Реферат: Лазер

РЕФЕРАТ

з предмету «Квантова фізика»

на тему:

«Лазер»

Зміст

І Вступ.

ІІ Квантова теорія як передісторія виникнення лазера.

ІІІ Дослідження радянських та американських вчених вгалузі лазерної фізики.

ІV Висновок.

Використаналітература.

Вступ

Лазери за порівняно невеликий час ввійшли в життя та побутлюдини. Створенню лазера передувала довга історія. Винайденню цього корисногопристрою людство повинно завдячувати радіофізикам а саме Олександру Прохоровута Миколі Басову. Завдяки дослідженням цих вчених була відкрита нова сторінка вісторії технічної науки. Звісно, з часом дослідження радянських вчених в своючергу поповнювалися новими ідеями американських фізиків, які все більшевдосконалювали даний пристрій. Перший лазер на рубіновій основі створенийамериканським вченим Мейманом справив величезне враження на оточуючих. В якостіактивної речовини в лазерах крім рубіна можуть використовуватися і багато іншихсполук.

Цікавим є винайдення Джавою газового лазера. Проте,найбільш важливим врешті-решт стало винайдення у 1962 році радянськими фізикаминапівпровідникового лазера.

ІІ Квантова теорія як передісторіявиникнення лазера.

Незважаючи на порівняно простий пристрій лазера, процеси,що лежать в основі його роботи, надзвичайно складні й не піддаються поясненню зпогляду класичних законів фізики. Із часів Максвела й Герца в науці утвердилосявчення про те, що електромагнітне й, зокрема, світлове випромінювання маєхвильову природу. Ця теорія добре пояснювала більшість спостережуваних оптичнихі фізичних явищ. Але вже наприкінці XIX століття були отримані деякіекспериментальні дані, що не підходили під цю теорію. (Наприклад, зовсімнезрозумілим з погляду класичних поглядів про хвильову природу світлавиявлялося явище фотоефекту.) В 1900 році відомий німецький фізик Макс Планк,намагаючись пояснити природу цих відхилень, зробив припущення, що випущенняелектромагнітного випромінювання й, зокрема, світла відбувається не безперервно,а окремими мікроскопічними порціями. В 1905 році Ейнштейн, розробляючи теоріюфотоефекту, підкріпив ідею Планка й переконливо показав, що електромагнітневипромінювання дійсно випускається порціями (ці порції стали називати квантами),причому надалі, у процесі поширення, кожна порція зберігає свою«індивідуальність», не дробиться й не складається з іншими, та що поглинути їїможна тільки всю цілком. Із цього опису виходило, що кванти в багатьох випадкахповодяться не як хвилі, а як частки. Але при цьому вони не перестають бутихвилями (наприклад, квант не має маси спокою й існує тільки, рухаючись зішвидкістю 300 000 км/с), тобто їм властивий певний дуалізм.

/>/>Квантова теорія дозволила пояснити багато комуколись незрозумілі явища й, зокрема, природу взаємодії випромінювання з речовиною.Візьмемо простий приклад: чому тіло при нагріванні випромінює світло?Нагріваючи, скажемо, на газовому пальнику цвях, ми помітимо, що спочатку вінздобуває малинові кольори потім стане червоним. Якщо продовжувати нагрівання,то червоні кольори переходять у жовтий і потім у сліпуче білий. Таким чином,цвях починає випромінювати не тільки інфрачервоні (теплові), але й видиміпромені. Причина цього явища наступна. Всі тіла (і в тому числі наш цвях)складаються з молекул, а молекули складаються з атомів. Кожен атом являє собоюневелике дуже щільне ядро, навколо якого обертається більша або менша кількістьелектронів. Ці електрони рухаються навколо ядра не як потрапило, але кожний зних перебуває на своєму точно встановленому рівні; відповідно одні рівнірозташовуються ближче до ядра, а інші далі від нього. Ці рівні називаютьсяенергетичними, тому що кожний з розташованих на них електронів володіє своїмпевним, властивим тільки йому рівнем, енергією. Поки електрон перебуває насвоєму стаціонарному рівні, він рухається, не випромінюючи енергії. Такий станатома може тривати як завгодно довго. Але якщо атому повідомляється ззовніякась певна кількість енергії (як це відбувається при нагріванні цвяха), атом«збуджується». Суть цього порушення полягає в тому, що електрони поглинаютькванти випромінювання, що пронизує речовину (у нашому прикладі інфрачервонетеплове випромінювання газового пальника), здобувають їхню енергію й завдякицьому переходять на більш високі енергетичні рівні. Однак на цих більш високихрівнях електрони можуть перебувати лише дуже незначний час (тисячні й навітьмільйонні частки секунди). Після закінчення цього часу кожен електрон зновуповертається на свій стаціонарний рівень і при цьому випускає квант енергії(або, що те ж саме, хвилю певної довжини). Серед цих хвиль деякі виводяться навидимий діапазон (ці кванти видимого світла називаються фотонами;випромінювання фотонів збудженими атомами ми й спостерігаємо як світіннянагрітого цвяха). У нашому прикладі із цвяхом процес поглинання й випущенняквантів протікає хаотично. У складному атомі спостерігається велика кількістьпереходів електронів з верхніх рівнів на нижні, і при кожному з нихвідбувається випромінювання зі своєю частотою. Тому випромінювання йде відразув декількох спектрах й у різних напрямках, причому одні атоми випускаютьфотони, а інші поглинають їх.

