Главная

О задачах и целях

Исследования космоса

Экономическая модель

Приборостроение космоса

Исследования генома

Приборостроение генома

Диссертации и научные работы

Программа по космосу

Программа по геному

Интернет-журнал

Дайджест прессы

Выставки и партнеры

Партнерам

Экология

Контакты

 Лазеры

Развитие производства лазеров

Первый лазер появился в 1960 году, но его основой стали труды А. Эйнштейна 1916 года, «Испускание и поглощение лучей по квантовой теории» и «К квантовой теории излучения».

Эйнштейн показал, что существуют два различных процесса испускания энергии молекулами вещества: обычное (самопроизвольное) и и существующий под воздействием излучения окружающей молекулы среды. Позже, в 1927-30 годах его обосновал П. Дирак. Само слово лазер — это начальные буквы английского «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation», в переводе на русский это - усиление света вынужденным излучением. Еще его можно назвать оптическим квантовым генератором.

Энергия атома или молекулы квантуется, - то есть энергия не изменяется непрерывно, а принимает лишь некоторые определенные значения. Этим значениям соответствуют энергетические уровни, поэтому обычно говорят атом (молекула, электрон) находится на таком-то энергетическом уровне. При переходе на другой уровень поглощается или испускается квант света, или фотон. Энергия поглощаемого или испускаемого фотона равна разности уровней энергии, между которыми осуществляется переход (есть много таблиц, в которых данные по уровням уже рассчитаны, но энергия фотона есть hv, где h — постоянная Планка, 6,6 ^.10^-34 Дж с, v — частота излучения).

Для того, чтобы понять, как работает лазер, представьте себе атом. Число молекулярных энергетических уровней у него равно номеру периода, на котором он расположен в таблице Менделеева. Атом, который имеет только 2 энергетических уровня имеет изначальную энергию этих уровней Е₁ и Е_2, Пусть Е₁ меньше, чем Е₂. Вещество будем облучать фотонами с частотой Е₂ - Е₁ и энергией (Е₂ — Е₁)/h.

Если атом находится на нижнем энергетическом уровне, он просто поглощает фотон (квант света) и переходит на верхний, его энергия становится больше. Если он снова получит фотон, то перейдет из-за его воздействия на нижний, но при этом испускает фотон, точную копию того, который инициировал переход на нижний. И эта модель называется вынужденным испусканием. Когда процесс происходит не в одном атоме, а в материале, появляется лавина фотонов, которые летят в одном направлении с одной и той же энергией. А такой свет — когерентным (фотоны движутся во множестве в одном направлении).

Атом может и сам вернуться на прежний энергетический уровень сам, такая модель называется спонтанным испусканием.

Способ усиления излучения за счет вынужденного испускания был решен вначале в радиодиапазоне, точнее - в СВЧ (сверхвысоких частотах), о принципиальной возможности таких исследований сообщили в 1952 советские физики А. М. Прохоров и Н. Г. Басов в Физическом институте им. Лебедева АН СССР и Ч. Таунс из Колумбийского университета США, в 1954 году был разработан молекулярный генератор, мазер или «Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation». Хотя первый лазер, он был на рубине, разработал ученый из США Т. Мейман, 1960. А. Джаван, В. Бенет и Д. Эрриот получили генерацию оптического излучения в электрическом разряде смеси неона и гелия в том же году.

Исследования советского ученого В. А. Фабриканта решили еще одну задачу. Ведь в веществе атомы могут находиться на разных энергетических уровнях, но он предложил воспользоваться вспомогательным излучением для того, чтобы предварительно перебросить атомы с нижнего на верхний уровень. Уровень, а котором можно накопить много атомов в верхнем энергетическом состоянии называется долгоживущим, а сами атомы — активными центрами. Как пример можно привести гранат (иттритиево-алюминиевый гранат) с неодимом, который вводится в гранат в процессе изготовления.

Специальная лампа осветитель газоразрядной лампы возбуждает ионы неодима. Они накапливаются на 3 уровне, но сами быстро сваливаются на 2, при этом расходуя избыток энергии на нагревание кристалла граната. А потом энергия, нужная для перехода со 2 на 1 уровень вызывает лазерное излучение с большим выбросом фотонов. То есть лазер — не усилитель света, а его генератор.

