ПРОШЛОЕ, НАСТОЯЩЕЕ И БУДУЩЕЕ ЛАЗЕРА

Статья посвящена изучению работы лазера. Рассматривается процесс создания и этапы развития лазеров. Обсуждаются перспективы использования лазеров в разных областях деятельности.

Изобретение лазера стало одним из крупнейших научных открытий XX в. Появление лазеров произвело революцию в оптике: появились мощные источники когерентного излучения с высокой яркостью, способные концентрировать громадную энергию в чрезвычайно малых спектральных и пространственных интервалах. Лазеры нашли применение в самых различных областях — от коррекции зрения до управления транспортными средствами, от космических полётов до термоядерного синтеза. Лазеры используются в следующих областях деятельности: спектроскопия, фотохимия, лазерное намагничивание и охлаждение, оптический пинцет в медицине, лазерное оружие, дальномеры, лазерная термообработка, лазерная резка и сварка, лазерные принтеры, хранение информации на оптических носителях, голография, оптическая связь, считыватели штрих-кодов, световой дизайн лазерное шоу на концертах и т. д. [1].

Термин «лазер» — аббревиатура “Light Microwave Amplification Stimulated Emission of radiation”. В переводе это означает «усиление света вынужденным излучением». Российский синоним лазера — оптический квантовый генератор — ОКГ [7].

Лазеры — это генераторы и усилители когерентного излучения в оптическом диапазоне, действие которых основано на индуцированном, вызванном полем световой волны, излучении квантовых систем — атомов, ионов, молекул, находящихся в состояниях, отличных от термодинамического равновесия.

С древних времен от древнегреческих учёных до современных писателей-фантастов люди мечтали использовать световые лучи в своей практической жизни. История изобретения лазера началась в 1916 году. Альберт Эйнштейн основал теорию взаимодействия излучения с веществом, которая позволила в будущем создать квантовые усилители и генераторы электромагнитных волн. Теоретическое обоснование в рамках квантовой механики явление вынужденного излучения было получено в работах Поля Дирака в 1927—1930 гг.

Учёные Р. Ладенбург и Г. Копферманн в 1928 году экспериментально подтвердили существование вынужденного излучения. Ланденбург, изучая отрицательную дисперсию света, сформулировал условия обнаружения индуцированного излучения как преобладание его над поглощением — условие инверсии. В 1940 г. учёными В. Фабрикантом и Ф. Бутаевой была предсказана возможность использования вынужденного излучения для усиления электромагнитного излучения. В 1954 году советские ученые Н.Г. Басов и А.М. Прохоров и американский физик Ч. Тауэрсом использовали вынужденное излучение для генерации и усиления электромагнитных волн. Ими был разработан оптический квантовый генератор, мазер-генератор — усилитель микроволн с помощью индуцированного излучения, активной средой которого является аммиак. За свои разработки они были удостоены в 1964 году Нобелевской премии. Термин мазер — это аббревиатура целого предложения: Microwave Amplification Stimulated Emission of radiation, что переводится как «усиление микроволн при помощи индуцированного излучения» [5].

Работы А. Кастлера (Нобелевская премия по физике 1966 года), Бросселя, и Винтера, Ч. Тануса, (1952 г.), Дж. Гордона, Г. Цайгера (1954 г.) увенчались созданием первого микроволнового генератора. 16 мая 1960 года сотрудник исследовательского центра фирмы Hughes, американский физик Теодор Мейман продемонстрировал работу первого оптического квантового генератора — лазера. Т. Мейман сделал рубиновый аппарат, излучающий в импульсном режиме красный свет с длиной волны в 0,69 мкм. В начале 1961 года американский физик А. Джаван года представил неоновый лазер [3].

Спустя полгода в лабораториях корпорации IBM заработал инфракрасный лазер на фториде кальция с добавкой ионов урана, построенный Питером Сорокиным и Миреком Стивенсоном. Это был уникальный прибор, который действовал лишь при температуре жидкого водорода и практического значения не приобрел. В декабре того же года исследователи из Bell Laboratories Али Джаван, Уильям Беннетт и Дональд Хэрриот продемонстрировали первый в мире газовый лазер на смеси гелия и неона, который повсеместно применяется и в наши дни.

В 1963 г. Ж. Алфёров и Г. Кремер (Нобелевская премия по физике 2000 г.) разработали теорию полупроводниковых гетероструктур, на основе которых были созданы многие разновидности современных лазеров. Физика лазеров и по сей день интенсивно развивается. С момента изобретения лазера почти каждый год появляются всё новые его виды, приспособленные для использования в различных областях человеческой деятельности, в том числе — в биологии и медицине.

