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HISTORIA DE LA TECNOLOGÍA, TECNOLOGÍA, OBJETOS ALREDEDOR DE NOSOTROS
Láser. Historia de la invención y la producción.
Directorio / La historia de la tecnología, la tecnología, los objetos que nos rodean. Un láser (láser en inglés, acrónimo de light amplification bystimuled emition of radiation), o generador cuántico óptico, es un dispositivo que convierte la energía de bombeo (luminosa, eléctrica, térmica, química, etc.) en energía coherente, monocromática, flujo de radiación polarizado y de dirección estrecha. La base física del funcionamiento del láser es el fenómeno de la mecánica cuántica de la radiación estimulada (inducida). La radiación láser puede ser continua, con una potencia constante, o pulsada, alcanzando picos de potencia extremadamente altos. En algunos esquemas, el elemento de trabajo del láser se usa como un amplificador óptico para la radiación de otra fuente. Hay una gran cantidad de tipos de láseres que utilizan todos los estados agregados de la materia como medio de trabajo. Algunos tipos de láseres, como los láseres de solución de colorante o los láseres de estado sólido policromáticos, pueden generar toda una gama de frecuencias (modos de cavidad óptica) en un amplio rango espectral. Los láseres varían en tamaño desde microscópicos para algunos láseres semiconductores hasta el tamaño de un campo de fútbol para algunos láseres de vidrio de neodimio. Las propiedades únicas de la radiación láser hicieron posible su uso en diversas ramas de la ciencia y la tecnología, así como en la vida cotidiana, desde la lectura y escritura de CD hasta la investigación en el campo de la fusión termonuclear controlada.
A pesar del dispositivo relativamente simple del láser, los procesos subyacentes a su operación son extremadamente complejos y no pueden explicarse en términos de las leyes clásicas de la física. Desde la época de Maxwell y Hertz, la ciencia ha establecido la idea de que la radiación electromagnética y, en particular, la luz, tiene una naturaleza ondulatoria. Esta teoría explicaba bien la mayoría de los fenómenos ópticos y físicos observados. Pero ya a finales del siglo XIX se obtuvieron algunos datos experimentales que no se ajustaban a esta teoría. Por ejemplo, el fenómeno del efecto fotoeléctrico resultó completamente incomprensible desde el punto de vista de las ideas clásicas sobre la naturaleza ondulatoria de la luz. En 1900, el famoso físico alemán Max Planck, tratando de explicar la naturaleza de estas desviaciones, supuso que la emisión de radiación electromagnética y, en particular, la luz no se produce de forma continua, sino en porciones microscópicas separadas. En 1905, Einstein, al desarrollar la teoría del efecto fotoeléctrico, reforzó la idea de Planck y demostró de manera convincente que la radiación electromagnética se emite efectivamente en porciones (estas porciones comenzaron a llamarse cuantos), y más tarde, en el proceso de propagación, cada porción conserva su La "individualidad", no se aplasta y no se acumula con los demás, por lo que solo puedes absorberla por completo. A partir de esta descripción, resultó que los cuantos en muchos casos no se comportan como ondas, sino como partículas. Pero al mismo tiempo, no dejan de ser ondas (por ejemplo, un cuanto no tiene masa en reposo y solo existe moviéndose a una velocidad de 300000 km/s), es decir, tienen cierto dualismo. La teoría cuántica hizo posible explicar muchos fenómenos previamente incomprensibles y, en particular, la naturaleza de la interacción de la radiación con la materia. Tomemos un ejemplo simple: ¿por qué un cuerpo emite luz cuando se calienta? Al calentar, digamos, un clavo en un quemador de gas, notaremos que primero adquiere un color carmesí, luego se vuelve rojo. Si continúa calentando, el color rojo se convierte en amarillo y luego en un blanco deslumbrante. Por lo tanto, la uña comienza a emitir no solo infrarrojos (térmicos), sino también rayos visibles. La razón de este fenómeno es la siguiente. Todos los cuerpos (incluida nuestra uña) están formados por moléculas, y las moléculas están formadas por átomos. Cada átomo es un pequeño núcleo muy denso alrededor del cual giran más o menos electrones. Estos electrones no se mueven alrededor del núcleo al azar, sino que cada uno de ellos se encuentra en su nivel precisamente establecido; En consecuencia, algunos niveles se ubican