Открытие и использование лазера. Кто, где и когда изобрел лазер

Сложно в наше время найти человека, который никогда не слышал бы слова «лазер» , однако чётко представляют, что это такое, весьма немногие.

За полвека с момента изобретения лазеры разных видов нашли применение в широком спектре направлений, от медицины до цифровой техники. Так что же такое лазер, каков принцип его действия, и для чего он нужен?

Что такое лазер?

Возможность существования лазеров была предсказана Альбертом Эйнштейном, который ещё в 1917 году опубликовал работу, говорящую о возможности излучения электронами квантов света определённой длины. Это явление было названо вынужденным излучением, но долгое время оно считалось нереализуемым с технической точки зрения.

Однако с развитием технических и технологических возможностей создание лазера стало делом времени. В 1954 году советские учёные Н. Басов и А. Прохоров получили Нобелевскую премию за создание мазера – первого микроволнового генератора, работающего на аммиаке. А в 1960 году американец Т. Мейман изготовил первый квантовый генератор оптических лучей, названный им лазером (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Устройство преобразовывает энергию в оптическое излучение узкой направленности, т.е. световой луч, поток квантов света (фотонов) высокой концентрации.

Принцип функционирования лазера

Явление, на котором основана работа лазера, называется вынужденным, или индуцированным, излучением среды. Атомы определённого вещества могут испускать фотоны под действием других фотонов, при этом энергия воздействующего фотона должна быть равной разности между энергетическими уровнями атома до излучения и после него.

Излучённый фотон является когерентным тому, который вызвал излучение, т.е. в точности подобен первому фотону. В результате слабый поток света в среде усиливается, причём не хаотично, а в одном заданном направлении. Образуется луч вынужденного излучения, которое и получило название лазера.

Классификация лазеров

По мере исследования природы и свойств лазеров были открыты различные виды этих лучей. По виду состояния исходного вещества лазеры могут быть:

газовыми;
жидкостными;
твердотельными;
на свободных электронах.

В настоящее время разработано несколько способов получения лазерного луча:

при помощи электрического тлеющего либо дугового разряда в газовой среде – газоразрядные;
при помощи расширения горячего газа и создания инверсий населённости – газодинамические;
при помощи пропускания тока через полупроводник с возбуждением среды – диодные или инжекционные;
путём оптической накачки среды лампой-вспышкой, светодиодом, другим лазером и т. д.;
путём электронно-лучевой накачки среды;
ядерной накачкой при поступлении излучения из ядерного реактора;
при помощи особых химических реакций – химические лазеры.

Все они обладают своими особенностями и отличиями, благодаря которым находят применение в различных сферах промышленности.

Практическое использование лазеров

На сегодняшний день лазеры разных типов применяются в десятках отраслей промышленности, медицины, IT технологий и других сферах деятельности. С их помощью осуществляются:

резка и сварка металлов, пластмасс, других материалов;
нанесение изображений, надписей и маркировка поверхности изделий;
сверление сверхтонких отверстий, прецизионная обработка полупроводниковых кристаллических деталей;
формирование покрытий изделий напылением, наплавкой, поверхностным легированием и т.д.;
передача информационных пакетов при помощи стекловолокна;
выполнение хирургических операций и других лечебных воздействий;
косметологические процедуры омоложения кожи, удаления дефектных образований и др.;
наведение на цель различных видов вооружений, от стрелкового до ракетного оружия;
создание и использование голографических методов;
применение в различных научно-исследовательских работах;
измерение расстояний, координат, плотности рабочих сред, скорости потоков и многих других параметров;
запуск химических реакций для проведения различных технологических процессов.

Существует ещё немало направлений, в которых лазеры уже используются или найдут применение в самое ближайшее время.

В настоящее время трудно представить прогресс в медицине без лазерных технологий, которые открыли новые возможности в разрешении многочисленных медицинских проблем. Изучение механизмов воздействия лазерного излучения различных длин волн и уровней энергии на биологические ткани позволяет создавать лазерные медицинские многофункциональные приборы, диапазон применения которых в клинической практике стал настолько широким, что очень трудно ответить на вопрос: для лечения каких заболеваний лазеры не применяют?
Развитие лазерной медицины идет по трем основным ветвям: лазерная хирургия, лазерная терапия и лазерная диагностика.

В лазерной хирургии применяются достаточно мощные лазеры со средней мощностью излучения десятки ватт, которые способны сильно нагревать биоткань, что приводит к ее разрезанию или испарению. Эти и другие характеристики хирургических лазеров обуславливают применение в хирургии различных их видов, работающих на разных лазерных активных средах.

Уникальные свойства лазерного луча позволяют выполнять ранее невозможные операции новыми эффективными и минимально инвазивными методами.

Хирургические лазерные системы обеспечивают:

эффективную контактную и бесконтактную вапоризацию и деструкцию биоткани;
сухое операционное поле;
минимальное повреждение окружающих тканей;
эффективный гемо- и аэростаз;
купирование лимфатических протоков;
высокую стерильность и абластичность;
совместимость с эндоскопическими и лапароскопическими инструментам

Это дает возможность эффективно использовать хирургические лазеры для выполнения самых разнообразных оперативных вмешательств:
В урологии:

У женщин

Пластика больших и малых половых губ, промежности.
Пластика промежности при послеродовых и травматических разрывах
Пластика рубцовой деформации шейки матки
Рефлорация (восстановление девственной плевы)

У мужчины

Лазерная коррекция уздечки полового члена
Циркумцизия (лазерное лечение фимоза)
Удаление кондилом полового члена, уретры, промежности, перианальной зоны

В гинекологии:

Лазеротерапия фоновых и предраковых заболеваний шейки матки (эрозия, лейкоплакия, полип, наботовы кисты, кондиломы, дисплазия).
Лазеротерапия и удаление лазером кондилом наружных половых органов (в зависимости от распространённости процесса).
Лазеротерапия и удаление лазером кондилом кожи промежности и перианальной зоны.
Лечение дистрофических заболеваний вульвы

В ортопедии :лечение вальгусной деформации стопы, вросшего ногтя и т.д.

