Призначення та сфера застосування лазерів
Винахід лазера стоїть в одному ряду з визначними досягненнями науки і техніки XX століття. Перший лазер з'явився 1960 р., і відразу ж почався бурхливий розвиток лазерної техніки. У короткий час були створені різноманітні типи лазерів та лазерних пристроїв, призначених для вирішення конкретних наукових та технічних завдань. Лазери вже встигли здобути міцні позиції у багатьох галузях народного господарства. Як зазначив академік А.П. Александров, “кожний хлопчик тепер знає слово лазер”. І все-таки, що таке лазер, чим він цікавий і корисний? Один із основоположників науки про лазери – квантової електроніки – академік Н.Г. Басов відповідає це питання так: “Лазер – це пристрій, у якому енергія, наприклад теплова, хімічна, електрична, перетворюється на енергію електромагнітного поля – лазерний промінь. При такому перетворенні частина енергії неминуче втрачається, але важливо те, що отримана в результаті лазерна енергія має незрівнянно більш високу якість. Якість лазерної енергії визначається її високою концентрацією та можливістю передачі на значну відстань. Лазерний промінь можна сфокусувати в крихітну плямку діаметра порядку довжини світлової хвилі і отримати щільність енергії, що перевищує що нині щільність енергії ядерного вибуху ... За допомогою лазерного випромінювання вже вдалося досягти найвищих значень температури, тиску, напруженості магнітного поля. Нарешті, лазерний промінь є найємнішим носієм інформації й у ролі – принципово новим засобом її передачі та обробки”. Широке застосування лазерів у сучасній науці та техніці пояснюється специфічними властивостями лазерного випромінювання.Лазер - це генератор когерентного світла.Вна відміну від інших джерел світла (наприклад, ламп розжарювання або ламп денного світла) лазер дає оптичне випромінювання, що характеризується високим ступенем упорядкованості світлового поля або, як кажуть, високим ступенем когерентності. Таке випромінювання відрізняється високою монохроматичністю та спрямованістю. У наші дні лазери успішно працюють на сучасному виробництві, справляючись із найрізноманітнішими завданнями. Лазерним променем розкроюють тканини та ріжуть сталеві листи, зварюють кузови автомобілів та приварюють найдрібніші деталі в радіоелектронній апаратурі, пробивають отвори у крихких та надтвердих матеріалах. Доведення номіналів пасивних елементів мікросхем та методи отримання на них активних елементів за допомогою лазерного променя отримали подальший розвиток та застосовуються у виробничих умовах. Причому лазерна обробка матеріалів дозволяє підвищити ефективність та конкурентоспроможність порівняно з іншими видами обробки. У руках хірурга лазерний промінь перетворився на скальпель, що має низку дивовижних властивостей. Лазери широко використовуються у сучасних контрольно-вимірювальних пристроях, обчислювальних комплексах, системах локації та зв'язку. Лазери дозволяють швидко та надійно контролювати забрудненість атмосфери та поверхні моря, виявляти найбільш навантажені ділянки деталей різних механізмів, визначати внутрішні дефекти в них. Лазерний промінь стає надійним помічником будівельників, картографів, археологів, криміналістів. Безперервно розширюється сфера застосування лазерів у наукових дослідженнях – фізичних, хімічних, біологічних.
Чудові властивості лазерів – виключно висока когерентність та спрямованість випромінювання, можливість генерування когерентних хвиль великої інтенсивності у видимій, інфрачервоній та ультрафіолетовійобластях спектру, отримання високих щільностей енергії як і безперервному, і у імпульсному режимі – вже на зорі квантової електроніки вказувало можливість широкого застосування для практичних цілей. З початку виникнення лазерна техніка розвивається виключно високими темпами. З'являються нові типи лазерів і одночасно удосконалюються старі: створюються лазерні установки з необхідним для різних конкретних цілей комплексом характеристик, а також різноманітні прилади керування променем, все більш і більше удосконалюється вимірювальна техніка. Це спричинило глибоке проникнення лазерів у багато галузей народного господарства, і зокрема в машино- і приладобудування.
Значна імпульсна потужність та енергія лікування сучасних твердотільних та газових лазерів дозволили впритул підійти до вирішення проблем лазерної енергетики – розробки лазерної зброї для систем протиракетної оборони, керованого термоядерного синтезу, поділу ізотопів та променевої передачі енергії, у тому числі на кос.
