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TECHNOLOGIEGESCHICHTE, TECHNOLOGIE, OBJEKTE UM UNS
Laser. Geschichte der Erfindung und Produktion
Verzeichnis / Die Geschichte der Technik, Technik, Objekte um uns herum Ein Laser (engl. Laser, ein Akronym für Lichtverstärkung durch stimulierte Strahlungsemission) oder ein optischer Quantengenerator ist ein Gerät, das Pumpenergie (Licht, elektrisch, thermisch, chemisch usw.) in kohärente Energie umwandelt. , monochromatisch, polarisierter und eng gerichteter Strahlungsfluss. Die physikalische Grundlage des Laserbetriebs ist das quantenmechanische Phänomen der stimulierten (induzierten) Strahlung. Laserstrahlung kann kontinuierlich mit konstanter Leistung oder gepulst sein und extrem hohe Spitzenleistungen erreichen. In einigen Systemen wird das Arbeitselement des Lasers als optischer Verstärker für Strahlung von einer anderen Quelle verwendet. Es gibt eine Vielzahl von Lasertypen, die alle Aggregatzustände der Materie als Arbeitsmedium nutzen. Einige Lasertypen, beispielsweise Farbstofflösungslaser oder polychromatische Festkörperlaser, können eine ganze Reihe von Frequenzen (Moden des optischen Hohlraums) über einen weiten Spektralbereich erzeugen. Die Größe der Laser reicht von mikroskopisch klein bei einigen Halbleiterlasern bis hin zur Größe eines Fußballfeldes bei einigen Neodym-Glaslasern. Die einzigartigen Eigenschaften der Laserstrahlung ermöglichten ihren Einsatz in verschiedenen Bereichen der Wissenschaft und Technik sowie im Alltag, vom Lesen und Schreiben von CDs bis hin zur Forschung auf dem Gebiet der kontrollierten Kernfusion.
Trotz der relativ einfachen Vorrichtung des Lasers sind die seinem Betrieb zugrunde liegenden Prozesse äußerst komplex und mit den klassischen Gesetzen der Physik nicht zu erklären. Seit der Zeit von Maxwell und Hertz hat sich die Wissenschaft etabliert, dass elektromagnetische und insbesondere Lichtstrahlung einen Wellencharakter hat. Diese Theorie erklärte die meisten der beobachteten optischen und physikalischen Phänomene gut. Aber bereits Ende des XNUMX. Jahrhunderts wurden einige experimentelle Daten erhalten, die nicht zu dieser Theorie passten. So stellte sich beispielsweise das Phänomen des photoelektrischen Effekts aus Sicht der klassischen Vorstellungen über die Wellennatur des Lichts als völlig unverständlich heraus. Der berühmte deutsche Physiker Max Planck ging 1900 bei dem Versuch, die Natur dieser Abweichungen zu erklären, davon aus, dass die Emission elektromagnetischer Strahlung und insbesondere Licht nicht kontinuierlich erfolgt, sondern in getrennten mikroskopischen Portionen. 1905 bekräftigte Einstein, der die Theorie des photoelektrischen Effekts entwickelte, Plancks Idee und zeigte überzeugend, dass elektromagnetische Strahlung tatsächlich in Portionen emittiert wird (diese Portionen wurden Quanten genannt), und später, im Prozess der Ausbreitung, behält jede Portion ihre "Individualität", wird nicht gequetscht und stapelt sich nicht mit anderen, kann also nur ganz aufgenommen werden. Aus dieser Beschreibung ging hervor, dass sich Quanten in vielen Fällen nicht wie Wellen, sondern wie Teilchen verhalten. Aber gleichzeitig hören sie nicht auf, Wellen zu sein (zum Beispiel hat ein Quant keine Ruhemasse und existiert nur, wenn es sich mit einer Geschwindigkeit von 300000 km / s bewegt), das heißt, sie haben einen gewissen Dualismus. Die Quantentheorie ermöglichte die Erklärung vieler bisher unverständlicher Phänomene und insbesondere der Art der Wechselwirkung von Strahlung mit Materie. Nehmen wir ein