Косметология так же не обойдена вниманием. Лазер применяется и для эпиляции, и для лечения сосудистых и пигментных дефектов кожи, удаления бородавок и папиллом, и для шлифовки кожи, и для удаления татуировок и пигментных пятен и тд

История изобретения лазера началась в 1916 году, когда Альберт Энштейн создал теорию взаимодействия излучения с веществом, в которой прослеживалась мысль о возможности создания квантовых усилителей и генераторов электромагнитных волн.

В 1960 г. американский физик Теодор Мейман, основываясь на работах Н.Басова, А.Прохорова и Ч.Таунса, сконструировал первый лазер на рубине с длиной волны в 0,69 мкм.В том же году доктор Леон Голдман впервые использовал рубиновый лазер для разрушения волосяных фолликулов. Так началась история масштабного применения лазерных технологий в эстетической медицине.

В 1983 г. Андерсон и Парриш предложили метод селективного фототермолиза, который основан на способности биотканей избирательно поглощать световое излучение определенной длины волны, что приводит к их локальной деструкции. При поглощении основными хромофорами кожи — водой, гемоглобином или меланином — электромагнитная энергия лазерного излучения преобразуется в тепло, что вызывает нагрев и коагуляцию хромофоров.

Лазерная косметология - одна из самых быстро развивающихся областей эстетической медицины. Ещё несколько лет назад видимое омоложение ассоциировалось у нас с работой пластического хирурга, то сегодня в каждом престижном салоне красоты есть аппараты передовых технологий - фото, IPL-система или лазер. Энергия света пришла на помощь косметологам.

На сегодняшний день существует множество различных лазерных аппаратов и вошли они в косметологию благодаря лазерной шлифовке. Именно она послужила визитной карточкой для косметологического лазера. Мощный луч света на глазах сглаживал рубцовые неровности кожи, снимал верхний слой эпидермиса, а вместе с ним нежелательные пигментации Тогда было не важно, что сильно травмированная кожа заживала 2 недели - главное - отличный результат, которым был доволен как доктор, так и пациент. Шрамы и рубцы - проблема актуальная во все времена.

Лазерная эпиляция появилась не больше 30 -ти лет назад. Это связано было с появлением теории «селективного фототермолиза». В ней идет речь о том, что любые окрашенные ткани человека (волос, сосуды на поверхности кожи, пигментные пятна) избирательно поглощают свет, при этом нагреваются и разрушаются. Теория была доказана в 1986 году группой ученных из США, во глове с дерматологом Роксом Андерсоном. Таким образом на основе этого в 1994 году был создан первый прибор для фотоэпиляции , а лазерный прибор для лазерной эпиляции вышел на рынок только в 1996 году.

Что собой представляет "селективный фототермолиз "? Все дело в том, что лазерный луч, попадая на живую ткань, в частности на кожу, воздействует на компоненты кожи по-разному. Основные компоненты кожи, поглощающие свет - вода, меланин и гемоглобин. Эти вещества, называются хромофорами кожи. Спектры поглощения этих веществ различны.

Благодаря оптимизированному спектру излучения, косметологические приборы с искусственными источниками света и тепла позволяют избирательно воздействовать на структуры тканей-мишеней, вызывая, например, их коагуляцию. При проведении процедур с применением фотометодик для достижения эффекта осуществляется воздействие на поверхностные кровеносные сосуды (гемоглобин), на волосы и волосяные фолликулы (меланин), на коллаген и эластин в дерме. При проведении терапии угревой болезни (акне) проводится избирательное воздействие на вызывающий воспаление продукт жизнедеятельности бактерий. Так или иначе, результатом воздействия является доведение соответствующей структуры тканей-мишеней до критической температуры, при которой она сама и/или окружающие ее ткани претерпевают необратимые изменения. Процесс избирательного нагрева структур тканей-мишеней с помощью источника широкого спектра излучения называется селективным фототермолизом.

Основываясь на принципе селективного фототермолиза с применением нанотехнологий разработана новая высокоэффективная процедура фракционного фототермолиза (фраксель). Она позволяет улучшить качество кожи, удалить нежелательную пигментацию морщины, обеспечивает прекрасный лифтинг тканей лица, шеи и декольте. Хороший результат дают сеансы фракционного фототермолиза при лечении последствий угревой болезни (пост акне рубцов). В отличие от других методов коррекции, процедура фраксель комфортна и практически безболезненна, а также обеспечивает быструю реабилитацию.

Итак, банальные представления о лазере, как об огромном аппарате, что- то вроде гиперболоида инженера Гарина, канули в лета. С момента изобретения первого рубинового лазера, размером с однокомнатную квартиру прошло более 50 лет. И сейчас это компактные медицинские аппараты, которые работают во всех областях медицины и косметологии.

Прошло 50 лет со дня изобретения первого лазера. Без полного понимания того, что свет все же является электромагнитной волной, его изобретение было бы невозможным. В 1918 году за открытие элементарной порции энергии – кванта - Макс Планк (Max Planck) был удостоен Нобелевской премии. Планк работал с абсолютно черным телом, объектом, поглощающим все длины волн падающего на него света. Он пытался объяснить, почему абсолютно черное тело излучает неравномерно на разных длинах волн.

