История лазера. Научное издание
Шрифт:
Разработка полупроводниковых лазеров тормозилась по нескольким причинам. Необходимо было разработать новую технологию для работы с полупроводниками, учитывая, что хорошо разработанная технология для кремния не годится. Проблемой также была необходимость работы с короткими импульсами большого тока при низких температурах. По этой причине КПД лазеров был низок. Значительный шаг вперед в решении этих проблем был сделан в 1969 г. путем введения гетероструктур, В гетероструктурном лазере простой p-n-переход заменяется многослойной структурой полупроводников разного состава (рис, 61). Активная область уменьшается по толщине, и ток, требуемый для лазерной генерации, существенно уменьшается, что соответственно
Р РёСЃ. 61. Природный лазер РІ звезде MWC349. Лазерное излучение РїСЂРѕРёСЃС…РѕРґРёС‚ РІ РґРёСЃРєРµ РІРѕРґРѕСЂРѕРґР°, ближайшего Рє звезде, Р° мазерное излучение получается РІ более отдаленных областях. Рзлучение испускается РІ плоскости, показанной РЅР° СЂРёСЃСѓРЅРєРµ, Рё достигает Земли, которая случайно оказалась лежащей РІ этой же плоскости
Два фактора сильно способствовали преобразованию полупроводниковых лазеров из лабораторных устройств, работающих при очень низких температурах в практичные оптоэлектронные устройства, способные работать непрерывно при комнатной температуре. Первое исключительное и счастливое сходство решеток, содержащих арсенид алюминия (AlAs) и арсенида галлия (GaAs), что позволяет изготавливать гетероструктуры из слоев разной композиции соединение типа AxGa1xAs. Второе многие важные применения, для которых полупроводниковые лазеры оказываются особенно пригодными из-за их особенностей: малые размеры (несколько кубических миллиметров), высокий КПД (обычно не менее 50%), накачка непосредственно электрическим током, долговечность по сравнению с другими типами лазеров.
РўРѕС‚ факт, что лазер непосредственно накачивается током, позволяет модулировать выходное излучение, простой модуляцией тока. Рта особенность идеальна для систем передачи информации.
Существует ли лазер в природе?
Ответ, РїРѕ-РІРёРґРёРјРѕРјСѓ, РґР°! Лазерное излучение СЃ длиной волны около 10 РјРєРј (типичная линия излучения РґРІСѓРѕРєРёСЃРё углерода, РЅР° которой работают мощные РЎO2 лазеры, находящие широкое применение, РІ частности для механической обработки материалов) было обнаружено РІ атмосферах Марса Рё Венеры РІ 1981 Рі. исследователями РёР· Лаборатории экспериментальной физики Центра управляемых полетов РёРј. Годдарда (РќРђРЎРђ). Рто излучение уже наблюдалось РІ 1976 Рі. студентами Таунса, который стал заниматься проблемой астрофизики, РЅРѕ только РІ 1981 Рі. было установлено, что причиной его является естественный лазер.
Рнверсная населенность перехода молекулы РґРІСѓРѕРєРёСЃРё углерода, которая составляет значительную часть атмосферы этих планет, получается РІ результате солнечного света, Рё поэтому получается только РЅР° освещенной полусфере. Рто такой же механизм, как Рё РІ лазерах РЅР° РЎO2, построенных РЅР° Земле. РћРЅРё работают РЅР° длине волны 10 РјРєРј Рё используются РІ качестве мощных лазеров для резки Рё сварки металлов Рё РґСЂСѓРіРёС… применений. Линии излучения РІ атмосферах этих планет почти РІ 100 миллионов раз интенсивнее, чем если Р±С‹ газ испускал РёС… РІ условиях термодинамического равновесия РїСЂРё температуре атмосферы. Часть наблюдаемого излучения является излучением, усиленным РІ инверсно населенной среде. Если Р±С‹ можно было поместить РґРІР° зеркала РЅР° орбите РІРѕРєСЂСѓРі этих планет, РјС‹ могли Р±С‹ получить такую же генерацию, которую получаем РІ земных условиях. Возможности реализации лазера РЅР° планетарном масштабе РІРЅРµ нашего понимания, РЅРѕ что будет РІ будущем, РјС‹ РЅРµ знаем. Рти линии излучения оказались полезными для измерения температур Рё ветров РЅР° Марсе Рё Венере.
