Kaip veikia lazeriai ir kas juos išrado

2024 Autorius: Sherilyn Boyd | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2023-12-16 09:38

1960 m. Gegužės 16 d. Theodoras Maimanas švelnino stiprią šviesą rubyne, iš dalies padengtu sidabru, o rezultatas buvo pirmasis pasaulyje lazeris. Tačiau šis novatoriškas įrenginys nebuvo sukurtas atskirai nuo vienos genijos. Atvirkščiai, daugelio puikių protų rezultatas buvo dalijamasi idėjomis… bent jau iki to laiko, kol atsipirks pelnas.

Ankstyva istorija

Apie milžinišką pečius

Dauguma istorikų atskleidžia lazerio vystymąsi prie Alberto Einšteino, kuris 1917 m. Užsiėmė vienu iš jo "minties eksperimentų", šiuo metu perduodamas energijos emisijos fenomeną. Kaip apibūdino kiti: "Jei atomas yra susijaudinęs, po kurio laiko jis gali spontaniškai suskaidyti į žemesnį energijos lygį, išsiskiriantis energija fotono forma, kuri išsiskiria atsitiktine kryptimi. Šis procesas vadinamas spontančiu emisija."

Manydama, kad jei būtų prieinamas tik teisingas fotonas ", nes šviesa praeina per medžiagą, ji gali paskatinti šviesos išmetimą:"Einšteinas teigė, kad fotonai linkę keliauti kartu toje pačioje valstybėje…. Jei klaidingas teisingas bangos ilgio fotonas praeina… jo buvimas paskatins atomus išskleisti savo fotonus (vadinamasis stimuliuotas spinduliavimas)… ir tie fotonai važiuoja ta pačia kryptimi su identišku dažniu ir faze, kaip ir originalus klaidingas fotonas. Atsiranda kaskadinis poveikis: kai vienodų fotonų minia persijungia per likusius atomus, iš jų atomų išstumiamas daugiau fotonų."

1928 m. Rudolphas W. Landenburgas patvirtino Einšteino teoriją apie stimuliuotą spinduliavimą ir siekį, kad galų gale tampa lazeriu.

Nuoseklumas

Pastebima, kad esminis skirtumas tarp dviejų tipų išmetamųjų teršalų: kai atsiranda spontaniškai, energija išsiskiria atsitiktine tvarka ir įvairiais dažniais; bet, kai jis yra stimuliuojamas, išleista energija atspindės dažnį ir važiuoja ta pačia kryptimi, kaip ir stimuliuojantis fotonas, o tai gali sustiprinti pradinį spinduliuotės energijos įėjimą.

Šis stimuliuoto spinduliavimo gebėjimas išlikti sutelktas į labai ribotą dažnių diapazoną nuoseklumas, yra raktas, kad padidinta elektromagnetinė spinduliuotė naudinga kaip komunikacijos priemonė (taip pat intensyvus energijos šaltinis): "Ankstesni šviesos energijos šaltiniai, tokie kaip kaitinamosios lempos, yra "nesuderinti" šaltiniai, nes jie tuo pačiu metu generuoja energiją palyginti didelėje elektromagnetinio spektro dalyje. Kita vertus, radijo dažnių šaltiniai yra labai nuoseklūs. Nuoseklaus šaltinio privalumai yra daugybė [ir apima galimybę]… gauti informacijos iš norimo šaltinio, filtruojant visus kitus. Jei jūsų mėgstamiausia radijo stotis būtų transliuojama per plačią spektro dalį (ty jei ji … buvo nesuderinta …), jūs patirtumėte trikdžių…"

MASER

Iš pradžių mokslininkų sugebėjimas plėsti ir generuoti energiją buvo apribotas elektromagnetinio spektro, kuris apima žemiausius dažnius: "Kur veikia jūsų AM imtuvas. Palaipsniui didėjantys dažniai vadinami trumpomis bangomis; VHF (labai aukšto dažnio), kuriuose yra FM ir TV juostos; UHF (ypač dideliu dažniu); mikrobangų krosnelės, kuriose veikia dauguma radarų; infraraudonieji spinduliai arba karščio bangos; šviesa; ultravioletinių spindulių, rentgeno spindulių, gama spindulių ir galų gale kosminių spindulių."

