פיתוח הלייזר המצליח הראשון והיישומים המדעיים שלו

השחר של אור קוהרנטי: ממבטו של איינשטיין ועד רובי של מאימן

הלייזר המוצלח הראשון, שהוכח ב-16 במאי 1960, על ידי הפיזיקאי תיאודור מאימן במעבדות המחקר יוז, עומד כאחד ההישגים ההנדסיים המשתנים ביותר של המאה ה-20.המכשיר הזה – בעל יכולת ייצור של קרן אור אינטנסיבית וצרה של אור קוהרנטי – הפך הכרחי על פני הרפואה, התקשורת, הייצור והמחקר היסודי.הסיפור מתחיל עם תובנה תיאורטית של אלברט איינשטיין ב-1917 ומדכאים לא ניתן למצוא פריצת דרך של התפתחות מדעית גדולה יותר מאשר התפתחות יחידה, אך לא רק של התפתחות מדעית.

יסודות תאורטיים: רשות האוכלוסין וההגירה

העיקרון העומד בבסיס כל לייזרים הוא FLT:0 stimulated פליטה פליטה 1:1, מושג איינשטיין הציג במאמרו משנת 1917 על תורת הקרינה הקוונטית: הוא הציע כי אטום נרגש או מולקולה יכול להיות מושרה כדי פולט תמונה של אנרגיה מסוימת כאשר פגע על ידי תמונה נוספת של אותה אנרגיה.

במשך עשרות שנים, הרעיון נשאר תיאורטי במידה רבה.האתגרים המעשיים היו ניתנים להפרדה: מציאת מדיום שיכול לקיים את ה-FLT:0פופולריות ב-SlephFLT:1 – שם יותר אטומים חיים במדינה נרגשת מאשר במדינה נמוכה יותר – והקמת אות מהדהדת לייצור דלקות אופטית יוצאת דופן כדי להגביר את פליטת ה-ה.

המייזר הקדם וההדרך אל האור

אמוניה של טאון פעלה ב-24 GHz ויצרה כ-10 ננואטים של כוח - מטביעה בסטנדרטים מאוחרים יותר, אך מהפכנית בתפיסה.המכשיר השתמש בשדה חשמלי כדי להתמקד במולקולות אמוניה נרגשות לתוך חלל חוזר, שבו הם פולטים מיקרוגלים קוהרנטיים הדרושים כדי לרתום את הדגול, ולאחר מכן, אלכסנדר פרוכוב, אשר הוצעה באופן עצמאי בשיטה דומה באמצעות שיטת לייזר בעלת מבנה לייזר משותף, אשר עשוי להיות מכריע, אשר עשוי לרת, אשר עשוי לרת, אשר עשוי לרתר, לאחר מכן, אשר היה לדחוף את הדגימה, לאחר מכן, לאחר מכן, אשר היה לדחוף את הדגימה, אשר היה לדחוף את הדגימה את הדגול, אשר היה לחץ הדם המיקרוגל החדש, לאחר מכן, אשר היה לדחוף את הדגול, לאחר מכן, אשר היה מסוגל לעורר את הדגול, לאחר מכן, לאחר מכן, אשר היה לדחוף את הדגול, אשר היה לחץ על ידי לייזר חדש, אשר עשוי להיות ממוקד, אשר היה מסוגל לעורר את הדגול, אשר היה מסוגל לכדי לחץ על ידי עיצוב לייזר חדש, אשר היה לחץ על ידי עיצוב לייזר, אשר עשוי להיות מכוון, לאחר מכן, אשר עשוי להיות דרמטי, אשר היה לדחוף את הדגול, אשר היה לדחוף את הדג

המרוץ למזר אופטי

כמה קבוצות מחקר רדפו את מה שנקרא אז "מאגר אופטי" בסוף שנות החמישים. Townes וארתור שאלולו פירסמו מאמר ציון דרך ב-1958 המציע עיצוב באמצעות חלל פאברי-פרוטי - שתי מראות מקבילים עם רווח מחלוקות ביניהם.הם תיארו את התנאים הדרושים לתנוכה משפטית: אוכלוסייה ברווח קרינה, כוח אופטי שסיפקה במזכרות ספציפיות של קולומביה, אך הגישה שלו לסיבת לייזר, אך ורק לאחר מכן, כך גם היא מספקת של לינקולן, כך הגישה לרישום לייזר, ב-1957, ב-1957, אך ורק לאחר מכן, ב-1957, על ידי "אורת כניסה לסיאולת לייזר"ג' גורדון"מדומים"מדומים, "ג'ו" (Golder קולומביה, "ג') של אוניברסיטת גולד.