В своей наиболее значимой работе, опубликованной в 1900 году, Планк привел выражение, связывающее частоту электромагнитного излучения и энергию кванта, постулируя при этом, что энергия может излучаться или поглощаться дискретно, даже если эти порции энергии малы. Его теория совершила перелом в физике, вдохновила на дальнейшие исследования в этой области многих прогрессивных ученых того времени, и в частности таких, как Альберт Эйнштейн (Albert Einstein). В 1905 году тот опубликовал свой знаменитый доклад о фотоэффекте, в котором утверждал, что энергия, которую сообщает электронам в фотоматериале падающий свет, также дискретна, и наименьшую единицу этой дискретности он назвал фотоном.

В 1917 Эйнштейн выдвинул теорию вынужденного излучения, согласно которой, кроме процессов спонтанного поглощения и излучения света существует возможность вынужденного (или стимулированного) излучения, когда можно «заставить» электроны излучить свет определенной длины волны одновременно. Однако только спустя 40 лет, основываясь на положениях этой теории, был создан первый лазер.

26 апреля 1951 года Чарльзу Таунсу (Charles Hard Townes) из Колумбийского университета, что в Нью Йорке (Columbia University, New York), пришла в голову идея о создании мазера (microwave amplification by stimulated emission of radiation) – прибора, усиливающего микроволновые колебания с помощью явления вынужденного излучения.

В 1954 этот первый мазер был продемонстрирован Таунсом, Гербертом Цайгером (Herbert J. Zeiger) и выпускником Колумбийского университета Джеймсом Гордоном (James P. Gordon). Мазер излучал на длине волны 1 см и генерировал мощность около 10 нВт.

Наши соотечественники Николай Басов и Александр Прохоров, ученые Физического института АН СССР им. П.Н. Лебедева в Москве, в 1955 предложили трехуровневый метод накачки мазера. Молекулы с помощью излучения накачки переходят на третий (верхний) уровень, время жизни молекул на котором мало. Затем молекулы релаксируют на метастабильный (промежуточный) уровень, и впоследствии излучают энергию, равную разности между промежуточным и основным уровнями. Годом позже Николас Блумберген (Nicolaas Bloembergen) из Гарвардского университета (Harvard University) представил мазер на твердом теле.

14 сентября 1957 года Таунс делает первые наброски «мазера» в лабораторном журнале, мазера, работающего уже в оптическом диапазоне, а выпускник Колумбийского университета Гордон Гуд (Gordon Gould) впервые упоминает в своих заметках слово «лазер» и нотариально закрепляет свое право на предложенные принципы его создания. Вскоре Гуд оставляет университет и начинает карьеру в частной фирме TRG (Technical Research Group).

В 1958 Таунс, работавший в то время консультантом Bell Labs, и его шурин Артур Шавлов (Arthur L. Schawlow) в совместной статье в Physical Review Letter показали, что «мазер» может работать и в оптическом диапазоне. В ФИАН им. П.Н. Лебедева Басов И Прохоров вели работу по этому же направлению.

Весной 1959 Гуд и TRG подают заявки на патенты, дабы защитить заверенные нотариально еще в 1957 принципы создания лазера. Однако 22 марта 1960 года за номером 2,929,922 был получен патент на имя Таунса и Шавлова, подтверждающий их право на изобретение оптического мазера, который сегодня мы называем просто лазер. Гуд и TRG в течение 30 лет пытались обжаловать это решение. Но безуспешно.

16 мая 1960 года физик из Калифорнии Теодор Мейнман (Theodore H. Maiman) создает первый лазер на рубине. Кристалл рубина был 1 см в диаметре и около 2 см в длину. Боковые грани стержня были покрыты серебром для создания резонатора типа Фабри-Перо. В качестве источника накачки использовалась лампа-вспышка. 7 июня была созвана пресс-конференция, во время которой действие рубинового лазера было представлено общественности. В ноябре 1960-го учеными IBM был продемонстрирован твердотельный лазер, работающий по 4-х уровневой схеме накачки.

Первый газовый (гелий-неоновый) лазер, излучающий в ИК области спектра на длине волны 1.15 мкм, создали Али Яван, Вильям Беннет и Дональд Херриот (Ali Javan, William Bennett Jr. и Donald Herriott) из Bell Labs в декабре 1960.

На коммерческом рынке лазеры появились с начала 1961 года, реализовывались такими компаниями как Trion Instruments Inc., Perkin-Elmer and Spectra-Physics.

Далее история лазеров развивалась стремительными темпами. Появились лазеры, использующие в качестве активного элемента самые разнообразные, как жидкие, так твердотельные и газообразные вещества. Лазер на неодиме появляется в октябре 1961 в American Optical Co. Его изобретатель – Элиас Снитцер (Elias Snitzer). В декабре этого же года в США провели первую операцию на сетчатке с использованием рубинового лазера. В 1962 получен импульсный режим работы рубинового лазера, в дальнейшем он использовался для сварки швов на ручных часах.

Полупроводниковый лазер на галлий-арсениде изобрели сотрудники GE, IBM, MIT’s Lincoln Laboratory. Это устройство, превращающее электрический ток непосредственно в ИК излучение. Всем известные GaAsP - светодиоды, излучающие в красном диапаоне, появились в 1962 году благодаря Нику Холоньяку мл. (Nick Holonyak Jr.), работавшему тогда в General Electric Co. lab в Сиракузах, штат Нью-Йорк. Сегодня это основа для красных LED, используемых CD, DVD-плеерах, сотовых телефонах.

Лазер на иттрий-алюминиевом гранате (YAG) появился в июне 1962. К концу этого года общий объем лазерных продаж составил более 1 миллиона американских долларов. В 1963 разрабатываются принципы лазеров с синхронизацией мод. В современном мире без них трудно представить оптическую связь и фемтосекундные лазеры.

В этом же году Герберт Кромер из университета Калифорнии (Herbert Kroemer of the University of California) и команда ученых под руководством Жореса Алферова из Института им. А.Ф. Иоффе в Санкт-Петербурге предложили использовать гетероструктуры в работе полупроводниковых лазеров. В 2000 году оба ученых получили за это Нобелевскую премию.