einfaches Beispiel: Warum gibt ein Körper Licht ab, wenn er erhitzt wird? Wenn wir beispielsweise einen Nagel auf einem Gasbrenner erhitzen, werden wir feststellen, dass er zuerst eine purpurrote Farbe annimmt und dann rot wird. Wenn Sie weiter erhitzen, verwandelt sich die rote Farbe in Gelb und dann in ein strahlendes Weiß. Somit beginnt der Nagel, nicht nur infrarote (thermische), sondern auch sichtbare Strahlen zu emittieren. Der Grund für dieses Phänomen ist der folgende. Alle Körper (einschließlich unseres Nagels) bestehen aus Molekülen, und Moleküle bestehen aus Atomen. Jedes Atom ist ein kleiner, sehr dichter Kern, um den mehr oder weniger Elektronen kreisen. Diese Elektronen bewegen sich nicht zufällig um den Kern herum, sondern jedes von ihnen befindet sich auf seinem genau festgelegten Niveau; Dementsprechend befinden sich einige Ebenen näher am Kern, während andere weiter davon entfernt sind. Diese Ebenen werden als Energieebenen bezeichnet, da jedes der darauf befindlichen Elektronen seine eigene spezifische, nur dieser Ebene innewohnende Energie hat. Während sich das Elektron auf seiner stationären Ebene befindet, bewegt es sich, ohne Energie abzustrahlen. Dieser Zustand des Atoms kann unbegrenzt andauern. Wird dem Atom aber von außen eine gewisse Energie zugeführt (wie beim Erhitzen eines Nagels), wird das Atom „angeregt“. Der Kern dieser Anregung besteht darin, dass die Elektronen die in den Stoff eindringenden Strahlungsquanten (in unserem Beispiel die infrarote Wärmestrahlung eines Gasbrenners) absorbieren, ihre Energie aufnehmen und dadurch auf höhere Energieniveaus gelangen. Elektronen können jedoch nur für sehr kurze Zeit (Tausendstel und sogar Millionstel Sekunden) auf diesen höheren Ebenen bleiben. Nach dieser Zeit kehrt jedes Elektron wieder in seinen Ruhezustand zurück und sendet gleichzeitig ein Energiequantum (oder, was dasselbe ist, eine Welle bestimmter Länge) aus. Unter diesen Wellen befinden sich einige im sichtbaren Bereich (diese Quanten des sichtbaren Lichts werden Photonen genannt; wir beobachten die Emission von Photonen durch angeregte Atome wie das Leuchten eines erhitzten Nagels). In unserem Beispiel mit einem Nagel läuft der Prozess der Absorption und Emission von Quanten chaotisch ab. In einem komplexen Atom wird eine große Anzahl von Übergängen von Elektronen von oberen Ebenen zu niedrigeren Ebenen beobachtet, und jeder von ihnen emittiert Strahlung mit seiner eigenen Frequenz. Daher geht die Strahlung gleichzeitig in mehrere Spektren und in verschiedene Richtungen, wobei einige Atome Photonen emittieren, während andere sie absorbieren. Ebenso werden Quanten von jedem erhitzten Körper emittiert. Jeder dieser Körper (sei es die Sonne, das Lichtbogenschweißen oder der Glühfaden einer Glühlampe) sendet gleichzeitig viele Wellen unterschiedlicher Länge (oder, was dasselbe ist, Quanten unterschiedlicher Energie) aus. Deshalb werden wir, egal wie perfekt eine Linse oder ein anderes optisches System ist, niemals in der Lage sein, die von einem erhitzten Körper emittierte Strahlung in einen streng parallelen Strahl zu fokussieren – sie wird immer in einem bestimmten Winkel divergieren. Das ist verständlich – schließlich wird jede Welle in der Linse in ihrem eigenen Winkel gebrochen; daher werden wir unter keinen Umständen in der Lage sein, ihre Parallelität zu erreichen. Die Begründer der Quantentheorie haben jedoch bereits eine andere Möglichkeit der Strahlung in Betracht gezogen, die nicht unter natürlichen Bedingungen stattfindet, sondern möglicherweise vom Menschen modelliert