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技术历史、技术、我们身边的事物
激光。 发明和生产的历史
激光器（英文laser，光放大受激发射的缩写），或称光量子发生器，是一种将泵浦能量（光、电、热、化学等）转换成相干能量、单色、偏振的装置。和窄定向辐射通量。 激光操作的物理基础是强迫（感应）辐射的量子力学现象。 激光辐射可以是连续的、恒定的功率，也可以是脉冲的，达到极高的峰值功率。 在一些方案中，激光工作元件被用作来自另一个源的辐射的光学放大器。 有许多类型的激光器使用所有聚集态的物质作为工作介质。 某些类型的激光器，例如染料溶液激光器或多色固态激光器，可以在很宽的光谱范围内产生一定范围的频率（光腔模式）。 激光器尺寸范围从一些半导体激光器的微小尺寸到一些钕玻璃激光器的足球场大小。 激光辐射的独特特性使其可以在科学技术的各个领域以及日常生活中使用，从读取和写入 CD 到受控热核聚变领域的研究。
尽管激光器的装置相对简单，但其操作的过程却极其复杂，无法用经典的物理定律来解释。 自麦克斯韦和赫兹时代以来，科学已经确立了电磁辐射，特别是光辐射具有波动性质的观点。 这个理论很好地解释了大多数观察到的光学和物理现象。 但早在 XNUMX 世纪末，就获得了一些不符合这一理论的实验数据。 例如，从关于光的波动性质的经典观点来看，光电效应现象被证明是完全不可理解的。 1900 年，著名的德国物理学家马克斯·普朗克试图解释这些偏差的性质，并假设电磁辐射，特别是光的发射不是连续发生的，而是在单独的微观部分中发生的。 1905年，爱因斯坦发展了光电效应理论，强化了普朗克的思想，并令人信服地证明电磁辐射确实是分部分发射的（这些部分开始被称为量子），后来，在传播过程中，每一部分都保留了自己的“个性”，不被压碎，不和别人叠加，所以只能完全吸收。 根据这个描述，事实证明，在许多情况下，量子的行为不像波，而是像粒子。 但同时，它们并没有不再是波（例如，一个量子没有静止质量，只存在以300000 km / s的速度运动），即它们具有一定的二元性。 量子理论使解释许多以前难以理解的现象成为可能，特别是辐射与物质相互作用的性质。 举个简单的例子：为什么物体受热会发光？ 加热，比如说，燃气燃烧器上的钉子，我们会注意到它首先获得深红色，然后变成红色。 如果继续加热，则红色变成黄色，然后变成耀眼的白色。 因此，指甲不仅开始发出红外线（热），而且开始发出可见光。 这种现象的原因如下。 所有的身体（包括我们的指甲）都是由分子组成的，而分子是由原子组成的。 每个原子都是一个很小的、非常致密的原子核，或多或少的电子围绕它旋转。 这些电子不会随机围绕原子核移动，但它们中的每一个都处于其精确设定的水平； 相应地，一些级别更靠近核心，而其他级别则远离核心。 这些能级被称为能级，因为位于它们上面的每个电子都有自己特定的、仅在这个能级上固有的能量。 当电子处于静止水平时，它会在不辐射能量的情况下移动。 原子的这种状态可以无限期地持续下去。 但是，如果从外部向原子施加一定量的能量（就像加热指甲时发生的那样），原子就会“兴奋”。 这种激发的本质是电子吸收穿透物质的辐射量子（在我们的例子中，燃气燃烧器的红外热辐射），获取它们的能量，并因此移动到更高的能级。 然而，电子只能在很短的时间内（千分之一甚至百万分之一秒）停留在这些更高的水平上。 在这段时间之后，每个电子再次返回到它的静止能级，同时发射一个能量量子（或者，同样的，一个一定长度的波）。 在这些波中，有些在可见光范围内（这些可见光的量子称为光子；我们观察到激发原子发射光子，就像加热的指甲发出的光一样）。 在我们的钉子示例中，量子的吸收和发射过程是混乱进行的。 在复杂的原子中，观察到大量电子从高能级到低能级的跃迁，每个电子都以自己的频率发射辐射。 因此，辐射同时在几个光谱和不同方向上传播，一些原子发射光子，而另一些则吸收它们。 同样，任何受热物体都会发出量子。 这些物体中的每一个（无论是太阳、电弧焊还是白炽灯的灯丝）都会同时发出许多不同长度的波（或者，同样的，不同能量的量子）。 这就是为什么，无论我们拥有多么完美的透镜或其他光学系统，我们永远无法将受热物体发出的辐射聚焦成严格平行的光束——它总是会以某个角度发散。 这是可以理解的——毕竟每个波都会以自己的角度在镜头中折射； 因此，在任何情况下，我们都无法实现它们的并行性。 