В марте 1964 благодаря Вильяму Бриджесу (William B. Bridges) из США появляется аргоновый лазер, КПД его был низок, зато излучал он на нескольких длинах волн, в том числе и в УФ диапазоне.

В 1964 Таунс, Басов и Прохоров были удостоены Нобелевской премии за фундаментальный труд в области квантовой электроники, в результате которого были созданы колебательные системы и усилители, работающие на мазер-лазерном принципе.

В том же 64-м создали СО 2 лазер, который и по сей день успешно используется в промышленности и медицине.

В 1965 была на практике наблюдали синхронизацию мод – важный шаг на пути к телекоммуникациям.
В 1966 создан лазер на красителях, накачка которого осуществлялась рубиновым лазером.

За изобретение «накачки» лазеров и мазеров Нобелевской премии в 1966 был удостоен французский физик Альфред Кастлер (Alfred Kastler).

В 1970 в ФИАН СССР им. Лебедева Басов, Данилевич и Попов изобрели эксимерный лазер.
Весной этого года Ж.Алферов продемонстрировал непрерывное излучение полупроводниковых лазеров при комнатной температуре, делая все для того, чтобы перевести связь на оптическое волокно с использованием полупроводниковых излучателей. В Corning Glass Works же показали передачу оптического сигнала по оптоволокну с затуханием менее 20 дБ/км. Артур Ашкин (Arthur Ashkin) из Bell Labs изобретает оптическую ловушку, когда атомы вещества оказываются в «подвешенном» состоянии в скрещенных лучах лазеров.

В 1972 изобретают лазер на квантовой яме. Его работа была продемонстрирована в 1977 в университете штата Иллинойс (Illinois). Фактически массово он появился в начале 90-х. В 1972 впервые использовался лазер для создания рисунка на керамической подложке компьютерной микросхемы.

В 1976 создали лазер на свободных электронах. Вместо активной среды такой лазер использует пучок электронов, разгоняемый до больших скоростей и пропускаемый через поперечное магнитное поле для получения когерентного излучения.

В 1978 появляются лазерные диски. Самые первые плееры для считывания информации использовали гелий-неоновый лазер, которые впоследствии заменили на ИК лазерные диоды. В этом же году Philips выпускает миниатюрные CD, какими мы привыкли их видеть сегодня.

В 1987 году Дэвид Пейн (David Payne) из Великобритании представил оптоволокно, легированное эрбием. Новые оптические усилители сразу же усиливали сигнал без его конвертации в электрическую форму, а затем снова в оптическую.

В 1994 мир увидел квантовые каскадные лазеры (ККЛ) Bell Labs, способные излучать сразу на нескольких длинах волн, разделенных промежутками. ККЛ производились методом молекулярной эпитаксии. Изменение толщины определенного слоя ККЛ меняло длины волн излучения. В этом же году в Институте им. А.Ф.Иоффе показали работу лазера на квантовой точке.

В июне 2009 NASA запустило лунный исследовательский комплекс LRO (Lunar Reconnaissance Orbiter), который будет использовать лазер для детального изучения поверхности Луны, что в будущем поможет нам производить безопасную лунную посадку космических кораблей, а также определить, где находится лед на поверхности нашей космической спутницы.

В январе 2010 года в США в Национальном комплексе лазерных термоядерных реакций получен рекордный уровень мощности генерации лазера – беспрецедентный 1МДж в течение одной наносекунды. В будущем планируется использование лазеров для осуществления инерциального термоядерного синтеза.

Как известно, лазер – это устройство способное к усилению света путем вынужденного излучения. И возможность построения этого устройства была сначала предсказана в теории, а лишь много лет спустя удалось построить первый образец. Напомню, что вынужденное излучение было объяснено с точки зрения квантовой теории Эйнштейном, а первое воплощение этого принципа в железе началось в 50х годах ХХ века независимо различными группами ученых, наиболее известными из которых стали Ч. Таунс, А. М. Прохоров и Н. Г. Басов. Тогда им удалось построить первый квантовый генератор – мазер, который генерировал излучение в области сантиметровых волн. Непокоренным на то время оставался оптический диапазон, и о том, как его удалось покорить я и постараюсь рассказать в этой статье.

А покорить его удалось Теодору Мейману в 1960м году. Он провёл множество расчетов и пришел к выводу, что идеальным рабочим телом для генерации волн оптического диапазона станет кристалл рубина. Он же предложил принцип накачки рабочего тела – короткими вспышками света от соответствующей лампы-вспышки и способ создания положительной обратной связи для того чтобы усилитель стал генератором – эту функцию выполняли зеркальные покрытия на торцах кристалла. Расчеты Меймана показали, что атомы хрома, которые являются примесью в кристаллах сапфира и делающие его рубином имеют подходящую систему энергетических уровней, которая делает возможной генерацию лазерного излучения. В рубине реализуется простейшая трехуровневая схема. Атом хрома, поглощая свет в сине-зелёной области спектра, переходит на верхний возбужденный уровень, с которого происходит безизлучательный переход на метастабильный уровень, на котором он может задержаться на время порядка 1 мс. Из этого состояния атом возвращается на основной уровень, излучая фотон с длиной волны или 694 или 692 нм, так как метастабильный уровень на самом деле не один, их два очень близко расположенных. Возможность накопления атомов на метастабильном уровне и позволяет создать инверсную заселенность, а вместе с ней и генерацию лазерного излучения, когда один или несколько спонтанно испущенных фотонов заставляют лавинообразно «осыпаться» все остальные атомы из метастабильного состояния в основное, испуская новые фотоны с одинаковой длиной волны, фазой, поляризацией и направлением движения. Они и создают яркий красный луч, которому свойственна когерентность.

