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미국 주변의 기술, 기술, 개체의 역사
레이저. 발명과 생산의 역사
레이저(영어 레이저, 유도 방출에 의한 광 증폭의 약자) 또는 광학 양자 발생기는 펌프 에너지(빛, 전기, 열, 화학 등)를 결맞음 에너지로 변환하는 장치입니다. , 단색, 편광되고 좁은 방향의 방사선 플럭스. 레이저 작동의 물리적 기반은 자극(유도) 방사선의 양자 역학적 현상입니다. 레이저 방사는 일정한 출력으로 지속되거나 매우 높은 피크 출력에 도달하는 펄스형일 수 있습니다. 일부 방식에서 레이저의 작동 요소는 다른 소스로부터의 방사를 위한 광학 증폭기로 사용됩니다. 물질의 모든 응집 상태를 작동 매체로 사용하는 많은 유형의 레이저가 있습니다. 염료 용액 레이저 또는 다색 고체 레이저와 같은 일부 유형의 레이저는 넓은 스펙트럼 범위에서 전체 범위의 주파수(광 공동 모드)를 생성할 수 있습니다. 레이저의 크기는 일부 반도체 레이저의 미세한 것부터 일부 네오디뮴 유리 레이저의 축구장 크기까지 다양합니다. 레이저 방사선의 고유한 특성으로 인해 CD를 읽고 쓰는 것부터 통제된 열핵융합 분야의 연구에 이르기까지 일상 생활뿐만 아니라 과학 및 기술의 다양한 분야에서 레이저를 사용할 수 있게 되었습니다.
레이저의 비교적 간단한 장치에도 불구하고 그 작동의 기초가 되는 과정은 매우 복잡하며 고전적인 물리학 법칙으로 설명할 수 없습니다. Maxwell과 Hertz 시대부터 과학은 전자기, 특히 빛 복사가 파동성을 갖는다는 생각을 확립했습니다. 이 이론은 관찰된 대부분의 광학 및 물리적 현상을 잘 설명했습니다. 그러나 이미 XNUMX세기 말에 이 이론에 맞지 않는 일부 실험 데이터가 얻어졌습니다. 예를 들어, 광전 효과 현상은 빛의 파동성에 대한 고전적 아이디어의 관점에서 완전히 이해할 수 없는 것으로 밝혀졌습니다. 1900년 독일의 유명한 물리학자 막스 플랑크는 이러한 편차의 특성을 설명하려고 시도하면서 전자기 복사, 특히 빛의 방출이 연속적으로 발생하지 않고 별도의 미세한 부분에서 발생한다고 가정했습니다. 1905년에 아인슈타인은 광전 효과 이론을 발전시켜 플랑크의 생각을 강화하고 전자기 복사가 실제로 부분적으로 방출되고(이 부분을 양자라고 부르기 시작함) 나중에 전파 과정에서 각 부분이 원래의 빛을 유지한다는 것을 설득력 있게 보여주었습니다. "개성"은 부서지지 않고 다른 사람과 중첩되지 않으므로 완전히 흡수할 수만 있습니다. 이 설명에서 많은 경우 양자가 파동이 아니라 입자처럼 행동한다는 것이 밝혀졌습니다. 그러나 동시에 그들은 파동을 멈추지 않습니다 (예를 들어, 양자는 정지 질량이없고 300000km / s의 속도로 만 움직입니다), 즉 그들은 특정 이원론을 가지고 있습니다. 양자 이론은 이전에 이해할 수 없었던 많은 현상, 특히 방사선과 물질의 상호 작용 특성을 설명하는 것을 가능하게 했습니다. 간단한 예를 들어보겠습니다. 왜 몸은 가열될 때 빛을 방출할까요? 예를 들어 가스 버너의 못을 가열하면 처음에는 진홍색을 띤 다음 빨간색으로 변하는 것을 알 수 있습니다. 계속 가열하면 붉은 색이 노란색으로 변하고 눈부신 흰색으로 변합니다. 따라서 손톱은 적외선 (열)뿐만 아니라 가시 광선도 방출하기 시작합니다. 이 현상의 원인은 다음과 같습니다. 손톱을 포함한 모든 신체는 분자로 구성되어 있으며 분자는 원자로 구성되어 있습니다. 각 원자는 더 많거나 적은 전자가 그 주위를 돌고 있는 작고 매우 조밀한 핵입니다. 이 전자는 핵 주위를 무작위로 움직이지 않지만 각각은 정확하게 설정된 수준에 있습니다. 따라서 일부 레벨은 코어에 더 가깝게 위치하고 다른 레벨은 코어에서 더 멀리 위치합니다. 