучения с веществом, из которой вытекала принципиальная возможность создания квантовых усилителей и генераторов электромагнитных волн, да и Алексей Толстой, в своем знаменитом романе "Гиперболоид инженера Гарина", писал примерно об этом же.

Однако первая попытка экспериментально обнаружить индуцированное излучение была только в 1928 году, когда Ланденбург, изучая отрицательную дисперсию света, сформулировал условия обнаружения индуцированного излучения как преобладание его над поглощением (условие инверсии), отметив, что для этого необходимо специальное избирательное возбуждение квантовой системы.

До 50-х годов были только предпосылки создания лазера, пока в 1955 году ученые Николай Басов и Александр Прохоров не разработали квантовый генератор - усилитель микроволн с помощью индуцированного излучения, активной средой которого является аммиак.

Изобретение лазера, использующего аммиак, позволило американским ученым Чарльзу Таунсу и Артуру Шавлову через два года начать разработку принципов лазера. Работая параллельно в том же направлении, Александр Прохоров в 1958-м использовал для создания лазера резонатор Фабри-Перо, представляющий собой два параллельных зеркала, одно из которых полупрозрачно.

В мае 1960 г. сотрудник исследовательского центра фирмы Hughes, американский физик Теодор Мейман, основываясь на работах Н.Басова, А.Прохорова и Ч.Таунса, сконструировал первый лазер на рубине с длиной волны в 0,69 мкм. Спустя полгода в лабораториях корпорации IBM заработал инфракрасный лазер на фториде кальция с добавкой ионов урана, построенный Питером Сорокиным (Peter Sorokin) и Миреком Стивенсоном (Mirek Stevenson). Это был уникальный прибор, который действовал лишь при температуре жидкого водорода и практического значения не приобрел.

Ali Javan and his associates William Bennett Jr. and Donald Herriott at Bell Labs
were first to successfully demonstrate a continuous wave (cw) helium-neon laser
operation (1960-1962). (Source: Bell Labs.)

Наконец, в декабре того же года исследователи из Bell Laboratories Али Джаван (Ali Javan), Уильям Беннетт (William Bennett) и Дональд Хэрриот (Donald Herriotte) продемонстрировали первый в мире газовый лазер на смеси гелия и неона, который повсеместно применяется и в наши дни.

После этого физики и инженеры всего мира включились в гонку по созданию всевозможных лазеров, которая идет и по сей день.

Уже второе десятилетие лазеры используются в медицине и на производстве (при, дерева и других материалов). Не за горами времена, когда лазерные технологии станут одними из ведущих в вооружении и других сферах человеческой деятельности.

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.

Кто изобрёл лазер?

Что же такое лазер?
Мы все настолько привыкли к слову ЛАЗЕР, что уже и не предполагаем, что это всего лишь аббревиатура. На самом же деле, слово "лазер" ("laser") составлено из начальных букв в английском словосочетании Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, что в переводе на русский язык означает "усиление света с помощью стимулированного испускания излучения".

Кто же изобрел лазер?

Исторически считается, что лазер изобрели русские ученые Басов и Прохоров в 1958 году, за что и получили Нобелевскую премию в 1964 году, вместе с американцем Таунсом, чьи работы Прохоров использовал при разработке. Однако американцы же первыми изготовили рубиновый лазер и наладили серийный выпуск, это была фирма Хьюз Эйркрафт. А ещё ранее, в 1916 году Альберт Эйнштейн предсказывает саму возможность индуцирования внешним электромагнитным полем излучения атомов, на основе чего в дальнейшем и будут работать все лазеры.

Лазер сегодня
Изобретение лазера относится к одному из самых значительных открытий ХХ века. И оно, конечно, сильно повлияло на мир. Сейчас нет ни одной области, в которой бы не применялся лазер. В настоящее время области применения лазеров расширяются с каждым днем. После первого промышленного использования лазеров для получения отверстий в рубинах для часов эти устройства успешно применяются в самых различных областях, при этом используются различные типы лазеров.

Принято все лазерные системы делить на три основные группы: твердотельные лазеры, газовые и полупроводниковые лазеры. Некоторое время назад появились такие системы, как перестраиваемые лазеры на красителях, твердотельные лазеры на активированных стеклах.