wird. Wenn es in der Tat möglich wäre, alle Elektronen einer Substanz, die zu einem bestimmten Energieniveau gehören, anzuregen und sie dann zu zwingen, gleichzeitig Quanten in eine Richtung zu emittieren, dann wäre es möglich, ein extrem starkes und gleichzeitiges zu erhalten extrem homogener Strahlungspuls. Durch Fokussieren eines solchen Strahls (da alle Wellen, aus denen er besteht, gleich lang sind), wäre es möglich, eine nahezu perfekte Parallelität des Strahls zu erreichen. Erstmals über die Möglichkeit einer solchen, wie er es nannte, stimulierten Strahlung schrieb Einstein 1917 in seinen Werken „Emission und Absorption von Strahlung nach der Quantentheorie“ und „Zur Quantentheorie der Strahlung“. Eine stimulierte Emission kann insbesondere auf folgende Weise erreicht werden. Stellen wir uns einen Körper vor, dessen Elektronen bereits „übererregt“ sind und sich auf den oberen Energieniveaus befinden, und nehmen wir an, dass sie mit einer neuen Portion Quanten bestrahlt werden. In diesem Fall tritt ein lawinenartiger Prozess auf. Die Elektronen sind bereits mit Energie "übersättigt". Durch zusätzliche Bestrahlung brechen sie aus den oberen Schichten heraus und gehen wie eine Lawine auf die unteren, wobei sie Quanten elektromagnetischer Energie abgeben. Außerdem stimmt die Richtung und Phase der Schwingungen dieser Quanten mit der Richtung und Phase der einfallenden Welle überein. Es wird sozusagen den Effekt einer resonanten Verstärkung der Welle geben, wenn die Energie der Ausgangswelle die Energie der Eingangswelle um ein Vielfaches übersteigt. Aber wie erreicht man eine strikte Parallelität emittierter Photonen? Es stellt sich heraus, dass dies mit einem sehr einfachen Gerät geschehen kann, das als offener Spiegelresonator bezeichnet wird. Es besteht aus einem Wirkstoff, der in einer Röhre zwischen zwei Spiegeln platziert wird: einem normalen und einem durchscheinenden.
Die von der Substanz emittierten Photonen, die auf einen durchscheinenden Spiegel fallen, passieren ihn teilweise. Der Rest wird reflektiert und fliegt in die entgegengesetzte Richtung, wird dann vom linken Spiegel reflektiert (jetzt alle) und erreicht wieder den durchscheinenden Spiegel. Dabei wird der Photonenfluss nach jedem Durchgang durch die angeregte Substanz um ein Vielfaches vervielfacht. Allerdings wird nur die Welle verstärkt, die sich senkrecht zu den Spiegeln bewegt; alle übrigen, die mit wenigstens geringfügiger Abweichung von der Senkrechten auf den Spiegel fallen, ohne eine ausreichende Verstärkung zu erhalten, verlassen den Wirkstoff durch seine Wände. Dadurch hat der ausgehende Stream eine sehr enge Richtwirkung. Es ist dieses Prinzip, eine stimulierte Emission zu erhalten, das dem Betrieb von Lasern zugrunde liegt (das Wort Laser selbst setzt sich aus den Anfangsbuchstaben der englischen Definition von Lichtverstärkung durch stimulierte Emission und Strahlung zusammen, was Lichtverstärkung durch stimulierte Emission bedeutet). Der Entstehung dieses bemerkenswerten Geräts ging eine lange Geschichte voraus. Es ist merkwürdig, dass die Technologie die Erfindung des Lasers Spezialisten verdankt, die auf den ersten Blick sowohl von der Optik als auch von der Quantenelektrodynamik weit entfernt sind, nämlich Radiophysikern. Dies hat jedoch sein eigenes tiefes Muster. Es wurde bereits gesagt, dass seit Anfang der 40er Jahre Radiophysiker auf der ganzen Welt daran arbeiten, den Zentimeter- und Millimeterwellenbereich zu beherrschen, da dadurch Geräte, insbesondere Antennensysteme, erheblich vereinfacht und reduziert werden konnten. Doch