Точно так само відбувається випущення квантів будь-якимнагрітим тілом. Кожне із цих тіл (будь то Сонце, дугове зварювання або ниткалампи накалювання) випускає одночасно безліч хвиль різної довжини (або, що тихже саме, квантів різної енергії). Саме тому, якою б зробленою лінзою або іншоюоптичною системою ми не володіли, нам ніколи не вдасться сфокусувативипромінювання, що випускається нагрітим тілом, у строго паралельний пучок — він завжди буде розходитися під деяким кутом. Це й зрозуміло — адже кожна хвилябуде переломлюватися в лінзі під своїм власним кутом; отже, ні при яких умовахми не зуміємо домогтися їхньої паралельності. Однак уже основоположникиквантової теорії розглянули й іншу можливість випромінювання, що не має місця вприродних умовах, але цілком може бути змодельована людиною. Справді, якбивдалося збудити всі електрони речовини, що належать до одного певногоенергетичного рівня, а потім змусити їхнім разом випустити кванти в одномунапрямку, то можна було б одержати надзвичайно потужний й у той же часвинятково однорідний імпульс випромінювання. При фокусуванні такого пучка(оскільки всі хвилі, його складові, мають ту саму довжину) можна було бдомогтися майже ідеальної паралельності променів. Уперше про можливості такого,як він його назвав, «стимульованого» випромінювання написав в 1917 році Ейнштейну роботах «Випущення й поглинання випромінювання по квантовій теорії» й «Доквантової теорії випромінювання».

Стимульоване випромінювання може бути, зокрема, досягнуто втакий спосіб. Уявимо собі тіло, електрони якого вже «перепорошені» іперебувають на верхніх енергетичних рівнях, і припустимо, що їх опромінюютьновою порцією квантів. У цьому випадку відбувається процес, що нагадує лавину.Електрони вже «перенасичені» енергією. У результаті додаткового опроміненнявони зриваються з верхніх рівнів і переходять лавиноподібно на нижні,випускаючи кванти електромагнітної енергії. Причому напрямок і фаза коливаньцих квантів збігається з напрямком і фазою падаючої хвилі. Відбувається нібиефект резонансного посилення хвилі, коли енергія вихідної хвилі будебагаторазово перевершувати енергію тієї, що була на вході. Але яким чиномдомогтися строгої паралельності випромінюваних фотонів? Виявляється, це можназробити за допомогою досить нескладного пристосування, що називається відкритимдзеркальним резонатором.

Розглянемо активну речовину, поміщену в трубці між двомадзеркалами: звичайним (ліворуч) і напівпрозорим (праворуч). Фотони, щовипускаються речовиною, потрапляючи на напівпрозоре дзеркало, частковопроходять крізь нього. Інші відбиваються й летять у протилежному напрямку,потім відбиваються від лівого дзеркала (тепер уже всі) і знову досягаютьнапівпрозорого дзеркала. При цьому потік фотонів після кожного проходу череззбуджену речовину багаторазово підсилюється. Підсилюватися, втім, буде тількита хвиля, що переміщається перпендикулярно дзеркалам; всі інші, які падають надзеркало хоча б з незначним відхиленням від перпендикуляра, не одержавшидостатнього посилення, залишають активну речовина через його стінки. Урезультаті вихідний потік має дуже вузьку спрямованість. Саме такий принциподержання стимульованого випромінювання лежить в основі дії лазерів (саме словолазер складене з перших букв англійського визначення що означає: посиленнясвітла за допомогою стимульованого випромінювання). Створенню цього чудовогопристрою передувала довга історія.

ІІІ Дослідження радянських та американськихвчених в галузі лазерної фізики.