Особое место среди этих систем занимает СО2–лазер, относящийся к группе газовых лазеров. Эти типы лазеров способны выдавать мощность от нескольких ватт, до десятка киловатт. Так как для этих лазеров требуется такие широко применяемые газы, как Не, Ar и СО2, они нашли массовое применение в промышленности. И хотя КПД этих лазеров не высокое, 5-10% этого вполне достаточно, чтобы такие типы обработки, как лазерная резка, сварка и термообработка были конкурентоспособными.

Технология лазерной резки
Наиболее развитым из представленных процессов, на сегодняшний день является лазерная резка. По сравнению с другими методами резки: кислородная, плазменная и др. лазерная резка обладает значительными преимуществами, такими как: высокая скорость и точность резки.

Однако сам технологический процесс не так прост, как казалось бы должно быть. Луч с помощью систем зеркал или оптоволокна подают строго вертикально по отношению к обрабатываемой поверхности и фокусируют с помощью линзы. Попадая на поверхность изделия луч мгновенно доводит материал до температуры плавления и выше. Для обеспечения качественного процесса необходимо выдувать расплавленный материал иначе процесс резки превратится в сварку. Обычно для этого используют кислород, азот и другие газы, которые через специальное сопло выдувают в место действия фокального пятна. Сопло диаметром не более 1,5мм в процессе движения геометрически должно находиться в одном месте, для чего необходима специальная система, которая бы контролировала и давление, и необходимый зазор между поверхностью детали и соплом. Устройство, которое непосредственно включает в себя систему фокусировки и систему слежения называют режущей головкой (cutting head).

В итоге, для того чтобы обеспечивать резку деталей по необходимому контуру нужна трёхкоординатная система ХYZ, где перемещение режущей головки по двум осям XY идёт по заданному контуру (по программе), а третья координата Z автоматически отслеживает расстояние до поверхности или же настраивается вручную оператором. Наиболее распространённая системами считаются координатные столы портального типа с «летающей оптикой».

ФГБОУ ВПО

Уфимский государственный авиационный технический университет

Творческая работа по истории на тему

«История создания лазера»

Выполнил: Гильмияров Р.А. ЭАС 105

Проверил: Васильев И.М.

История создания лазера

Уже более полувека лазеры помогают человеку в физике, медицине, химии, самых разных производствах и даже в исследовании космоса. Их используют при маркировке товаров, при сложных операциях (например, при коррекции зрения, которая стала возможна только благодаря лазерам), в исследовании молекул и в измерении расстояний в космосе. И даже в массовой культуре и в быту! Посмотрите вокруг себя: календарь на стене, компакт-диск, бокал с красивой гравировкой - все это сделано с помощью лазера.

Лазерная указка, луч, разрезающий железо, и астрономический прибор, измеряющий расстояния до небесных тел - все они родственники, потому что работают с применением лазерной технологии.

Что такое лазерный луч? Это источник света с совершенно уникальными свойствами. Он практически не рассеивается, а может излучаться на дальние расстояния и возвращаться обратно. У лазера очень большая теплота, что позволяет ему резать материал, через который он проходит.

Первые шаги к этому великому изобретению XX века сделал легендарный ученый Альберт Эйнштейн. В 1917 году он провел исследования о вынужденном испускании света, которые позже легли в основу принципа работы лазеров.

Вторым ученым, сделавшим важный вклад в изобретение, стал наш соотечественник Валентин Фабрикант. Он открыл, что вынужденное испускание может усилить электромагнитное излучение про прохождении его через определенную среду.

Научное обоснование

Слово «Лазер» - это английская аббревиатура, то есть слово, составленное из первых букв словосочетания. «Light amplification by stimulated emission of radiation», что переводится как «свет, усиляемый вынужденным (или стимулированным) лучеиспусканием» - а сокращенно «laser». Но впервые принцип лазера был применен не на световых, а на микроволнах. Это открытие тоже принадлежит нашим соотечественникам - советским физикам Николаю Басову и Александру Прохорову. Доклад о своем «молекулярном генераторе» они сделали в 1954 году. Еще два года спустя были созданы и презентованы первые установки и получен направленный пучок молекулярных волн. Технически это был еще не лазер, а мазер («microwave amplification by stimulated emission of radiation», но принцип его работы был тем же самым.