schnell wurde klar, dass die alten Röhrengeneratoren kaum an die neuen Bedingungen angepasst werden konnten. Mit ihrer Hilfe war es kaum möglich, Wellen von 1 mm zu erzeugen (gleichzeitig erreichte die Frequenz elektromagnetischer Schwingungen in diesen Generatoren mehrere Milliarden pro Sekunde), aber die Schaffung von Generatoren für noch kürzere Wellen erwies sich als unmöglich. Eine grundlegend neue Methode zur Erzeugung elektromagnetischer Wellen wurde benötigt. Gerade zu dieser Zeit begannen die sowjetischen Radiophysiker Alexander Prokhorov und Nikolai Basov, ein sehr interessantes Problem zu untersuchen - die Absorption von Radiowellen durch Gase. Schon während des Krieges wurde festgestellt, dass von einem Radar ausgesandte Wellen einer bestimmten Länge nicht wie andere von umgebenden Objekten reflektiert werden und kein „Echo“ abgeben. Beispielsweise schien sich ein 1 cm langer Wellenstrahl im Weltraum aufzulösen – es stellte sich heraus, dass Wellen dieser Länge aktiv von Wasserdampfmolekülen absorbiert werden. Später stellte sich heraus, dass jedes Gas Wellen einer bestimmten Länge so absorbiert, dass seine Moleküle irgendwie darauf „abgestimmt“ sind. Von diesen Experimenten war es nur ein Schritt zur nächsten Idee: Wenn Atome und Moleküle Wellen einer bestimmten Länge absorbieren können, dann können sie diese auch aussenden, also als Generator wirken. So entstand die Idee, einen Gasgenerator für Strahlung zu schaffen, in dem anstelle von Elektronenröhren Milliarden von Molekülen eines speziell angeregten Gases als Strahlungsquellen verwendet werden. Die Aussichten für solche Arbeiten schienen sehr verlockend, da es möglich wurde, für die Bedürfnisse der Funktechnik nicht nur den Bereich der Mikrowellenwellen zu beherrschen, sondern auch viel kürzere, zum Beispiel den Bereich der sichtbaren Wellen (die Wellenlänge des sichtbaren Lichts ist 0-4 Mikrometer, was einer Frequenz in der Größenordnung von Tausenden Milliarden Schwingungen pro Sekunde entspricht). Das wichtigste Problem dabei war, wie man eine aktive Umgebung schafft. Basov und Prokhorov wählten Ammoniak als solches. Um den Betrieb des Generators sicherzustellen, war es notwendig, die aktiven Gasmoleküle, deren Atome sich in einem angeregten Zustand befanden, von den nicht angeregten zu trennen, deren Atome auf die Absorption von Quanten ausgerichtet waren. Das dafür entwickelte Installationsschema war ein Gefäß, in dem ein Vakuum erzeugt wurde. In dieses Gefäß wurde ein dünner Strahl von Ammoniakmolekülen eingelassen. In ihrem Weg wurde ein Hochspannungskondensator installiert. Hochenergetische Moleküle flogen frei durch sein Feld, während niederenergetische Moleküle vom Feld des Kondensators weggetragen wurden. So werden Moleküle nach Energie sortiert. Die aktiven Moleküle traten in einen Resonator ein, der auf die gleiche Weise wie der oben beschriebene konstruiert war. Der erste Quantengenerator wurde 1954 entwickelt. Er hatte eine Leistung von nur einem Milliardstel Watt, sodass nur präzise Instrumente seine Arbeit registrieren konnten. Aber in diesem Fall war es viel wichtiger, dass die grundsätzliche Richtigkeit der Idee selbst bestätigt wurde. Es war ein bemerkenswerter Sieg, der eine neue Seite in der Geschichte der Technik aufschlug. In den gleichen Tagen schuf eine Gruppe des amerikanischen Radiophysikers Charles Towns an der Columbia University ein ähnliches Gerät namens "Maser". (1963 erhielten Basov, Prokhorov und Townes den Nobelpreis für ihre grundlegende Entdeckung.) Der Basov-Prokhorov-Quantengenerator und der Townes-Maser