Лазеры (1982)

В кадре специальный аппарат, из него выходит красный луч лазера, панорама на приборы и оборудование, работающих ученых.

В кадре - приборы квантовой электроники, которые испускают лазерные лучи.

Индуцированное излучение.

Фотография Альберта Эйнштейна.

Крупно - прибор, линза, руки регулируют, устанавливают оборудование.

Эйнштейн объяснил закономерности спектра абсолютно черного тела, основываясь на представлении об индуцированном излучении (в кадре - график).

Опыт - прохождение луча через емкость с жидкостью (показано, что интенсивность луча убывает во всем диапазоне длин волн.

Крупно - опыт, в кадре прибор, зажигается горелка, выделяются пары натрия, панорама на ученого, который смотрит в прибор и наблюдает, как пары натрия выборочно поглощают свет в желтой части спектра.

Такое поглощение называется резонансным.

Формула частоты резонансного поглощения.

В кадре - простейшая энергетическая двухуровневая модель (формулы, графики и тд.).

При резонансном поглощении фотона, атом переходит на более высокий энергетический уровень, а при спонтанном излучении - на более низкий уровень.

Атом может излучать фотон и под действием внешнего электромагнитного поля - такое излучение называется индуцированным.

Частота вынужденного излучения такая же, как и частота внешнего электромагнитного поля.

Интенсивность индуцированного излучения пропорциональна интенсивности внешнего электромагнитного поля.

Строгая квантовая теория излучения.

Фотография английского ученого Поля Дирака.

Дирак показал, что оба фотона обладают не только одинаковой частотой, но и совпадающей поляризацией и движутся в одинаковом направлении.

Оба фотона строго когерентны.

Спонтанное излучение изотропно и неполяризовано.

При обычных условия верхние энергетические уровни меньше заселены, чем нижние, что соответствует статистике Больцмана.

Такая среда всегда будет поглощать свет.

Если добиться инверсии населенности уровней, то такая среда сможет усиливать свет.

Инверсию в них формально можно описать, если считать абсолютную температуру отрицательной (выведена формула).

Фотография советского ученого Валентина Фабриканта.

Фабрикант предсказал, что инверсию населенности можно получить, если использовать молекулярные примеси.

Благодаря их резонансному возбуждению и неупругим соударениям с молекулами газа, один из энергетических уровней может обедняться.

Фабрикант предсказал возможность усиления света.

Фотографии американских ученых Эдварда Парселла и Роберта Паунда.

Парселл и Паунд получили инверсию населенности энергетических уровней магнитных моментов атомов лития с помощью быстрых изменений направления магнитного поля.

Фотография Альберта Эйнштейна.

Фотографии разных ученых-физиков, которые заложили основы, необходимые для создания квантовых генераторов, мазеров и лазеров.

Крупно - большой стационарный бытовой радиоприемник.

Телевизионная вышка для передачи сигнала.

Одна из первых моделей телевизора 50-х годов.

В кадре - современный радиоспектрометр, панорама на оборудование, сотрудника, который следит за показаниями приборов и делает записи.

Сотрудник наблюдает за показаниями приборов.

В кадре - прибор, осциллограф, на экране виден сигнал в виде движущейся точки.

Крупно - на листе бумаге автоматически рисуются кривые линии.

При удалении атома или молекулы частота излучения за счет эффекта Доплера уменьшается, а при приближении - увеличивается.

Поэтому тепловое движение всегда приводит к уширению спектральных линий.

Во многих случаях уширение линий превышало расстояние между ними и не позволяло их разрешить.

Чтобы избавиться от доплеровского уширения линий, академик Александр Прохоров предложил использовать молекулярные пучки.

Разрешающая способность пучковых спектрометров повысилась, но слишком слабые были спектральные линии.

Фотографии академиков Н. Басова и А. Прохорова.

Басов и Прохоров высказали важную идею - нужно искусственно изменить населенность уровней и исследовать не поглощение, а индуцированное излучение.

