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HISTOIRE DE LA TECHNOLOGIE, TECHNOLOGIE, OBJETS AUTOUR DE NOUS
Laser. Histoire de l'invention et de la production
Annuaire / L'histoire de la technologie, de la technologie, des objets qui nous entourent Un laser (laser anglais, acronyme de light amplification by stimulated émission of radiation), ou générateur quantique optique, est un dispositif qui convertit l'énergie d'une pompe (lumineuse, électrique, thermique, chimique, etc.) en énergie cohérente, monochromatique, polarisée. et un flux de rayonnement étroitement dirigé. La base physique du fonctionnement du laser est le phénomène de mécanique quantique du rayonnement forcé (induit). Le rayonnement laser peut être continu, avec une puissance constante, ou pulsé, atteignant des puissances de crête extrêmement élevées. Dans certains schémas, l'élément de travail laser est utilisé comme amplificateur optique pour le rayonnement provenant d'une autre source. Il existe un grand nombre de types de lasers qui utilisent tous les états agrégés de la matière comme milieu de travail. Certains types de lasers, tels que les lasers à solution colorante ou les lasers polychromatiques à semi-conducteurs, peuvent générer une gamme de fréquences (modes de cavité optique) sur une large plage spectrale. Les tailles des lasers vont de microscopiques pour certains lasers à semi-conducteurs à la taille d'un terrain de football pour certains lasers à verre néodyme. Les propriétés uniques du rayonnement laser ont permis de les utiliser dans divers domaines scientifiques et technologiques, ainsi que dans la vie quotidienne, de la lecture et de l'écriture de CD à la recherche dans le domaine de la fusion thermonucléaire contrôlée.
Malgré le dispositif relativement simple du laser, les processus qui sous-tendent son fonctionnement sont extrêmement complexes et ne peuvent être expliqués en termes de lois classiques de la physique. Depuis l'époque de Maxwell et Hertz, la science a établi l'idée que les rayonnements électromagnétiques et, en particulier, lumineux ont une nature ondulatoire. Cette théorie expliquait bien la plupart des phénomènes optiques et physiques observés. Mais déjà à la fin du XIXe siècle, certaines données expérimentales ont été obtenues qui ne correspondaient pas à cette théorie. Par exemple, le phénomène de l'effet photoélectrique s'est avéré complètement incompréhensible du point de vue des idées classiques sur la nature ondulatoire de la lumière. En 1900, le célèbre physicien allemand Max Planck, essayant d'expliquer la nature de ces déviations, a émis l'hypothèse que l'émission de rayonnement électromagnétique et, en particulier, de lumière ne se produit pas de manière continue, mais dans des portions microscopiques séparées. En 1905, Einstein, développant la théorie de l'effet photoélectrique, renforça l'idée de Planck et montra de manière convaincante que le rayonnement électromagnétique est en effet émis par portions (ces portions ont commencé à être appelées quanta), et plus tard, dans le processus de propagation, chaque portion conserve son "l'individualité", n'est pas écrasée et ne s'empile pas avec les autres, vous ne pouvez donc que l'absorber entièrement. À partir de cette description, il s'est avéré que, dans de nombreux cas, les quanta ne se comportent pas comme des ondes, mais comme des particules. Mais en même temps, ils ne cessent pas d'être des ondes (par exemple, un quantum n'a pas de masse au repos et n'existe qu'en se déplaçant à une vitesse de 300000 XNUMX km/s), c'est-à-dire qu'ils ont un certain dualisme. La théorie quantique a permis d'expliquer de nombreux phénomènes auparavant incompréhensibles et, en particulier, la nature de l'interaction du rayonnement avec la matière. Prenons un exemple simple : pourquoi un corps émet-il de la lumière lorsqu'il est chauffé ? En chauffant, disons, un clou sur un brûleur à gaz, nous remarquerons qu'il acquiert d'abord une couleur pourpre, puis qu'il devient rouge. Si vous continuez à chauffer, la couleur rouge se transforme en jaune puis en un blanc éblouissant. Ainsi, l'ongle commence à émettre non seulement des rayons infrarouges (thermiques), mais également des rayons visibles. La raison de ce phénomène est la suivante. Tous les corps (y compris notre ongle) sont constitués de molécules, et les molécules sont constituées d'atomes. Chaque atome est un petit noyau très dense autour duquel gravitent plus ou moins d'électrons. Ces électrons ne se déplacent pas au hasard autour du noyau, mais chacun d'eux est à son niveau précisément fixé ; Ainsi, certains niveaux sont situés plus