이러한 준위는 에너지 준위라고 합니다. 그 이유는 그 위에 위치한 각 전자는 이 준위에만 고유한 고유한 고유한 에너지인 에너지를 갖기 때문입니다. 전자가 정지 상태에 있는 동안 에너지를 방출하지 않고 움직입니다. 이 원자 상태는 무기한 계속될 수 있습니다. 그러나 외부에서 원자에 일정량의 에너지가 전달되면(손톱이 가열될 때와 같이) 원자가 "여기"됩니다. 이 여기의 본질은 전자가 물질을 관통하는 복사량(이 예에서는 가스 버너의 적외선 열 복사)을 흡수하고 에너지를 획득하여 더 높은 에너지 수준으로 이동한다는 것입니다. 그러나 전자는 매우 짧은 시간(XNUMX분의 XNUMX초, 심지어 XNUMX만분의 XNUMX초) 동안만 이러한 더 높은 수준에 머무를 수 있습니다. 이 시간이 지나면 각 전자는 다시 정상 수준으로 돌아가고 동시에 에너지 양자(또는 특정 길이의 파동)를 방출합니다. 이 파동 중 일부는 가시광선 범위에 있습니다(이러한 가시광선 양을 광자라고 합니다. 우리는 가열된 못의 빛과 같이 여기된 원자에 의한 광자의 방출을 관찰합니다). 못이 있는 우리의 예에서 양자의 흡수와 방출 과정은 혼란스럽게 진행됩니다. 복잡한 원자에서는 상위 수준에서 하위 수준으로 전자의 많은 전이가 관찰되며 각각은 고유 한 주파수의 방사선을 방출합니다. 따라서 방사선은 여러 스펙트럼과 다른 방향으로 동시에 진행되며 일부 원자는 광자를 방출하고 다른 원자는 흡수합니다. 같은 방식으로 양자는 가열된 물체에서 방출됩니다. 태양, 아크 용접, 백열등 필라멘트 등의 각 물체는 동시에 서로 다른 길이(또는 동일한 것은 서로 다른 에너지의 양자)의 많은 파동을 방출합니다. 그렇기 때문에 렌즈나 다른 광학 시스템이 아무리 완벽하더라도 가열된 물체에서 방출되는 복사선을 엄격하게 평행한 빔으로 집속시킬 수는 없습니다. 빔은 항상 특정 각도로 발산합니다. 이것은 이해할 수 있습니다. 결국 각 파동은 렌즈에서 자체 각도로 굴절됩니다. 그러므로 어떤 상황에서도 우리는 그들의 병렬성을 달성할 수 없을 것입니다. 그러나 양자 이론의 창시자는 이미 자연 조건에서 발생하지 않지만 인간에 의해 잘 모델링될 수 있는 복사의 또 다른 가능성을 고려했습니다. 실제로, 한 특정 에너지 준위에 속하는 물질의 모든 전자를 여기시킨 다음 한 방향으로 한 번에 양자를 방출하도록 할 수 있다면 매우 강력하고 동시에 매우 균일한 방사 펄스. 이러한 빔에 초점을 맞추면(구성하는 모든 파동의 길이가 동일하기 때문에) 빔의 거의 완벽한 평행도를 달성할 수 있습니다. 아인슈타인은 1917년 자신의 저서 "양자 이론에 따른 방사선의 방출 및 흡수"와 "복사 양자 이론에 관하여"에서 자극 복사라고 부른 것과 같은 가능성에 대해 처음으로 썼습니다. 자극 방출은 특히 다음과 같은 방식으로 달성될 수 있습니다. 전자가 이미 "과잉 여기"되어 있고 상위 에너지 준위에 있는 물체를 상상해 봅시다. 그리고 전자가 새로운 양자 부분으로 조사된다고 가정해 봅시다. 이 경우 눈사태와 유사한 프로세스가 발생합니다. 전자는 이미 에너지로 "과포화"되어 있습니다. 추가 조사의 결과, 그들은 상위 레벨에서 분해되어 눈사태처럼 하위 레벨로 이동하여 양자의 전자기 에너지를 방출합니다. 또한, 이러한 양자의 진동 방향 및 위상은 입사파의 방향 및 위상과 일치합니다. 출력 파동의 에너지가 입력 파동의 에너지를 여러 번 초과할 때 파동의 공진 증폭 효과가 있을 것입니다. 그러나 방출된 광자의 엄격한 병렬성을 달성하는 방법은 무엇입니까? 이것은 개방형 거울 공진기(open mirror resonator)라고 하는 매우 간단한 장치로 수행할 수 있음이 밝혀졌습니다. 그것은 두 개의 거울, 즉 일반 거울과 반투명 거울 사이의 튜브에 놓인 활성 물질로 구성됩니다.