然而，量子理论的创始人已经考虑了辐射的另一种可能性，这种可能性不会发生在自然条件下，但很可能是由人类模拟的。 的确，如果能够激发属于某一特定能级的物质的所有电子，然后迫使它们同时向一个方向发射量子，那么就有可能同时获得一个极其强大的极其均匀的辐射脉冲。 通过聚焦这样的光束（因为组成它的所有波都具有相同的长度），可以实现光束的几乎完美的平行度。 1917 年，爱因斯坦在他的著作《根据量子理论的辐射的发射和吸收》和《关于辐射的量子理论》中第一次写到了他称之为受激辐射的可能性。 受激发射尤其可以通过以下方式实现。 让我们想象一个物体，其电子已经“过度激发”并且处于较高能级，并假设它们被新的一部分量子照射。 在这种情况下，会发生类似于雪崩的过程。 电子已经被能量“过度饱和”。 由于额外的辐射，它们从上层分解并像雪崩一样向下层移动，释放出电磁能量的量子。 此外，这些量子的振荡方向和相位与入射波的方向和相位一致。 当输出波的能量将多次超过输入波的能量时，就会产生波的谐振放大效应。 但是如何实现发射光子的严格并行性呢？ 事实证明，这可以通过一个非常简单的设备来完成，称为开放式镜面谐振器。 它由放置在两个镜子之间的管中的活性物质组成：一个普通的镜子和一个半透明的镜子。
物质发射的光子落在半透明的镜子上，部分穿过它。 其余的被反射并朝相反的方向飞行，然后从左侧镜子（现在全部）反射并再次到达半透明镜子。 在这种情况下，每次通过激发物质后的光子通量都会大大增强。 然而，只有垂直于镜子移动的波会被放大； 落在镜子上的所有其他物质至少与垂直线有轻微偏差，没有得到足够的放大，将活性物质通过其壁留下。 结果，输出流具有非常窄的方向性。 正是这种获得受激发射的原理构成了激光器工作的基础（laser这个词本身是由英文对light enhancement by受激发射和radiation的定义的第一个字母组成，意思是受激发射对光的放大）。 这个非凡的设备的创造之前有很长的历史。 奇怪的是，激光的发明要归功于那些乍一看远离光学和量子电动力学的专家，即无线电物理学家。 然而，这有它自己的深层模式。 之前已经说过，自 40 年代初以来，世界各地的无线电物理学家一直致力于掌握厘米和毫米波范围，因为这可以显着简化和减少设备，尤其是天线系统。 但很快就发现，旧的管式发电机很难适应新条件下的工作。 在他们的帮助下，几乎不可能产生 1 毫米的波（这些发电机中的电磁振荡频率达到每秒数十亿次），但事实证明，制造更短波的发电机是不可能的。 需要一种用于产生电磁波的全新方法。 就在那个时候，苏联无线电物理学家亚历山大·普罗霍罗夫和尼古拉·巴索夫开始研究一个非常有趣的问题——气体对无线电波的吸收。 即使在战争期间，人们也发现雷达发出的一定长度的波不会像其他人一样从周围的物体反射，也不会产生“回声”。 例如，一束 1 厘米的光束似乎在太空中溶解——事实证明，这种长度的波被水蒸气分子主动吸收。 后来事实证明，每种气体都以某种方式吸收一定长度的波，使其分子以某种方式“调谐”到它。 从这些实验中，离下一个想法只有一步：如果原子和分子能够吸收一定长度的波，那么它们也可以发射它们，即充当发电机。 因此，产生了创建辐射气体发生器的想法，其中将使用数十亿个特殊激发气体分子代替电子管作为辐射源。 这项工作的前景似乎非常诱人，因为它不仅可以满足无线电工程的需要，还可以掌握微波的范围，还可以掌握更短的范围，例如可见波的范围（可见光的波长是0-4 微米，相当于每秒数千亿次振动的频率）。 一路走来最重要的问题是如何创造一个活跃的环境。 Basov 和 Prokhorov 选择了氨。 为了保证发生器的运行，必须将原子处于激发态的活性气体分子与原子朝向吸收量子的未激发气体分子分开。 为此目的开发的安装方案是一个在其中产生真空的容器。 将一束细氨分子束放入该容器中。 他们的路径中安装了一个高压电容器。 高能分子在其场中自由飞行，而低能分子则被电容器的场带走。 这就是分子按能量分类的方式。 活性分子进入以与上述相同方式设计的谐振器。 第一台量子发生器创建于 1954 年。 他的功率只有十亿分之一瓦，所以只有精密的仪器才能记录他的工作。 但在这种情况下，更重要的是要确认这个想法本身的基本正确性。 这是一场非凡的胜利，开启了科技史上的新一页。 同一天，在哥伦比亚大学，一群美国放射物理学家查尔斯·唐斯（Charles Towns）创造了一种类似的装置，称为“微波激射器”。 （1963 年，巴索夫、普罗霍罗夫和汤斯因他们的基本发现而获得诺贝尔奖。） Basov-Prokhorov 量子发生器和 Towns 微波激射器还不是激光器——它们产生 1 厘米长的无线电波，而激光器发出的电磁波在可见范围内，比它短几万倍。 然而，这两种设备的工作原理是相同的，因此激光器的创造者只需要解决特定的问题。 首先，有必要找到一种合适的可以进入激发态的活性物质，因为并非每种物质都具有这种特性。 其次，创建激发源，即能够通过赋予活性物质额外的能量来将活性物质转移到激发态的装置。 第三，需要一个开放式谐振器，以迫使活性物质的所有激发粒子参与激发，并且仅放大那些沿活性物质纵轴传播的振动。 第四，需要一个电源来激励激发源，否则激光器将无法工作。 所有这些问题都可以通过不同的方式解决。 许多科学家同时从多个方向进行了这项工作。 然而，在 1960 年创造了第一台基于红宝石的激光器的美国物理学家西奥多·梅曼（Theodor Meiman）幸运地比其他人更早地实现了这一珍贵的目标。
红宝石激光器的操作本质如下。 来自电源的能量被激发源转换成电磁场，该电磁场照射活性物质。 作为该照射的结果，活性物质从平衡状态转变为激发状态。 活性物质的内能显着增加。 这个过程称为“泵送”或“泵送”活性物质，激发源称为“泵送”或“泵送”源。 当活性物质的原子进入激发态时，一个电子由于某种原因从上能级逸出就足够了，因此它开始发射一个光子，这反过来又会从上层中释放出几个电子。上层，这将导致其余受激电子产生雪崩般的能量释放。 开放式谐振器将仅在一个方向上引导和放大活性物质的辐射。 美曼使用人造红宝石作为活性物质（红宝石是一种由氧化铝组成的结晶物质，其中部分铝原子被铬原子取代，这一点尤为重要，因为不是所有的材料，而只有铬离子，参与光的吸收）。 励磁发生器由三个部分组成：辐射头、电源单元和发射单元。 发射头为活性物质的运行创造了条件。 电源为两个电容器（主电容器和辅助电容器）的充电提供能量。 触发单元的主要目的是产生高压脉冲并将其施加到闪光灯的触发电极上。 发射头由一根红宝石棒和两个U形闪光灯组成。 灯是标准的，充满了氙气。 从四面八方来看，灯具和红宝石棒都被铝箔包裹着，起到了反光板的作用。 电容器累积并施加约 40 万伏的脉冲电压，从而引起强烈的灯闪光。 闪光瞬间将红宝石的原子转移到了激发态。 对于下一个脉冲，电容器需要重新充电。
总的来说，这个非常简单的设备引起了极大的兴趣。 如果说巴索夫和唐斯发现的本质只有专家才清楚，那么即使是外行，梅曼激光也会给人留下深刻的印象。 在记者在场的情况下，梅曼反复打开自己的设备并演示其操作。 与此同时，一道光束从最后的洞口中射出，不超过一支铅笔的粗细。 几乎没有膨胀，就靠在墙上，最后是一个耀眼的圆形光斑。 然而，梅曼仅略领先于其他发明家。 没过多久，关于创建新型激光器的报道开始从四面八方传来。 除红宝石外，还有许多其他化合物可用作激光中的活性物质，例如含杂质的氟化锶、含杂质的氟化钡、玻璃等。 它们可能是气体。 在同一个 1960 年，Ali Javan 创造了一种基于氦氖的气体激光器。 气体混合物的激发态是通过强电场和气体放电实现的。 然而，固态和气体激光器的效率都非常低。 它们的输出能量不超过消耗能量的1%。 因此，剩下的 99% 就白费了。 因此，Basov、Krokhin 和 Popov 在 1962 年发明的半导体激光器变得非常重要。
苏联物理学家发现，如果半导体受到电或光脉冲的影响，那么一些电子会离开它们的原子，在这里形成“空穴”，起到正电荷的作用。 电子同时返回原子轨道可以被认为是从较高能级到较低能级的跃迁，由此发射光子。 当被电子束激发时，半导体激光器的效率可以达到 40%。 含有n型杂质的砷化镓用作活性物质。 用这种材料制成的坯料要么制成立方体形式，要么制成平行六面体形式——即所谓的半导体二极管。 将二极管板焊接到涂有金的钼片上，以提供与 n 区的电接触。 金与银的合金沉积在p区的表面上。 二极管的末端起到了谐振器的作用，因此它们被仔细抛光。 同时，在抛光过程中，它们以高精度相互平行放置。 辐射正是从二极管的这些侧面发出的。 顶面和底面用作施加电压的触点。 脉冲被施加到设备的输入端。 激光很快进入了人类生活，并开始在许多技术和科学领域得到应用。 他们的工业生产始于 1965 年，当时仅在美国就有 460 多家公司开始开发和创建激光系统。 作者：Ryzhov K.V.
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