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HISTÓRIA DA TECNOLOGIA, TECNOLOGIA, OBJETOS AO REDOR DE NÓS
Laser. História da invenção e produção
Diretório / A história da tecnologia, tecnologia, objetos ao nosso redor Um laser (do inglês laser, um acrônimo para amplificação de luz por emissão estimulada de radiação), ou um gerador quântico óptico, é um dispositivo que converte a energia da bomba (luz, elétrica, térmica, química, etc.) em energia coerente. , monocromático, fluxo de radiação polarizado e estreitamente direcionado. A base física da operação do laser é o fenômeno da mecânica quântica da radiação estimulada (induzida). A radiação do laser pode ser contínua, com potência constante, ou pulsada, atingindo potências de pico extremamente altas. Em alguns esquemas, o elemento de trabalho do laser é usado como um amplificador óptico para radiação de outra fonte. Há um grande número de tipos de lasers que usam todos os estados agregados da matéria como meio de trabalho. Alguns tipos de lasers, como lasers de solução de corante ou lasers policromáticos de estado sólido, podem gerar toda uma gama de frequências (modos de cavidade óptica) em uma ampla faixa espectral. Os lasers variam em tamanho desde microscópicos para alguns lasers de semicondutores até o tamanho de um campo de futebol para alguns lasers de vidro de neodímio. As propriedades únicas da radiação laser possibilitaram seu uso em vários ramos da ciência e tecnologia, bem como na vida cotidiana, desde a leitura e gravação de CDs até a pesquisa no campo da fusão termonuclear controlada.
Apesar do dispositivo relativamente simples do laser, os processos subjacentes ao seu funcionamento são extremamente complexos e não podem ser explicados em termos das leis clássicas da física. Desde a época de Maxwell e Hertz, a ciência estabeleceu a ideia de que a radiação eletromagnética e, em particular, a luz, tem uma natureza ondulatória. Esta teoria explicou bem a maioria dos fenômenos ópticos e físicos observados. Mas já no final do século XIX, foram obtidos alguns dados experimentais que não se enquadravam nessa teoria. Por exemplo, o fenômeno do efeito fotoelétrico acabou sendo completamente incompreensível do ponto de vista das idéias clássicas sobre a natureza ondulatória da luz. Em 1900, o famoso físico alemão Max Planck, tentando explicar a natureza desses desvios, assumiu que a emissão de radiação eletromagnética e, em particular, de luz não ocorre continuamente, mas em porções microscópicas separadas. Em 1905, Einstein, desenvolvendo a teoria do efeito fotoelétrico, reforçou a ideia de Planck e mostrou de forma convincente que a radiação eletromagnética é de fato emitida em porções (essas porções passaram a ser chamadas de quanta), e mais tarde, no processo de propagação, cada porção retém sua "individualidade", não é esmagado e não se acumula com os outros, então você só pode absorvê-lo inteiramente. A partir dessa descrição, descobriu-se que os quanta em muitos casos se comportam não como ondas, mas como partículas. Mas, ao mesmo tempo, eles não deixam de ser ondas (por exemplo, um quantum não tem massa de repouso e existe apenas se movendo a uma velocidade de 300000 km/s), ou seja, eles têm um certo dualismo. A teoria quântica tornou possível explicar muitos fenômenos anteriormente incompreensíveis e, em particular, a natureza da interação da radiação com a matéria. Vamos dar um exemplo simples: por que um corpo emite luz quando aquecido? Aquecendo, digamos, um prego em um queimador de gás, notamos que primeiro adquire uma cor carmesim, depois fica vermelho. Se você continuar aquecendo, a cor vermelha se transforma em amarelo e depois em um branco deslumbrante. Assim, a unha começa a emitir não apenas raios infravermelhos (térmicos), mas também raios visíveis. A razão para este fenômeno é a seguinte. Todos os corpos (incluindo nossa unha) são feitos de moléculas, e as moléculas são feitas de átomos. Cada átomo é um núcleo pequeno e muito denso em torno do qual giram mais ou menos elétrons. Esses elétrons não se movem ao redor do núcleo ao acaso, mas cada um deles está em seu nível precisamente definido; Assim, alguns níveis estão localizados mais próximos do núcleo, enquanto outros estão mais