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テクノロジーの歴史、テクノロジー、私たちの周りのオブジェクト
レーザ。 発明と生産の歴史
ディレクトリ / テクノロジーの歴史、テクノロジー、私たちの周りのオブジェクト レーザー（英語のレーザー、放射線の誘導放出による光増幅の頭字語）、または光量子発生器は、ポンプエネルギー（光、電気、熱、化学など）をコヒーレントエネルギーに変換する装置です。単色、偏光され、狭く指向された放射線束。 レーザー動作の物理的基礎は、誘導 (誘導) 放射線の量子力学的現象です。 レーザー放射は、一定のパワーで連続的に行うことも、非常に高いピークパワーに達するパルス化することもできます。 いくつかの方式では、レーザーの動作要素が別の光源からの放射線の光増幅器として使用されます。 物質のあらゆる集合状態を作動媒体として使用するレーザーには、多数の種類があります。 色素溶液レーザーや多色固体レーザーなどの一部の種類のレーザーは、広いスペクトル範囲にわたって全範囲の周波数 (光キャビティ モード) を生成できます。 レーザーのサイズは、一部の半導体レーザーの顕微鏡的なものから、一部のネオジム ガラス レーザーのサッカー場サイズまでさまざまです。 レーザー放射のユニークな特性により、CD の読み書きから制御された熱核融合の分野の研究に至るまで、科学技術のさまざまな分野だけでなく、日常生活でもレーザー放射を使用することが可能になりました。
レーザーは比較的単純なデバイスですが、その動作の根底にあるプロセスは非常に複雑であり、古典的な物理法則では説明できません。 マクスウェルとヘルツの時代以来、科学は電磁放射、特に光放射が波の性質を持っているという考えを確立してきました。 この理論は、観測された光学的および物理的現象のほとんどをうまく説明しました。 しかし、すでに XNUMX 世紀の終わりに、この理論に適合しない実験データが得られました。 たとえば、光電効果の現象は、光の波動性に関する古典的な考え方の観点からは完全に理解できないことが判明しました。 1900年、有名なドイツの物理学者マックス・プランクは、これらの偏差の性質を説明しようとして、電磁放射、特に光の放出が連続的に発生するのではなく、別々の微視的部分で発生すると仮定しました。 1905 年、アインシュタインは、光電効果の理論を発展させ、プランクの考えを強化し、電磁放射が実際に部分的に放出され (これらの部分は量子と呼ばれるようになった)、その後、伝播の過程で各部分がその部分を保持することを説得力を持って示しました。 「個性」は潰れず、他人と積み重ならないので、丸ごと吸収するしかありません。 この説明から、多くの場合、量子は波ではなく粒子のように振る舞うことがわかりました。 しかし同時に、それらは波であることをやめません（たとえば、量子には静止質量がなく、300000 km / sの速度で移動するだけで存在します）、つまり、特定の二元論があります。 量子論は、以前は理解できなかった多くの現象、特に放射線と物質との相互作用の性質を説明することを可能にしました。 簡単な例を見てみましょう: 体が加熱されるとなぜ光を発するのでしょうか? たとえば、ガスバーナーで釘を加熱すると、最初は深紅色になり、次に赤くなることがわかります。 加熱を続けると、赤色が黄色に変わり、眩しいほどの白色になります。 したがって、爪は赤外線（熱）だけでなく可視光線も放出し始めます。 この現象の理由は次のとおりです。 すべての体 (爪を含む) は分子で構成されており、分子は原子で構成されています。 各原子は小さく、非常に密度の高い原子核であり、その周りを多かれ少なかれ電子が回転しています。 これらの電子は原子核の周りをランダムに移動するのではなく、それぞれが正確に設定されたレベルにあります。 したがって、コアに近いレベルもあれば、コアから離れたレベルもあります。 これらの準位はエネルギー準位と呼ばれます。これは、それらの準位にある電子のそれぞれが、この準位にのみ固有の固有のエネルギーを持っているためです。 電子は静止準位にある間、エネルギーを放射することなく移動します。 原子のこの状態は無期限に続く可能性があります。 しかし、一定量のエネルギーが外部から原子に与えられると (釘が加熱されたときに起こるように)、原子は「励起」されます。 この励起の本質は、電子が物質を透過する放射の量子 (この例では、ガス バーナーの赤外線熱放射) を吸収し、エネルギーを獲得し、これにより、より高いエネルギー レベルに移動することです。 