С историей изобретения первого оптического квантового генератора связано много достаточно интересных и порой очень несправедливых событий. Для начала надо отметить, что разработку первого лазера Мейман осуществлял по своей инициативе и самостоятельно, только со своим помощником, при этом, лазер на рубине создавался вопреки мнениям многих специалистов, которые были уверены в том, что рубин не годится в качестве рабочей среды. Есть городская легенда, согласно которой, его помощник, будучи дальтоником, впервые в жизни увидел красный свет, в тот момент когда лазер был собран и он заработал. Согласно этой же легенде, Мейман не наблюдал лазерный пучок визуально, так как был очень занят настройками регистрирующей аппаратуры – нужно было срочно собирать экспериментальные данные и готовить статью к публикации, в которой будут представлены убедительные доказательства, что было впервые получено когерентное излучение оптического диапазона. Тут-то и начались сложности. Во-первых, статью Меймана о том, что возможна генерация оптического когерентного излучения в кристалле рубина отклонили от публикации в журнале Physical Review Letters, уточнив, что в «его статье нет ничего принципиально нового». Вместо этого статья была опубликована в Nature. Что характерно – в 1958 году в журнале Physical Review Letters была уже опубликована статья о принципах работы лазера, направленная из конкурирующей организации – Bell Labs, и это не смотря на то, что рабочего экземпляра лазера у них не было, статья описывала просто теоретическое обоснование. Они же быстро состряпали патент на лазер, которого у них ещё не было. А Мейман получил отклонение из этого журнала, хотя построил первый работоспособный лазер. Более того, он подробно потом объяснил ученым из Bell Labs в разговоре по телефону, что нужно для создания лазера и как его построить, уже после того, как он создал свой. Тем не менее, приоритет Меймана в изобретении лазера так и не был признан. Да и Нобелевскую премию за изобретение лазера присудили Ч. Таунсу, а не ему, которая должна была принадлежать ему по праву. Отчасти это объясняют тем фактом, что Мейман работал в частной фирме, которая выполняла заказы для военных, а не в университетской лаборатории.

Теперь, оставим драму в покое и посмотрим, как был устроен рубиновый лазер Меймана в железе. Конструкция была чрезвычайно проста – в компактном корпусе находилась миниатюрная спиральная лампа-вспышка, внутри которой фиксировался ещё более миниатюрный кристалл рубина. Противоположные его торцы были посеребрены – один торец был «глухим» зеркалом, второй был посеребрен более тонким слоем, который пропускал некоторое количество света. Первый в мире лазер был длиной в 12 сантиметров, весил 300 грамм и выглядел игрушечным.

Детали лазера крупным планом:

Собственно, кристалл рубина.

И весь лазер в сборе, без источника питания.

В прессу же попала фотография лазера уже более крупных размеров, но уже далеко не первого в истории. И журналисты сразу же начали поднимать панику, дескать, изобретены «лучи смерти».

Буквально через год-два, когда новость об изобретении лазера уже разлетелась по миру, стали появляться первые лабораторные образцы лазеров в СССР. В отличии от стран запада, спиральные лампы накачки в лазерах не прижились сразу. Во-первых спиральная лампа не смотря на свою «очевидность» имеет далеко не оптимальную форму тела свечения – лишь малая доля света идет по адресу, так как соседние витки спирали в основном подсвечивают друг друга, а не вставленный внутрь неё кристалл рубина. Во-вторых – советская промышленность не выпускала широкую номенклатуру спиральных импульсных ламп. А те которые выпускались, имели неподходящую форму – спираль была слишком большого диаметра но мало витков, как например, достаточно известные лампы ИФК-20000 и ИФК-80000. Была спиральная модификация у достаточно известной и распространенной лампы ИФК-2000, но она встречается очень редко и смогла бы «прокачать» лишь самый миниатюрный кристаллик рубина, как у Меймана. Поскольку спиральные лампы в СССР были редки, то пошли по пути использования тех ламп, которые есть в достаточном количестве. Первый лазер в СССР имел возможность устанавливать в него кристаллы различных размеров, а для накачки использовались «классические» U-образные лампы ИФК-2000. Так он выглядел «живьем».

А так его показывали в книжках Б. Ф. Федорова различных изданий.

Поскольку такой способ накачки все равно остается неэффективным, то от него быстро ушли в пользу накачки прямыми трубчатыми лампами серии ИФП. Кристаллы же рубина также стали выпускаться всего нескольких стандартных размеров, в точности по размеру светящейся части лампы. Кристалл рубина и лампу стали размещать в фокусах эллиптического отражателя, чтобы кристалл собирал максимум доступного света. Так это выглядит схематически.

А так выглядит эллиптический отражатель вживую.

Была ещё конструкция с так называемой «полостной» лампой. Полостная лампа получается, если постепенно увеличивать число витков в спиральной лампе до бесконечности, пока они не сольются в сплошную полость. Такая лампа представляет собой две трубки из кварцевого стекла вложенные одна в другую и спаянные на торцах. Электроды впаяны в противоположные концы лампы. Единственная известная полостная лампа советского производства – ИФПП-7000, применялась в накачке лазерной установки УИГ-1.

Такая схема накачки обладает всеми недостатками схемы со спиральной лампой, поэтому больше нигде не применялась. На фотографии лампа ИФПП-7000 и кристалл рубина использовавшийся с ней. Кроме теперь уже экзотических схем со спиральными и полостными лампами накачки, возможна работа рубинового лазера в ещё более экзотической схеме – с непрерывной накачкой. Это возможно если кристалл рубина очень маленький, охлаждается жидким азотом и освещается сфокусированным пучком от ртутной лампы сверхвысокого давления или лучом мощного аргонового лазера. Но такие устройства так и не покинули стены лабораторий, оставшись экзотикой, описанной в научных статьях, не смотря на то, что со временем его удалось «отучить» от жидкого азота. Впоследствии и от напыленных на торцы зеркал отказались, так как они недолговечны и в случае их повреждения придется менять весь кристалл. Такая конструкция сохранилась только в тех устройствах где нужна максимальная компактность, как, например, в излучателях лазерных эпилляторов. Во всех остальных зеркала смонтированы отдельно на юстировочных приспособлениях.