반투명 거울에 떨어지는 물질에서 방출되는 광자는 부분적으로 통과합니다. 나머지는 반사되어 반대 방향으로 날아간 다음 왼쪽 거울(지금은 모두)에서 반사되어 다시 반투명 거울에 도달합니다. 이 경우 여기 물질을 통과할 때마다 광자 플럭스가 크게 향상됩니다. 그러나 거울에 수직으로 움직이는 파동만 증폭됩니다. 충분한 증폭을받지 않고 수직에서 최소한 약간의 편차로 거울에 떨어지는 다른 모든 것들은 벽을 통해 활성 물질을 둡니다. 결과적으로 나가는 스트림은 매우 좁은 방향성을 갖습니다. 레이저 작동의 기초가 되는 것은 이러한 유도 방출을 얻는 원리입니다(레이저 자체라는 단어는 유도 방출에 의한 광 증폭과 유도 방출에 의한 빛의 증폭을 의미하는 방사선에 대한 영어 정의의 첫 글자로 구성됩니다.) 이 놀라운 장치의 제작에는 오랜 역사가 있었습니다. 기술이 레이저의 발명을 언뜻 보기에 광학과 양자 전기 역학에서 멀리 떨어져 있는 전문가, 즉 전파 물리학자들에게 빚지고 있다는 것이 궁금합니다. 그러나 여기에는 고유한 깊은 패턴이 있습니다. 40년대 초부터 전 세계의 무선 물리학자들은 센티미터 및 밀리미터 파장 범위를 마스터하기 위해 노력해 왔으며, 이를 통해 장비, 특히 안테나 시스템을 크게 단순화하고 줄일 수 있게 되었기 때문에 이미 언급되었습니다. 그러나 오래된 관 발전기가 새로운 조건에서 작동하도록 거의 적응할 수 없다는 것이 곧 분명해졌습니다. 그들의 도움으로 1mm의 파동을 생성하는 것은 거의 불가능했지만(이 발전기의 전자기 진동 주파수는 초당 수십억에 이르렀음) 더 짧은 파동을 위한 발전기를 만드는 것은 불가능했습니다. 전자파를 발생시키는 근본적으로 새로운 방법이 필요했습니다. 바로 그 당시 소련의 전파 물리학자 Alexander Prokhorov와 Nikolai Basov는 가스에 의한 전파의 흡수라는 매우 흥미로운 문제를 연구하기 시작했습니다. 전쟁 중에도 레이더에서 방출되는 특정 길이의 파도는 다른 것과 마찬가지로 주변 물체에서 반사되지 않고 "에코"를 주지 않는다는 것이 발견되었습니다. 예를 들어, 1cm 파장 빔은 공간에서 용해되는 것처럼 보였습니다. 이 길이의 파장은 수증기 분자에 의해 활발히 흡수되는 것으로 나타났습니다. 나중에 각 가스는 분자가 어떻게든 "조정"되는 방식으로 특정 길이의 파동을 흡수한다는 것이 밝혀졌습니다. 이 실험에서 다음 아이디어로 가는 한 단계만 남았습니다. 원자와 분자가 특정 길이의 파동을 흡수할 수 있다면 그것들도 방출할 수 있습니다. 즉, 발전기 역할을 합니다. 따라서 전자관 대신 수십억 개의 특별히 여기된 가스 분자가 방사선 소스로 사용되는 방사선 가스 발생기를 만들려는 아이디어가 탄생했습니다. 그러한 작업에 대한 전망은 매우 유혹적인 것처럼 보였습니다. 왜냐하면 마이크로파의 범위뿐만 아니라 훨씬 더 짧은 범위, 예를 들어 가시광선의 범위(가시광선의 파장은 초당 수천억 진동 정도의 주파수에 해당하는 0-4 미크론). 그 과정에서 가장 중요한 문제는 능동적인 환경을 만드는 방법이었습니다. Basov와 Prokhorov는 암모니아를 선택했습니다. 발전기의 작동을 보장하기 위해 원자가 들뜬 상태에 있는 활성 기체 분자와 원자가 양자 흡수 방향으로 향하는 들뜬 기체 분자를 분리할 필요가 있었습니다. 이 목적을 위해 개발된 설치 계획은 진공이 생성된 용기였습니다. 암모니아 분자의 얇은 빔이 이 용기에 들어갔습니다. 고전압 커패시터가 경로에 설치되었습니다. 고에너지 분자는 자기장을 통해 자유롭게 날아가고 저에너지 분자는 축전기의 자기장에 의해 멀리 날아갔다. 이것이 분자가 에너지에 따라 분류되는 방식입니다. 활성 분자는 위에서 설명한 것과 같은 방식으로 설계된 공진기에 들어갔다. 