más cerca del núcleo, mientras que otros están más alejados. Estos niveles se denominan niveles de energía, ya que cada uno de los electrones ubicados en ellos tiene su propia energía específica, inherente solo a este nivel. Mientras el electrón está en su nivel estacionario, se mueve sin irradiar energía. Este estado del átomo puede continuar indefinidamente. Pero si se imparte una cierta cantidad de energía al átomo desde el exterior (como sucede cuando se calienta un clavo), el átomo se "excita". La esencia de esta excitación es que los electrones absorben los cuantos de radiación que penetran en la sustancia (en nuestro ejemplo, la radiación térmica infrarroja de un quemador de gas), adquieren su energía y, por ello, pasan a niveles energéticos superiores. Sin embargo, los electrones pueden permanecer en estos niveles más altos solo por un tiempo muy corto (milésimas e incluso millonésimas de segundo). Pasado este tiempo, cada electrón vuelve de nuevo a su nivel estacionario y al mismo tiempo emite un cuanto de energía (o, lo que es lo mismo, una onda de cierta longitud). Entre estas ondas, algunas están en el rango visible (estos cuantos de luz visible se llaman fotones; observamos la emisión de fotones por átomos excitados como el resplandor de un clavo caliente). En nuestro ejemplo con un clavo, el proceso de absorción y emisión de cuantos procede caóticamente. En un átomo complejo se observa una gran cantidad de transiciones de electrones desde los niveles superiores a los inferiores, y cada uno de ellos emite radiación con su propia frecuencia. Por lo tanto, la radiación va simultáneamente en varios espectros y en diferentes direcciones, con algunos átomos emitiendo fotones, mientras que otros los absorben. De la misma manera, los cuantos son emitidos por cualquier cuerpo calentado. Cada uno de estos cuerpos (ya sea el Sol, una soldadura por arco o el filamento de una lámpara incandescente) emite simultáneamente muchas ondas de diferente longitud (o, lo que es lo mismo, cuantos de distintas energías). Es por eso que, no importa cuán perfecta sea la lente u otro sistema óptico que tengamos, nunca podremos enfocar la radiación emitida por un cuerpo calentado en un haz estrictamente paralelo: siempre divergirá en un cierto ángulo. Esto es comprensible: después de todo, cada onda se refractará en la lente en su propio ángulo; por lo tanto, en ningún caso podremos lograr su paralelismo. Sin embargo, los fundadores de la teoría cuántica ya han considerado otra posibilidad de radiación, que no tiene lugar en condiciones naturales, pero que bien puede ser modelada por el hombre. De hecho, si fuera posible excitar todos los electrones de una sustancia que pertenece a un nivel de energía específico y luego forzarlos a emitir cuantos a la vez en una dirección, entonces sería posible obtener un extremadamente poderoso y al mismo tiempo. pulso de radiación extremadamente homogéneo. Enfocando tal haz (ya que todas las ondas que lo componen tienen la misma longitud), sería posible lograr un paralelismo casi perfecto del haz. Por primera vez, Einstein escribió sobre la posibilidad de tal, como él la llamó, radiación estimulada en 1917 en sus obras "Emisión y absorción de radiación según la teoría cuántica" y "Sobre la teoría cuántica de la radiación". La emisión estimulada puede lograrse en particular de la siguiente manera. Imaginemos un cuerpo cuyos electrones ya están "sobreexcitados" y se encuentran en los niveles de energía superiores, y supongamos que son irradiados con una nueva porción de cuantos. En este caso, se produce un proceso parecido a una avalancha. Los electrones ya están "sobresaturados" con energía. Como resultado de la irradiación adicional, se descomponen desde los niveles superiores y van como una avalancha a los inferiores, emitiendo cuantos de energía electromagnética. Además, la dirección y fase de las oscilaciones de estos cuantos coincide con la dirección y fase de la onda incidente. Habrá, por así decirlo, el efecto de amplificación resonante de la onda, cuando la energía de la onda de salida excederá muchas veces la energía de la que estaba en la entrada. Pero, ¿cómo lograr un paralelismo estricto de los fotones emitidos? Resulta que esto se puede hacer con un dispositivo muy simple llamado resonador de espejo abierto. Consiste en una sustancia activa colocada en un tubo entre dos espejos: uno normal y otro translúcido.
