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STORIA DELLA TECNOLOGIA, DELLA TECNOLOGIA, DEGLI OGGETTI INTORNO A NOI
Laser. Storia dell'invenzione e della produzione
Elenco / La storia della tecnologia, della tecnologia, degli oggetti che ci circondano Un laser (dall'inglese laser, acronimo di light amplification by stimolated emission of radiation), o generatore quantico ottico, è un dispositivo che converte l'energia della pompa (luminosa, elettrica, termica, chimica, ecc.) in energia coerente, monocromatica, flusso di radiazione polarizzato e strettamente diretto. La base fisica del funzionamento del laser è il fenomeno quantomeccanico della radiazione stimolata (indotta). La radiazione laser può essere continua, a potenza costante, oppure pulsata, raggiungendo potenze di picco estremamente elevate. In alcuni schemi, l'elemento di lavoro del laser viene utilizzato come amplificatore ottico per la radiazione proveniente da un'altra sorgente. Esiste un gran numero di tipi di laser che utilizzano tutti gli stati aggregati della materia come mezzo di lavoro. Alcuni tipi di laser, come i laser a soluzione di colorante oi laser a stato solido policromatici, possono generare un'intera gamma di frequenze (modalità della cavità ottica) su un'ampia gamma spettrale. Le dimensioni dei laser variano da quelle microscopiche per alcuni laser a semiconduttore alle dimensioni di un campo da calcio per alcuni laser in vetro al neodimio. Le proprietà uniche della radiazione laser hanno permesso di utilizzarli in vari rami della scienza e della tecnologia, nonché nella vita di tutti i giorni, dalla lettura e scrittura di CD alla ricerca nel campo della fusione termonucleare controllata.
Nonostante il dispositivo relativamente semplice del laser, i processi alla base del suo funzionamento sono estremamente complessi e non possono essere spiegati nei termini delle leggi fisiche classiche. Fin dai tempi di Maxwell e Hertz, la scienza ha stabilito l'idea che le radiazioni elettromagnetiche e, in particolare, luminose abbiano una natura ondulatoria. Questa teoria spiegava bene la maggior parte dei fenomeni ottici e fisici osservati. Ma già alla fine del XIX secolo furono ottenuti alcuni dati sperimentali che non corrispondevano a questa teoria. Ad esempio, il fenomeno dell'effetto fotoelettrico si è rivelato completamente incomprensibile dal punto di vista delle idee classiche sulla natura ondulatoria della luce. Nel 1900, il famoso fisico tedesco Max Planck, cercando di spiegare la natura di queste deviazioni, assunse che l'emissione di radiazione elettromagnetica e, in particolare, di luce non avvenisse in modo continuo, ma in porzioni microscopiche separate. Nel 1905 Einstein, sviluppando la teoria dell'effetto fotoelettrico, rafforzò l'idea di Planck e mostrò in modo convincente che la radiazione elettromagnetica è effettivamente emessa in porzioni (queste porzioni erano chiamate quanti), e successivamente, nel processo di propagazione, ogni porzione conserva la sua "individualità ", non viene schiacciato e non si impila con gli altri, quindi puoi solo assorbirlo interamente. Da questa descrizione è risultato che i quanti in molti casi non si comportano come onde, ma come particelle. Ma allo stesso tempo, non cessano di essere onde (ad esempio, un quanto non ha massa a riposo ed esiste solo muovendosi a una velocità di 300000 km / s), cioè hanno un certo dualismo. La teoria quantistica ha permesso di spiegare molti fenomeni prima incomprensibili e, in particolare, la natura dell'interazione della radiazione con la materia. Facciamo un semplice esempio: perché un corpo emette luce quando riscaldato? Riscaldando, diciamo, un chiodo su un fornello a gas, noteremo che all'inizio acquisisce un colore cremisi, poi diventa rosso. Se continui a riscaldare, il colore rosso diventa giallo e poi bianco abbagliante. Pertanto, l'unghia inizia a emettere non solo raggi infrarossi (termici), ma anche visibili. La ragione di questo fenomeno è la seguente. Tutti i corpi (compreso il nostro chiodo) sono costituiti da molecole e le molecole sono costituite da atomi. Ogni atomo è un piccolo nucleo molto denso attorno al quale ruotano più o meno elettroni. Questi elettroni non si muovono intorno al nucleo a caso, ma ognuno di essi si trova al suo livello esattamente impostato; Di conseguenza, alcuni livelli si trovano più vicini al nucleo, mentre altri sono più lontani da esso. Questi livelli sono