ただし、電子は非常に短い時間 (XNUMX 分の XNUMX 秒、さらには XNUMX 万分の XNUMX 秒) だけ、これらのより高いレベルにとどまることができます。 この時間の後、各電子は再びその定常レベルに戻り、同時にエネルギーの量子を放出します (または、同じことですが、特定の長さの波)。 これらの波の中には、可視範囲にあるものもあります (これらの可視光の量子は光子と呼ばれます。加熱された釘の輝きのように、励起された原子による光子の放出が観察されます)。 釘の例では、量子の吸収と放出のプロセスは無秩序に進行します。 複雑な原子では、上準位から下準位への多数の電子の遷移が観察され、それぞれが独自の周波数で放射線を放出します。 したがって、放射線はいくつかのスペクトルで同時に異なる方向に進み、一部の原子は光子を放出し、他の原子はそれらを吸収します。 同様に、加熱された物体からも量子が放出されます。 これらの物体のそれぞれ (太陽、アーク溶接、白熱灯のフィラメントのいずれであっても) は、異なる長さの多くの波動 (または、同じことですが、異なるエネルギーの量子) を同時に放出します。 そのため、レンズやその他の光学系がどれほど完璧であっても、加熱された物体から放出される放射を厳密に平行なビームに集束させることはできません。常に特定の角度で発散します。 これは理解できます-結局のところ、各波はレンズ内で独自の角度で屈折します。 したがって、どのような状況でも、それらの並列処理を実現することはできません。 しかし、量子論の創始者は、自然条件では発生しないが、人間によってモデル化される可能性がある放射の別の可能性をすでに検討しています. 確かに、ある特定のエネルギーレベルに属する物質のすべての電子を励起し、それらに一方向に一度に量子を放出させることができれば、非常に強力で同時に非常に均一な放射パルス。 そのようなビームを集束させることにより (それを構成するすべての波が同じ長さであるため)、ビームのほぼ完全な平行度を達成することが可能になります。 アインシュタインは、1917 年に「量子論による放射線の放出と吸収」と「放射線の量子論について」という著作で、刺激放射線の可能性について初めて書きました。 誘導放出は、特に以下の方法で達成することができる。 電子がすでに「過剰励起」されており、より高いエネルギー準位にある物体を想像してみましょう。そして、それらの電子が量子の新しい部分で照射されたとします。 この場合、雪崩に似たプロセスが発生します。 電子はすでにエネルギーで「過飽和」になっています。 追加の照射の結果、それらは上位レベルから崩壊し、雪崩のように下位レベルに移動し、電磁エネルギーの量子を放出します。 さらに、これらの量子の振動の方向と位相は、入射波の方向と位相と一致します。 いわば、出力波のエネルギーが入力波のエネルギーを何倍も超えるとき、波の共振増幅の効果があります。 しかし、放出された光子の厳密な平行性を達成するにはどうすればよいでしょうか? これは、オープンミラー共振器と呼ばれる非常に単純なデバイスで実行できることがわかりました。 これは、通常の鏡と半透明の鏡の XNUMX つの鏡の間のチューブに配置された活性物質で構成されています。
半透明の鏡に当たる物質から放出された光子は、部分的にそれを通過します。 残りは反射して反対方向に飛んでいき、左の鏡（今は全部）で反射して、再び半透明の鏡にたどり着きます。 この場合、励起された物質を通過するたびに光子束が大幅に増加します。 ただし、ミラーに対して垂直に移動する波のみが増幅されます。 十分な増幅を受けずに、垂直から少なくともわずかにずれてミラーに落ちる残りのすべては、その壁を通って活性物質を離れます。 その結果、発信ストリームの指向性は非常に狭くなります。 レーザーの動作の根底にあるのは、誘導放出を取得するこの原理です (レーザーという言葉自体は、誘導放出による光の増幅と誘導放出による光の増幅を意味する放射の英語の定義の最初の文字で構成されています)。 この注目に値するデバイスの作成には、長い歴史が先行していました。 テクノロジーがレーザーの発明を、一見すると光学と量子電気力学の両方からかけ離れた専門家、つまり電波物理学者に負っているのは興味深いことです。 ただし、これには独自の深いパターンがあります。 40年代の初め以来、世界中の電波物理学者がセンチメートル波とミリ波の範囲の習得に取り組んでいるとすでに言われています。これにより、機器、特にアンテナシステムを大幅に簡素化および削減することが可能になったからです。 しかしすぐに、古い真空管式発電機は新しい環境ではほとんど機能しないことが明らかになりました。 