Это привело к созданию парамагнитных усилителей, а затем мазеров и лазеров.

В кадре - один из первых мазеров, созданный на пучке молекул аммиака (на анимированной схеме показаны строение и принцип действия).

Поток молекул сортируется квадрупольным конденсатором - он отклоняет невозбужденные молекулы, а возбужденные фиксирует вдоль своей оси, направляя в резонатор.

В резонаторе возбужденные молекулы, благодаря индуцированному излучению, поддерживают электромагнитные колебания, а часть энергии излучения выходит из резонатора в виде когерентных электромагнитных волн.

Пространственное разделение возбужденных и невозбужденных молекул хорошо лишь для молекулярных пучков.

После разработки мазера на аммиаке, Басов и Прохоров предложили трехуровневый метод создания инверстной населенности - за счет накачки внешним источником, молекулы из основного состояния переходят на третий уровень, а оттуда они спонтанно переходят на второй метастабильный уровень с большим временем жизни и накапливаются на нем.

Возникает инверсия населенности между вторым и основным энергетическими уровнями, что дает возможность получить мазерное излучение.

Лавина квантов теперь может развиваться за счет вынужденных переходов между этими уровнями.

Большой радиотелескоп в виде тарелки, космос, звездное небо.

Изображение туманности Подкова в созвездии Стрельца.

Показан принцип действия первого мазера, действующего от облака молекул гидроксила в туманности Подкова в созвездии Стрельца.

Накачка в таком естественном мазере осуществляется за счет столкновения молекул гидроксила или внешнего излучения.

Излучаемые мазером невидимые кванты условно изображены красным цветом.

Показаны примеры мазерного излучения молекул гидроксила (в кадре специальные большие сооружения круглой формы и другие конструкции).

Обнаружен мазерный эффект в оболочках красных переменных звезд.

Важным этапом на пути создания лазеров явились парамагнитные усилители, в которых расщепление энергетических уровней осуществлялось под действием магнитного поля.

Инверсия населенности в них осуществлялось за счет поля накачки, а жидкий гелий препятствовал спонтанным переходам.

Одним из первых парамагнитных усилителей был усилитель на рубине.

Благодаря работам различных ученых СССР и США были созданы все предпосылки для конструирования квантового генератора оптического диапазона.

Первый лазер был создан в 1960 году Нейманом в США. Излучались импульсы красной спектральной линии.

Квантовая электроника как наука родилась тогда, когда квантовая система была помещена в резонатор.

Ученый показывает как устроен современный лазер на рубине, разбирает устройство.

Для длин волн оптического диапазона роль резонатора играет интерферометр Фабри-Перо.

Система двух параллельных зеркал - непрозрачного и полупрозрачного.

Атомы хрома с помощью лампы накачки переводятся в состояние с инверсной населенностью по трехуровневой схеме.

Вынужденные переходы сопровождаются развитием лавины фотонов.

Когда приток энергии за счет вынужденных переходов превысит потери в кристалле - возникает вспышка лазера.

Как только поступление энергии упадет ниже порогового значения - вспышка прекращается.

Ученый включает аппарат, появляется красный луч лазера.

Длительность импульса рубинового лазера - около тысячной доли секунды.

Импульс состоит из множества отдельных импульсов.

В кадре - квантовый генератор, виден красный луч лазера.

Мощность лазерного луча можно повысить, сократив продолжительность импульса.

Опыт, эксперимент - в кадре ученый у стола с приборами и оборудованием.

Для сокращения продолжительности импульса, ученый помещает между кристаллом рубина и зеркалом затвор Поккельса.

При закрытом затворе свет не попадает на отражающее зеркало, в лазере обратная связь отсутствует и генерации нет.

Ученый открывает затвор Поккелльса, крупно - на приборе движется стрелка.

Крупно - показано как возникает генерация, появляется красный луч лазера.