Слід зазначити, що освоєння лазерних методів чи, інакше кажучи, лазерних технологій значно підвищує ефективність сучасного виробництва. Лазерні технології дозволяють здійснювати найповнішу автоматизацію виробничих процесів. Одночасно при цьому економиться сировина та робочий час, підвищується якість продукції. Наприклад, практично миттєве пробивання отворів лазерним випромінюванням у багато разів збільшує продуктивність роботи свердлувальника і до того ж суттєво підвищує якість цієї роботи. Лазерне виготовлення мікросхем відрізняється високою продуктивністю та високою якістю. В обох прикладах виробничі операції легко піддаються автоматизації; управління лазерним променемможе взяти він спеціальний обчислювальний пристрій. Можна впевнено стверджувати, що впровадження та вдосконалення лазерних технологій призведе до якісної зміни всього вигляду сучасного виробництва.
Величезні та вражаючі досягнення лазерної техніки сьогодення. Завтрашній день обіцяє ще грандіозніші звершення. З лазерами пов'язані багато сподівань: від створення об'ємного кіно до вирішення таких глобальних проблем, як встановлення наддальнього наземного та підводного оптичного зв'язку, розгадку таємниць фотосинтезу, здійснення керованої термоядерної реакції, поява систем з великим обсягом пам'яті та швидкодіючими пристроями введення-виведення інформації.
Історія створення лазера
Перші кроки на шляху до лазера.Слово “лазер” складено з початкових літер в англійському словосполученні Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, що у перекладі українською мовою означає:посилення світла за допомогою вимушеного випромінювання.Таким чином, у самому термінілазервідображена та фундаментальна роль процесів вимушеного випромінювання, яку вони грають у генераторах та підсилювачах когерентного світла. Тому історію створення лазера слід починати з 1917 р., коли Альберт Ейнштейн вперше ввів уявлення про вимушене випромінювання. Це був перший крок на шляху лазера. Наступний крок зробив радянський фізик В.А. Фабрикант, який вказав у 1939 р. на можливість використання вимушеного випромінювання для посилення електромагнітного випромінювання під час його проходження через речовину. Ідея, висловлена В.А. Фабрикантом передбачала використання мікросистем з інверсною заселеністю рівнів. Пізніше, після закінчення Великої Великої Вітчизняної війни В.А. Фабрикант повернувся до цієї ідеї і на основі своїх досліджень подав у 1951 роцір. (разом з М.М. Вудинським та Ф.А. Бутаєвою) заявку на винахід способу посилення випромінювання за допомогою вимушеного випромінювання. На цю заявку було видано свідоцтво, в якому під рубрикою “Предмет винаходу” записано: “ Спосіб посилення електромагнітних випромінювань (ультрафіолетового, видимого, інфрачервоного та радіодіапазонів хвиль), який відрізняється тим, що випромінювання, що посилюється, пропускають через середовище, в якому за допомогою допоміжного випромінювання або іншим шляхом створюють надмірну порівняно з рівноважною концентрацію атомів, інших частинок або їх систем на верхніх енергетичних рівнях, що відповідають збудженим станам.
Створення мазера.Спочатку цей спосіб посилення випромінювання виявився реалізованим у радіодіапазоні, а точніше в діапазоні надвисоких частот (НВЧ діапазоні). У травні 1952 р. на Загальносоюзній конференції з радіоспектроскопії радянські фізики (нині академіки) Н.Г. Басов та А.М. Прохоров зробили доповідь про принципову можливість створення підсилювача випромінювання у НВЧ діапазоні. Вони назвали його "молекулярним генератором" (передбачалося використовувати пучок молекул аміаку). Практично одночасно пропозиція про використання вимушеного випромінювання для посилення та генерування міліметрових хвиль була висловлена в Колумбійському університеті США американським фізиком Ч. Таунсом. У 1954 р. молекулярний генератор, названий невдовзімазером, став реальністю. Він був розроблений і створений незалежно і одночасно у двох точках земної кулі – у Фізичному інституті імені П.М. Лебедєва Академії наук СРСР (групою під керівництвом Н.Г. Басова та А.М. Прохорова) та в Колумбійському університеті в США (групою під керівництвом Ч. Таунса). Згодом від терміна "мазер" і стався термін "лазер" в результаті заміни літери "М" (початковалітера слова Microwave – мікрохвильовою) літерою “L” (початкова літера слова Light – світло). У основі роботи як мазера, і лазера лежить і той ж принцип – принцип, сформульований 1951 р. В.А. Фабрикантом. Поява мазера означало, що народився новий напрямок у науці та техніці. Спочатку його назваликвантової радіофізикою, а пізніше стали називатиквантової електронікою.