chiamati livelli di energia, poiché ciascuno degli elettroni che si trovano su di essi ha la sua energia specifica, inerente solo a questo livello. Mentre l'elettrone è al suo livello stazionario, si muove senza irradiare energia. Questo stato dell'atomo può continuare indefinitamente. Ma se una certa quantità di energia viene impartita all'atomo dall'esterno (come accade quando si scalda un chiodo), l'atomo viene "eccitato". L'essenza di questa eccitazione è che gli elettroni assorbono i quanti di radiazione che penetrano nella sostanza (nel nostro esempio, la radiazione termica infrarossa di un bruciatore a gas), acquisiscono la loro energia e, a causa di ciò, si spostano a livelli di energia più elevati. Tuttavia, gli elettroni possono rimanere a questi livelli più elevati solo per un tempo molto breve (millesimi e anche milionesimi di secondo). Trascorso questo tempo, ogni elettrone ritorna nuovamente al suo livello stazionario e allo stesso tempo emette un quanto di energia (o, che è lo stesso, un'onda di una certa lunghezza). Tra queste onde, alcune sono nel campo del visibile (questi quanti di luce visibile sono chiamati fotoni; osserviamo l'emissione di fotoni da parte di atomi eccitati come il bagliore di un chiodo riscaldato). Nel nostro esempio con un chiodo, il processo di assorbimento ed emissione dei quanti procede in modo caotico. In un atomo complesso si osserva un gran numero di transizioni di elettroni dai livelli superiori ai livelli inferiori e ognuno di essi emette radiazioni con una propria frequenza. Pertanto, la radiazione va contemporaneamente in più spettri e in direzioni diverse, con alcuni atomi che emettono fotoni, mentre altri li assorbono. Allo stesso modo, i quanti vengono emessi da qualsiasi corpo riscaldato. Ciascuno di questi corpi (che sia il Sole, la saldatura ad arco o un filamento di una lampada a incandescenza) emette simultaneamente molte onde di diversa lunghezza (o, che è lo stesso, quanti di diverse energie). Ecco perché, non importa quanto perfetto abbiamo una lente o un altro sistema ottico, non saremo mai in grado di focalizzare la radiazione emessa da un corpo riscaldato in un raggio rigorosamente parallelo: divergerà sempre di una certa angolazione. Questo è comprensibile: dopotutto, ogni onda verrà rifratta nell'obiettivo con il proprio angolo; pertanto, in nessun caso saremo in grado di realizzare il loro parallelismo. Tuttavia, i fondatori della teoria dei quanti hanno già considerato un'altra possibilità di radiazione, che non si verifica in condizioni naturali, ma potrebbe essere simulata dall'uomo. Infatti, se fosse possibile eccitare tutti gli elettroni di una sostanza appartenente ad uno specifico livello di energia, e poi costringerli ad emettere quanti contemporaneamente in una direzione, allora sarebbe possibile ottenere una potenza estremamente potente e allo stesso tempo impulso di radiazione estremamente omogeneo. Focalizzando un tale raggio (poiché tutte le onde che lo compongono sono della stessa lunghezza), sarebbe possibile ottenere un parallelismo quasi perfetto del raggio. Per la prima volta, Einstein scrisse della possibilità che tale, come la chiamava, radiazione stimolata nel 1917 nei suoi lavori "Emissione e assorbimento di radiazioni secondo la teoria quantistica" e "Sulla teoria quantistica della radiazione". L'emissione stimolata può essere ottenuta in particolare nel modo seguente. Immaginiamo un corpo i cui elettroni siano già "sovraeccitati" e si trovino ai livelli energetici superiori, e supponiamo che siano irradiati con una nuova porzione di quanti. In questo caso, si verifica un processo simile a una valanga. Gli elettroni sono già "saturi" di energia. Come risultato dell'irradiazione aggiuntiva, si rompono dai livelli superiori e vanno come una valanga a quelli inferiori, emettendo quanti di energia elettromagnetica. Inoltre, la direzione e la fase delle oscillazioni di questi quanti coincidono con la direzione e la fase dell'onda incidente. Ci sarà, per così dire, l'effetto dell'amplificazione risonante dell'onda, quando l'energia dell'onda di uscita supererà molte volte l'energia di quella che era all'ingresso. Ma come ottenere un rigoroso parallelismo dei fotoni emessi? Si scopre che questo può essere fatto con un dispositivo molto semplice chiamato risonatore a specchio aperto. È costituito da una sostanza attiva posta in un tubo tra due specchi: uno regolare e uno traslucido.