près du noyau, tandis que d'autres en sont plus éloignés. Ces niveaux sont appelés niveaux d'énergie, car chacun des électrons qui s'y trouvent possède sa propre énergie spécifique, inhérente uniquement à ce niveau. Tant que l'électron est à son niveau stationnaire, il se déplace sans émettre d'énergie. Cet état de l'atome peut continuer indéfiniment. Mais si une certaine quantité d'énergie est communiquée à l'atome de l'extérieur (comme cela se produit lorsqu'un clou est chauffé), l'atome est "excité". L'essence de cette excitation est que les électrons absorbent les quanta de rayonnement pénétrant dans la substance (dans notre exemple, le rayonnement thermique infrarouge d'un brûleur à gaz), acquièrent leur énergie et, de ce fait, passent à des niveaux d'énergie plus élevés. Cependant, les électrons ne peuvent rester à ces niveaux supérieurs que pendant un temps très court (des millièmes et même des millionièmes de seconde). Après ce temps, chaque électron revient à nouveau à son niveau stationnaire et émet en même temps un quantum d'énergie (ou, ce qui revient au même, une onde d'une certaine longueur). Parmi ces ondes, certaines sont dans le visible (ces quanta de lumière visible sont appelés photons ; on observe l'émission de photons par des atomes excités comme la lueur d'un clou chauffé). Dans notre exemple avec un clou, le processus d'absorption et d'émission de quanta se déroule de manière chaotique. Dans un atome complexe, un grand nombre de transitions d'électrons des niveaux supérieurs aux niveaux inférieurs sont observées, et chacune d'elles émet un rayonnement avec sa propre fréquence. Ainsi, le rayonnement va simultanément dans plusieurs spectres et dans des directions différentes, certains atomes émettant des photons, tandis que d'autres les absorbent. De même, des quanta sont émis par tout corps chauffé. Chacun de ces corps (que ce soit le Soleil, une soudure à l'arc ou un filament d'une lampe à incandescence) émet simultanément de nombreuses ondes de longueurs différentes (ou, ce qui revient au même, des quanta d'énergies différentes). C'est pourquoi, quelle que soit la perfection d'une lentille ou d'un autre système optique dont nous disposons, nous ne pourrons jamais focaliser le rayonnement émis par un corps chauffé en un faisceau strictement parallèle - il divergera toujours d'un certain angle. C'est compréhensible - après tout, chaque onde sera réfractée dans la lentille à son propre angle; par conséquent, en aucun cas nous ne pourrons atteindre leur parallélisme. Cependant, les fondateurs de la théorie quantique ont déjà envisagé une autre possibilité de rayonnement, qui ne se produit pas dans des conditions naturelles, mais qui pourrait bien être modélisée par l'homme. En effet, s'il était possible d'exciter tous les électrons d'une substance appartenant à un niveau d'énergie spécifique, puis de les forcer à émettre des quanta à la fois dans une direction, alors il serait possible d'obtenir un électrons extrêmement puissant et en même temps impulsion de rayonnement extrêmement homogène. En focalisant un tel faisceau (puisque toutes les ondes qui le composent sont de même longueur), il serait possible d'obtenir un parallélisme quasi parfait du faisceau. Pour la première fois, Einstein a écrit sur la possibilité d'un tel rayonnement stimulé, comme il l'appelait, en 1917 dans ses ouvrages "Émission et absorption de rayonnement selon la théorie quantique" et "Sur la théorie quantique du rayonnement". L'émission stimulée peut notamment être réalisée de la manière suivante. Imaginons un corps dont les électrons sont déjà "surexcités" et se trouvent aux niveaux d'énergie supérieurs, et supposons qu'ils soient irradiés par une nouvelle portion de quanta. Dans ce cas, un processus ressemblant à une avalanche se produit. Les électrons sont déjà "sursaturés" en énergie. Sous l'effet d'une irradiation supplémentaire, ils se décomposent des niveaux supérieurs et se dirigent comme une avalanche vers les niveaux inférieurs, émettant des quanta d'énergie électromagnétique. De plus, la direction et la phase des oscillations de ces quanta coïncident avec la direction et la phase de l'onde incidente. Il y aura, pour ainsi dire, l'effet d'amplification résonante de l'onde, lorsque l'énergie de l'onde de sortie dépassera plusieurs fois l'énergie de celle qui était à l'entrée. Mais comment réaliser un parallélisme strict des photons émis ? Il s'avère que cela peut être fait avec un dispositif très simple appelé résonateur à miroir ouvert. Il consiste en une substance active placée dans un tube entre deux miroirs : un régulier et un translucide.