Было бы странно, если бы мне не захотелось построить свой собственный рубиновый лазер, используя подручный и подножный выброшенный из лазерной лаборатории хлам. Хотелось отдать своего рода дань истории. Ну и получить первый опыт работы с импульсными твердотельными лазерами. Дальше следует описание постройки моего собственного лазера на рубине.

Информация представлена в ознакомительных целях. Автор не несет ответственности за попытки повторения описанного.

Основой стал упомянутый выше кристалл от установки УИГ-1. Это кристалл бледно-розового цвета с размером рабочей окрашенной части 8*120 мм, с дополнительными бесцветными наконечниками, что дает общую длину кристалла в 180 мм. Наконечники нужны для крепления кристалла в корпусе излучателя. Ещё одна причина, по которой окрашенную часть делают точно по размеру лампы накачки в том, что у рубина есть крайне нехорошее свойство поглощать собственное излучение на длине волны генерации. Если какая-то часть кристалла остается незасвеченной, то она начинает поглощать излучение, которое усиливается в засвеченной части и эффективность лазера сильно снижается. Обусловлено это трехуровневой схемой атомов хрома в рубине. По этой же причине у рубина очень высокая пороговая энергия накачки.

В первую очередь был построен макет источника питания для лампы накачки. Основная его деталь – это батарея конденсаторов емкостью 1000 мкФ, которая заряжалась до напряжения 3 кВ.

Напомню, что схемы с высоковольтными конденсаторами большой ёмкости смертельно опасны!

Схема заряда и поджига лампы. Для первой попытки взята ИФП-5000.

Сначала схема с лампой испытывалась без какого либо корпуса. Вспышка лампы крайне мощная, происходит с достаточно громким хлопком и её легко видно в соседних комнатах – свет распространяется через коридор, переотражаясь от стен. Вспышка лампы способна обугливать дерево и бумагу, расположенные к ней в упор. Каждая вспышка сопровождается запахом подгоревшей пыли и озона, выработанного могучим импульсом жёсткого ультрафиолета, и сопровождается волной жара, если находиться рядом с ней. Прямое наблюдение вспышки без средств защиты глаз крайне опасно! Для защиты достаточно обычной сварочной маски или очков.

Наигравшись с самой мощной на тот момент фотовспышкой, я собрал излучатель с этой лампой и показанным выше кристаллом. Корпусом для лампы и кристалла стал стеклянный моноблочный отражатель от технологического лазера «Квант-16», а снованием стал кусок металлического швеллера. Из кусков этого же швеллера были сделаны юстировочные приспособления для зеркал резонатора.

В качестве глухого зеркала я решил использовать призму полного отражения.

А в качестве выходного было выбрано зеркало якобы от рубинового лазера.
Забегая вперед, скажу, что этот конструктив оказался нерабочим. Лазерную генерацию получить на нем не удалось. Причины вполне очевидны – лампа накачки в два раза длиннее кристалла и её свет используется крайне неэффективно. Да и возможность выходного зеркала обеспечить эту генерацию тоже вызывала вопросы. Квантрон (так называется блок лампа+кристалл+отражатель) пришлось переделать. Во втором варианте я сделал новый держатель для кристалла и ламп, вместо одной лампы ИФП5000 решил использовать две лампы ИФП2000, размещенные в упор к кристаллу и соединенные последовательно электрически. Длина ИФП2000 идеально соответствует длине окрашенной части кристалла. Такой способ компоновки называется «плотная упаковка».

В качестве отражателя было решено испытать белые кафельные плитки. Современной тенденцией в коммерческом лазеростроении является использование керамических диффузных отражателей сделанных из спеченной окиси алюминия, которая отражает до 97% падающего света. Фирменные отражатели мне, конечно же, недоступны, но вот кафельные плитки выглядят не хуже, тоже идеально белые.

Было заменено и выходное зеркало на новое с измеренным коэффициентом пропускания 45% на длине волны 694 нм.

И в такой конфигурации удалось получить генерацию с первого импульса! Порог генерации оказался довольно высоким – около 1500 Дж энергии накачки. Лазер выдавал луч насыщенно-красного цвета, ослепительной яркости. К сожалению из-за его «скоротечности» сфотографировать его не удалось. Зато удалось зафиксировать его разрушительное действие на металл при фокусировке. Из железа он хорошо высекает искры.

Поскольку кристалл не имеет водяного охлаждения, то с повышением его температуры энергия луча довольно быстро падает, вплоть до полного срыва генерации. Да и кафельные плитки хорошо нагревались и затрудняли отвод тепла. При разборке я заметил, что поверхность плиток все же начала темнеть. Было решено испытать металлический отражатель, согнутый из хромированной пластины фотоглянцевателя.

Этот отражатель работал также как и кафельные плитки, но гораздо быстрее охлаждался и стрелять можно было чуть чаще. Было проведено несколько стрельб по металлу и резине. От сорта металла зависит вид высекаемых искр. Стрельба в трансформаторное железо. Для сквозного пробоя понадобилось 4 выстрела.

Стрельба в нержавейку. Искры более яркие.

Стрельба в лезвие канцелярского ножа из углеродистой стали дает обилие пушистых звездочек.

Стрельба в резину дает выброс факела пламени длиной до 3-4 см с последующими колечками дыма.