waren noch keine Laser - sie erzeugten 1 cm lange Radiowellen, und Laser senden elektromagnetische Wellen im sichtbaren Bereich aus, die zehntausendmal kürzer sind. Das Funktionsprinzip beider Geräte ist jedoch gleich, sodass der Schöpfer des Lasers nur bestimmte Probleme lösen musste. Zunächst musste ein geeigneter Wirkstoff gefunden werden, der in einen angeregten Zustand übergehen kann, denn nicht jeder Stoff hat diese Eigenschaft. Zweitens, um eine Anregungsquelle zu schaffen, dh ein Gerät, das in der Lage ist, den Wirkstoff in einen angeregten Zustand zu versetzen, indem ihm zusätzliche Energie zugeführt wird. Drittens war ein offener Resonator erforderlich, um alle angeregten Teilchen des Wirkstoffs zur Teilnahme an der Anregung zu zwingen und auch um nur solche Schwingungen zu verstärken, die sich entlang der Längsachse des Wirkstoffs ausbreiten. Viertens wurde eine Stromquelle benötigt, um die Anregungsquelle mit Energie zu versorgen, sonst würde der Laser nicht funktionieren. All diese Probleme können auf unterschiedliche Weise gelöst werden. Die Arbeit wurde von vielen Wissenschaftlern in mehreren Richtungen gleichzeitig durchgeführt. Vor allen anderen hatte jedoch der amerikanische Physiker Theodor Meiman, der 1960 den ersten Laser auf Rubinbasis entwickelte, das Glück, das hochgesteckte Ziel zu erreichen.
Die Essenz des Betriebs eines Rubinlasers ist wie folgt. Die Energie der Stromquelle wird von der Anregungsquelle in ein elektromagnetisches Feld umgewandelt, das den Wirkstoff bestrahlt. Durch diese Bestrahlung geht der Wirkstoff von einem Gleichgewichtszustand in einen angeregten Zustand über. Die innere Energie des Wirkstoffs steigt deutlich an. Dieser Vorgang wird als "Pumpen" oder "Pumpen" des Wirkstoffs bezeichnet, und die Anregungsquelle wird als Quelle des "Pumpens" oder "Pumpens" bezeichnet. Wenn die Atome des Wirkstoffs in einen angeregten Zustand übergehen, reicht es aus, dass ein Elektron aus irgendeinem Grund aus der oberen Ebene entweicht, so dass es beginnt, ein Lichtphoton zu emittieren, das wiederum mehrere Elektronen aus der Ebene fallen lässt oberen Niveau, was eine lawinenartige Energiefreisetzung durch die restlichen angeregten Elektronen bewirkt. Ein offener Resonator wird die Strahlung des Wirkstoffs nur in eine Richtung lenken und verstärken. Als Wirkstoff verwendete Meiman einen künstlichen Rubin (Rubin ist eine kristalline Substanz aus Aluminiumoxid, bei der einige der Aluminiumatome durch Chromatome ersetzt sind, was besonders wichtig ist, da nicht das gesamte Material, sondern nur Chrom Ionen, nimmt an der Lichtabsorption teil). Der Anregungsgenerator bestand aus drei Blöcken: einem Strahlkopf, einer Stromversorgungseinheit und einer Starteinheit. Der emittierende Kopf schuf die Voraussetzungen für die Wirkung des Wirkstoffs. Das Netzteil lieferte Energie zum Laden von zwei Kondensatoren - dem Haupt- und dem Hilfskondensator. Der Hauptzweck der Triggereinheit bestand darin, einen Hochspannungsimpuls zu erzeugen und an die Triggerelektrode der Blitzlampe anzulegen. Der Strahlerkopf bestand aus einem Rubinstab und zwei U-förmigen Blitzlampen. Lampen waren Standard, gefüllt mit Xenon. Von allen Seiten waren die Lampen und der Rubinstab mit Aluminiumfolie bedeckt, die die Rolle eines Reflektors spielte. Der Kondensator sammelte und legte eine gepulste Spannung von etwa 40 Volt an, was einen starken Lampenblitz verursachte. Der Blitz versetzte die Atome des Rubins augenblicklich in einen angeregten Zustand. Für den nächsten Puls war eine neue Ladung des Kondensators notwendig.