Les photons émis par la substance, tombant sur un miroir translucide, le traversent partiellement. Les autres sont réfléchis et volent dans la direction opposée, puis réfléchis par le miroir de gauche (maintenant tous) et atteignent à nouveau le miroir translucide. Dans ce cas, le flux de photons après chaque passage à travers la substance excitée est fortement augmenté. Cependant, seule l'onde qui se déplace perpendiculairement aux miroirs sera amplifiée ; tout le reste, qui tombe sur le miroir avec au moins une légère déviation de la perpendiculaire, sans recevoir une amplification suffisante, laisse la substance active à travers ses parois. De ce fait, le flux sortant a une directivité très étroite. C'est ce principe d'obtention d'émission stimulée qui sous-tend le fonctionnement des lasers (le mot laser lui-même est composé des premières lettres de la définition anglaise d'amplification de la lumière par émission stimulée et rayonnement, ce qui signifie amplification de la lumière par émission stimulée). La création de cet appareil remarquable a été précédée d'une longue histoire. Il est curieux que la technologie doive l'invention du laser à des spécialistes qui, à première vue, sont loin à la fois de l'optique et de l'électrodynamique quantique, à savoir les radiophysiciens. Cependant, cela a son propre schéma profond. Il a déjà été dit auparavant que depuis le début des années 40, les radiophysiciens du monde entier travaillent à la maîtrise des gammes d'ondes centimétriques et millimétriques, car cela a permis de simplifier et de réduire considérablement les équipements, notamment les systèmes d'antennes. Mais il est vite devenu évident que les anciens générateurs à tubes pouvaient difficilement être adaptés pour fonctionner dans les nouvelles conditions. Avec leur aide, il n'était guère possible de générer des ondes de 1 mm (la fréquence des oscillations électromagnétiques dans ces générateurs atteignait plusieurs milliards par seconde), mais la création de générateurs pour des ondes encore plus courtes s'est avérée impossible. Une méthode fondamentalement nouvelle pour générer des ondes électromagnétiques était nécessaire. Juste à ce moment-là, les radiophysiciens soviétiques Alexander Prokhorov et Nikolai Basov ont commencé à étudier un problème très intéressant - l'absorption des ondes radio par les gaz. Même pendant la guerre, on a découvert que les ondes d'une certaine longueur émises par un radar ne se réfléchissent pas, comme les autres, sur les objets environnants et ne donnent pas d'"écho". Par exemple, un faisceau d'ondes de 1 cm semblait se dissoudre dans l'espace - il s'est avéré que des ondes de cette longueur sont activement absorbées par les molécules de vapeur d'eau. Plus tard, il s'est avéré que chaque gaz absorbe des ondes d'une certaine longueur de telle manière que ses molécules sont en quelque sorte "accordées" avec lui. De ces expériences, il n'y avait qu'un pas vers l'idée suivante : si les atomes et les molécules sont capables d'absorber des ondes d'une certaine longueur, alors ils peuvent aussi les émettre, c'est-à-dire agir comme un générateur. Ainsi, l'idée est née de créer un gaz générateur de rayonnement, dans lequel, au lieu de tubes électroniques, des milliards de molécules d'un gaz spécialement excité seraient utilisées comme sources de rayonnement. Les perspectives d'un tel travail semblaient très tentantes, puisqu'il devenait possible de maîtriser pour les besoins de l'ingénierie radio non seulement la gamme des ondes micro-ondes, mais aussi des ondes beaucoup plus courtes, par exemple la gamme des ondes visibles (la longueur d'onde de la lumière visible est 0-4 microns, ce qui correspond à une fréquence de l'ordre de milliers de milliards de vibrations par seconde). Le problème le plus important en cours de route était de savoir comment créer un environnement actif. Basov et Prokhorov ont choisi l'ammoniac en tant que tel. Pour assurer le fonctionnement du générateur, il fallait séparer les molécules de gaz actives, dont les atomes étaient dans un état excité, de celles non excitées, dont les atomes étaient orientés vers l'absorption des quanta. Le schéma d'installation développé à cet effet était un récipient dans lequel un vide était créé. Un mince faisceau de molécules d'ammoniac a été introduit dans ce récipient. Un condensateur haute tension a été installé sur leur chemin. Les molécules à haute énergie volaient librement dans son champ, tandis que les molécules à basse énergie étaient emportées par le champ du condensateur. C'est ainsi que les molécules sont triées par énergie. Les molécules actives