В основе работы, как мазера, так и лазера лежит один и тот же принцип, сформулированный в 1951 г. Валентином Фабрикантом. Его появление встретили как техническую революцию, новую эпоху в науке. Вначале лазер отнесли к квантовой радиофизике, а позднее стали называть квантовой электроникой. Однако, несмотря на то, что принципы работы уже были сформулированы, путь к созданию лазера занял еще шесть лет. Эти годы были наполнены поиском резонаторов для оптического диапазона и некоторыми другими исследованиями. В разработку оптического лазера также внесли большой вклад учёные Басов и Прохоров.

С 1954 по 1960 год ученые проводили опыты с волнами света в разной среде и с применением различных резонаторов. Наконец, в 1960 году появилась обстоятельная научная работа Николая Басова, Олега Крохина и Юрия Попова, в которой были рассмотрены принципы работы квантовых генераторов (первых лазерных установок) и выражалась надежда на то, что вскоре они будут сконструированы. Параллельно такую же углубленную работу над теорией и практикой создания лазера вели американцы.

Первые лазеры

Итак, к 60-м годам были заложены все теоретические основы работы лазеров, и ученым оставалось только одно - сконструировать рабочие модели. Это удалось американцу Теодору Мейману в 1960 году. Первый из его рабочих прототипов работал на рубине и выглядел как рубиновый кубик с размером граней в 1 см. Две из его сторон были покрыты серебром (они и играли роль резонатора). Свет излучала лампа-вспышка огромной мощности. Через небольшое отверстие в одной из «серебряных» граней рубина выходил тонкий красный луч. Это и был первый в мире луч лазера.

Начало было положено, и дальше разработка лазеров пошла огромными шагами. В том же году была сконструирована первая газовая лазерная установка, а год спустя лазеры появляются в каждой оптической лаборатории. Они изучаются, совершенствуются и находят всё новое применение. Следующим шагом стало создание полупроводниковых лазеров (1962-1963 год). Это стало началом новой эры в оптике и применения лазеров во всех сферах науки.

Какими бывают лазеры?

Классификация лазеров и их характеристики

Лазеры различают по множеству признаков. Вот некоторые из классификаций:

) Состояние активного вещества (твердотельные, газовые или жидкостные);

) Принцип работы (усилители и генераторы);

) Способ возбуждения активного вещества;

) Степень мощности

) Расходимость лазерного луча

) Диапазон длины волн

Лазеры могут использовать разные активные вещества: как твердые (рубин, сапфир, стекло), так и жидкие, а также газообразные (аргон, гелий). Еще в качестве активного вещества может применяться полупроводниковый переход. В соответствии с этим лазеры называют твердотельными, жидкостными, газовыми и полупроводниковыми.

По принципу работы лазеры разделяют на генераторы и усилители. Лазер-усилитель работает по такой схеме: в то время, как сам он находится в возбужденном состоянии, на вход поступает небольшой сигнал. Это стимулирует отдачу энергии и формирует луч.

Если лазер относится к генераторам, то для его запуска стимулируют активное вещество. Когда возбуждение растет, в определенный момент происходит отдача энергии.

Возбуждение активного вещества может происходить разными способами: за счет оптического излучения, потоком электронов, ядерным излучением, химической или солнечной энергией. Процесс может происходить непрерывно (такие устройства называют «лазерами с непрерывным излучением) или с перерывами (импульсные лазеры)

По степени мощности на выходе различают лазеры высокой, средней и низкой мощности.

По диапазону длины волн, в котором ведется излучение, различают лазеры с разной степенью монохроматичности. Выше всего она у газовых лазеров. Твердотельные лазеры высокой монохроматичностью не отличаются, потому что имеют значительный диапазон частот.

Расходимость лазерного луча - параметр, от которого зависит область применения лазера. Легко понять, что это показатель того, насколько расширяется луч. Самый узкий луч имеют газовые лазеры, благодаря этому свойству они применяются в определении расстояний до цели.

Будущее лазеров

Несмотря на то, что лазер изобретен больше полувека назад, он все еще совершенствуется и продолжает находить новые применения. Сейчас ведутся разработки новых лазерных инструментов для медицины и изучается возможность применения лазерных лучей в реакции термоядерного синтеза. Термоядерный синтез - способ получения энергии, аналогичный тому, как она образуется Солнцем и другими звездами. Если будет разработана надежная технология бесперебойного термоядерного синтеза, человечество навсегда забудет о дефиците энергии. Лазеры призваны сыграть в этом открытии заметную роль.