Также удалось выяснить, что из-за применения призмы полного отражения в качестве глухого зеркала лазер работает в одномодовом режиме и выдает энергию меньшую, чем мог бы, при том же уровне накачки. Дело в том, что центральное ребро у призмы – это мертвая зона и, исходя из схемы хода лучей света в призме полного отражения, световой пучок расщепляется на два параллельных, что соответствует моде ТЕМ10. Опозналось это по пятну ожога на черном карболите – было четко видно расщепленное пополам пятно как на картинке.

Если создать условия, при которых все остальные моды не будут подавляться, то за счет появления высших мод можно добиться повышения выходной энергии минимум вдвое. Для этого потребовалось заменить призму, которые легкодоступны, на специальное глухое зеркало, рассчитанное для работы на длине волны 694 нм. И это того стоило! Порог генерации упал до 900 Дж, а энергии действительно стало больше! И при стрельбе в черный карболит получалось равномерное пятно ожога. Теперь пластинка трансформаторного железа пробивалась за 2-3 выстрела, а диаметр отверстия получался несколько большим. Ну и количество искр стало существенно больше! Особенно красиво получается при стрельбе в углеродистую сталь.

Обычная сталь тоже искрит весьма неслабо!

3 выстрела делают в лезвии ножа сквозную дырку.

На этот момент возможности лазера уже были в принципе понятны, и оставалось убрать весь тот бардак из конденсаторов и оголенной высоковольтной проводки в более-менее аккуратный корпус, удачно оставшийся от разобранного блока питания лазера ЛГ-70. Принято решение сократить конденсаторную батарею, оставив только 6 однотипных конденсаторов, которые идеально влазили в корпус. Впихивание остального барахла затруднений не вызвало, даже осталось место для очень важного узла обеспечения безопасности – вакуумного выключателя имеющего нормально замкнутое положение, который разряжает конденсаторы на мощный резистор, когда прекращаются занятия с лазером и блок питания обесточивается. Заряд надежно сливается примерно за 40 секунд. Платой за это стало некоторое снижение энергии излучения, но зато лампы накачки работают в более щадящем режиме.

Вверху – конденсаторы, правее – разрядный резистор, в левом нижнем углу – система поджига лампы, круглая катушка правее – балластный дроссель который включается для ограничения импульсного тока через лампы (без него лампы торжественно взрываются после пары десятков вспышек), ещё правее (в центре) трансформатор от китайской микроволновки для заряда конденсаторов, ещё правее – его пускатель, и в правом нижнем углу – вакуумный выключатель ВВ-5, который замыкает конденсаторы на резистор при выключении аппарата из сети.

Вид БП сзади. Вентилятор там стоит просто потому, что он там был, и там было место под него. Реально греющиеся узлы в этом блоке отсутствуют. Высокое напряжение выводится через два контакта на самодельных проходных изоляторах, которым ещё нужно обеспечить дополнительную защиту от случайных прикосновений.

После сборки блока питания было решено взять штурмом пятак, выполненный из нержавеющй стали толщиной примерно 1.3 мм. Понадобилось около 7 выстрелов, но сквозной пробой был получен!

Здесь уже видны искры с тыльной стороны пятака.

А вот и желаемый результат – сквозной пробой пятака.

Подводя итог, было бы странно, если бы с моим увлечением я бы не построил этот действительно выдающийся вид лазера, у которого в моей реализации выходная энергия оценивается в 5 Дж при использовании полновесной батареи конденсаторов. Именно с него началась история всей лазерной техники и совершенно новой на тот момент науки – нелинейной оптики, которая открыла совершенно необычные казусы, происходящие со светом в области больших мощностей и энергий. Отдельно я бы хотел поблагодарить Джаррода Кинси, американского лазерного самодельщика, с ним я смог обсудить конструкцию своего самодельного лазера, и получить от него ряд ценных замечаний. В статье были использованы материалы из следующих источников, помимо бездонных глубин интернетов:

1. Б. Ф. Федоров Оптические квантовые генераторы, «Энергия», 1966,
2. Б. Ф. Федоров Лазеры и их применения, «Энергия», 1973
3. А. С. Борейшо Лазеры: устройство и действие, Санкт-Петербург, 1992

Благодарю за чтение, надеюсь было интересно.

А для будущих проектов у меня припасен действительно огромный рубиновый стержень – диаметром 16мм и с длиной окрашенной части 240 мм. Полная длина – 300 мм. Из такого кристалла можно получить до 100 Дж выходной энергии. Почти то, что нужно для лазерного бластера.

В 1900 году один из талантливейших умов нашей планеты – немецкий ученый Макс Планк открывает элементарную порцию энергии – квант и теоретически описывает связь энергии кванта с частотой электромагнитного излучения, вызвавшей его появление. Спустя 8 лет в 1918 году за свое открытие он получает Нобелевскую премию. Кстати примерно в это же время другой выдающийся ученый Альберт Эйнштейн открывает наименьшую элементарную частицу света – фотон и доказывает теорию дискретности света.

В 1917 году Эйнштейн формулирует теорию «Вынужденного излучения», которая описывает возможность создания условий, при которых электроны одновременно излучают свет одной длины волны. То есть, по сути, он описал теоретическую возможность создания некоего управляемого электромагнитного излучателя, названного впоследствии лазером.

Только через 34 года идея Эйнштейна из теории начала превращаться в реальность. В 1951 году профессор Колумбийского университета Чарльз Таунс решается использовать теорию «вынужденного излучения» для создания реального действующего прибора. В 1954 году он со своими единомышленниками Гербертом Цайгером и Джеймсом гордоном на практике реализует свой замысел, представив на суд общественности – первый в мире реально работающий лазер.

Правда, тогда он назывался «мазер». Прибор генерировал очень тонкий луч света на частоте 100 Гц мощностью 10 нВт. Конечно же, по сегодняшним меркам это немного, но тогда это был настоящий прорыв в оптоэлектронике.

