Радар, рубин и лезвия для бритья – как лазер учился излучать

08.06.2015 - Oliver Hagenlocher


Когда в январе 2015 года скончался Чарльз Хард Таунс, это событие не было широко освещено в средствах массовой информации. А вместе с тем, Чарльз Хард Таунс совместно с Николаем Геннадиевичем Басовым и Александром Михайловичем Прохоровым в 1964 году получили нобелевскую премию за изобретение, без которого наш мир сегодня выглядел бы совсем иначе. Не было бы, к примеру, ни фильмов на DVD и Blu-ray дисках, музыки на CD без гениального изобретения, целью которого на самом деле было повышение мощности микроволнового излучения. 

Чарльз Хард Таунс начал свою карьеру на фирме Bell Labs, где он занимался вопросами дальнейшего совершенствования систем радаров, которое подстегнула вторая мировая война. При этом он использовал свои знания в области исследования микроволнового излучения, которым уже занимался в довоенное время. После войны он продолжил свои исследования в области микроволновой спектроскопии. На тот момент технологические барьеры между Таунсом и его коллегами, с которыми он позднее разделил Нобелевскую премию, еще казались непреодолимыми. При попытке создать микроволновой усилитель для самых коротких длин волн все три будущих Нобелевских лауреата натолкнулись на предел технических возможностей для того времени  и вынуждены были придумывать какое-то другое решение. При этом они опирались на постулат Эйнштейна.  

МАЗЕР – предшественник лазера


Эйнштейн предсказал, что электромагнитное излучение взаимодействует с материей. Этот процесс и по сегодняшний день не доказан практически. Эйнштейн обозначил процесс как «стимулируемая эмиссия». В полном объеме понять весь процесс невозможно без знания квантовой физики, здесь мы попробуем привести упрощенное объяснение: атомы находятся в квантованном  состоянии. При подводе энергии это состояние может быть переведено в возбужденное. Если же атом снова переходит в свое базовое состояние, то переданная ему энергия выделяется в виде фотонов. Эта энергия может использоваться для усиления излучения. 

Поскольку с технической точки зрения не представлялось возможным сделать микроволновый усилитель для коротких волн, Таунс, Басов и Прохоров пришли к идее использовать этот эффект для того, чтобы усилить эти короткие волны. Так родилась идея создания МАЗЕРа. После двух лет интенсивных исследований Таунсу и его рабочей группе в 1953 году наконец удалось создать первый работающий мазер, который подтвердил постулат Эйнштейна.

Дальше по спектру 


Процесс превращения мазера в лазер по сути являлся последовательным развитием принципа мазера. В процесс вовлекались волны все меньшей длины, в конечном итоге очередь дошла до электромагнитных волн оптического диапазона. В 1958 году Таунс и Шавлов представили общественности лазер и подали соответствующую патентную заявку. Впрочем, понадобилось еще два года, прежде чем был представлен функционирующий лазер – причем не Тауенсом и его рабочей группой, а Томасом Мейманом, который работал в лабораториях Hughes Aircraft. Это был первый твердотельный лазер на основе рубина. Для справедливости следует заметить, что конструкция лазера была разработана Таунсом и его командой, однако Мэйману удалась техническая реализация этой идеи. Ну хорошо, скажете Вы – радары, рубины, а при чем же здесь лезвие для бритья? Ответ одновременно и простой и курьезный: поскольку эта техническая сфера была совершенно новой, то отсутствовали единицы измерения, которыми можно было бы оценить силу лазера. Первоначально при экспериментах с лазерным лучом его сила оценивалась количеством лезвий «Жиллет» для бритья, которые прожигал этот луч. Таким образом, «Жиллет» был первой единицей, которая использовалась для оценки силы лазера. 


Тысячи возможностей для использования изобретения


С момента создания лазера прошло почти 60 лет, и за это время было придумано огромное количество способов его использования.  Уже упоминавшиеся нами оптические носители информации невозможно себе представить без лазера, равно как и множество технологических процессов на современных промышленных предприятиях, таких как: лазерная маркировка и лазерная сварка. Интересно, что сегодня для лазерной сварки снова используется твердотельный лазер, то есть, лазер, работающий по тому же самому принципу, что и самый первый лазер, хотя в течение долгих лет значительно чаще использовались   газовые лазеры, например  CO2-лазер. Как оказалось, использование твердотельных лазеров в современных производственных системах лазерной сварки позволяет достигать существенной экономии. И дело не только в том, что для эксплуатации лазерного источника нужно меньше энергии, кроме того, установка с твердотельным лазером занимает существенно меньшую площадь, чем сравнимая по мощности установка на базе CO2-лазера.  Это обусловлено прежде всего тем, что отпадает необходимость в системах подготовки и подачи рабочего газа. Установки группы EMAG для сборки и лазерной сварки серии  ELC используются в первую очередь в производстве деталей автомобильных приводов и позволяют получать элементы конструкции с минимально возможной массой. И кто бы мог подумать, что облегчение конструкции автодеталей напрямую связано с многолетними разработками в области радарных систем и усилителей микроволнового излучения.

Контактное лицо

Oliver Hagenlocher

Press and publishers

Телефон: +49 7162 17-267
Факс: +49 7162 17-199
E-mail: communications@emag.com

Рисунки