I fotoni emessi dalla sostanza, cadendo su uno specchio traslucido, lo attraversano parzialmente. Il resto viene riflesso e vola nella direzione opposta, quindi riflesso dallo specchio sinistro (ora tutto) e raggiunge di nuovo lo specchio traslucido. In questo caso, il flusso di fotoni dopo ogni passaggio attraverso la sostanza eccitata viene moltiplicato molte volte. Tuttavia, verrà amplificata solo l'onda che si muove perpendicolarmente agli specchi; tutti gli altri che cadono sullo specchio con almeno una leggera deviazione dalla perpendicolare, senza ricevere sufficiente amplificazione, lasciano la sostanza attiva attraverso le sue pareti. Di conseguenza, il flusso in uscita ha una direttività molto stretta. È questo principio per ottenere l'emissione stimolata che sta alla base del funzionamento dei laser (la stessa parola laser è composta dalle prime lettere della definizione inglese di amplificazione della luce per emissione stimolata e radiazione, che significa amplificazione della luce per emissione stimolata). La creazione di questo straordinario dispositivo è stata preceduta da una lunga storia. È curioso che la tecnologia debba l'invenzione del laser a specialisti che, a prima vista, sono lontani sia dall'ottica che dall'elettrodinamica quantistica, vale a dire i fisici radiofonici. Tuttavia, questo ha il suo schema profondo. È già stato detto in precedenza che dall'inizio degli anni '40 i fisici radiofonici di tutto il mondo hanno lavorato per padroneggiare le gamme delle onde centimetriche e millimetriche, poiché ciò ha consentito di semplificare e ridurre notevolmente le apparecchiature, in particolare i sistemi di antenne. Ma presto divenne chiaro che i vecchi generatori di tubi difficilmente potevano essere adattati per funzionare nelle nuove condizioni. Con il loro aiuto, difficilmente è stato possibile generare onde di 1 mm (in questo caso, la frequenza delle oscillazioni elettromagnetiche in questi generatori ha raggiunto diversi miliardi al secondo), ma la creazione di generatori per onde ancora più brevi si è rivelata impossibile. Era necessario un metodo fondamentalmente nuovo per generare onde elettromagnetiche. Proprio in quel momento, i fisici radiofonici sovietici Alexander Prokhorov e Nikolai Basov iniziarono a studiare un problema molto interessante: l'assorbimento delle onde radio da parte dei gas. Anche durante la guerra si è scoperto che le onde di una certa lunghezza emesse da un radar non si riflettono, come altre, dagli oggetti circostanti e non danno "eco". Ad esempio, un raggio d'onda di 1 cm sembrava dissolversi nello spazio: si è scoperto che onde di questa lunghezza sono attivamente assorbite dalle molecole di vapore acqueo. Successivamente si è scoperto che ogni gas assorbe onde di una certa lunghezza in modo tale che le sue molecole siano in qualche modo "sintonizzate" su di esso. Da questi esperimenti c'era solo un passo verso l'idea successiva: se atomi e molecole sono in grado di assorbire onde di una certa lunghezza, allora possono anche emetterle, cioè fungere da generatore. Così è nata l'idea di creare un generatore di gas di radiazione, in cui, al posto dei tubi elettronici, sarebbero state utilizzate come sorgenti di radiazione miliardi di molecole di un gas particolarmente eccitato. Le prospettive per tale lavoro sembravano molto allettanti, poiché è diventato possibile padroneggiare per le esigenze dell'ingegneria radio non solo la gamma delle onde a microonde, ma anche molto più brevi, ad esempio la gamma delle onde visibili (la lunghezza d'onda della luce visibile è 0-4 micron, che corrisponde a una frequenza dell'ordine di migliaia di miliardi di vibrazioni al secondo). Il problema più importante lungo il percorso è stato come creare un ambiente attivo. Basov e Prokhorov hanno scelto l'ammoniaca in quanto tale. Per garantire il funzionamento del generatore era necessario separare le molecole di gas attive, i cui atomi erano allo stato eccitato, da quelle non eccitate, i cui atomi erano orientati all'assorbimento dei quanti. Lo schema di installazione sviluppato a questo scopo era un recipiente in cui veniva creato il vuoto. Un sottile fascio di molecole di ammoniaca è stato introdotto in questo recipiente. Un condensatore ad alta tensione è stato installato nel loro percorso. Le molecole ad alta energia volavano liberamente attraverso il suo campo, mentre le molecole a bassa energia venivano portate via dal campo del condensatore. Questo è il modo in cui le molecole vengono ordinate in base