Dieses im Allgemeinen sehr einfache Gerät erregte großes Interesse. Wenn die Essenz der Entdeckung von Basov und Townes nur Spezialisten klar war, machte der Meiman-Laser selbst auf Uneingeweihte einen großen Eindruck. In Anwesenheit von Journalisten schaltete Meiman wiederholt sein Gerät ein und demonstrierte seine Funktionsweise. Gleichzeitig wurde aus dem Loch am Ende ein Strahl emittiert, nicht dicker als ein Bleistift. Fast ohne sich auszudehnen, lehnte es an der Wand und endete in einem blendenden runden Fleck. Meiman war anderen Erfindern jedoch nur geringfügig voraus. Es verging nicht viel Zeit, und von allen Seiten kamen Berichte über die Entwicklung neuer Lasertypen. Neben Rubin können viele andere Verbindungen als Wirkstoff in Lasern verwendet werden, z. B. Strontiumfluorid mit Verunreinigungen, Bariumfluorid mit Verunreinigungen, Glas usw. Sie könnten genauso gut Gas sein. Im selben Jahr 1960 wurde von Ali Javan ein auf Helium-Neon basierender Gaslaser entwickelt. Der angeregte Zustand des Gasgemisches wurde durch ein starkes elektrisches Feld und Gasentladungen erreicht. Allerdings haben sowohl Festkörper- als auch Gaslaser einen sehr geringen Wirkungsgrad. Ihre Ausgangsenergie übersteigt nicht 1% der verbrauchten. Folglich werden die restlichen 99 % nutzlos ausgegeben. Daher wurde die Erfindung des Halbleiterlasers im Jahr 1962 durch Basov, Krokhin und Popov sehr wichtig.
Sowjetische Physiker entdeckten, dass, wenn Halbleiter von einem elektrischen oder Lichtimpuls beeinflusst werden, einige der Elektronen ihre Atome verlassen und hier "Löcher" entstehen, die die Rolle positiver Ladungen spielen. Die gleichzeitige Rückkehr von Elektronen in die Umlaufbahnen von Atomen kann als Übergang von einem höheren Energieniveau zu einem niedrigeren angesehen werden, wodurch Photonen emittiert werden. Die Effizienz eines Halbleiterlasers kann bei Anregung durch einen Elektronenstrahl 40 % erreichen. Als Wirkstoff wurde Galliumarsenid verwendet, das Verunreinigungen vom n-Typ enthielt. Aus diesem Material wurden Rohlinge entweder in Form eines Würfels oder in Form eines Quaders - der sogenannten Halbleiterdiode - hergestellt. Die Diodenplatte wurde auf ein mit Gold beschichtetes Molybdänblech gelötet, um einen elektrischen Kontakt mit dem n-Bereich herzustellen. Auf der Oberfläche des p-Bereichs wurde eine Legierung aus Gold mit Silber abgeschieden. Die Enden der Diode spielten die Rolle eines Resonators, daher wurden sie sorgfältig poliert. Gleichzeitig wurden sie während des Polierprozesses mit hoher Genauigkeit parallel zueinander platziert. Die Strahlung kam genau aus diesen Seiten der Diode heraus. Die Ober- und Unterseite dienten als Kontakte, an die Spannung angelegt wurde. Impulse wurden an den Eingang des Geräts angelegt. Laser traten sehr schnell in das menschliche Leben ein und wurden in vielen Bereichen der Technik und Wissenschaft eingesetzt. Ihre industrielle Produktion begann 1965, als allein in Amerika mehr als 460 Unternehmen mit der Entwicklung und Herstellung von Lasersystemen begannen. Autor: Ryzhov K.V.
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