Космические мазеры, как уже говорилось, были обнаружены много лет назад, и нет причин исключать существование и космических лазеров. Однако для их существования
Р РёСЃ. 62. Природный лазер РІ звезде MWC349. Лазерное излучение РїСЂРѕРёСЃС…РѕРґРёС‚ РІ РґРёСЃРєРµ РІРѕРґРѕСЂРѕРґР°, ближайшего Рє звезде, Р° мазерное излучение получается РІ более отдаленных областях. Рзлучение испускается РІ плоскости, показанной РЅР° СЂРёСЃСѓРЅРєРµ, Рё достигает Земли, которая случайно оказалась лежащей РІ этой же плоскости
Рсследователи РёР· NASA поместили инфракрасный телескоп РЅР° самолете, летающие РЅР° высоте 12 500 Рј. РќР° этой высоте поглощение исследуемого излучения РІ атмосфере существенно ослабляется. РћРЅРё наблюдали линию РЅР° 169 РјРєРј, интенсивность которой РІ шесть раз превышала ожидаемую интенсивность РїСЂРё термическом равновесии. Рзлучение РЅР° этой линии производится атомами РІРѕРґРѕСЂРѕРґР°, ионизованными интенсивным РЈР¤-излучением звезды или РёР·-Р·Р° более сложных процессов, происходящих РІ РґРёСЃРєРµ. РљРѕРіРґР° РёРѕРЅС‹ рекомбинируют СЃРѕ свободными электронами, РѕРЅРё испускают фотоны. Большая часть излучения испускается спонтанно, РЅРѕ возможно также Рё вынужденное излучение. Такой же процесс дает мазерное излучение РІ РґСЂСѓРіРёС… частях РґРёСЃРєР°, РЅРѕ РІ центральных частях наблюдается лазерное излучение, частично, РёР·-Р·Р° того, что РІРѕРґРѕСЂРѕРґ там плотнее, частично, РёР·-Р·Р° того, что интенсивность ультрафиолетового излучения выше. Случайно, РґРёСЃРє ориентирован РїРѕ отношению Рє Земле так, что можно зарегистрировать лазерное излучение. Диск представляет СЃРѕР±РѕР№ область, РіРґРµ, как полагают, РјРѕРіСѓС‚ формироваться планеты, Рё наблюдаемое излучение РїСЂРёС…РѕРґРёС‚ РѕС‚ той части этой колыбели планет, которая удалена РѕС‚ звезды РЅР° расстояние, приблизительно равное расстоянию между Землей Рё Солнцем. Поэтому лазерное излучение может помочь нам лучше понять состояние газа РІ РґРёСЃРєРµ. Длина волны 169 РјРєРј лежит РЅР° границе областей, которые относят Рє микроволнам, Рё оптического диапазона. Поэтому можно говорить как Рѕ мазерном, так Рё Рѕ лазерном эффекте.
Лазеры РІ ультрафиолетовой области также существуют. Рзлучение РІ этой области было обнаружено СЃ помощью космического телескопа Хаббл. РћРЅРѕ испускается РёР· газового облака вблизи звезды -Киля.
Ртак, РјС‹ можем заключить, что РІ РєРѕСЃРјРѕСЃРµ уже существуют естественные мазеры Рё лазеры. Поэтому РјС‹ можем более точно сказать, что мазеры Рё лазеры были РЅРµ изобретены, Р° открыты[14].
ГЛАВА 14
РЕШЕНРР• Р’ РџРћРРЎРљР• ПРОБЛЕМЫ РЛРМНОГРР• ПРОБЛЕМЫ РЎ ОДНРРњ РТЕМ Р–Р• РЕШЕНРЕМ?
РџР РМЕНЕНРРЇ ЛАЗЕРОВ
Р’ 1898 Рі. Рі. Уэллс вообразил РІ своей РєРЅРёРіРµ Р’РѕР№РЅР° РјРёСЂРѕРІ захват Земли марсианами, которые использовали лучи смерти, способные без труда проходить через кирпичи, сжигать леса, Рё прожигать сталь, как если Р±С‹ РѕРЅР° была бумагой. Подобным оружием пользовались персонажи карикатур, мультфильмов Рё РєРѕРјРёРєСЃРѕРІ перед Рё после Второй РјРёСЂРѕРІРѕР№ РІРѕР№РЅС‹. Рто рождало мечты военных РѕР± оружии будущего. Р’ настоящее время пучки лазеров высокой мощности делают это реальным.