all'energia. Le molecole attive sono entrate in un risonatore progettato allo stesso modo di quello sopra descritto. Il primo generatore quantistico è stato creato nel 1954. Aveva una potenza di solo un miliardesimo di watt, in modo che solo strumenti precisi potessero registrare il suo lavoro. Ma in questo caso era molto più importante che si confermasse la fondatezza dell'idea stessa. È stata una vittoria straordinaria che ha aperto una nuova pagina nella storia della tecnologia. Negli stessi giorni, alla Columbia University, un gruppo di radiofisico americano Charles Towns ha creato un dispositivo simile, chiamato "maser". (Nel 1963 Basov, Prokhorov e Townes ricevettero il Premio Nobel per la loro scoperta fondamentale.) Il generatore quantistico Basov-Prokhorov e il maser di Townes non erano ancora laser: generavano onde radio lunghe 1 cm e i laser emettono onde elettromagnetiche nel campo del visibile, che sono decine di migliaia di volte più brevi. Tuttavia, il principio di funzionamento di entrambi i dispositivi è lo stesso, quindi il creatore del laser ha dovuto risolvere solo problemi particolari. In primo luogo, era necessario trovare un principio attivo adatto che potesse entrare in uno stato eccitato, perché non tutte le sostanze hanno questa proprietà. In secondo luogo, per creare una fonte di eccitazione, cioè un dispositivo che ha la capacità di trasferire il principio attivo in uno stato eccitato impartendogli ulteriore energia. In terzo luogo, era necessario un risonatore aperto per costringere tutte le particelle eccitate della sostanza attiva a partecipare all'eccitazione e anche per amplificare solo quelle vibrazioni che si propagano lungo l'asse longitudinale della sostanza attiva. In quarto luogo, era necessaria una fonte di alimentazione per eccitare la fonte di eccitazione, altrimenti il laser non avrebbe funzionato. Tutti questi problemi possono essere risolti in diversi modi. Il lavoro è stato svolto da molti scienziati in più direzioni contemporaneamente. Tuttavia, il fisico americano Theodor Meiman, che nel 1960 ha creato il primo laser a base di rubino, ha avuto la fortuna di raggiungere l'amato obiettivo prima di altri.
L'essenza del funzionamento di un laser a rubino è la seguente. L'energia della fonte di alimentazione viene convertita dalla fonte di eccitazione in un campo elettromagnetico, che irradia la sostanza attiva. Come risultato di questa irradiazione, la sostanza attiva passa da uno stato di equilibrio a uno stato eccitato. L'energia interna del principio attivo aumenta in modo significativo. Questo processo è chiamato "pompaggio" o "pompaggio" del principio attivo e la fonte di eccitazione è chiamata fonte di "pompaggio" o "pompaggio". Quando gli atomi della sostanza attiva passano in uno stato eccitato, è sufficiente che un elettrone per qualche motivo fuoriesca dal livello superiore, in modo che inizi a emettere un fotone di luce, che, a sua volta, farà cadere diversi elettroni dal livello superiore, che causerà un rilascio di energia simile a una valanga da parte del resto degli elettroni eccitati. Un risonatore aperto dirigerà e amplificherà la radiazione del principio attivo in una sola direzione. Meiman ha utilizzato un rubino artificiale come sostanza attiva (il rubino è una sostanza cristallina costituita da ossido di alluminio, in cui alcuni atomi di alluminio sono sostituiti da atomi di cromo, il che è particolarmente importante, poiché non tutto il materiale, ma solo il cromo ioni, partecipa all'assorbimento della luce). Il generatore di eccitazione era costituito da tre blocchi: una testa radiante, un'unità di alimentazione e un'unità di lancio. La testa di emissione ha creato le condizioni per il funzionamento del principio attivo. L'alimentatore forniva energia per la carica di due condensatori: il principale e l'ausiliario. Lo scopo principale dell'unità trigger era generare un impulso ad alta tensione e applicarlo all'elettrodo trigger della lampada flash. La testa emittente era costituita da un'asta di rubino e due lampade flash a forma di U. Le lampade erano standard, piene di xeno. Da tutti i lati, le lampade e l'asta di rubino erano ricoperte da un foglio di alluminio, che svolgeva il ruolo di riflettore. Il condensatore ha accumulato e applicato una tensione pulsata di circa 40 mila volt, che ha causato un potente lampo di lampade. Il lampo ha trasferito istantaneamente gli atomi del rubino in uno stato eccitato. Per l'impulso successivo era necessaria una nuova carica del condensatore.