При открытом затворе в возбужденном состоянии находятся лишь немногим более половины атомов хрома, при закрытом - почти все.

При открытии затвора Поккельса за время его срабатывания в течение одной миллионной доли секунды развивается мощный импульс.

Чтобы сам кристалл не стал оптическим резонатором, торцы делают косыми под углом Брюстера.

Подавая на затвор Поккельса переменное напряжение, можно получить серию импульсов.

Крупно - руки переключают тумблеры и кнопки на оборудовании.

Ученый стоит возле стола с приборами и оборудованием.

Включается прибор, появляется красный луч лазера.

Такой режим работы получил название "модулированной добротности".

Использование этого режима, а также ряда других методов, позволило добиться мощности в импульсе в десятки миллионов киловатт.

В кадре - сооружение гидроэлектростанции.

На рисунке - оборудование электростанции.

Показан работающий рубиновый лазер.

В кадре - изображение солнца.

Первый лазер непрерывного действия был изобретен в 1960 году американским физиком Джаваном.

Ученый разбирает конструкцию лазера.

Рабочим веществом в газовом лазере была смесь гелия и неона.

Крупно - руки переключает кнопки, рычаги на приборе.

Под действие напряжения при отключенном оптическом резонаторе в трубке возбуждается тлеющий разряд, свечение которого аналогично свечению неоновых рекламных трубок.

Ученый смотрит в специальную увеличительную трубку.

Смесь излучает множество спектральных линий.

Гелий-неоновый лазер излучает когерентный свет в красной области спектра и две спектральные линии в инфракрасной области.

В атомах неона лазерный переход осуществляется с метастабильного верхнего лазерного уровня не на основной, а на промежуточный (нижний лазерный уровень).

Гелий в смеси газов используется лишь для резонансного возбуждения атомов неона.

Атом гелия возбуждается электроном плазмы.

При соударении с атомом неона, атом гелия передает ему энергию возбуждения.

Под действием внешнего фотона, атом неона излучает когерентный фотон и переходит на нижний лазерный уровень.

Инфракрасные вынужденные переходы осуществляются между лазерными уровнями Е3 и Е4, а также Е2 и Е1. Панорама на разные модели гелий-неоновых лазеров.

Мощность гелий-неоновых лазеров невелика (до одной десятой Ватта), но они обладают ничтожной расходимостью луча, близкой к дифракционному пределу.

В кадре - полупроводниковый лазеры.

Основой лазера является pn-переход между арсенидом галлия p и n типа.

Активная среда создается в результате инжекции свободных носителей заряда в область pn-перехода.

Генерация когерентного излучения происходит при вынужденной рекомбинации избыточных носителей в окрестности pn-перехода.

Оптическим резонатором лазера являются две параллельные грани, сколотые по кристаллографическим плоскостям.

Преимущество полупроводниковых лазеров - миниатюрность, высокий КПД. Мощность таких лазеров невелика.

В кадре - жидкостный лазер (был создан в 1966 году).

Панорама на лазеры, приборы.

В лазерах на красителях в качестве активной среды используются растворы различных органических красителей.

Во время работы лазера краситель прокачивается.

Крупно - рука поворачивает ключ на приборной панели, нажимает кнопку и тд.

Накачка лазера на красителях может проводиться газовым лазером.

В кадре - лазеры.

Энергетическая схема излучения лазера на красителях.

В растворах каждый энергетический уровень состоит из серии колебательных и вращательных подуровней.

Лазер на красителях работает по четырехуровневой энергетической схеме.

Инверсия населенности создается между возбужденным уровнем с наименьшей энергией и колебательно-вращательными подуровнями основного состояния.

Линия генерации очень широкая - это позволяет перестраивать частоту лазера.

Сотрудник-ученый возле лазеров, снимает крышку прибора.

Настройка требуемой длины волны осуществляется введением в оптический резонатор диспергирующей призмы или дифракционной решетки.