למרות ההתקדמות התיאורטית, המכשיר הראשון של העבודה נשאר חמקמק.חוקרים רבים האמינו כי משאבה אופטית - שימוש מנורת פלאש כדי להמחיש את המדיום הרווח - לעולם לא יניב מספיק הטרדות האוכלוסייה כדי להתגבר על הפסדים.ההשקפה הרווחת העדיפו שיטות שחרור גז, שנראה יותר נשלט. תיאודור מאימן, עובד במנורה המחקרית'ס במאליבו, קליפורניה, לקח גישה שונה על גבי מצב רוח רפאים, שנראה כיפית יעילה, אשר יכול היה להשיג מפוסט חזק יותר, עם תכונות אופטיות חזקות יותר, אשר יכול להיות מפוסטמין, אשר יכול היה להשיג מפוספסת חזק יותר.

הלייזר המצליח הראשון: הלייזר של תיאודור מאימן

ב-16 במאי 1960, מאימן ירה מנורת פלאש בעוצמה גבוהה של Xenon במילון של שפשף סינתטי - תחמוצת אטומית דום עם כתרום ions.הגביש השפשף שימש כמדיום הרווח. כאשר המנורה הבזק נרגש את השדות כרום לתוך רמות אנרגיה גבוהות יותר, שבר קטן נמוגה עד למצב מטבול עם חיים של כ 3 מ"גות עם מספיק.

(FLT:0) הלייזר הראשון של מיימן הפיק כוח שיא של כ-10,000 וואט בדופקים שנמשכים פחות ממילימטרים.IIRFLT:1 היה רחוק מלהיות יציב - לייזר מומס, לא רציף - אבל זה הוכיח את הרעיון חד משמעית.המכשיר היה קומפקטי להפליא: המוט הפשפי היה רק 1 ס"מ בקוטר ו 2 ס"מ ארוך, עטוף בתוך קרינת 3 חודשים, אם כי הוא היה ידוע ב קרינת רדיו, 3.

פרטים טכניים מרכזיים של לייזר רובי

• (FLT:0)Gain Medium:FLT:1 Synthetic ruby (אל2O3: Cr3+) צ'רום ions מספקים את רמות האנרגיה עבור ניתוח לייזר ברמה של שלוש, עם להקות ספיגה התמקדו סביב 400 nm ו-550 nm כי חופפים את הספקטרום של מנורות xenon.
• (ב) ⁇ :0) שיטת טיהור: 1FLT:1 מנורת פלאש גבוהה xenon פולטת אור רחב-ספקטרום.ה מנורה הוצתה סביב המוט השפשף כדי למקסם את ההפיכה האופטית.
• (ב) ⁇ :0) , ראי מקבילה מכוסים בכסף - אחד רפלקטיבי לחלוטין, אחד עם כ-95% רפלקטיביות.
• (FLT:0Output Character:FLT:1 Pulsed, עם משך הדופק האופייני של כמה מאות מיקרו-שניות.הבדלי קרן היו בערך 10 כמרים - צר יותר מאשר מקורות אור קונבנציונליים אבל עדיין לא מוגבל דיפרנציציה.
• (ב) ⁇ :0) ⁇ : 1 (המכרה) היה אוויר-אוויר-קולק, הגבלת החזרה לפעימה אחת לשנייה כדי להימנע מנזק תרמי.

הישגו של מאימן פתח את ההצפות.בתוך חודשים, קבוצות אחרות הפגינו לייזרים באמצעות חומרים שונים: עלי ג'אווה, ויליאם בנט, ודנל הרוט בנו את הלייזר הראשון של גז הליום-נון בדצמבר 1960, תוך פלט אור אינפרא אדום מתמשך ב-1.15 מיקרומטר; וב-1962 דווח על הלייזר המוליכים למחצה הראשון באופן עצמאי על ידי קבוצות ב- GE, IBM, MIT, ומעבדת הלייזר לינקולן החלה ברצינות.