Questo, in generale, un dispositivo molto semplice ha suscitato grande interesse. Se l'essenza della scoperta di Basov e Towns era chiara solo agli specialisti, il laser Meiman ha fatto una grande impressione anche sui non iniziati. Alla presenza dei giornalisti, Meiman ha acceso ripetutamente il suo dispositivo e ne ha dimostrato il funzionamento. Allo stesso tempo, dal foro all'estremità veniva emesso un raggio, spesso non più di una matita. Quasi senza espandersi, si appoggiò al muro, terminando in un abbagliante punto rotondo. Tuttavia, Meiman era solo leggermente più avanti di altri inventori. Non passò molto tempo e da tutte le parti iniziarono ad arrivare notizie sulla creazione di nuovi tipi di laser. Oltre al rubino, molti altri composti possono essere utilizzati come principio attivo nei laser, ad esempio fluoruro di stronzio con impurità, fluoruro di bario con impurità, vetro, ecc. Potrebbero anche essere gas. Nello stesso 1960, Ali Javan creò un laser a gas a base di elio-neon. Lo stato eccitato della miscela di gas è stato ottenuto per mezzo di un forte campo elettrico e scariche di gas. Tuttavia, sia i laser a stato solido che quelli a gas hanno un'efficienza molto bassa. La loro energia in uscita non supera l'1% di quella consumata. Di conseguenza, il restante 99% viene speso inutilmente. Pertanto, l'invenzione nel 1962 da parte di Basov, Krokhin e Popov del laser a semiconduttore divenne molto importante.
I fisici sovietici hanno scoperto che se i semiconduttori sono influenzati da un impulso elettrico o luminoso, alcuni elettroni lasceranno i loro atomi e qui si formano "buchi", che svolgono il ruolo di cariche positive. Il ritorno simultaneo degli elettroni sulle orbite degli atomi può essere considerato come una transizione da un livello di energia superiore a uno inferiore, a causa del quale vengono emessi fotoni. L'efficienza di un laser a semiconduttore quando eccitato da un raggio di elettroni può raggiungere il 40%. Come principio attivo è stato utilizzato arseniuro di gallio contenente impurità di tipo n. Da questo materiale sono stati realizzati dei pezzi grezzi a forma di cubo oa forma di parallelepipedo, il cosiddetto diodo a semiconduttore. La piastra del diodo è stata saldata a un foglio di molibdeno rivestito d'oro per fornire un contatto elettrico con la regione n. Sulla superficie della regione p si è depositata una lega d'oro con argento. Le estremità del diodo hanno svolto il ruolo di un risuonatore, quindi sono state accuratamente lucidate. Allo stesso tempo, durante il processo di lucidatura, sono stati posizionati paralleli tra loro con elevata precisione. La radiazione è uscita proprio da questi lati del diodo. I lati superiore e inferiore servivano da contatti a cui veniva applicata la tensione. Gli impulsi sono stati applicati all'ingresso del dispositivo. I laser sono entrati molto rapidamente nella vita umana e hanno iniziato ad essere utilizzati in molte aree della tecnologia e della scienza. La loro produzione industriale iniziò nel 1965, quando più di 460 aziende nella sola America intrapresero lo sviluppo e la creazione di sistemi laser. Autore: Ryzhov KV
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