distantes dele. Esses níveis são chamados de níveis de energia, pois cada um dos elétrons localizados neles possui sua própria energia específica, inerente apenas a esse nível. Enquanto o elétron está em seu nível estacionário, ele se move sem irradiar energia. Este estado do átomo pode continuar indefinidamente. Mas se uma certa quantidade de energia é transmitida ao átomo de fora (como acontece quando um prego é aquecido), o átomo fica "excitado". A essência dessa excitação é que os elétrons absorvem os quanta de radiação que penetram na substância (no nosso exemplo, a radiação térmica infravermelha de um queimador de gás), adquirem sua energia e, devido a isso, passam para níveis de energia mais altos. No entanto, os elétrons podem permanecer nesses níveis mais altos apenas por um tempo muito curto (milésimos e até milionésimos de segundo). Após este tempo, cada elétron volta novamente ao seu nível estacionário e ao mesmo tempo emite um quantum de energia (ou, o que é o mesmo, uma onda de um certo comprimento). Entre essas ondas, algumas estão na faixa do visível (esses quanta de luz visível são chamados de fótons; observamos a emissão de fótons por átomos excitados como o brilho de um prego aquecido). Em nosso exemplo com um prego, o processo de absorção e emissão de quanta ocorre de forma caótica. Em um átomo complexo, observa-se um grande número de transições de elétrons de níveis superiores para níveis inferiores, e cada um deles emite radiação com sua própria frequência. Portanto, a radiação percorre simultaneamente vários espectros e em diferentes direções, com alguns átomos emitindo fótons, enquanto outros os absorvem. Da mesma forma, os quanta são emitidos por qualquer corpo aquecido. Cada um desses corpos (seja o Sol, solda a arco ou um filamento de uma lâmpada incandescente) emite simultaneamente muitas ondas de diferentes comprimentos (ou, o que é o mesmo, quanta de diferentes energias). É por isso que, por mais perfeita que seja uma lente ou outro sistema óptico que tenhamos, nunca seremos capazes de focalizar a radiação emitida por um corpo aquecido em um feixe estritamente paralelo - ela sempre divergirá em um determinado ângulo. Isso é compreensível - afinal, cada onda será refratada na lente em seu próprio ângulo; portanto, em hipótese alguma poderemos alcançar seu paralelismo. No entanto, os fundadores da teoria quântica já consideraram outra possibilidade de radiação, que não ocorre em condições naturais, mas pode muito bem ser modelada pelo homem. De fato, se fosse possível excitar todos os elétrons de uma substância pertencente a um nível de energia específico e forçá-los a emitir quanta de uma só vez em uma direção, seria possível obter uma energia extremamente poderosa e ao mesmo tempo pulso de radiação extremamente homogêneo. Focalizando tal feixe (já que todas as ondas que o compõem têm o mesmo comprimento), seria possível obter um paralelismo quase perfeito do feixe. Pela primeira vez sobre a possibilidade de tal, como ele a chamou, radiação estimulada, Einstein escreveu em 1917 em suas obras "Emissão e absorção de radiação de acordo com a teoria quântica" e "Sobre a teoria quântica da radiação". A emissão estimulada pode ser conseguida, em particular, da seguinte maneira. Imaginemos um corpo cujos elétrons já estão "superexcitados" e nos níveis de energia superiores, e suponhamos que eles sejam irradiados com uma nova porção de quanta. Nesse caso, ocorre um processo semelhante a uma avalanche. Os elétrons já estão "supersaturados" de energia. Como resultado de irradiação adicional, eles se desfazem dos níveis superiores e vão como uma avalanche para os inferiores, emitindo quanta de energia eletromagnética. Além disso, a direção e a fase das oscilações desses quanta coincidem com a direção e a fase da onda incidente. Haverá, por assim dizer, o efeito de amplificação ressonante da onda, quando a energia da onda de saída excederá muitas vezes a energia da que estava na entrada. Mas como alcançar o paralelismo estrito dos fótons emitidos? Acontece que isso pode ser feito com um dispositivo muito simples chamado ressonador de espelho aberto. Consiste em uma substância ativa colocada em um tubo entre dois espelhos: um regular e um translúcido.
