史上初のレーザー：それが何であったか

ご存知のように、レーザーは誘導放出によって光を増幅できるデバイスです。 そして、このデバイスを構築する可能性は理論的に最初に予測され、わずか数年後には最初のモデルを構築することができました。 誘導放出はアインシュタインによる量子理論の観点から説明されたことを思い出してください。鉄のこの原理の最初の実施形態は、20世紀の50年代にさまざまな科学者グループによって独立して始まりました。最も有名なのはC.タウンズ、A。M.プロホロフ、およびN. Gベース。 その後、彼らはなんとか最初の量子ジェネレーター-メーザーを構築し、センチメートル波の領域で放射を生成しました。 光学範囲は当時まだ征服されていなかったので、私はこの記事でどうやってそれを征服したかについてお話します。











そしてセオドア・メイマンは1960年代になんとか彼を征服しました。 彼は多くの計算を行い、ルビー結晶が光学範囲の波を生成するための理想的な作業媒体になるという結論に達しました。 彼は、作動流体をポンピングする原理-対応するフラッシュランプからの短い閃光と、増幅器が発電機になるための正のフィードバックを作成する方法を提案しました。 メイマンの計算によると、サファイア結晶の不純物でありルビーになるクロム原子には、エネルギーレベルの適切なシステムがあり、レーザー放射を生成することができます。 ルビーは、最も単純な3レベルのスキームを実装しています。 スペクトルの青緑領域の光を吸収するクロム原子は、上部の励起レベルに移動し、そこから準安定レベルへの非放射遷移が発生し、約1ミリ秒間残留します。 この状態から、原子は基底レベルに戻り、694または692 nmの波長の光子を放出します。準安定レベルは実際には1ではないため、2つは非常に近接しています。 準安定レベルでの原子の蓄積の可能性により、1つ以上の自発的に放出された光子が他のすべての原子を準安定状態から基底状態にカスケードさせ、同じ波長で新しい光子を放出する場合、逆集団とそれに伴うレーザー放射の生成が可能になり、位相、偏光、および運動の方向。 それらは、コヒーレンスによって特徴付けられる明るい赤い光線を作成します。







非常に興味深い非常に不公平な出来事の多くは、最初の光量子発生器の発明の歴史と関連しています。 そもそも、メイマンは最初のレーザーの開発を自分のイニシアチブで彼のアシスタントのみで行ったことに留意すべきです。一方、ルビーレーザーは、ルビーが作業媒体として適切でないと確信した多くの専門家の意見に反して作成されました。 都市の伝説によると、彼のアシスタントは、色覚障害者であり、彼の人生で初めて、レーザーが組み立てられて作動し始めたときに赤い光を目にしました。 同じ伝説によると、メイマンは記録装置の設定に非常に忙しかったため、レーザービームを視覚的に観察しませんでした-実験データを収集し、出版用の記事を準備することが急務でした。これは、光学範囲のコヒーレント放射が最初に得られたという説得力のある証拠を提示します。 これが問題の始まりです。 最初に、ルビー結晶で光コヒーレント放射を生成する可能性に関するMeymanの記事は、Physical Review Letters誌での掲載から拒否され、「彼の記事には基本的に新しいものはない」と明確にした。 代わりに、この記事はNatureに掲載されました。 特徴的なこと-1958年に、Physical Review Letters誌は、競合組織であるBell Labsから送信されたレーザー操作の原則に関する記事を既に公開しており、レーザーの作業用コピーがないという事実にもかかわらず、この記事は理論上の正当性を説明しただけです。 彼らはすぐに、まだ持っていないレーザーの特許を作り上げました。 メイマンはこの雑誌から逸脱しましたが、彼は最初の実用レーザーを製造しました。 さらに、彼はベルラボの科学者に電話での会話の中で、レーザーを作成するために必要なものと、レーザーを作成する方法を詳細に説明しました。 しかし、レーザーの発明におけるマイマンの優先順位は決して認識されませんでした。 そして、レーザーの発明に対するノーベル賞は、C。タウンズに授与されたものであり、彼に正当に属していたはずのものではありません。 これは、メイマンが大学の研究所ではなく、軍の命令を実行した民間企業で働いていたという事実によって部分的に説明されています。



それでは、ドラマを放っておき、鉄のメイマンルビーレーザーがどのように配置されたかを見てみましょう。 設計は非常にシンプルでした。コンパクトなケースには、小型のスパイラルフラッシュランプがあり、その内部にはさらに小型のルビークリスタルが固定されていました。 その反対側の端は銀メッキでした-片方の端は「耳の聞こえない」鏡で、もう一方の端は薄い層で銀メッキされており、いくらかの光が通過できました。 世界初のレーザーは長さ12センチ、重量300グラムで、おもちゃのように見えました。