הרחבת משפחת הלייזר: מ רובי ועד כל אורכי גל

הלייזר הראשון היה רק ההתחלה. החוקרים פיתחו לייזרים הפועלים באורכי גל שונים, רמות כוח והתנהגויות תפעוליות.חלק אבני דרך מפתח בגוון מוקדם של טכנולוגיית לייזר כוללים:

• (FLT:0) Helium-Neon לייזר (1960): FLT:1 הפיק פלט גלי רציף (CW) אינפרא אדום ולאחר מכן באדום הנראה ב-63 n2.8m. לייזר HeNe הפך לסטנדרט להתאמה, סריקת ברקוד, הולוגוגרפיה, וההפגנות החינוכיות בשל התפוקה היציבה והנמוכה שלו.
• (FLT:0) Semiconductor (Diode) לייזר (1962):FLT 1 קומפקטי, יעיל, וחשמלי מוחזר.המכשירים המוקדמים מופעלים רק במצב מואץ בטמפרטורות מבוכות, אך התקדמות מהירה הובילה להפעלה של CW של חדר-זמנית עד 1970. דיד לייזרים נמצאים כעת בכל מקום בתקשורת אופטית, הדפסה לייזר, אופטית, ואלקטרוניקה.
• (FLT:0)CO2 לייזר (1964): 1FLT 1 לייזר גז בעוצמה גבוהה פולטים ב 10.6 מיקרומטרים באדום.עם יעילות גבוהה מעל 20% ורמות כוח להגיע לקילווואט, לייזר CO2 הפך להיות הכפייה העבודה עבור חיתוך תעשייתי, ריתוך, חיתוך, והליכים כירורגיים.
• (FLT:0) Nd:YAG לייזר (1964): FIRLT 1 , Neodymium-doped ytrium אלומיניום garnet, פולטים ב 1064 nm. זה לייזר מוצק המדינה משלב כוח שיא גבוה עם איכות באם מעולה, מה שהופך אותו צדדי ב machining תעשייתי, טיפולים רפואיים ומחקר מדעי.
• (FLT:0)Dye לייזר (1966): שימוש בצבעים אורגניים בפתרון כמדיום הרווח, לייזרים אלה מציעים טונה רחבה על פני הספקטרום הנראה לעין.הם אפשרו לפריצות דרך בספקטרום הספקטרום והפיזיקה האטומית על ידי כך שחוקרים יוכלו לבחור כל אורך גל בתוך קבוצת פלואורסנס של הצבע.
• (FLT:0)Excimer לייזרים (1970s): ליברפולט 1 ( Ultraviolet הדופק לייזרים באמצעות זרמי גז נדירים כגון קריF (248 nm) ו-ArF (193 nm) לייזרים אלה הם קריטיים עבור photolithography Semiconductor ומהפכני פתולוגיה פתולוגיה באמצעות LASIK וניתוחים אחרים.
• (FLT:0)Fiber לייזרים (1980s–1990s): 1 שימוש בסיבים אופטיים נדירים-earth-doped כמו אמצעי הרווח, לייזרים סיבים מציעים יעילות יוצאת דופן, איכות קרן, וניהול תרמי.הם החליפו בעיקר לייזרים של מדינת מוצק קונבנציונלי בחיתוך תעשייתי ועידוד יישומים.

כיום, לייזרים משתרעים על אורכי גל מן אולטרה סגולה הרחוקה (excimers at 157 nm) עד אינפרא אדום הרחוק (כטרנטיום קסטלנס מעבר ל 10 מיקרומטר), עם כוחות פלט החל ממיקרו-וואט לטלקומונת פטאט עבור הדופק אולטרה-חושי עבור הגדלת הדופק.

יישומים מדעיים של לייזר

מראשיתה, הלייזר הוכר ככלי מדעי מהפכני.התכונות הייחודיות שלו - מונוכומטיות, קוהרנטיות, כיווןיות ובהירות גבוהה - ניסויים וטכנולוגיות שהיו בעבר מוגבל לדמיון.רשימת היישומים גדלה באופן אקספוננציאלי; כאן אנו בוחנים את ההשפעה הגדולה ביותר במדע וטכנולוגיה.