Как же устроен и работает лазер? В состоянии теплового равновесия атомы стремятся перейти в состояние с наименьшей энергией, поэтому атомная система поглощает свет. Если поддерживать возбуждение атомов вследствие его взаимодействия с магнитным полем или пучком заряженных частиц, то интенсивность света увеличивается. В оптической среде это взаимодействие обеспечивается двумя зеркалами, между которыми и образуется активная среда. Лазеры состоят из трех элементов: активная среда, устройство для создания инверсии и элемент обратной связи. Для изготовления стержней часто применяются кристаллы рубина. Стержень имеет плоскую поверхность, сверху покрыт тонкой пленкой серебра, которое играет роль зеркала. Лазер может работать в так называемом «режиме свободных колебаний». Используя внешний источник света, генератор переводит часть атомов в возбужденное состояние, происходит процесс оптической накачки. После вспышки мощной лампы, расположенной рядом с рубиновым стержнем, многие атомы хрома, входящего в виде примеси в кристалл рубина (около 0,05 %), переходят в состояние с энергией E₃, а через промежуток τ ≈ 10^-8 с они переходят в состояние с энергией E₂. Перенаселенность возбужденного уровня E₂ по сравнению с невозбужденным уровнем E₁ возникает из-за относительно большого времени жизни уровня E₂. Лазер на рубине работает в импульсном режиме на длине волны 694 мм (темно-вишневый свет), мощность излучения может достигать в импульсе 10⁶—10⁹ Вт. [2]. На рис. 1 показана схема работы лазера [8].

Рисунок 1. Трехуровневая схема оптической накачки

В самых первых лазерах излучаемая энергия не превышала 1 Дж, то есть имела мощность всего 1 кВт. Сейчас уже удалось получить большую мощность. При длительности в 20 нс излучается энергия до 100 Дж, а импульсная мощность 1 ГВт. Одним из самых распространенных лазеров в настоящее время является газовый лазер на смеси гелия и неона. Общее давление в смеси составляет порядка 10² Па при соотношении компонент He и Ne примерно 10:1. Активным газом, на котором возникает генерация на длине волны 632,8 нм (ярко-красный свет) в непрерывном режиме, является неон. Благодаря высокой направленности лазерные источники света обладают очень высокой яркостью, из-за чего на мишени можно получить очень большую интенсивность света [6].

Использование лазеров в голографии. Голография — это набор технологий для точной записи и воспроизведения волновых полей. Данный метод был предложен в 1947 году Дэннисом Габором, который получил в 1971 году Нобелевскую премию по физике за изобретение и развитие голографического принципа [4].

Рассеянные объектом световые волны характеризуются амплитудой и фазой. Регистрация амплитуды волн не представляет затруднений; обычная фотографическая пленка регистрирует амплитуду, преобразуя ее значения в соответствующее почернение фотографической эмульсии. Фазовые соотношения становятся доступными для регистрации с помощью интерференции, преобразующей фазовые соотношения в соответствующие амплитудные. Интерференция возникает, когда в некоторой области пространства складываются несколько электромагнитных волн, частоты которых с очень высокой степенью точности совпадают. Когда записывают голограмму, в определённой области пространства складывают две волны: одна из них идёт непосредственно от источника — опорная волна, а другая отражается от объекта записи — объектная волна. В этой же области размещают фотопластинку, на которой возникает интерференция электромагнитных волн в этой области пространства. Если теперь эту пластинку осветить волной, близкой к опорной, то она преобразует эту волну в волну, близкую к объектной. Таким образом, мы будем видеть такой же свет, какой отражался бы от объекта записи, т. е. нужное изображение. Рис. 2.

Рисунок 2. Голограмма для 3D-смартфона фирмы Verizon Wireless

Изобретение лазера открыло новое перспективное направление в физике — нелинейную оптику и привело к возникновению новых технологий с уникальными возможностями, без которых немыслима современная цивилизация. Лазерные технологии станут одними из ведущих в вооружении и других сферах человеческой деятельности. В современных технологиях используются лазеры размерами от нескольких микрон до десятков метров. Создано огромное количество лазеров: твердотельных, газовых, жидкостных, полупроводниковых и т. д. Их широко используют в различных технических процессах — при сварке, плавлении или закаливании металлов, в медицине, при скоростной фотосъемке, голографии, спектографии, геодезии и т. д.

Уникальные свойства излучения лазеров позволяют решать научно-практические задачи в различных отраслях науки и техники, в быту, начиная с чтения и записи компакт-дисков и заканчивая исследованиями в области управляемого термоядерного синтеза.

Список литературы:
1.    Квасов Н.Т. Оптика: учеб.-метод. пособие / Н.Т. Квасов, Ю.И. Савилова, Т.А. Зарембовская. — Минск: БГУИР, 2009. — 136 с.: 30 ил.
2.    Сивухин Д.В. Общий курс физики. — Издание 3-е, стереотипное. — М.: Физматлит., МФТИ, 2002. — Т. IV. Оптика. — 792 с.
3.    Charles H. Townes The first laser // A Century of Nature: Twenty-One Discoveries that Changed Science and the World. — University of Chicago Press, 2003. —107—112 p.
4.    Р. Кольер, К. Беркхард, Л. Лин «Оптическая голография», Изд. «Мир», Москва, 1973, 450 c.
5.    http://runobel.net/history.html.
6.    http://lasers.org.ru/.
7.    http://slovar-vocab.com/.
8.    http://www.physics.ru.