クローズアップレーザーの詳細：







実際には、ルビーの結晶。







また、電源のないレーザーアセンブリ全体。







プレスはまた、より大きなサイズのレーザーの写真を手に入れましたが、決して歴史上最初のものではありません。 そして、ジャーナリストはすぐにパニックを起こし始め、彼らは「死の光線」が発明されたと言います。







わずか1年か2年、レーザーの発明のニュースがすでに世界中に散らばっていたとき、レーザーの最初の実験室サンプルがソ連に現れ始めました。 西洋諸国とは異なり、レーザーのスパイラルポンプランプはすぐには定着しませんでした。 第一に、その「自明性」にもかかわらず、グローボディの形状は最適とはほど遠いです。スパイラルの隣接するターンが主に互いに照らし合っており、ルビー結晶が挿入されていないため、アドレスに届く光はごくわずかです。 第二に、ソビエト産業は広範囲のスパイラルフラッシュランプを製造していませんでした。 そして、生産されたものは不適切な形状でした-スパイラルの直径は大きすぎましたが、よく知られたランプIFK-20000やIFK-80000などのように、回転がほとんどありませんでした。 よく知られ、広く普及しているIFK-2000ランプにらせん状の修正がありましたが、それは非常にまれであり、メイマンのように最小のルビー結晶しか「ポンプ」できませんでした。 スパイラルランプはソ連では珍しいため、十分な量のランプを使用するという道を歩みました。 ソ連の最初のレーザーには、さまざまなサイズの結晶を取り付ける機会があり、「古典的な」U管IFK-2000がポンピングに使用されました。 だから彼は生きていた。







そして、それはさまざまな出版物のB.F.フェドロフの本に示されました。











このポンピング方法はまだ効果がないため、IFPシリーズの直管チューブによるポンピングを優先してすぐに使用を中止しました。 ルビークリスタルは、わずかな標準サイズ、ランプの発光部分のサイズで生産されるようになりました。 ルビー結晶とランプが楕円リフレクターの焦点に配置され始めたため、結晶は利用可能な最大の光を集めました。 だから概略的に見える。







そして、それは生きている楕円形の反射器のように見えます。







いわゆる「キャビティ」ランプを使用したデザインもありました。 キャビティランプは、スパイラルランプのターン数を無限に増やして、連続するキャビティになるまで徐々に増やします。 このようなランプは、一方が他方に埋め込まれ、両端が溶接された石英ガラス製の2つのチューブです。 電極はランプの両端にはんだ付けされています。 ソ連製の唯一の既知のキャビティランプ-IFPP-7000は、UIG-1レーザーユニットの励起に使用されました。







このポンプ方式には、スパイラルランプ回路の欠点がすべてあるため、他のどこでも使用されていません。 写真では、IFPP-7000ランプとそれに使用されるルビークリスタル。 スパイラルポンプランプとキャビティポンプランプを備えたエキゾチックな回路に加えて、ルビーレーザーは、さらにエキゾチックな回路で動作することができます。 これは、ルビー結晶が非常に小さく、液体窒素で冷却され、超高圧水銀灯からの集束ビームまたは強力なアルゴンレーザービームで照らされている場合に可能です。 しかし、時間が経つにつれて液体窒素から「離乳」することが可能であったという事実にもかかわらず、そのような装置は実験室の壁を離れることはなく、科学記事に記載されたエキゾチックなままでした。 その後、彼らは寿命が短く、破損している場合はクリスタル全体を交換する必要があるため、端にスプレーされたミラーを拒否しました。 このような設計は、たとえばレーザーエピレーターエミッターなど、最大限のコンパクトさが必要なデバイスでのみ維持されていました。 他のすべてのミラーでは、調整デバイスに個別に取り付けられています。



レーザーラボから同時に捨てられたゴミを使用して、独自のルビーレーザーを構築したくない場合は奇妙です。 歴史に敬意を表したかった。 さて、パルス固体レーザーの最初の経験をしてください。 以下は、私自身のルビーレーザーの構造の説明です。