רפואה וניתוח

לייזרים מספקים דיוק לא תואם לחיתוך, לרקמות ולחלוק מחדש עם נזק מינימלי של קולישני.ברפואת עיניים, ה-FLT:0excimer לייזרFLT:1 מחזיר את הקרנית לתקן שגיאות דלקתיות בכליות בהליכים דלקתיים של לייזרים, עם דיוק תת-מיקרומטרי.

תקשורת ורשתות נתונים

תקשורת סיבים אופטיים - עמוד השדרה של האינטרנט הגלובלי - תלוי כמעט לחלוטין על לייזרים למחצה. לייזרים אלה פולטים אור אינפרא אדום, בדרך כלל ב 1310 nm או 1550 nm שבו סיבי סיליקה יש מינימום אינטנסיבי ופיזור, המושתת בשיעורים עד 100 ג'יגה-ביט לשנייה לערוץ.

ספקטרום ופיזיקה אטומית

לייזר ספקטרוסקופיה מהפכה במחקר של אטומים ומולקולות. אטומים המבוססים על לייזרים מבוססי אטומים 1FLT:1 מאפשר לחוקרים לחקור מעברי אנרגיה ספציפיים מתחת ל-1 kHz, פתרון מבנים שהיו בלתי נראים עם מקורות אור קונבנציונליים (טכניקות סימולציות רוויות) לחסל את דופלר, המאפשרות מדידות של יסודות קבועים עם דיוקים אוטומטיים ומלכודת לייזר (Ricroniceron) של סרן) מ-Ren-Ren-Ren-Ren-Ricerdenticedson (Ricial Repien) מ-Ricial Repien) מ-Ricial Repirecoidine de Repirecoidance) מ-Ricerton.

חומרים וייצור

לייזרים תעשייתיים - בעיקר CO2, Nd:YAG, דיסק ו לייזרים סיבים - חתכים, weld, סימון, קידוח, ומתכות חרוטות, פלסטיק, קרמיקה, מרוכבים, ומוליכים למחצה.תעשיית הרכב משתמשת בסיבים מרובי קימולאט עבור חיתוך לוחות גוף רכב ועידוד הילוכים עם אזורי ייצור מינימליים, לייזרים אופטיים כגון סיליקון לייזרים, סרג'ים (DStras) ו-Stras לייזרים (סימולציות) נגד לוחות מתכתיים מורכבים (DPTS) ו-S מתכתיים מבוססי לוחות מתכתיים) ו-S מתכתיים מבוססי לוחות מתכתיים (DPTS) ו-S מתכתיים מבוססי לוחות מתכתיים) נגד סוללות מתכתיים (DPTS) ו-S) ו-S מתכתיים חשמליים נגד סוללות מתכתיים מבוססי לוחות אבן-S מתכתיים חשמליים עמידים חשמליים, ו-S מתכתיים (DPTS) ו-מסוגים חשמליים נגד סוללות מתכתיים מבוססי לוחות מתכתיים (סימולציות מתכתיים מבוססי לוחות אבן-מדומים, ו-S מתכתיים מבוססי לוחות אבן-מסוגים, ו-מסוגים) ו-מדומים (סימולציות מתכתיים) ו-מדומים (

מדד ומטרופולין

אינטרפרומטריה עם לייזרים משיגה מדידות מרחק תת-גלות. לייזרים של הליום-נון סטנדרטיים ב-Melamson interferometers המשמשים לדרגת שלבים מדויקים, למדוד את הזנים הכבידה (LIGO), ואפיין רכיבים אופטיים. Frequency combs - מבוסס על לייזרים נעולים במצב - לספק רשת של תדרים אופטיים באותה מידה המקשרים ותחומים אופטיים עם מדדי לייזר אוטומטיים (Ricial) המאפשרים למדדי תיבות של לייזר (Ricial) ל-RECDVal) מדדים מדויקים (RECOLCES) ו-RICDVal Measuretexitual Measures) באמצעות אמצעי לייזר רחבים (Ricial Measures) באמצעות פרוטוקולים מבוססי לייזר (Ricial Measures) באמצעות פרוטוקולים מדויקים (Ricial Measuretexate).