彼らの助けを借りて、1 mmの波を生成することはほとんど不可能でしたが（これらの発電機の電磁振動の周波数は毎秒数十億に達しました）、さらに短い波の発電機を作成することは不可能であることが判明しました. 電磁波を発生させるための根本的に新しい方法が必要でした。 ちょうどこの頃、ソビエトの電波物理学者であるアレクサンダー・プロホロフとニコライ・バソフは、ガスによる電波の吸収という非常に興味深い問題の研究を始めました。 戦時中においても、レーダーから発せられる一定の長さの波は、他のものと同様に周囲の物体に反射せず、「エコー」を与えないことが発見されました。 たとえば、1 cm の波のビームは空間に溶けているように見えました。この長さの波は、水蒸気分子によって積極的に吸収されることが判明しました。 後で、各ガスが特定の長さの波を吸収し、その分子が何らかの形でそれに「調整」されることが判明しました。 これらの実験から、次のアイデアへの一歩しかありませんでした。原子と分子が特定の長さの波を吸収できる場合、それらはそれらを放出することもできます。つまり、ジェネレーターとして機能します。 したがって、電子管の代わりに、特別に励起された数十億個のガス分子を放射線源として使用する、放射線のガス発生器を作成するというアイデアが生まれました。 マイクロ波の範囲だけでなく、可視波の範囲（可視光の波長は0 ～ 4 ミクロン、これは毎秒数千億回のオーダーの振動数に相当します)。 その過程で最も重要な問題は、アクティブな環境をどのように作成するかでした。 Basov と Prokhorov は、アンモニアをそのまま選択しました。 発生器の動作を確実にするために、原子が励起状態にある活性ガス分子を、原子が量子の吸収の方向に向いている非励起分子から分離する必要がありました。 この目的のために開発された設置スキームは、真空が作成された容器でした。 アンモニア分子の細いビームがこの容器に入れられました。 高電圧コンデンサがその経路に設置されました。 高エネルギー分子はそのフィールドを自由に飛び回り、低エネルギー分子はコンデンサーのフィールドによって運び去られました。 これは、分子がエネルギーによって分類される方法です。 活性分子は、上記と同じ方法で設計された共振器に入りました。 最初の量子発生器は 1954 年に作成されました。 彼の出力は 1963 億分の XNUMX ワットしかないため、正確な機器だけが彼の作業を記録できました。 しかし、この場合、アイデア自体の根本的な正しさが確認されたことがはるかに重要でした. テクノロジーの歴史に新たなページを開いたのは、驚くべき勝利でした。 同じ日に、コロンビア大学で、アメリカの放射線物理学者であるチャールズ・タウンズのグループが、「メーザー」と呼ばれる同様の装置を作成しました。 (XNUMX 年、バソフ、プロホロフ、タウンズは、その基本的な発見によりノーベル賞を受賞しました。) Basov-Prokhorov 量子発生器と Towns メーザーはまだレーザーではありませんでした。それらは長さ 1 cm の電波を生成し、レーザーは数万倍短い可視範囲の電磁波を放出しました。 ただし、両方のデバイスの動作原理は同じであるため、レーザーの作成者は特定の問題のみを解決する必要がありました。 まず、すべての物質がこの特性を持っているわけではないため、励起状態に入ることができる適切な活性物質を見つける必要がありました。 第二に、励起源、つまり、活性物質に追加のエネルギーを与えることによって活性物質を励起状態に移行させる能力を持つデバイスを作成することです。 第三に、活性物質のすべての励起粒子を強制的に励起に参加させ、活性物質の縦軸に沿って伝播する振動のみを増幅するために、開放型共振器が必要でした。 第 1960 に、励起源に電力を供給するために電源が必要でした。そうしないと、レーザーが機能しません。 これらの問題はすべて、さまざまな方法で解決できます。 この作業は、一度に複数の方向で多くの科学者によって実行されました。 しかし、XNUMX 年に最初のルビー ベースのレーザーを作成したアメリカの物理学者 Theodor Meiman は、何よりも大切な目標を達成できて幸運でした。
