История лазера. Научное издание
Шрифт:
ПРЕДРСЛОВРР•
Удивительно, как человеческое воображение предвидело изобретение лазера. Герберт Уэллс в своем знаменитом романе Война миров (1898) описывал лучи смерти, а в комиксах Флэш Гордона (1950) широко использовались пистолеты, испускающие световые лучи, оружие, которое сейчас можно было бы идентифицировать как сверхмощные лазеры.
Слово лазер теперь хорошо известно и неспециалисту, который буквально окружен применениями лазерного света, в области в области медицины (хирургия и диагностические процедуры), телекоммуникации (волоконно-оптические линии связи, запись и воспроизведение информации на компакт-дисках, голограммы), а также в технологии (сверление, резка и сварка материалов лазерным излучением, геодезические измерения, печатание газет).
Лазеры имеют разную конфигурацию, размеры и стоимости, а также названия, такие как рубиновый (созданный первым), гелий-неоновый, аргоновый, полупроводниковый и др. Несмотря на их популярность, мало кто из людей по-настоящему знает, что собой представляет лазер и как он действует. В этой книге я постараюсь объяснить как можно более просто (хотя и не удастся избежать некоторых технических рассмотрений), как люди ухитрились создать первые лазеры, а также принципы их действия (вместе с мазерами, работающими в радиодиапазоне, которые являются их предшественниками).
Здесь уместно сказать, что лазер является источником света СЃ особыми свойствами, радикально отличающимися РѕС‚ обычных источников, таких как свеча или лампочка. Р’ самом деле, свет лазера РѕРґРЅРѕРіРѕ цвета (Р° РЅРµ смесь цветов белого света) Рё испускается РІ РѕРґРЅРѕРј направлении (Р° РЅРµ РІРѕ всех направлениях, как свет лампочки). Рто позволяет нам собирать его линзой Рё фокусировать РІ область очень малых размеров. Спектральная чистота Рё направленность лазерного света сильно улучшают эффективность этой процедуры, позволяя концентрировать значительную мощность РІ малой области, что важно для различных операций, таких как плавление или резка металла.
В упомянутых выше применениях лазер в основном используется как очень мощная лампа. Однако существуют другие применения (например, оптическая связь), в которых наиболее важными характеристиками являются спектральная ширина полосы и угловая апертура испускаемого пучка. Чтобы понять это, нам нужно рассмотреть, что собой представляет свет и как он испускается, что, в свою очередь, зависит от излучателя, атома, и поэтому требуется введение в некоторые основные концепции квантовой механики. Мы обсудим различные механизмы излучения, а именно, спонтанное излучение доминирующий процесс для всех естественных источников, и стимулированное излучение процесс, порождающий свет лазера и ответственный за его особенные характеристики.
Для того, чтобы объяснить различные явления согласно исторической последовательности, мы проследим историю света и первые шаги квантовой механики. При этом мы учитываем, что развитие науки испытывает зигзаги так, что многие идеи оказываются слишком передовыми для своего времени и не находят признания и пользы, в то время как другие могут возникать одновременно и независимо в умах многих людей как неизбежное следствие предыдущих идей, являющихся необходимыми предпосылками.
ВВЕДЕНРР•
Рождение мира, как оно описывается в Книге Бытия, фактически не противоречит большинству новейших космологических теорий Большого Взрыва, согласно которым Вселенная возникла в результате огромного взрыва с яркой вспышкой света.
РќРѕ как образуется свет? РЈ ребенка этот РІРѕРїСЂРѕСЃ РЅРµ вызывает удивления, Рё РѕРЅ отвечает, что свет РїСЂРёС…РѕРґРёС‚ РѕС‚ Солнца, или РѕС‚ электрической лампочки или РѕС‚ РѕРіРЅСЏ. Вообще РіРѕРІРѕСЂСЏ, это правильно. Однако почему Солнце испускает свет Рё, РІ продолжение РІРѕРїСЂРѕСЃР°, почему РѕРЅРѕ РіРѕСЂРёС‚? РќР° протяжении тысяч лет человечество РЅРµ задавалось этим РІРѕРїСЂРѕСЃРѕРј, Р° связывало свет СЃ философскими Рё религиозными концепциями, делая СѓРїРѕСЂ РЅР° проблемы, связанные СЃРѕ зрением. Р’ греческой мифологии РјС‹ встречаем титана Рпиметея который согласно мифу давал каждому живому существу РїСЂРё Создании специфические особенности, нужные для своей защиты Рё выживания. Так, РѕРЅ снабдил черепаху прочным панцирем, РѕСЃСѓ жалом Рё С‚.Рґ. РґРѕ тех РїРѕСЂ, РїРѕРєР° РѕРЅ РЅРµ дошел РґРѕ людей, Рё, исчерпав РІСЃРµ возможности РїСЂРёСЂРѕРґС‹, РЅРµ РјРѕРі ничего найти для человека. Платон пишет, что человек стоял наг, Р±РѕСЃ, без РґРѕРјР° Рё защиты. Рпиметей РїРѕРїСЂРѕСЃРёР» своего брата Прометея помочь ему. РўРѕС‚ похитил РѕРіРѕРЅСЊ Сѓ Зевса Рё подарил его человеку, способствуя тем самым прогрессу человечества, культуры Рё технологий. Зевс, полный злости Рё ревности, наказал Прометея, приковав его цепями Рє горам Кавказа, РіРґРµ каждый день орел терзал его печень. Желая РЅРµ дать возможности людям насладиться этим даром, РѕРЅ приказал Рфесу создать первую зловещую женщину, прекрасную Пандору, которая стала женой Рпиметея. РћРЅР°, сгорая РѕС‚ любопытства, открыла ящик, который должна была охранять Рё РЅРµ открывать. Ртот ящик был полон всеми демонами РјРёСЂР°, Рё РѕРЅРё разлетелись, РїСЂРёРЅРѕСЃСЏ несчастья всем людям.
Подобным же фантастическим образом природа света мыслилась древними египтянами, для которых свет получался как взгляд Ра, их бога Солнца.
В 1300 до н.э. некий жрец писал: Когда бог Ра открывает свои глаза возникает свет, когда он закрывает свои глаза наступает ночь.
Можно было бы привести много других примеров, показывающих, что в античные времена происхождение и природа света рассматривались в религиозном и фантастическом духе.
Представления о свете древних греков
В VI в. до н.э., когда в Греции философия и наука развивались совместно, Пифагор сформулировал теорию света, согласно которой прямолинейные видимые лучи испускаются глазом и ощупывают объект, давая зрительное ощущение.
Согласно Рмпедоклу (около 483423 РґРѕ РЅ.СЌ.), Афродита (Р±РѕРіРёРЅСЏ любви) снабдила наши глаза четырьмя элементами, которые, РїРѕ его мнению, являются сущностью всех вещей (земля, РІРѕРґР°, РІРѕР·РґСѓС… Рё РѕРіРѕРЅСЊ) Рё свет РѕРіРЅСЏ подобен человеку, использующему фонарь для освещения своего пути РІ темноте. Зрение получается РІ результате действия глаза РЅР° объект: глаза испускают СЃРІРѕР№ собственный свет.