Сама энергия называется накачкой. В случае с лампой — она световая, если она действует вспышками, - импульсная, различают еще и непрерывная накачка (постоянным светом).

Атомы могут выпускать фотоны в разные стороны, поэтому для того, чтобы направить большую их часть в нужную сторону, используются резонаторы. Например, они могут быть подобны зеркалам, параллельным друг другу (гранат с неодимом внутри), так фотоны, которые оказываются между зеркалами резонатора отражаются от них, накапливая внутри большую лавину фотонов, которые движутся в одном направлении.

Так работает принципиальная схема лазера, которая состоит из устройства накачки, активного элемента и резонатора. В 1957 году В. А. Фабрикант и Ф. А. Бутаева наблюдали эффект оптического квантового усиления в опытах с электрическим разрядом в смеси паров ртути, водорода, гелия.

Активным элементом могут быть диэлектрические кристаллы, специальные стекла, полупроводники, жидкие растворы красителей, газовые смеси. Развиваются способы создания материалов, которые создают уровни, между которыми в материале будет возможен индуцированный лазерный переход. Первые работы по теоретическому обоснованию полупроводникового лазера и условию его создания дали Н. Г. Басов, Б. М. Вула и Ю. М. Попова в 1959, принципы создания квантовых усилителей и генераторов в инфракрасном и видимом диапазонах были рассмотрены в 1960 Н. Г. Басовым, О. Н. Крохиным и Ю. М. Поповым. А первые полупроводинковые лазеры были созданы в СССР и США в 1962-63.

Сейчас сконструировано множество наномасштабных лазеров на квантовых ямах и квантовых проволоках. Гибридный лазер на точках и яме — это, например, InAs, находящийся в квантовой яме из InGaAs. Другая конструкция — квантовые InAs штрихи. Это — очень короткие квантовые проволоки, вытянутые в одном направлении (вытянутыми квантовыми точками).

В лазерах на диэлектрических кристаллах и стеклах используется оптическая накачка. Это лазеры на гранате с неодимом, стекле с неодимом, на рубине и множество других, но эти лазеры генерируют излучение в инфракрасном спектре на нескольких длинах волн, наиболее интенсивная — 1,06 мкм в первых двух материалах. Рубин (окись алюминия с небольшой примесью атомов хрома, они придают ему характерный розовый или красный цвет) имеет ионы хрома в качестве активных центров, лазер с их помощью генерирует излучение 0,69 мкм (красная линия).

В газоразрядных лазерах широко используют гелий-неоновый и СО₂ — лазер. В гелий-неоновом роль активных центров выполняют атомы неона, этот лазер генерирует волны на длинах 3, 39 мкм, 1, 15 мкм, 0,63 мкм — эта генерация (красная линия) наиболее интересна.

В СО₂ лазере среда состоит из молекул азота и углекислого газа, активные центры - СО₂. Этот инфракрасный лазер генерирует длины волн 9,6 и 10,6 мкм. Мощности моделей разнятся от 10^-2 -10^-3 до 1 кВт и больше (если его пучок будет 1 мм, интенсивность луча станет 10⁵ Вт/см, этого достаточно для того, чтобы плавить многие металлы. Для сравнения — интенсивность солнечного света вблизи земной поверхности, который Робинзон Крузо собирал линзой для того, чтобы разжечь огонь, составляет 0,1 Вт/см).

Когерентный свет лазера образуется за счет того, что техническими способами (резонатор) достигается, что большое количество фотонов при одинаковых параметрах волны имеет одинаковое направление. Это важно для того, чтобы если на пути потока поставить линзу, лучи можно сфокусировать практически в точку диаметром порядка длины световой волны. Линза на луч световой мощности 1 кВт при фокусировке луча на пятно 30 мкм даст интенсивность порядка 10¹⁰ Вт/см Уже на 1985 год это было 1-10 мкм, угол расхождения луча мог быть доведен до наименьшего значения, определяемого дифракцией света (его значение, измеряемое в радианах равно отношению длины волны излучения к к диаметру апертуры светового пучка). Длина волны излучения измеряется микрометрами, диаметр апертуры пучка- миллиметрами, угол расходимости может составить до 10^-3 рад или около угловой минуты. Когерентный лазерный пучок монохроматичен (длины волн одинаковые, значит и цвет света похож) разброс частоты светового пучка в том же 1985 мог быть 10^-6 — 10^-8, в исключительных случаях 10^-10. Наноуровень — это 10^-9, поэтому исследования в этом направлении и с применением лазера и с изобретением конструктивных вариантов его разнообразных конструкций находится и сейчас в области перспективных разработок.