提供される情報は、情報提供のみを目的としています。 著者は、記述されたものを繰り返す試みに責任を負いません。



基礎は、UIG-1インストールからの上記のクリスタルです。 これは、淡いピンク色の結晶で、作業塗装部分のサイズは8 * 120 mmで、無色のチップが追加されており、結晶の全長は180 mmになります。 エミッタの場合、水晶を取り付けるためのヒントが必要です。 塗装部分がポンプランプのサイズに正確に合わせられるもう1つの理由は、ルビーが生成波長で自身の放射を吸収するという非常に悪い特性を持っているためです。 結晶の一部が点灯していない場合、放射を吸収し始め、照射された部分で増幅され、レーザー効率が大幅に低下します。 これは、ルビーのクロム原子の3つのレベルのスキームによるものです。 同じ理由で、ルビーには非常に高い閾値ポンプエネルギーがあります。



まず、ポンプランプの電源のプロトタイプが作成されました。 その主な詳細は、3 kVの電圧まで充電された1000μFのコンデンサバンクです。



大容量の高電圧コンデンサを備えた回路は致命的であることを思い出させてください！







回路の充電とランプの点灯。 最初の試みでは、IFP-5000が使用されました。







最初に、ランプのある回路は、ハウジングなしでテストされました。 ランプのフラッシュは非常に強力で、かなり大きな音で発生し、隣接する部屋で簡単に見ることができます-光は廊下を通って広がり、壁で反射します。 ランプのフラッシュは、木と紙を焦がすことができます。 各フラッシュには、強い紫外線の強力なパルスによって発生する焼けた塵とオゾンの臭いが付随し、隣にいる場合は熱波が付随します。 目の保護なしでフラッシュを直接観察することは非常に危険です！ 通常の溶接マスクまたはゴーグルで保護できます。



その時点で最も強力なフラッシュで十分にプレイしたので、このランプと上記のクリスタルでエミッターを組み立てました。 ランプとクリスタルのケースは、Kvant-16テクノロジーレーザーのガラス製モノブロックリフレクターで、ベースは金属チャンネルの一部でした。 共振器ミラーの位置合わせデバイスは、同じチャネルのピースで構成されていました。











聴覚障害者の鏡として、私は全反射プリズムを使用することにしました。







そして週末として、鏡はルビーレーザーから選ばれたと言われています。

今後は、この構造が機能しなくなったと言えます。 レーザーを生成することはできませんでした。 その理由は非常に明白です。ポンプランプの長さは、クリスタルとその光の使用効率が2倍です。 また、この世代を提供する出力ミラーの可能性も疑問を提起しました。 Quantron（いわゆるランプ+クリスタル+リフレクターブロック）をやり直す必要がありました。 2番目のバージョンでは、水晶とランプ用の新しいホルダーを作成しました。1つのランプIFP5000の代わりに、2つのランプIFP2000を使用して、水晶のストップに配置し、電気的に直列に接続しました。 IFP2000の長さは、クリスタルの色付き部分の長さと完全に一致しています。 このレイアウト方法は「タイトパッケージング」と呼ばれます。







リフレクターとして、白いタイルをテストすることにしました。 商用レーザー製造の現在の傾向は、入射光の最大97％を反射する焼結アルミナ製のセラミック拡散反射板の使用です。 もちろん、ブランドのリフレクターは入手できませんが、タイルの外観は悪くなく、完全に白です。











また、出力ミラーは、694 nmの波長で測定された透過率45％の新しいものに交換されました。







この構成では、最初のパルスから生成を取得することができました！ 生成のしきい値はかなり高いことが判明しました。約1500 Jのポンプエネルギーです。 レーザーは、真っ赤な色のまぶしい明るさのビームを発しました。 残念ながら、その「はかなさ」のため、彼を撮影することはできませんでした。 しかし、フォーカシング中に金属に及ぼす破壊的な影響を修正することは可能でした。 鉄から、彼は火花をうまく彫ります。







結晶には水冷がないため、温度が上昇すると、生成が完全に中断されるまで、ビームエネルギーはかなり急速に低下します。 そして、タイルは十分に加熱され、熱を除去することが困難になりました。 分解すると、タイルの表面がまだ暗くなり始めていることに気付きました。 写真光沢のクロームメッキ板から曲げられた金属反射板をテストすることにしました。











このリフレクターはタイルのように機能しましたが、はるかに速く冷却され、少し頻繁に撃つことができました。 金属とゴムのいくつかの焼成が行われました。 切り分けられた火花の種類は、金属の種類によって異なります。 シューティングトランス鉄。 スルーブレークダウンの場合、4ショットが必要でした。