1954 m. Čarlzas Townesas ir Jimas Gordonas iš Kolumbijos universiteto JAV ir Nikolajus Basovas bei Aleksanderas Prokhorovas Rusijoje atskirai sukūrė lazerio pirmtaką "MASER", trumpą "Mikrobangų stiprinimas stimuliuoto spinduliavimo būdu", kuris sustiprino mikrobangų spindulius.

Iš riboto naudojimo, Townes ir jo būsimasis brolis-in-law Arthur Schawlow pateikė planą, paskelbtą Fizinė apžvalga 1958 m., siekiant sustiprinti aukštojo dažnio infraraudonąją spinduliuotę ir matomą šviesą, tokiu būdu: "Prototipinis lazeris [turėjo] turėti porą veidrodžių, po vieną iš kiekvieno išardymo ertmės galo. Specifinių bangos ilgių fotonai tada atspindėtų veidrodžius ir keliauja per visą generavimo terpę. Tokiu būdu jie, savo ruožtu, paskatintų kitus elektronus atpalaiduoti atgal į savo pagrindines būsenas, išmesdami dar daugiau fotonų toje pačioje bangos ilgėje."

Lazeris

"The Townes-Schawlow" pasiūlymas sukėlė Teodorą Maimaną iš Hugheso tyrimų laboratorijos Malibu, Kalifornijoje, kuri 1960 m. Gegužės 16 d. Pirmoji sėkmingai išplėtė spinduliuotę iš matomo spektro: "Šviesos šaltinis, kaip galinga blykstės lempos lemputė, apšviečia sintetinį rubino kristalų [su dviem lygiagrečiais sidabro paviršiais padengtais paviršiais], kuris sugeria energiją per plačią dažnių juostą. Ši optinė energija azotas skatina aukštesnę energijos būseną, iš kurios energija yra perkelta į labai siaura dažnių juostą. Susijaudinęs atomas susiejamas su optiniu rezonatoriumi ir skatinamas spinduliuotą spinduliavimą … "

Pirmoji lazerio galia parodė, kad, kaip pastebėjo "Townes", šviesos spindulys nebuvo išsiskleidęs, tačiau prietaisas vis dėlto buvo lazeris, nes jis pagamino energiją: "Akivaizdu, kad jis sumažino dažnių diapazoną. Tai buvo tik tai, kas buvo numatyta [iki 1958 m. Popieriaus ir buvo] aiškus lazerinių veiksmų įrodymas. Netrukus po to, tiek Mainman laboratorijoje Hughes ir Schawlow At Bell Laboratories, New Jersey, ryškiai raudonos dėmės iš rubino lazerio spinduliai pataikyti laboratorinį sienos buvo matyti ir žavisi…"

Patentų kova

Vienas anksti narys Townes "komanda buvo Kolumbijos universiteto magistrantas, Gordonas Gould, kuris sugalvojo idėjų, susijusių su numerio" "siurblinių" atomų didesnių energijos valstybių, kad jie būtų skleidžia šviesą "jo diplominiam darbui, kurio jis dalinosi su Townes. Tiesą sakant, Gouldas pirmą kartą sukūrė frazę "šviesos stiprinimas stimuliuoto spinduliavimo būdu" (LASER).

Numatydamas, kad jo idėjos būtų įtrauktos į "Townes" tyrimą, M. Gouldas 1957 m. Pradėjo įrašyti savo idėjas, net ir taip toli, kad kai kurie jo užrašų lapai buvo notariškai patvirtinti. Kai jų atitinkamos idėjos ir pasiūlymai tapo kristalizuoti, abi stovyklos skubėjo išsaugoti savo teises: "Gould pateikė patentuotą lazerį 1959 m. Balandžio mėn., Tačiau JAV patentų tarnyba atsisakė patento "Schawlow" ir "Townes optinis maser" (suteiktas 1960 m.) …“

Ne taip neteisingai, kaip skamba, "Townes" ir "Schawlow" pateikė "Bell Laboratories" vardu paraišką patentui praėjus devyniems mėnesiams iki Gould pateikto prašymo. Bet kuriuo atveju po to, kai patentas buvo įteiktas "Bell", "Trisdešimties metų patentų karas" prasidėjo su "Gould" bylos iškėlimu. Teismo bylinė traukia, bet galiausiai, pradedant 1987 m., Gouldas pradėjo laimėti gyvenvietes dėl savo patentų pretenzijų. Iki teisinės kovos pabaigos Gouldas buvo apdovanotas "48 patentais… komerciškai vertingiems lazerių aspektams…"