Чарльз Таунс (слева) - изобретатель лазера, получивший Нобелевскую премию вместе советскими учеными А. Прохоровым и Н. Басовым

Спустя год в 1955 году советские ученые Александр Прохоров и Николай Басов из Института физики Академии наук CCCP совершенствуют конструкцию мазера, изменяя метод накачки электронов. В 1964 году они вместе с Таунсом получают за свои открытия Нобелевскую премию. В 1956 году американский ученый Николас Блумберген из Гарвардского университета разрабатывает твердотельный мазер. До этого существовали только газовые.

Профессор Ч. Таунс в гостях у академика Н. Г. Басова

Что касается самого названия, то впервые термин «лазер» упоминает в своих научных работах выпускник Колумбийского университета и коллега по научным изысканиям Чарльза Таунса – Гордон Гуд. Это произошло в 1957 году. Почему такое изменение? Дело в том, что первые мазеры работали не в оптическом диапазоне и были невидимы для человеческого глаза. Таунс же разработал конструкцию оптического светогенерирующего прибора, а Гуд ввел понятие «лазер» и нотариально заверил право первого, кто описал принцип работы этого прибора.

Первый советский рубиновый лазер, созданный в ФИАНе

В 1960 году американский физик Теодор Мейнман создает первый в мире лазер, который работает на кристалле драгоценного камня – рубине. Позже этот тип лазеров стали называть «рубиновыми» и они достаточно долгое время были самыми широко распространенными. Чуть позже в этом же году в ноябре месяце компания IBM представила свой твердотельный лазер, использующий технологию 4-уровневой накачки.

Создатель лазера академик Александр Михайлович Прохоров

Первое коммерческое использование лазера произошло в 1961 году. Тогда на рынке работало уже несколько компаний, разрабатывающих и производящих подобные оптические приборы. В 1962 году был впервые использован рубиновый лазер. С его помощью сваривались швы на корпусе наручных часов.

Американский физик, обосновавший возможность создания лазера, Нобелевский лауреат Артур Леонард Шавлов

Первый полупроводниковый лазер был создан в 1962 году в компании General Electric. Его разработчиком стал инженер Ник Холоньяк.

Отцом светодиодной технологии в нынешнем ее понимании стал Ник Холоньяк

Затем лазерная техника получила бурное развитие. Появились: газовые, газодинамические, химические лазеры, лазеры на свободных электронах, волоконные и другие.

Гелий-неоновый лазер

Лазеры широко применяются в научных измерениях и экспериментах. Они позволяют создать высокую точность там, где это потребуется.

Современные источники лазерного излучения дают в руки экспериментаторов монохроматический свет с практически любой желаемой длиной волны. В зависимости от поставленной задачи это может быть как непрерывное излучение с чрезвычайно узким спектром, так и ультракороткие импульсы длительностью вплоть до сотен аттосекунд (1 ас = 10−18 секунды).

Высокая энергия, запасенная в этих импульсах, может быть сфокусирована на исследуемый образец в пятно, сравнимое по размерам с длиной волны, что дает возможность исследовать различные нелинейные оптические эффекты. С помощью перестройки по частоте осуществляются спектроскопические исследования этих эффектов, а управление поляризацией лазерного излучения позволяет проводить когерентный контроль исследуемых процессов.

Лазеры применяются в информационной сфере. Лазерные принтеры и лазерные проигрыватели компакт дисков прочно вошли в наш обиход.

Полупроводниковый лазер, применяемый в узле генерации изображения принтера Hewlett-Packard

Лазеры используются в связи, в том числе и космической.

Большой размах получило лазерное сопровождение музыкальных представлений (так называемое «лазерное шоу»).

Лазер используется в строительстве. Лазерные уровни, угломеры и линейки позволяют делать замеры с большой точностью.

Лазерная резка металла - технология резки и раскроя материалов, использующая лазер высокой мощности и обычно применяемая на промышленных производственных линиях. Сфокусированный лазерный луч, обычно управляемый компьютером, обеспечивает высокую концентрацию энергии и позволяет разрезать практически любые материалы независимо от их теплофизических свойств. В процессе резки, под воздействием лазерного луча материал разрезаемого участка плавится, возгорается, испаряется или выдувается струей газа.

При этом можно получить узкие резы с минимальной зоной термического влияния. Лазерная резка отличается отсутствием механического воздействия на обрабатываемый материал, возникают минимальные деформации, как временные в процессе резки, так и остаточные после полного остывания. Вследствие этого лазерную резку, даже легкодеформируемых и нежестких заготовок и деталей, можно осуществлять с высокой степенью точности.

Лазеры широко применяются в медицине. С появлением промышленных лазеров наступила новая эра в хирургии. При этом пригодился опыт специалистов по лазерной обработке металла. Приваривание лазером отслоившейся сетчатки глаза - это точечная контактная сварка; лазерный скальпель - автогенная резка; сваривание костей - стыковая сварка плавлением; соединение мышечной ткани - тоже контактная сварка.

С середины 50-х годов XX века в СССР осуществлялись широкомасштабные работы по разработке и испытанию лазерного оружия высокой мощности, как средства непосредственного поражения целей в интересах стратегической противокосмической и противоракетной обороны. Среди прочих были реализованы программы «Терра» и «Омега». Испытания лазеров осуществлялись на полигоне Сары-Шаган (ПВО, ПРО, ПКО, СККП, СПРН) в Казахстане. После распада Советского Союза работы на полигоне Сары-Шаган были остановлены.

В середине марта 2009 года американская корпорация Northrop Grumman объявила о создании твердотельного электрического лазера мощностью около 100 кВт. Разработка данного устройства была произведена в рамках программы по созданию эффективного мобильного лазерного комплекса, предназначенного для борьбы с наземными и воздушными целями.