מחקר בסיסי ו- Frontier Science

• (FLT:0)Laser-fusion מושרה:FLT:1 , National Ignition Facility (NIF) ב לורנס Livermore המעבדה הלאומית משתמשת 192 קרן לייזר המספקת 1.9 מגה-ג'אול של אור אולטרה סגול כדי לדחוס קפסולת דלק דה-ריום-טריטייום.בדצמבר 2022, NIF השיגה היתוך - רווח אנרגיה נטו מהתפרצות של עירוי - ציון דרך עשורים.
• (FLT:0)Ultrafast Science:FLT:1 FemtoII ו- Atto השני לייזרים ללכוד תגובות כימיות, דינמיקות אלקטרוניות, ורטטים לקטטרוסקופיה בזמן אמת.
• (FLT:0) חקר החלל: אנדרלינג לייזר הירח (LLR) משתמש רטרוreflectors להציב על הירח על ידי אסטרונאוטים אפולו כדי למדוד את המרחק כדור הארץ-Moon עם דיוק מילימטר. מאדים נתבים לייזר לשאת לייזר אלטרים למיפוי.
• (FLT:0) ניטור אווירי:FLT:1 קליטת LIDAR (DIAL) מודד ריכוזי גז אטמוספריים - אוזון, מתאן, פחמן דו-חמצני - עם דיוק ארוך טווח מפוכח.

השפעה על מדע וחברה

הלייזר עיצב מחדש כמעט כל תחום של מדע וטכנולוגיה.הוא הרוויח מספר פרסים נובל, המשקף את הכוח הטרנספורמציי שלו: ערים, בסנוב, ופרוחוב (1964) עבור העיקרון המייזר שהוביל לייזר; דניס גבור (1971) עבור holography; ניקולא בלוברגן וארתור Schérlow (1981) עבור לייזר ספקטרום; סטיבן, Claude Cohen-Tanudn, ו-Kir for the Laser-Ricialcaste; and the Optruveraicial לייזר for a Memory for the Memory for a cawäptation and Optrus-Ricials; and Arthur-Ricials; and Arthur-Ricials; and Arthur, and Arthur, and Arthur-Ricialbox for a crudows; and Arthur, and Arthur, and Arthur, and Arthur, and Arthur, and Arthur, 1995 for a Video , John Bluänderbnials, and Arthur, and Arthur for a Daily-Ricials.

ההמצאה גם עוררה תעשיות שלמות.שוק הלייזר העולמי מוערך ביותר מ-20 מיליארד דולר בשנה, עם יישומים המתפרסמים הגנה (הצבת טארget, טווח מציאת אנרגיה מכוונת), מכשירים רפואיים, עיבוד חומרים, תקשורת, וטכנולוגיית לייזר ממשיכה להתפתח בקצב מהיר. High-Power diode לייזרים עכשיו שואבים ביעילות מצב מוצק וסיבים.

מבט קדימה: הגבול הבא

65 שנים לאחר הדופק הראשון של מאימן, לייזרים הם כל כך כוליצים כי הם קלים לקחת כמובן מאליו, אבל הפיזיקה הבסיסית נותרה מרתקת כמו אי פעם: השליטה של אור ברמה הבסיסית ביותר שלה מחקר הנוכחי דוחף לעבר כוח שיא גבוה יותר - לייזרים מסוג אקסטמה באמצעות גירוי נשיג אופטי (OPCPA) שיכול להאיץ חלקיקים המבוססים על אטומים חדשים של לייזרים, לעומת 10 ק"מיסטים אחרים, לעומת זאת, 000 לייזרים עמידים עמידים על ידי אטומים, לעומת אטומיים עמידים עמידים עמידים חשמליים, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת 10 קמצמיים חשמליים, 000 לייזר עמידים חשמליים, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, אשר יכול להשיג אטומים לייזר עמידים חשמליים מתקדמים על ידי אטומים לייזר עמידים חשמליים עם אטומים מונעים חשמליים מתקדמים על ידי אטומים על ידי אטומים של אטומים, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, 000 אלקטרו-מפוסים חשמליים מתקדמים על ידי אטומים מאובטחים חשמליים

לקריאה נוספת על ההיסטוריה והיישומים של לייזרים, ראה:

• (ב) ויקרא י"א:2 ויקרא י"ד:
• מאמר זה של [[1924]]
• (הופנה מהדף ⁇ ) ⁇ ⁇ ⁇
• (ב) ⁇ (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