Los fotones emitidos por la sustancia, al caer sobre un espejo translúcido, lo atraviesan parcialmente. El resto se reflejan y vuelan en sentido contrario, luego se reflejan desde el espejo izquierdo (ahora todos) y llegan de nuevo al espejo translúcido. En este caso, el flujo de fotones después de cada paso a través de la sustancia excitada aumenta considerablemente. Sin embargo, solo se amplificará la onda que se mueva perpendicularmente a los espejos; todos los demás, que caen sobre el espejo con al menos una ligera desviación de la perpendicular, sin recibir amplificación suficiente, dejan la sustancia activa a través de sus paredes. Como resultado, la corriente saliente tiene una directividad muy estrecha. Es este principio de obtención de emisión estimulada el que subyace en el funcionamiento de los láseres (la propia palabra láser se compone de las primeras letras de la definición inglesa de amplificación de luz por emisión y radiación estimuladas, lo que significa amplificación de luz por emisión estimulada). La creación de este notable dispositivo estuvo precedida por una larga historia. Es curioso que la tecnología deba la invención del láser a especialistas que, a primera vista, están lejos tanto de la óptica como de la electrodinámica cuántica, es decir, los radiofísicos. Sin embargo, esto tiene su propio patrón profundo. Ya se ha dicho antes que desde principios de la década de 40, los radiofísicos de todo el mundo han estado trabajando en dominar los rangos de ondas centimétricas y milimétricas, ya que esto permitió simplificar y reducir significativamente los equipos, especialmente los sistemas de antena. Pero pronto quedó claro que los viejos generadores tubulares difícilmente podrían adaptarse para trabajar en las nuevas condiciones. Con su ayuda, era casi imposible generar ondas de 1 mm (la frecuencia de las oscilaciones electromagnéticas en estos generadores alcanzaba varios miles de millones por segundo), pero la creación de generadores para ondas aún más cortas resultó imposible. Se necesitaba un método fundamentalmente nuevo para generar ondas electromagnéticas. Justo en ese momento, los radiofísicos soviéticos Alexander Prokhorov y Nikolai Basov comenzaron a estudiar un problema muy interesante: la absorción de ondas de radio por gases. Incluso durante la guerra, se descubrió que las ondas de cierta longitud emitidas por un radar no se reflejan, como otras, en los objetos circundantes y no dan un "eco". Por ejemplo, un haz de onda de 1 cm parecía disolverse en el espacio; resultó que las moléculas de vapor de agua absorben activamente las ondas de esta longitud. Más tarde resultó que cada gas absorbe ondas de cierta longitud de tal manera que sus moléculas están de alguna manera "sintonizadas" con él. De estos experimentos solo hubo un paso a la siguiente idea: si los átomos y las moléculas son capaces de absorber ondas de cierta longitud, entonces también pueden emitirlas, es decir, actuar como generador. Así nació la idea de crear un generador de gas de radiación, en el que, en lugar de tubos de electrones, se utilizarían como fuentes de radiación miles de millones de moléculas de un gas especialmente excitado. Las perspectivas de tal trabajo parecían muy tentadoras, ya que se hizo posible dominar para las necesidades de la ingeniería de radio no solo el rango de las ondas de microondas, sino también otras mucho más cortas, por ejemplo, el rango de las ondas visibles (la longitud de onda de la luz visible es 0-4 micras, lo que corresponde a una frecuencia del orden de miles de billones de vibraciones por segundo). El problema más importante en el camino fue cómo crear un entorno activo. Basov y Prokhorov eligieron el amoníaco como tal. Para asegurar el funcionamiento del generador, era necesario separar las moléculas del gas activo, cuyos átomos estaban en estado excitado, de las no excitadas, cuyos átomos estaban orientados hacia la absorción de cuantos. El esquema de instalación desarrollado para este propósito fue un recipiente en el que se creó un vacío. Se dejó entrar un haz delgado de moléculas de amoníaco en este recipiente. Se instaló un condensador de alto voltaje en su camino. Las moléculas de alta energía volaron libremente a través de su campo, mientras que las moléculas de baja energía fueron arrastradas por el campo del condensador. Así es como las moléculas se clasifican por energía. Las moléculas activas entraban en un resonador diseñado de la misma