entraient dans un résonateur conçu de la même manière que celui décrit ci-dessus. Le premier générateur quantique a été créé en 1954. Il avait une puissance d'un milliardième de watt seulement, de sorte que seuls des instruments précis pouvaient enregistrer son travail. Mais dans ce cas, il était beaucoup plus important que l'exactitude fondamentale de l'idée elle-même soit confirmée. C'est une victoire remarquable qui ouvre une nouvelle page dans l'histoire de la technologie. Dans les mêmes jours, à l'université de Columbia, un groupe du radiophysicien américain Charles Towns crée un appareil similaire, appelé le « maser ». (En 1963, Basov, Prokhorov et Townes ont reçu le prix Nobel pour leur découverte fondamentale.) Le générateur quantique Basov-Prokhorov et le maser Towns n'étaient pas encore des lasers - ils généraient des ondes radio de 1 cm de long et les lasers émettaient des ondes électromagnétiques dans le visible, qui sont des dizaines de milliers de fois plus courtes. Cependant, le principe de fonctionnement des deux appareils étant le même, le créateur du laser n'a dû résoudre que des problèmes particuliers. Tout d'abord, il était nécessaire de trouver une substance active appropriée pouvant entrer dans un état excité, car toutes les substances n'ont pas cette propriété. Deuxièmement, créer une source d'excitation, c'est-à-dire un dispositif capable de transférer la substance active dans un état excité en lui conférant une énergie supplémentaire. Troisièmement, un résonateur ouvert était nécessaire pour forcer toutes les particules excitées de la substance active à participer à l'excitation, et également pour amplifier uniquement les vibrations qui se propagent le long de l'axe longitudinal de la substance active. Quatrièmement, une source d'alimentation était nécessaire pour alimenter la source d'excitation, sinon le laser ne fonctionnerait pas. Tous ces problèmes peuvent être résolus de différentes manières. Le travail a été effectué par de nombreux scientifiques dans plusieurs directions à la fois. Cependant, avant d'autres, le physicien américain Theodor Meiman, qui a créé en 1960 le premier laser à base de rubis, a eu la chance d'atteindre l'objectif tant convoité.
L'essence du fonctionnement d'un laser à rubis est la suivante. L'énergie de la source d'alimentation est convertie par la source d'excitation en un champ électromagnétique qui irradie la substance active. A la suite de cette irradiation, la substance active passe d'un état d'équilibre à un état excité. L'énergie interne de la substance active augmente considérablement. Ce processus est appelé "pompage" ou "pompage" de la substance active, et la source d'excitation est appelée source de "pompage" ou "pompage". Lorsque les atomes de la substance active passent dans un état excité, il suffit qu'un électron s'échappe du niveau supérieur pour une raison quelconque, de sorte qu'il commence à émettre un photon de lumière, qui, à son tour, laissera tomber plusieurs électrons du niveau niveau supérieur, ce qui provoquera une libération d'énergie semblable à une avalanche par le reste des électrons excités. Un résonateur ouvert dirigera et amplifiera le rayonnement de la substance active dans une seule direction. Meiman a utilisé le rubis artificiel comme substance active (le rubis est une substance cristalline constituée d'oxyde d'aluminium, dans laquelle certains des atomes d'aluminium sont remplacés par des atomes de chrome, ce qui est particulièrement important, car pas tout le matériau, mais uniquement les ions chrome , participe à l'absorption de la lumière). Le générateur d'excitation se composait de trois blocs : une tête rayonnante, une unité d'alimentation et une unité de lancement. La tête émettrice a créé les conditions pour le fonctionnement de la substance active. L'alimentation a fourni de l'énergie pour la charge de deux condensateurs - le principal et l'auxiliaire. Le but principal de l'unité de déclenchement était de générer une impulsion haute tension et de l'appliquer à l'électrode de déclenchement de la lampe flash. La tête émettrice se composait d'une tige de rubis et de deux lampes flash en forme de U. Les lampes étaient standard, remplies de xénon. De tous les côtés, les lampes et la tige de rubis étaient recouvertes d'une feuille d'aluminium, qui jouait le rôle de réflecteur. Le condensateur a accumulé et appliqué une tension pulsée d'environ 40 XNUMX volts, ce qui a provoqué un puissant flash de lampes. Le flash a instantanément transféré les atomes du rubis dans un état excité. Pour l'impulsion suivante, une nouvelle charge du condensateur était nécessaire.
