Главный вопрос, на который дается ответ сегодня: кто изобрел лазер? Также здесь приводится краткое теоретическое обоснование и причины для создания столь полезного устройства.
Применение лазера
Современная жизнь немыслима без маленьких пучков когерентного излучения, которые генерирует лазер. Его создание привело к революции, прежде всего, в информационной сфере. Раньше данные надо было наносить непосредственно на поверхность какого-то материала – бумаги, глины, камня. Теперь же любой текст, формула или таблица умещаются на очень маленьком кусочке оптического диска. Тому, кто изобрел лазер, мы обязаны современными методами передачи учебной и научной информации, общения, развлечений и путешествий. Запись и считывание букв и цифр теперь не требует непосредственного участия человеческого глаза, за людей это делает лазерный привод.
Непосредственно устройство используется и во множестве других видов деятельности:
- для резки дерева, железа, пластика на производстве;
- для сварки материалов между собой;
- для нанесения символов и знаков на металлические детали;
- для проведения хирургических операций.
Преимущества применения этой технологии неоспоримы. Расскажем, с какими теоретическими и практическими трудностями столкнулся изобретатель лазера.
Теоретические основы
В начале двадцатого века квантовая физика дала толчок к исследованию микромира. Например, к середине пятидесятых годов были известны конфигурации электронных облаков всех доступных химических элементов. Ученые умели рассчитать длину волны фотона, образованного любым переходом. Среди прочих больших открытий Эйнштейн предсказал явление вынужденного излучения: электрон находится в возбужденном состоянии, мимо пролетает соответствующий фотон и «заставляет» электрон переходить на более низкий уровень, даже если время его жизни на прежнем еще не закончилось. Особенностью такого явления стал удивительный факт: второй фотон будет идентичен первому. Получить поток одинаковых частиц было очень заманчиво. Но требовалось решить ряд практических задач.
Путь к созданию первого устройства
Сказать однозначно, кто изобрел лазер, можно легко. Это был Теодор Харальд Майман, физик из Лос-Анджелеса. Он первым смог продемонстрировать работающий прототип на искусственном гранате. Однако до него другими учеными было сделано немало:
- А. Эйнштейн в 1916 году предсказал вынужденное излучение.
- П. Дирак в теории, разработанной в 1927-1930 годах, математически описал возможность вынужденного излучения.
- Р. Ланденбург и Г. Копферманн в 1928-м подтвердили существование вынужденного излучения экспериментально.
- В. Фабрикант и Ф. Бутаева в 1940 году предположили, что усилить вынужденное электромагнитное излучение поможет уровень с инверсной населенностью электронов.
- А. Кастлер в 1950-м предложил создавать инверсную населенность с помощью оптической накачки. За это он получил Нобелевскую премию.
- Н.Г. Басов, А.М. Прохоров, Ч. Таунс в 1954 году продемонстрировали генератор микроволн на аммиаке. Они добавили положительную обратную связь в виде резонатора. Это достижение также принесло ученым Нобелевскую премию.
- Т. Мейман в 1960-м наконец представил первое устройство на искусственном рубине, легированном хромом.
Таким образом, говорить, что тот, кто изобрел лазер в 1960 году, сделал это единолично, не совсем верно.
Технические помехи на пути изобретения
Согласно одному известному анекдоту, физики-теоретики расходуют очень мало оборудования. Им нужны только бумага, карандаш и ластик. Но предсказанные ими явления требуют подтверждения на практике. Часто это бывает очень сложно. Например, подтвердить наличие гравитационных волн смогли только в XXI веке, хотя Эйнштейн предположил их наличие еще в начале XX. Изобретатель лазера и его предшественники решали следующие технические задачи:
- Поиск материалов с инверсной заселенностью уровней.
- Отбор стабильно работающих источников для оптической накачки.
- Выращивание кристаллов с заданными оптическими свойствами для рабочего тела лазера.
- Нанесение на торцы кристалла напыления с заданным коэффициентом отражения для создания оптического резонатора.
На данный момент все эти задачи успешно решаются и не представляют для ученых каких-либо трудностей.
Лазер и космос
Как только все сложности остались позади, и устройства прочно вошли в повседневность, познания человечества о космосе расширились в десятки раз. Если вспомнить, в каком году изобрели лазер, то сразу станет понятно, почему с 1960-х так активно начала развиваться космическая программа многих стран. Помимо значительного уменьшения веса оборудования за счет полупроводниковых и лазерных приборов, спектральная чистота и когерентность генерируемых пучков помогли улучшить наши знания об окружающем Землю пространстве. Благодаря современным устройствам ученым теперь точно известен состав всех планет, астероидов и комет Солнечной системы. Также способы определения расстояния до звезд и галактик теперь намного точнее. А потенциальные возможности применения лазеров безграничны.