forma que el descrito anteriormente. El primer generador cuántico fue creado en 1954. Tenía una potencia de solo una milmillonésima de vatio, por lo que solo instrumentos precisos podían registrar su trabajo. Pero en este caso era mucho más importante que se confirmara la corrección fundamental de la idea misma. Fue una victoria notable que abrió una nueva página en la historia de la tecnología. En los mismos días, en la Universidad de Columbia, un grupo del radiofísico estadounidense Charles Towns creó un dispositivo similar, llamado "máser". (En 1963, Basov, Prokhorov y Townes recibieron el Premio Nobel por su descubrimiento fundamental). El generador cuántico de Basov-Prokhorov y el máser de Towns aún no eran láseres: generaban ondas de radio de 1 cm de largo y los láseres emiten ondas electromagnéticas en el rango visible, que son decenas de miles de veces más cortas. Sin embargo, el principio de funcionamiento de ambos dispositivos es el mismo, por lo que el creador del láser tuvo que resolver solo problemas particulares. Primero, era necesario encontrar una sustancia activa adecuada que pudiera entrar en un estado excitado, porque no todas las sustancias tienen esta propiedad. En segundo lugar, para crear una fuente de excitación, es decir, un dispositivo que tenga la capacidad de transferir la sustancia activa a un estado excitado al impartirle energía adicional. En tercer lugar, se requería un resonador abierto para forzar a todas las partículas excitadas de la sustancia activa a participar en la excitación, y también para amplificar solo aquellas vibraciones que se propagan a lo largo del eje longitudinal de la sustancia activa. En cuarto lugar, se necesitaba una fuente de energía para energizar la fuente de excitación, de lo contrario, el láser no funcionaría. Todos estos problemas se pueden resolver de diferentes maneras. El trabajo fue realizado por muchos científicos en varias direcciones a la vez. Sin embargo, el físico estadounidense Theodor Meiman, quien en 1960 creó el primer láser a base de rubí, tuvo la suerte de lograr el preciado objetivo antes que otros.
La esencia del funcionamiento de un láser de rubí es la siguiente. La energía de la fuente de potencia es convertida por la fuente de excitación en un campo electromagnético, que irradia la sustancia activa. Como resultado de esta irradiación, la sustancia activa pasa de un estado de equilibrio a un estado excitado. La energía interna de la sustancia activa aumenta significativamente. Este proceso se denomina "bombeo" o "bombeo" de la sustancia activa, y la fuente de excitación se denomina fuente de "bombeo" o "bombeo". Cuando los átomos de la sustancia activa pasan a un estado excitado, basta que un electrón se escape del nivel superior por alguna razón, para que comience a emitir un fotón de luz, el cual, a su vez, dejará caer varios electrones del nivel superior. nivel superior, lo que provocará una liberación de energía similar a una avalancha por parte del resto de los electrones excitados. Un resonador abierto dirigirá y amplificará la radiación de la sustancia activa en una sola dirección. Meiman usó rubí artificial como sustancia activa (el rubí es una sustancia cristalina que consiste en óxido de aluminio, en el que algunos de los átomos de aluminio se reemplazan por átomos de cromo, lo cual es especialmente importante, ya que no todo el material, sino solo iones de cromo). , participa en la absorción de la luz). El generador de excitación constaba de tres bloques: un cabezal radiante, una fuente de alimentación y una unidad de lanzamiento. El cabezal emisor creaba las condiciones para el funcionamiento de la sustancia activa. La fuente de alimentación proporcionó energía para la carga de dos condensadores: el principal y el auxiliar. El objetivo principal de la unidad de disparo era generar un pulso de alto voltaje y aplicarlo al electrodo de disparo de la lámpara de destellos. El cabezal emisor consistía en una varilla de rubí y dos lámparas de destello en forma de U. Las lámparas eran estándar, llenas de xenón. Por todos lados, las lámparas y la barra de rubí estaban cubiertas con papel de aluminio, que desempeñaba el papel de reflector. El condensador acumuló y aplicó un voltaje pulsado de unos 40 mil voltios, lo que provocó un potente destello de lámparas. El destello transfirió instantáneamente los átomos del rubí a un estado excitado. Para el siguiente pulso, fue necesaria una nueva carga del condensador.
