Как лазерите работят и кой им е измислил

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

Ранна история

На раменете на гигант

Повечето историци проследяват развитието на лазера обратно на Алберт Айнщайн, който през 1917 г. е бил ангажиран в един от своите "мисловни експерименти", този път върху явлението енергийно излъчване. Както е описано от другите: "Ако атомът е в разбудено състояние, той може спонтанно да се разпадне в по-ниско енергийно ниво след известно време, освобождавайки енергия под формата на фотон, който се излъчва в произволна посока. Този процес се нарича спонтанна емисия."

Вярвайки, че ако точно правият фотон е на разположение "като светлина преминава през вещество, то може да стимулира излъчването на повече светлина:"Айнщайн смята, че фотоните предпочитат да пътуват заедно в същата държава.,,, Ако преминава бездомен фотон с правилната дължина на вълната.,, нейното присъствие ще стимулира атомите да освободят своите фотони (наречени стимулирани емисии).,, и тези фотони ще се движат в една и съща посока с еднаква честота и фаза като оригиналния бездомен фотон. Появява се каскаден ефект: тъй като тълпата от идентични фотони се движи през останалите атоми, все повече фотони ще бъдат излъчвани от техните атоми, за да се присъединят към тях."

През 1928 г. Рудолф У. Ланденбург потвърждава теорията на Айнщайн за стимулирано излъчване и започва търсенето на това, което впоследствие става лазерът.

съгласуваност

Обърнете внимание, че има една основна разлика между двата типа емисии: когато се случи спонтанно, енергията се освобождава на случаен принцип и на различни честоти; но когато се стимулира, освободената енергия ще отразява честотата и движението в същата посока като стимулиращия фотон, като ефектът ще може да "усилва" първоначалния вход на радиационната енергия.

Тази способност на стимулираната емисия да остане фокусирана върху много тесен диапазон от честоти, нейните съгласуваност, е ключът към усилването на електромагнитното излъчване като средство за комуникация (както и за интензивен източник на енергия): "Предишни източници на светлинна енергия, като лампи с нажежаема жичка, са "несъвместими" източници, тъй като едновременно генерират енергия върху сравнително голяма част от електромагнитния спектър. Радиочестотните източници, от друга страна, са много съгласувани. Предимствата на един кохерентен източник са много [и включват способността да].,, да получавате информация от желания източник, докато филтрирате всички останали. Ако любимата ви радиостанция щеше да излъчва по-голяма част от спектъра (ако … тя би била … несъответстваща …), бихте имали намеса.,,."

МАСЕРЪТ

Първоначално способността на учените да усилват и генерират енергия е ограничена до ниския и средния обхват на електромагнитния спектър, който обхваща най-ниските честоти: "Когато вашият AM приемник работи. Постепенно по-високите честоти се наричат къси вълни; VHF (за много висока честота), съдържащи FM и телевизионни обхвати; UHF (за ултра висока честота); микровълни, където работят повечето радари; инфрачервени или топлинни вълни; светлина; ултравиолетови, рентгенови лъчи, гама лъчи и накрая космически лъчи."

През 1954 г. Чарлс Таунс и Джим Гордън от Колумбийския университет в САЩ и Николай Басов и Александър Прохоров в Русия разработиха поотделно предшественика на лазера MASER - кратко за микровълново усилване чрез стимулирано излъчване на лъчение, което усилва микровълните.

За ограничено използване, Townes и бъдещият му зет, Артър Шаулов, излязоха с план, публикуван в Физически преглед през 1958 г., за усилване на по-висока честота на инфрачервена и видима светлина, като: "Прототипът на лазера щеше да бъде снабден с двойка огледала, по един от всеки край на лазерната кухина. Фотони със специфични дължини на вълните след това отразяват огледалата и пътуват напред и назад през средата на лазерния процес. По този начин те на свой ред ще накарат другите електрони да се отпуснат отново в земните си състояния, излъчвайки още повече фотони в една и съща дължина на вълната.."

Лазерът

Предложението на Таунс-Шоулов раздвижи Теодор Майман от изследователската лаборатория "Хюс" в Малибу, Калифорния, която на 16 май 1960 г. беше първата, която успешно усилва радиацията от видимия спектър:Източник на светлина, под формата на мощна светлинна лампа, излъчва синтетичен рубинен кристал [с две успоредни лица, покрити със сребро], което поглъща енергия в широка честотна лента. Тази оптична енергия възбужда атомите до по-високо енергийно състояние, от което енергията се рередира в много тесен диапазон от честоти. Развълнуваните атоми се свързват с оптичен резонатор и стимулират да излъчват радиацията заедно … "

Въпреки че в първата демонстрация на лазерна енергия не се излъчваше ярък лъч светлина, както отбеляза Таунс, устройството все пак беше лазер, защото произвеждаше енергия:Значително стесняване на диапазона от честоти, които съдържа. Това беше точно това, което беше предвидено [от хартията от 1958 г. и беше] категорично доказателство за действието с лазер. Малко след това, както в лабораторията на Майман в Хюз, така и в "Шаулоу" в "Бел лаборатории" в Ню Джърси, се виждаха и се възхищаваха яркочервени петна от рубинено-лазерни лъчи, които удряха лабораторната стена.,,."

Патентна борба

Един от ранните членове на екипа на Townes е студент от Колумбийския университет Гордън Гулд, който е измислил редица идеи, свързани с "изпомпване" на атоми в по-високи енергийни състояния, така че да излъчват светлина "за дипломираната си дисертация, която споделя с Townes. Всъщност Гулд е първият измислил фразата Амплификация на светлината чрез стимулирано излъчване на лъчение (LASER).

Предполагайки, че идеите му ще бъдат включени в изследванията на Townes, през 1957 г. Гулд започва да води записки на идеите си, дори да стига дотам, че някои от страниците на ноутбуците му са нотариално заверени. Когато техните идеи и предложения станаха кристализирани, и двата лагера се втурнаха да запазят правата си: Гулд подаде лазерен патент през април 1959 г., но това беше отхвърлено от Патентното ведомство на САЩ в полза на патента за оптичен маскар на Schawlow и Townes (награден през 1960 г.) …“

Не толкова несправедливо, колкото звучи, Townes и Schawlow са подали заявление за патента си от името на Bell Laboratories, девет месеца преди да подаде Гулд. Във всеки случай, след като патентът бе възложен на Бел, "тридесетгодишната патентна война" започна с подаването на костюм на Гулд. Процесуалното дело се влачи, но най-накрая, от началото на 1987 г., Гулд започна да печели селища по патентните си претенции. До края на съдебната битка, Гулд беше награден с "48 патента.,, за търговски ценни аспекти на лазерите.,,."