최초의 양자 발생기는 1954년에 만들어졌습니다. 그의 능력은 1963억분의 XNUMX와트에 불과했기 때문에 정확한 악기만이 그의 작업을 기록할 수 있었습니다. 그러나 이 경우에는 아이디어 자체의 근본적인 정확성을 확인하는 것이 훨씬 더 중요했습니다. 기술의 역사에 새 장을 연 놀라운 승리였습니다. 같은 날 콜롬비아 대학에서 미국의 방사선 물리학자 Charles Towns 그룹은 "메이저"라고 불리는 유사한 장치를 만들었습니다. (XNUMX년 Basov, Prokhorov 및 Townes는 근본적인 발견으로 노벨상을 수상했습니다.) Basov-Prokhorov 양자 발생기와 Towns 메이저는 아직 레이저가 아니었습니다. 1cm 길이의 전파를 생성하고 레이저는 수만 배 더 짧은 가시 범위의 전자기파를 방출합니다. 그러나 두 장치의 작동 원리는 동일하므로 레이저 제작자는 특정 문제만 해결해야 했습니다. 첫째, 모든 물질이 이러한 특성을 갖는 것은 아니기 때문에 여기 상태가 될 수 있는 적절한 활성 물질을 찾는 것이 필요했습니다. 둘째, 여기 소스, 즉 추가 에너지를 부여하여 활성 물질을 여기 상태로 전달할 수있는 장치를 만드는 것입니다. 셋째, 활성 물질의 모든 여기된 입자가 여기에 참여하도록 강제하고 활성 물질의 세로 축을 따라 전파되는 진동만 증폭하기 위해 개방형 공진기가 필요했습니다. 넷째, 여기 소스에 에너지를 공급하기 위해 전원이 필요했습니다. 그렇지 않으면 레이저가 작동하지 않습니다. 이 모든 문제는 다양한 방법으로 해결할 수 있습니다. 작업은 한 번에 여러 방향에서 많은 과학자들에 의해 수행되었습니다. 그러나 1960년에 최초의 루비 기반 레이저를 만든 미국 물리학자 Theodor Meiman은 운이 좋게도 다른 사람들보다 먼저 소중한 목표를 달성했습니다.
루비 레이저의 작동 원리는 다음과 같습니다. 전원의 에너지는 여기 소스에 의해 활성 물질을 조사하는 전자기장으로 변환됩니다. 이 조사의 결과, 활성 물질은 평형 상태에서 여기 상태로 이동합니다. 활성 물질의 내부 에너지가 크게 증가합니다. 이 과정을 활성 물질을 "펌핑" 또는 "펌핑"이라고 하며 여기의 소스를 "펌핑" 또는 "펌핑"의 소스라고 합니다. 활성 물질의 원자가 들뜬 상태로 들어갈 때, 어떤 이유에서 하나의 전자가 상위 레벨에서 빠져나가면 빛의 광자를 방출하기 시작하고, 차례로 여러 개의 전자를 떨어뜨립니다. 나머지 여기된 전자에 의해 에너지의 눈사태와 같은 방출을 일으킬 상위 수준입니다. 개방형 공진기는 활성 물질의 복사를 한 방향으로만 지시하고 증폭합니다. Meiman은 인공 루비를 활성 물질로 사용했습니다(루비는 일부 알루미늄 원자가 크롬 원자로 대체된 산화알루미늄으로 구성된 결정질 물질로, 모든 재료가 아니라 크롬 이온만 있기 때문에 특히 중요합니다. , 빛의 흡수에 참여). 여기 발생기는 방사 헤드, 전원 공급 장치 및 발사 장치의 세 가지 블록으로 구성됩니다. 방출 헤드는 활성 물질의 작동을 위한 조건을 만들었습니다. 전원 공급 장치는 주 및 보조의 두 커패시터를 충전하기 위해 에너지를 제공했습니다. 트리거 유닛의 주요 목적은 고전압 펄스를 생성하여 플래시 램프의 트리거 전극에 인가하는 것입니다. 발광 헤드는 루비 막대와 두 개의 U자형 플래시 램프로 구성되었습니다. 램프는 크세논으로 채워진 표준이었습니다. 모든면에서 램프와 루비 막대는 반사판 역할을하는 알루미늄 호일로 덮여 있습니다. 커패시터는 약 40볼트의 펄스 전압을 축적하여 적용하여 강력한 램프 플래시를 발생시켰습니다. 플래시는 즉시 루비의 원자를 여기 상태로 옮겼습니다. 다음 펄스의 경우 커패시터를 새로 충전해야 했습니다.