Os fótons emitidos pela substância, caindo sobre um espelho translúcido, passam parcialmente por ele. Os demais são refletidos e voam na direção oposta, depois são refletidos do espelho esquerdo (agora todos) e novamente atingem o espelho translúcido. Nesse caso, o fluxo de fótons após cada passagem pela substância excitada é multiplicado muitas vezes. No entanto, apenas a onda que se move perpendicularmente aos espelhos será amplificada; todos os outros que caem no espelho com pelo menos um leve desvio da perpendicular, sem receber amplificação suficiente, deixam a substância ativa através de suas paredes. Como resultado, o fluxo de saída tem uma diretividade muito estreita. É este princípio de obtenção de emissão estimulada que fundamenta o funcionamento dos lasers (a própria palavra laser é composta pelas primeiras letras da definição inglesa de amplificação de luz por emissão estimulada e radiação, que significa amplificação de luz por emissão estimulada). A criação deste notável dispositivo foi precedida por uma longa história. É curioso que a tecnologia deva a invenção do laser a especialistas que, à primeira vista, estão longe tanto da ótica quanto da eletrodinâmica quântica, ou seja, os radiofísicos. No entanto, isso tem seu próprio padrão profundo. Já foi dito antes que desde o início da década de 40, radiofísicos de todo o mundo trabalham no domínio das faixas de ondas centimétricas e milimétricas, pois isso permitiu simplificar e reduzir significativamente os equipamentos, especialmente os sistemas de antenas. Mas logo ficou claro que os antigos geradores de tubos dificilmente poderiam ser adaptados para funcionar nas novas condições. Com a ajuda deles, dificilmente era possível gerar ondas de 1 mm (ao mesmo tempo, a frequência das oscilações eletromagnéticas nesses geradores atingiu vários bilhões por segundo), mas a criação de geradores para ondas ainda mais curtas acabou sendo impossível. Era necessário um método fundamentalmente novo para gerar ondas eletromagnéticas. Naquela época, os físicos de rádio soviéticos Alexander Prokhorov e Nikolai Basov começaram a estudar um problema muito interessante - a absorção de ondas de rádio por gases. Mesmo durante a guerra, descobriu-se que as ondas de um determinado comprimento emitidas por um radar não refletem, como outras, dos objetos ao redor e não emitem "eco". Por exemplo, um feixe de onda de 1 cm parecia se dissolver no espaço - descobriu-se que ondas desse comprimento são ativamente absorvidas por moléculas de vapor de água. Mais tarde, descobriu-se que cada gás absorve ondas de um certo comprimento de tal forma que suas moléculas estão de alguma forma "sintonizadas" com ele. A partir desses experimentos houve apenas um passo para a próxima ideia: se átomos e moléculas são capazes de absorver ondas de um determinado comprimento, então eles também podem emiti-las, ou seja, atuar como gerador. Assim, nasceu a ideia de criar um gás gerador de radiação, no qual, em vez de tubos de elétrons, bilhões de moléculas de um gás especialmente excitado seriam usadas como fontes de radiação. As perspectivas para tal trabalho pareciam muito tentadoras, pois tornou-se possível dominar para as necessidades da engenharia de rádio não apenas o alcance das ondas de microondas, mas também muito mais curtos, por exemplo, o alcance das ondas visíveis (o comprimento de onda da luz visível é 0-4 mícrons, o que corresponde a uma frequência da ordem de milhares de bilhões de vibrações por segundo). O problema mais importante ao longo do caminho foi como criar um ambiente ativo. Basov e Prokhorov escolheram a amônia como tal. Para garantir o funcionamento do gerador, foi necessário separar as moléculas de gás ativas, cujos átomos estavam em estado excitado, das não excitadas, cujos átomos estavam orientados para a absorção de quanta. O esquema de instalação desenvolvido para este fim foi um recipiente no qual foi criado um vácuo. Um fino feixe de moléculas de amônia foi deixado neste recipiente. Um capacitor de alta tensão foi instalado em seu caminho. Moléculas de alta energia voaram livremente através de seu campo, enquanto moléculas de baixa energia foram levadas pelo campo do capacitor. É assim que as moléculas são classificadas por energia. As moléculas ativas entraram em um ressonador projetado