/>/>Цікаво, що винаходом лазера техніка зобов'язанафахівцям на перший погляд далеким як від оптики, так і від квантовоїелектродинаміки, а саме — радіофізикам. Однак у цьому є своя глибоказакономірність. Колись уже говорилося, що з початку 40-х років радіофізикивсього миру трудилися над освоєнням сантиметрового й міліметрового діапазонухвиль, оскільки це дозволяло значно спростити й зменшити апаратуру, особливоантенні системи. Але незабаром виявилося, що колишні лампові генератори наврядчи можна пристосувати для роботи в нових умовах. З їхньою допомогою із зусиллямиудавалося генерувати хвилі в 1мм (при цьому частота електромагнітних коливань уцих генераторах досягала декількох мільярдів за одну секунду), але створеннягенераторів для ще більш коротких хвиль виявилося неможливим. Необхідний бувпринципово новий метод генерації електромагнітних хвиль.

Саме в цей час радянські радіофізики Олександр Прохоров іМикола Басів зайнялися вивченням дуже цікавої проблеми — поглинанням радіохвильгазами. Ще під час війни було виявлено, що хвилі деякої довжини, випущені радаром,не відбиваються, як інші, від навколишніх предметів і не дають «луни».Наприклад, пучок хвилі довжиною 1,3см. немов розчинявся в просторі — виявилося,що хвилі цієї довжини активно поглинаються молекулами водяної пари. Пізнішез'ясувалося, що кожен газ поглинає хвилі певної довжини таким чином, немов йогомолекули якось «настроєні» на нього. Від цих дослідів був тільки крок донаступної ідеї: якщо атоми й молекули здатні поглинати хвилі певної довжини,виходить, вони можуть і випромінювати їх, тобто виступати в ролі генератора.Так народилася думка створити газовий генератор випромінювання, у якому б замістьелектронних ламп як джерел випромінювання використалися мільярди молекулособливим чином збудженого газу. Перспективи такої роботи здавалися дуже привабливими,оскільки виникала можливість освоїти для потреб радіотехніки не тільки діапазонмікрохвильових частот, але й набагато більше коротких, наприклад, діапазонвидимих хвиль (довжина хвиль видимого світла 0,4-0,76 мікрон, що відповідаєчастоті порядку тисяч мільярдів коливань у секунду).

Найважливіша проблема на цьому шляху полягала в тому, якстворити активне середовище. Басів і Прохоров вибрали для цього аміак. Щобзабезпечити роботу генератора, необхідно було відокремити активні молекулигазу, атоми яких перебували в збудженому стані, від не збуджених, атоми якихбули орієнтовані на поглинання квантів. Схема установки, розроблена для цієїмети, являла собою посудину, у якому був створений вакуум. У цю посудинувпускався тонкий пучок молекул аміаку. На їхньому шляху був установленийконденсатор високої напруги. Молекули більших енергій вільно пролітали черезйого поле, а молекули малих енергій захоплювалися убік полем конденсатора. Таквідбувається сортування молекул по енергіях. Активні молекули попадали врезонатор, влаштований так само, як той, що був описаний вище.

 Перший квантовий генератор був створений в 1954 році. Вінмав потужність усього в одну мільярдну вата, так що його роботу моглизареєструвати тільки точні прилади. Але в цьому випадку набагато важливіше булоте, що підтвердилася принципова правильність самої ідеї. Це була чудоваперемога, що відкрила нову сторінку в історії техніки. У ті ж дні вКолумбійському університеті група американського радіофізика Чарльза Таунсастворила аналогічний прилад, що одержав назву «мазер». (В 1963 р. Басів,Прохоров і Таунс за своє фундаментальне відкриття одержали Нобелівську премію).

Квантовий генератор Басова-Прохорова й мазер Таунса ще небули лазерами — вони генерували радіохвилі довжиною 1,27см., а лазеривипускають електромагнітні хвилі видимого діапазону, які в десятки тисяч разівкоротше. Однак принцип роботи обох приладів однаковий, тому творцем лазерапотрібно було вирішити тільки окремі завдання. По-перше, необхідно було знайтипідходящу активну речовину, що могла б переходити в збуджений стан, тому що невсяка речовина має таку властивість. По-друге, створити джерело порушення,тобто такий пристрій, що має здатність переводити активну речовину в збудженийстан за допомогою надання йому додаткової енергії. По-третє, був потрібнийвідкритий резонатор для того, щоб змусити брати участь у порушенні всі збудженічастки активної речовини, а також для того, щоб підсилити тільки ті коливання,які поширюються вздовж поздовжньої осі активної речовини. По-четверте, булонеобхідне джерело живлення, для того щоб підтримувати енергією джерело порушення,інакше лазер не став би працювати. Вирішити всі ці проблеми можна різнимиспособами. Роботи велися багатьма вченими відразу в декількох напрямках. Однакраніше інших пощастило досягти заповітної мети американському фізикові Мейману,що в 1960 році створив перший лазер на рубіновій основі.