이것은 일반적으로 매우 간단한 장치로 큰 관심을 불러 일으켰습니다. Basov and Towns 발견의 본질이 전문가에게만 명확했다면 Meiman 레이저는 초심자에게도 큰 인상을 남겼습니다. 언론인 앞에서 Meiman은 반복적으로 장치를 켜고 작동을 시연했습니다. 동시에 끝의 구멍에서 연필 두께의 광선이 방출되었습니다. 거의 팽창하지 않고 벽에 기대어 눈부신 둥근 지점으로 끝납니다. 그러나 Meiman은 다른 발명가보다 약간 앞서 있었습니다. 얼마 지나지 않아 새로운 유형의 레이저가 만들어졌다는 보고가 사방에서 들려오기 시작했습니다. 루비 외에도 불순물이 포함된 불화 스트론튬, 불순물이 포함된 불화 바륨, 유리 등과 같은 많은 다른 화합물이 레이저의 활성 물질로 사용될 수 있습니다. 가스일 수 있습니다. 같은 1960년에 Ali Javan이 헬륨-네온 기반 가스 레이저를 만들었습니다. 가스 혼합물의 여기 상태는 강한 전기장과 가스 방전에 의해 달성되었습니다. 그러나 고체 레이저와 가스 레이저 모두 효율이 매우 낮습니다. 그들의 출력 에너지는 소비되는 에너지의 1%를 초과하지 않습니다. 결과적으로 나머지 99%는 쓸모없이 소비됩니다. 따라서 1962년 Basov, Krokhin, Popov의 반도체 레이저 발명은 매우 중요하게 되었습니다.
소비에트 물리학자들은 반도체가 전기 또는 광 펄스의 영향을 받으면 전자의 일부가 원자를 떠나 여기에서 양전하의 역할을 하는 "정공"이 형성된다는 것을 발견했습니다. 원자의 궤도로 전자의 동시 복귀는 광자가 방출되기 때문에 더 높은 에너지 준위에서 더 낮은 에너지 준위로의 전환으로 간주될 수 있습니다. 전자빔에 의해 여기될 때 반도체 레이저의 효율은 40%에 도달할 수 있습니다. 활성 물질로는 n형 불순물을 함유하는 갈륨 비소를 사용하였다. 이 재료에서 블랭크는 큐브 형태 또는 평행 육면체 형태로 만들어졌습니다. 소위 반도체 다이오드입니다. 다이오드 플레이트는 n-영역과의 전기적 접촉을 제공하기 위해 금으로 코팅된 몰리브덴 시트에 납땜되었습니다. p-영역의 표면에 금과 은의 합금이 증착되었습니다. 다이오드의 끝이 공진기 역할을 하므로 조심스럽게 연마했습니다. 동시에 연마 과정에서 높은 정확도로 서로 평행하게 배치되었습니다. 방사선은 다이오드의 이러한 측면에서 정확하게 나왔습니다. 상단과 하단은 전압이 인가되는 접점 역할을 했습니다. 펄스가 장치의 입력에 적용되었습니다. 레이저는 매우 빠르게 인간의 삶에 들어갔고 기술과 과학의 많은 영역에서 사용되기 시작했습니다. 그들의 산업 생산은 미국에서만 1965개 이상의 회사가 레이저 시스템의 개발 및 제작을 시작한 460년에 시작되었습니다. 저자: Ryzhov K.V.
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