da mesma forma que o descrito acima. O primeiro gerador quântico foi criado em 1954. Ele tinha uma potência de apenas um bilionésimo de watt, de modo que apenas instrumentos precisos poderiam registrar seu trabalho. Mas neste caso era muito mais importante que a correção fundamental da própria ideia fosse confirmada. Foi uma vitória notável que abriu uma nova página na história da tecnologia. Nos mesmos dias, na Universidade de Columbia, um grupo do radiofísico americano Charles Towns criou um dispositivo semelhante, chamado de "maser". (Em 1963, Basov, Prokhorov e Townes receberam o Prêmio Nobel por sua descoberta fundamental.) O gerador quântico Basov-Prokhorov e o maser Townes ainda não eram lasers - eles geravam ondas de rádio com 1 cm de comprimento, e os lasers emitem ondas eletromagnéticas na faixa visível, que são dezenas de milhares de vezes mais curtas. No entanto, o princípio de operação de ambos os dispositivos é o mesmo, então o criador do laser teve que resolver apenas problemas particulares. Primeiro, era necessário encontrar uma substância ativa adequada que pudesse entrar em estado excitado, porque nem todas as substâncias possuem essa propriedade. Em segundo lugar, para criar uma fonte de excitação, ou seja, um dispositivo que tenha a capacidade de transferir a substância ativa para um estado excitado, transmitindo energia adicional a ela. Em terceiro lugar, era necessário um ressonador aberto para forçar todas as partículas excitadas da substância ativa a participar da excitação e também para amplificar apenas as vibrações que se propagam ao longo do eixo longitudinal da substância ativa. Quarto, era necessária uma fonte de energia para energizar a fonte de excitação, caso contrário o laser não funcionaria. Todos esses problemas podem ser resolvidos de diferentes maneiras. O trabalho foi realizado por muitos cientistas em várias direções ao mesmo tempo. No entanto, o físico americano Theodor Meiman, que em 1960 criou o primeiro laser à base de rubi, teve a sorte de atingir o objetivo tão acalentado antes de outros.
A essência da operação de um laser de rubi é a seguinte. A energia da fonte de energia é convertida pela fonte de excitação em um campo eletromagnético, que irradia a substância ativa. Como resultado desta irradiação, a substância ativa passa de um estado de equilíbrio para um estado excitado. A energia interna da substância ativa aumenta significativamente. Este processo é chamado de "bombeamento" ou "bombeamento" da substância ativa, e a fonte de excitação é chamada de fonte de "bombeamento" ou "bombeamento". Quando os átomos da substância ativa passam para um estado excitado, basta que um elétron escape do nível superior por algum motivo, para que ele comece a emitir um fóton de luz, que, por sua vez, soltará vários elétrons do nível superior. nível superior, o que causará uma liberação de energia semelhante a uma avalanche pelo resto dos elétrons excitados. Um ressonador aberto direcionará e amplificará a radiação da substância ativa em apenas uma direção. Meiman usou um rubi artificial como substância ativa (o rubi é uma substância cristalina composta por óxido de alumínio, no qual alguns dos átomos de alumínio são substituídos por átomos de cromo, o que é especialmente importante, pois nem todo o material, mas apenas o cromo iões, participa na absorção da luz). O gerador de excitação consistia em três blocos: uma cabeça radiante, uma fonte de alimentação e uma unidade de lançamento. A cabeça emissora criou as condições para o funcionamento da substância ativa. A fonte de alimentação forneceu energia para a carga de dois capacitores - o principal e o auxiliar. O principal objetivo da unidade de disparo era gerar um pulso de alta tensão e aplicá-lo ao eletrodo de disparo da lâmpada de flash. A cabeça emissora consistia em uma haste de rubi e duas lâmpadas de flash em forma de U. As lâmpadas eram padrão, preenchidas com xenônio. De todos os lados, as lâmpadas e a haste de rubi eram cobertas com papel alumínio, que fazia o papel de refletor. O capacitor acumulou e aplicou uma tensão pulsada de cerca de 40 mil volts, o que provocou um poderoso clarão de lâmpadas. O flash transferiu instantaneamente os átomos do rubi para um estado excitado. Para o próximo pulso, foi necessária uma nova carga do capacitor.