ルビーレーザーの動作の本質は次のとおりです。 電源からのエネルギーは、励起源によって電磁界に変換され、活性物質に照射されます。 この照射の結果、活性物質は平衡状態から励起状態に移行する。 活性物質の内部エネルギーが大幅に増加します。 このプロセスは活性物質の「ポンピング」または「ポンピング」と呼ばれ、励起源は「ポンピング」または「ポンピング」のソースと呼ばれます。 活性物質の原子が励起状態になると、何らかの理由でXNUMX個の電子が上準位から抜け出すだけで十分であるため、光の光子を放出し始め、それが次にいくつかの電子を放出します。残りの励起電子によるなだれのようなエネルギーの放出を引き起こします。 開いた共振器は、活性物質の放射を一方向に向けて増幅します。 メイマンは活性物質として人工ルビーを使用しました（ルビーは酸化アルミニウムからなる結晶性物質であり、アルミニウム原子の一部がクロム原子に置き換えられています。これは、材料のすべてではなくクロムイオンのみであるため、特に重要です、光の吸収に関与します）。 励起発生器は、放射ヘッド、電源ユニット、発射ユニットの 40 つのブロックで構成されていました。 放出ヘッドは、活性物質の動作条件を作成しました。 電源は、メインと補助のXNUMXつのコンデンサを充電するためのエネルギーを提供しました。 トリガーユニットの主な目的は、高電圧パルスを生成し、それをフラッシュランプのトリガー電極に印加することでした。 発光ヘッドは、ルビーロッドとXNUMXつのU字型フラッシュランプで構成されていました。 ランプはキセノンで満たされた標準でした。 四方から、ランプとルビーの棒はアルミホイルで覆われ、反射板の役割を果たしました。 コンデンサは約XNUMX万ボルトのパルス電圧を蓄積して印加し、強力なランプの閃光を引き起こしました。 フラッシュは、ルビーの原子を即座に励起状態に移行させました。 次のパルスでは、コンデンサの新しい充電が必要でした。
これは、一般的に、非常に単純なデバイスであり、大きな関心を集めました。 BasovとTownsの発見の本質が専門家だけに明らかだった場合、Meimanレーザーは初心者にも大きな印象を与えました. ジャーナリストの前で、Meiman 氏はデバイスの電源を入れ、その動作を実演しました。 同時に、先端の穴からは鉛筆一本分ほどの太さのビームが放たれた。 それはほとんど拡大せずに壁に寄りかかって、まばゆいばかりの丸い点で終わっていました。 しかし、メイマンは他の発明者よりわずかに先を行っていました。 それほど時間はかからず、新しいタイプのレーザーの作成に関する報告があらゆる方面から寄せられ始めました。 ルビーに加えて、他の多くの化合物がレーザーの活性物質として使用できます。たとえば、不純物を含むフッ化ストロンチウム、不純物を含むフッ化バリウム、ガラスなどです。 それらはガスかもしれません。 同じ 1960 年に、ヘリウム ネオン ベースのガス レーザーが Ali Javan によって作成されました。 ガス混合物の励起状態は、強い電場とガス放電によって達成されました。 ただし、固体レーザーとガス レーザーはどちらも効率が非常に低くなります。 それらの出力エネルギーは、消費されたエネルギーの 1% を超えません。 その結果、残りの 99% は無駄に費やされます。 したがって、Basov、Krokhin、Popov による 1962 年の半導体レーザーの発明は非常に重要になりました。
ソビエトの物理学者は、半導体が電気パルスまたは光パルスの影響を受けると、電子の一部が原子から離れ、正電荷の役割を果たす「正孔」がここに形成されることを発見しました。 電子が原子の軌道に同時に戻ることは、光子が放出されるため、より高いエネルギー準位からより低いエネルギー準位への遷移と見なすことができます。 電子ビームで励起したときの半導体レーザーの効率は、40%に達することがあります。 ｎ型不純物を含むガリウム砒素を活性物質として使用した。 この材料から、ブランクは立方体の形または平行六面体の形、いわゆる半導体ダイオードの形で作られました。 ダイオードプレートは、金でコーティングされたモリブデンシートにはんだ付けされて、n領域との電気的接触を提供しました。 金と銀の合金がｐ領域の表面に堆積された。 ダイオードの端は共振器の役割をしていたので、丁寧に磨きました。 同時に、研磨プロセス中に、それらは互いに高精度で平行に配置されました。 放射線は、ダイオードのこれらの側面から正確に出てきました。 上面と下面は、電圧が印加される接点として機能しました。 デバイスの入力にパルスが適用されました。 レーザーはすぐに人間の生活に入り込み、技術と科学の多くの分野で使用され始めました。 彼らの工業生産は 1965 年に始まり、アメリカだけで 460 社以上の企業がレーザー システムの開発と製造を始めました。 著者：Ryzhov K.V.
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