Este, en general, un dispositivo muy simple despertó un gran interés. Si la esencia del descubrimiento de Basov y Towns estaba clara solo para los especialistas, entonces el láser Meiman causó una gran impresión incluso en los no iniciados. En presencia de los periodistas, Meiman encendió repetidamente su dispositivo y demostró su funcionamiento. Al mismo tiempo, se emitió un rayo desde el agujero en el extremo, no más grueso que un lápiz. Casi sin expandirse, se apoyaba contra la pared, rematando en una deslumbrante mancha redonda. Sin embargo, Meiman estaba solo marginalmente por delante de otros inventores. No pasó mucho tiempo, y comenzaron a llegar informes de la creación de nuevos tipos de láseres de todos lados. Además del rubí, muchos otros compuestos pueden usarse como sustancia activa en láseres, por ejemplo, fluoruro de estroncio con impurezas, fluoruro de bario con impurezas, vidrio, etc. Pueden ser de gasolina. En el mismo 1960, Ali Javan creó un láser de gas basado en helio-neón. El estado excitado de la mezcla gaseosa se logró mediante un fuerte campo eléctrico y descargas de gas. Sin embargo, tanto los láseres de estado sólido como los de gas tienen una eficiencia muy baja. Su energía de salida no supera el 1% de la consumida. En consecuencia, el 99% restante se gasta inútilmente. Por lo tanto, la invención en 1962 por Basov, Krokhin y Popov del láser semiconductor se volvió muy importante.
Los físicos soviéticos descubrieron que si los semiconductores se ven afectados por un pulso eléctrico o de luz, algunos de los electrones abandonarán sus átomos y aquí se formarán "agujeros", que desempeñan el papel de cargas positivas. El retorno simultáneo de electrones a las órbitas de los átomos puede considerarse como una transición de un nivel de energía más alto a uno más bajo, por lo que se emiten fotones. La eficiencia de un láser semiconductor cuando es excitado por un haz de electrones puede alcanzar el 40%. Como sustancia activa se utilizó arseniuro de galio que contenía impurezas de tipo n. A partir de este material, se fabricaron espacios en blanco en forma de cubo o en forma de paralelepípedo, el llamado diodo semiconductor. La placa de diodo se soldó a una lámina de molibdeno recubierta de oro para proporcionar contacto eléctrico con la región n. Se depositó una aleación de oro con plata sobre la superficie de la región p. Los extremos del diodo hacían el papel de un resonador, por lo que fueron cuidadosamente pulidos. Al mismo tiempo, durante el proceso de pulido, se colocaron paralelos entre sí con gran precisión. La radiación salía precisamente de estos lados del diodo. Los lados superior e inferior sirvieron como contactos a los que se aplicó voltaje. Se aplicaron pulsos a la entrada del dispositivo. Los láseres entraron muy rápidamente en la vida humana y comenzaron a usarse en muchas áreas de la tecnología y la ciencia. Su producción industrial comenzó en 1965, cuando más de 460 empresas en América se dedicaron al desarrollo y creación de sistemas láser. Autor: Ryzhov K.V.
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