Este, em geral, um dispositivo muito simples despertou grande interesse. Se a essência da descoberta de Basov e Towns era clara apenas para especialistas, o laser Meiman causou uma grande impressão mesmo nos não iniciados. Na presença de jornalistas, Meiman ligou repetidamente seu dispositivo e demonstrou seu funcionamento. Ao mesmo tempo, um feixe foi emitido do buraco na extremidade, com a espessura de um lápis. Quase sem se expandir, encostava-se à parede, terminando numa deslumbrante mancha redonda. No entanto, Meiman estava apenas marginalmente à frente de outros inventores. Não muito tempo se passou, e relatos da criação de novos tipos de lasers começaram a vir de todos os lados. Além do rubi, muitos outros compostos podem ser usados como substância ativa em lasers, por exemplo, fluoreto de estrôncio com impurezas, fluoreto de bário com impurezas, vidro, etc. Podem ser gases. Na mesma década de 1960, um laser de gás à base de hélio-neon foi criado por Ali Javan. O estado excitado da mistura gasosa foi alcançado por meio de um forte campo elétrico e descargas de gás. No entanto, os lasers de estado sólido e de gás têm eficiência muito baixa. Sua energia de saída não excede 1% da consumida. Consequentemente, os 99% restantes são gastos inutilmente. Portanto, a invenção em 1962 por Basov, Krokhin e Popov do laser semicondutor tornou-se muito importante.
Os físicos soviéticos descobriram que, se os semicondutores forem afetados por um pulso elétrico ou de luz, alguns dos elétrons deixarão seus átomos e "buracos" serão formados aqui, que desempenham o papel de cargas positivas. O retorno simultâneo de elétrons às órbitas dos átomos pode ser considerado como uma transição de um nível de energia mais alto para um mais baixo, devido ao qual os fótons são emitidos. A eficiência de um laser semicondutor quando excitado por um feixe de elétrons pode chegar a 40%. O arseneto de gálio contendo impurezas do tipo n foi usado como substância ativa. A partir deste material, os blanks foram feitos na forma de um cubo ou na forma de um paralelepípedo - o chamado diodo semicondutor. A placa de diodo foi soldada a uma folha de molibdênio revestida com ouro para fornecer contato elétrico com a região n. Uma liga de ouro com prata foi depositada na superfície da região p. As extremidades do diodo desempenhavam o papel de um ressonador, por isso foram cuidadosamente polidas. Ao mesmo tempo, durante o processo de polimento, eles foram colocados paralelos entre si com alta precisão. A radiação saiu precisamente desses lados do diodo. Os lados superior e inferior serviram como contatos aos quais a tensão foi aplicada. Pulsos foram aplicados na entrada do dispositivo. Os lasers entraram muito rapidamente na vida humana e começaram a ser usados em muitas áreas da tecnologia e da ciência. Sua produção industrial começou em 1965, quando mais de 460 empresas nos Estados Unidos se dedicaram ao desenvolvimento e à criação de sistemas a laser. Autor: Ryzhov K.V.
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