Как управляют лучом лазера

Гелий-неоновый лазер работает так, что его свет виден. Луч СО₂ - лазера невидим. Лазеры иногда генерируют непрерывный световой пучок, а чаще — импульсы.

Вспышки лазера на рубине могут быть 10^-3 с, энергия 10-100 Дж, максимальная мощность 10⁴ — 10⁵ Вт. Уменьшают длительность вспышки, одновременно увеличивают мощность лазера. Для этого управляют потерями внутри резонатора лазера. Можно сделать так, что вместо гигантского импульса генерируются сверхкороткие или пикосекундные (10^-12 с), она следуют друг за другом с интервалом 10^-9 с. Регулярные последовательности импульсов бывают до 10 кГц (10 тыс импульсов в секунду).

Регулируется длительность лазерных импульсов, частота, энергия и мощность (она зависит от частоты), плавное измерение частоты. Управление лазером включает фокусирование пучка на мишени, отклоняют лазерный луч в пространстве, расщепляют луч на несколько пучков. Лучом управляют вне резонатора и внутри. Внутрирезонаторное регулирование управляет параметрами лазерных импульсов, внерезонаторное используют для отклонения, расщепления, фокусировки светового луча и изменения частоты.

Оптический затвор в лазере используется для того, чтобы больше атомов перешло на долгоживущий уровень, но без его открытия не началась реакция перехода с излучением. Открытие затвора дает мощный выброс фотонов, например, с длительностью 10^-8с, максимальной мощностью 10⁸ Вт.

Самый простой оптический затвор можно поставить как быстро вращающееся зеркало, ось вращения перпендикулярна оси резонатора. Но даже с самым быстрым вращением оно сможет дать время переключения 10^-7с, потому что технически заставить зеркало вращаться быстрее нельзя.

Поэтому разрабатывают электрооптические затворы, которые используют быстрое и обратимое изменение преломляющих свойств кристаллов под действием внешнего электрического поля.

Знания о решетках в современных исследованиях дают интереснейшие возможности для поиска и создания материалов, в которых одни элементы конструктивно укладываются в решетке так, чтобы ее свойства дали общей новой композиции какие-то особенные отдельные свойства. Собственно, большая часть нанотехнологий и поиска способа созданий пленок из разных материалов уже дали кремниевые материалы компьютеров с огромными возможностями точных действий над ними и ими. А их дальнейшая разработка и варьирование способами влияния — огромный пласт технологий с точно определенными новыми свойствами. В физике полупроводников даже используется понятие сверхрешётка, которое описывает искусственные конструкции пленок, твердотельную структуру, в которой помимо периодического потенциала кристаллической решётки имеется дополнительный потенциал, период которого существенно превышает постоянную решётки. Они бывают композиционные, легированные, спиновые, сделанные путем модуляции плоскости с поверхностным зарядом, потенциал в которых создаётся периодической деформацией образца в поле мощной ультразвуковой или стоячей световой волны. Изучаются структуры со множественными квантовыми зарядами, осциллирующимися электронами (осцилляции Блоха), существуют также магнитные сверхрешётки и сегнетоэлектрические сверхрешётки.

Самые интересные, естественно, в науке, они могут и дать новые компьютерные компоненты, сложные — понять природу «конструкций» и «сопротивления материалов» на уровне атомов, частиц и сил на этом уровне, - исследования дадут возможность в будущем открыть перелеты в дальний космос и сверхтонкое восстановление.

Научные стажировки в области электронной микроскопии проводит институт РАН Органическй химии Н.Д. Зелинского, раз в месяц принимаются заявки на исследования на микроскопах института, стажировки (2 дня на исследования) на 2013 год оплачивает институт.

Источники:

Л. В. Тарасов Лазеры: действительность и надежды, Библиотечка «Квант», выпуск 42, Москва, Наука, главная редакция физико-математической литературы, 1985.

Википедия. Статья Лазер.

Уже сейчас у нас вы можете заказать исследования, которые будут сделаны космонавтами России на орбите, e-mail: npoat@mail.com.