/>Сутність роботи цього лазера полягає в наступному. Енергія від джерела живленняперетвориться джерелом порушення в електромагнітне поле, яким опромінюєтьсяактивна речовина. У результаті цього опромінення активна речовина переходить зістану рівноваги в збуджений стан. Внутрішня енергія активної речовини значнозростає. Цей процес зветься «накачування» або «підкачування» активної речовини,а джерело збуджується називається джерелом «накачування» або «підкачування».Коли атоми активної речовини перейдуть у збуджений стан, досить одномуелектрону зірватися з верхнього рівня, щоб він почав випускати фотон світла,що, у свою чергу, скине кілька електронів з верхнього рівня, чим викличелавиноподібне виділення енергії іншими збудженими електронами. Відкритийрезонатор направить і підсилить випромінювання активної речовини тільки водному напрямку. Як активна речовина Мейман використав штучний рубін (рубінявляє собою кристалічну речовину, що складається з оксиду алюмінію, у якомучастина атомів алюмінію заміщена атомами хрому, що особливо важливо, тому що впоглинанні світла бере участь не весь матеріал, а тільки іони хрому).

Генератор порушення складався із трьох блоків: випромінюючоїголівки, блоку живлення й блоку запуску. Випромінююча голівка створювала умовидля роботи активної речовини. Блок живлення забезпечував енергією заряд двохконденсаторів — основного й допоміжного.

Головним призначенням блоку запуску було генеруванняімпульсу високої напруги й подача його на електрод, що запускає лампу-спалах.Випромінююча голівка складалася з рубінового стрижня й двох п-подібнихламп-спалахів. Лампи були стандартними, наповненими ксеноном. З усіх боківлампи і рубіновий стрижень охоплювала алюмінієва фольга, що грала рольрефлектора. Конденсатор накопичував і подавав імпульсну напругу порядку 40тисяч вольт, що викликало потужний спалах ламп. Спалах миттєво переводив атомирубіна в збуджений стан. Для наступного імпульсу необхідна була нова зарядкаконденсатора. Це взагалі дуже простий пристрій викликав до себе величезнийінтерес. Якщо суть відкриття Басова й Таунса була зрозуміла лише фахівцям, толазер Меймана робив величезне враження навіть на непосвячених. У присутностіжурналістів Мейман неодноразово включав свій прилад і демонстрував його роботу.При цьому з отвору в торці випускався промінь, товщиною не більше олівця. Майжене розширюючись, він упирався в стіну, закінчуючись сліпучою круглою цяткою.Втім, Мейман лише незначно випередив інших винахідників. Пройшло зовсімнебагато часу, і повідомлення про створення нових типів лазерів стали надходитиз усіх боків.

Як активна речовина в лазерах крім рубіна можутьвикористовуватися й багато інших сполук, наприклад, фтористий стронцій здомішками, фтористий барій з домішками, скло і т.д. Ним  може бути й газ. Утому ж 1960 році газовий лазер на гелій-неоновій основі створив Джавана.Збуджений стан газової суміші досягався за рахунок сильного електричного поля йгазових розрядів. Однак як твердотільні, так і газові лазери мають дуже низькийККД. Їхня вихідна енергія не перевищує 1% від спожитої. Отже, інші 99%витрачаються даремно. Тому дуже важливим стало винайдення в 1962 році Басовим,Крохіним і Поповим напівпровідникового лазера. Радянські фізики відкрили, щоякщо на напівпровідників впливати електричним або світловим імпульсом, точастина електронів покине свої атоми, і тут утворяться «дірки», які відіграютьроль позитивних зарядів. Одночасне повернення електронів на орбіти атомів можнарозглядати як перехід з більш високого енергетичного рівня на більш низький, зарахунок чого відбувається випромінювання фотонів. ККД напівпровідниковоголазера при порушенні електронним пучком може досягати 40%. Як активна речовинавикористовувався арсенід галію, що містить домішки п-типу. Із цього матеріалуробилися заготовки або у формі куба, або у формі паралелепіпеда — так званийнапівпровідниковий діод. Пластинку діода припаювали до молібденового пелюстка,покритого золотом, щоб забезпечити електричний контакт із п-областю. Наповерхню п-області був нанесений сплав золота зі сріблом. Торці діодавідігравали роль резонатора, тому вони ретельно полірувалися. Одночасно впроцесі полірування їх з високою точністю виставляли паралельно один одному.Випромінювання виходило саме із цих сторін діода. Верхня й нижня сторонислужили контактами, до яких прикладалася напруга. На вхід приладу подавалисяімпульси.

Довгий час винахідники лазера не могли отримати патент навикористання цього пристрою у практиці. Проте, у 1962 році завдяки роботамрадянських фізиків Басова та Попова вдалося отримати дозвіл на використання.

Лазери дуже швидко ввійшли в життя людини й стализастосовуватися в багатьох областях техніки й науки. Їхній промисловий випускпочався в 1965 році, коли тільки в Америці більше 460 компаній взялися зарозробку й створення лазерних установок.