Ceci, en général, un appareil très simple a suscité un grand intérêt. Si l'essence de la découverte de Basov et de Towns n'était claire que pour les spécialistes, alors le laser Meiman a fait une énorme impression même sur les non-initiés. En présence de journalistes, Meiman a allumé à plusieurs reprises son appareil et a démontré son fonctionnement. Dans le même temps, un faisceau a été émis par le trou à la fin, pas plus d'un crayon d'épaisseur. Presque sans s'étendre, il s'appuyait contre le mur, se terminant par une tache ronde éblouissante. Cependant, Meiman n'était que légèrement en avance sur les autres inventeurs. Peu de temps s'est écoulé et des rapports sur la création de nouveaux types de lasers ont commencé à arriver de toutes parts. Outre le rubis, de nombreux autres composés peuvent être utilisés comme substance active dans les lasers, par exemple le fluorure de strontium avec des impuretés, le fluorure de baryum avec des impuretés, le verre, etc. Il peut s'agir de gaz. Dans les mêmes années 1960, un laser à gaz à base d'hélium-néon a été créé par Ali Javan. L'état excité du mélange gazeux a été obtenu au moyen d'un fort champ électrique et de décharges gazeuses. Cependant, les lasers à solide et à gaz ont un rendement très faible. Leur énergie de sortie ne dépasse pas 1% de la consommation. Par conséquent, les 99% restants sont dépensés inutilement. Par conséquent, l'invention en 1962 par Basov, Krokhin et Popov du laser à semi-conducteur est devenue très importante.
Les physiciens soviétiques ont découvert que si les semi-conducteurs sont affectés par une impulsion électrique ou lumineuse, certains électrons quitteront leurs atomes et des "trous" se formeront ici, qui joueront le rôle de charges positives. Le retour simultané d'électrons sur les orbites des atomes peut être considéré comme une transition d'un niveau d'énergie supérieur à un niveau inférieur, grâce auquel des photons sont émis. L'efficacité d'un laser à semi-conducteur lorsqu'il est excité par un faisceau d'électrons peut atteindre 40 %. L'arséniure de gallium contenant des impuretés de type n a été utilisé comme substance active. À partir de ce matériau, des ébauches ont été fabriquées soit sous la forme d'un cube, soit sous la forme d'un parallélépipède - la soi-disant diode à semi-conducteur. La plaque de diode a été soudée à une feuille de molybdène recouverte d'or pour fournir un contact électrique avec la région n. Un alliage d'or et d'argent s'est déposé à la surface de la région p. Les extrémités de la diode jouaient le rôle d'un résonateur, elles ont donc été soigneusement polies. Dans le même temps, pendant le processus de polissage, ils ont été placés parallèlement les uns aux autres avec une grande précision. Le rayonnement est sorti précisément de ces côtés de la diode. Les côtés supérieur et inférieur servaient de contacts auxquels une tension était appliquée. Des impulsions ont été appliquées à l'entrée de l'appareil. Les lasers sont entrés très rapidement dans la vie humaine et ont commencé à être utilisés dans de nombreux domaines de la technologie et de la science. Leur production industrielle a commencé en 1965, lorsque plus de 460 entreprises aux États-Unis se sont lancées dans le développement et la création de systèmes laser. Auteur : Ryzhov K.V.
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