Еще один интересный аспект - лазерное оружие. Его разработки ведутся уже много лет и даже существуют рабочие прототипы - например, ручные лазерные пистолеты ЛК, созданные в Советском Союзе для космической отрасли. Главной проблемой таких пистолетов до сих пор остается батарея: нельзя подобрать настолько мощный источник питания, чтобы лучевой пистолет был компактным и не слишком тяжелым. Сейчас к разработкам боевого оружия, способного поражать цель мощным лазерным лучом, ближе всего подошли американские ученые.

Велись и разработки мощных лазерных установок ПВО, чтобы сбивать лучами самолеты и беспилотники противника. Сейчас проект продолжается, но переориентирован: лазерные системы ПВО тестируются, чтобы препятствовать наблюдениям из космоса.

Есть травматическое лазерное оружие с лучами малой мощности, но большой яркости. Оно способно временно ослепить человека. В России, например, такие устройства называются «Поток» и официально приняты на вооружение МВД. Более мощные лазеры, которые могут нанести серьезную травму зрению, запрещены Международным правом.

Маломощные лазеры также используются в современном оружии для точности наведения. «Красная точка», по которой герой фильма понимает, что его взял на мушку снайпер - не что иное, как луч лазера.

Несмотря на такое множество применений в боевых условиях, лазер остается прежде всего мирным орудием и гораздо шире применяется в медицине, физике и других науках.

Литература

лазер луч волна диапазон

1. Применения лазеров. Под редакцией д-ра техн. Наук В.П. Тычинского, издательство Мир, Москва 1974.

Применение лазеров в машиностроении и приборостроении. Авт.: Крылов К.И., Прокопенко В.Т., Митрофанов А.С. Л. Машиностроение. Ленингр.отд-ние,1978.

Лазеры и их применение. Тарасов Л.В. Учебное пособие для ПТУ. М.: Радио и связь, 1983.

Лазеры: действительность и надежды. Тарасов Л.В. М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1985.

Лазеры. Основы устройства и применения. Федоров Б.Ф. М.: ДОСААФ, 1988.

6. Лазеры. https://ru.wikipedia.org/wiki/%CB%E0%E7%E5%F0#cite_ref-1

Назначение и область применения лазеров.bibliofond.ru/view.aspx?id=41876

Репетиторство

Нужна помощь по изучению какой-либы темы?

Наши специалисты проконсультируют или окажут репетиторские услуги по интересующей вас тематике.
Отправь заявку с указанием темы прямо сейчас, чтобы узнать о возможности получения консультации.

Изобретение американского физика Теодора Гарольда Маймана I960 г. позволило воплотить мечту фантастов — использовать луч света как сверхострый нож и как мощный сварочный аппарат. Майман установил, что интенсивность света можно усилить, стимулировав излучение фотонов путем «накачки» активного материала энергией. Созданный им прибор, названный лазером — сокращение от английского Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation («усиление света путем стимулированного излучения»), — позволил революционизировать не только многие приемы промышленного производства, но и методы медицинского вмешательства.

Разнообразие лазеров

Майман опирался в своей работе на данные Эйнштейна начала XX в. о световых частичках-фотонах. После Второй мировой войны в связи с развитием радиолокационной техники и радиоастрономии интерес исследователей сосредоточился на микроволнах. Американский физик Чарльз Таунс решил усилить интенсивность микроволнового луча. Возбудив молекулы аммиака до высокого энергетического уровня путем нагревания или электрической стимуляции, ученый затем пропускал сквозь них слабый микроволновой луч. В результате получался мощный усилитель микроволнового излучения, который Таунс в 1953 г. назвал «мазером». В 1958 г. Таунс и Артур Шавлов сделали следующий шаг: вместо микроволн они попытались усилить видимый свет. На основе этих экспериментов Майман и создал в I960 г. первый лазер. В 1972 г. было изобретено гибкое светопроводящее волокно, что позволило использовать лазер в хирургии. Теперь многие операции могут проводиться бескровно.

• 1966 г.: Петр Сорокин и Фриц Шефер одновременно и независимо друг от друга изобрели лазер на красителях.
• 1970 г.: в Мюнхене на Оперном фестивале показано первое в мире лазерное шоу.
• 1970 г.: первая передача данных по волоконно-оптическому кабелю.
• 1972-1975 гг.: в продаже появились первые компакт-диски, записанные с помощью лазера.