ステンレス鋼の射撃。 火花はより明るいです。







炭素鋼で作られた文房具のナイフの刃で撮影すると、ふわふわの星がたくさんあります。







ラバーを撃つと、最大3-4 cmの長さの火炎トーチが放出され、その後に煙が鳴ります。







また、全反射プリズムをブラインドミラーとして使用しているため、レーザーはシングルモードモードで動作し、同じポンプレベルで生成できるエネルギーよりも少ないエネルギーを生成することもわかりました。 事実、プリズムの中央のエッジは不感帯であり、プリズム内の全反射の光線のパターンに基づいて、光線は2つの平行なものに分割されます。これはTEM10モードに対応します。 これは、黒いカルボライトの火傷スポットによって認識されました。写真のように半分に分かれたスポットがはっきりと見えました。







他のすべてのモードが抑制されない条件が作成された場合、より高いモードの出現により、出力エネルギーの少なくとも2倍の増加を達成できます。 これを行うには、簡単にアクセスできるプリズムを、694 nmの波長で動作するように設計された特別なブラインドミラーに交換する必要がありました。 そして、それは価値がありました！ 生成のしきい値は900 Jに低下しましたが、実際により多くのエネルギーがありました。 また、黒のカルボライトを撮影すると、均一な燃焼スポットが得られました。 今、変圧器の鉄のプレートは2-3ショットで進み、穴の直径はいくらか大きかった。 まあ、火花の数はかなり大きくなりました！ 炭素鋼を撮影するときは特に美しいです。















通常の鋼も非常に弱い火花です！







3ショットでナイフの刃に貫通穴が開けられます。







その瞬間、レーザーの能力は原則としてすでに理解可能であり、コンデンサーと裸の高電圧配線からすべての混乱を多かれ少なかれきちんとしたケースに取り除き、分解されたLG-70レーザー電源から首尾よく残されました。 コンデンサバンクを減らすことを決定し、同じタイプのコンデンサを6つだけ残して、ケースに完全に収まるようにしました。 ジャンクの残りの部分を押しても問題はありませんでした。非常に重要な安全コンポーネントのスペースもありました。通常閉位置にある真空回路ブレーカーは、レーザーのクラスが終了し、電源がオフになるとコンデンサを強力な抵抗器に放電します。 充電は約40秒で確実にマージされます。 これの価格は放射エネルギーのわずかな減少でしたが、一方で、ポンプランプはより穏やかなモードで動作します。







上部にはコンデンサ、右には放電抵抗器、左下にはランプ点火システム、右の丸いコイルは点灯してランプを通るパルス電流を制限するバラストチョークです（これがないと、ランプは数十回点滅した後、ランプは厳しく爆発します）、さらに（中央に）コンデンサを充電するための中国の電子レンジからの変圧器、その右側はスターターであり、右下隅にはBB-5真空遮断器があり、デバイスがネットワークからオフになったときにコンデンサーを抵抗に閉じます。











背面から見たBPビュー。 ファンは彼がそこにいたという理由だけでそこに立っていて、その下に場所がありました。 このブロックには実際に加熱するノードはありません。自家製のブッシングの2つの接点から高電圧が出力されますが、偶発的な接触に対する追加の保護を提供する必要があります。







電源を組み立てた後、厚さ約1.3 mmのステンレス鋼で作られたニッケルを突っ込むことが決定されました。約7ショットかかりましたが、故障が発生しました！











ここで、火花はすでにニッケルの後ろから見えています。







そして、これが望ましい結果です-ニッケルの完全な内訳。











要約すると、私の熱意で、この非常に優れたタイプのレーザーを構築しなかった場合、奇妙なことになります。この実装では、出力エネルギーはコンデンサーのフルコンデンサバンクを使用して5 Jで推定されます。彼と一緒に、当時のすべてのレーザー技術と完全に新しい科学の歴史が始まりました-非線形光学は、高出力とエネルギーの分野で光で発生する完全に異常な事件を開きました。それとは別に、アメリカの自家製レーザーであるJarrod Kinseyに感謝したいと思います。彼と一緒に私の自家製レーザーの設計について話し合い、貴重なコメントを得ることができました。この記事では、インターネットの底なしの深さに加えて、次のソースの資料を使用しました



。1. B. F.フェドロフ光量子ジェネレーター、エネルギー、1966年、

2. B.フェドロフレーザーとその応用、「エネルギー」1973年

3 BOREISHOレーザー：デザインと機能、サンクトペテルブルク、1992年



、私はそれが面白かった願って、お読みいただきありがとうございました。



将来のプロジェクトのために、直径16 mmで塗装部分の長さが240 mmの非常に大きなルビーロッドを保管しています。全長-300 mm。このような結晶から、最大100 Jの出力エネルギーを得ることができます。レーザーブラスターに必要なものはほぼ揃っています。