Крупно - сотрудник проделывает манипуляции, закрывает крышкой прибор, крутит ручку лазера.

Лазеры на красителях могут работать и в импульсном режиме.

Мощность их такая же, как и у твердотельных лазеров.

В кадре - показана работа лазера, виден лазерный луч.

Лазерный луч обладает высокой степенью пространственной когерентности.

Воспроизводится опыт Юнга - сначала с обычным лучом, а потом с лучом лазера.

Обычный луч света дает не очень четкую интерференционную картину.

Картина от когерентного лазерного луча более четкая.

Крупно - рука крутит ручку прибора, виден красный лазерный луч.

Сотрудник возле лазерной установки, включает прибор.

Распределение интенсивности по сечению лазерного луча.

Крупно - рука подготавливает оборудование, настраивает прибор.

На специальном белом экране - красная точка от проецируемого луча лазера.

Распределение интенсивности лазерного луча неоднородное и определяется условием возникновения стоячих волн.

Крупно - красная точка от лазера (вибрирует, колеблется).

В кадре - радиотелескоп для локации планет.

Его антенна диаметром 22 метра выполнена в виде зеркальной чаши.

При длине волны 1 метр расходимость луча, вызванная дифракцией, оказывается 2,6 градуса.

Размер радиопятна на Луне - 30000 км., что намного превышает её диаметр.

При использовании лазера с длиной волны 1 микрон и зеркалом оптического резонатора диаметром 10 см, пятно лазерного луча может иметь диаметр всего 3 км.

Лишь для газовых лазеров расходимость луча близка к дифракционному пределу и составляет 1...2 минуты.

Для рубиновых лазеров расходимость равна 7...9 минутам.

А для полупроводниковых - 1...2 градусам.

Панорама на столы с лазерными установками, приборами и тд.

В кадре - разные модели промышленных лазеров.

Такие лазеры в непрерывном режиме развивают мощность до 1 кВт, а в импульсном режиме - до 100 МВт.

В кадре - миниатюрные полупроводниковые лазеры (их КПД превышает 50%).

Лазеры на красителях дают возможность охватить весь диапазон волн видимого света.

В качестве источника накачки используются также светодиодные линейки, позволяющие в 10-20 раз уменьшить массу лазера.

Ученый работает с лазерами.

При помощи луча лазера создаются высококачественные голограммы.

Производится экспонирование объекта в луче лазера.

Ученый настраивает, регулирует оборудование, смотрит на луч лазера.

В кадре - точка от луча лазера на зеркале прибора.

В кадре - голограмма изображения в лазерном луче (фигура на лошади).

Использование лазеров в маркшейдерских, геодезических, топографических работах (в кадре мужчина работает с прибором типа нивелир).

Мужчина стоит с огромной геодезической линейкой.

Применение лазера для создания опорного направления.

В кадре - лазерные визиры, которые обеспечивают геодезический контроль при планировке полотна шоссейных и железных дорог, укладке трубопроводов.

Река, корабль, панорама на берег, где стоит мужчина с лазерным прибором.

Направление движения корабля обеспечивается лазерным оборудованием - лазерный луч улавливается приемным устройством на корабле.

Показано как специальные лазерные приборы используются для лечения болезней глаз (в кадре врачи и пациенты).

Врач за столом с помощью специального прибора проводит лечение лазером, панорама на кабинет, оборудование и тд.

Лечение и коррекция зрения проводится с помощью роговичного инфракрасного лазера.

Разные кадры использования высокотехнологичного медицинского лазерного оборудования, лечения глаз и тд.

В кадре - операционная, идет операция, хирург делает надрез с помощью лазера.

Панорама на лазерные установки на производстве.

Такие установки применяются для сварки (в кадре - сварочные работы при помощи лазера).

Резка различных заготовок с помощью лазера.

В кадре - цех, лазерное оборудование, различные приборы.