Зеркальный блеск или как обеспечить обратную связь?

Чтобы превратить усилитель в генератор, необходимо организовать обратную связь. В лазерах она достигается при помещении активного вещества между отражающими поверхностями (зеркалами), образующими так называемый "открытый резонатор" за счет того, что часть излученной активным веществом энергии отражается от зеркал и опять возвращается в активное вещество. Следует отметить, что система из двух параллельных зеркал обладает резонансными свойствами - резонирует только на определенных частотах - и выполняет в лазере еще и ту роль, которую в обычных низкочастотных генераторах играет колебательный контур.

2. Голография. Физические принципы. Основные схемы получения голограмм.

3. Хронология создания лазера. Подробности и факты.

Полвека тому назад, 1 ноя6ря 1962 года, в авторитетном американском публикаторе новинок физики «Physical Review Letters» появилось краткое соо6щение о создании твердотельного при6ора, "в котором осуществляется прямое преобразование электрической энергии в когерентное инфракрасное излучение". Так был заявлен полупроводниковый инжекционный лазер или лазерный диод, который со временем стал неотъемлемым элементом электроники, дополнив транзистор и микросхему там, где для расширения возможностей информатики необходимо оперировать с оптическими сигналами. В непростой и увлекательной истории инжекционного лазера активно участвовали отечественные ученые.

История изобретения лазера началась с предположения... А именно: в 1916 году Альберт Энштейн создал теорию взаимодействия излучения с веществом, из которой вытекала принципиальная возможность создания квантовых усилителей и генераторов электромагнитных волн, да и Алексей Толстой, в своем знаменитом романе "Гиперболоид инженера Гарина", писал примерно об этом же.

Состояние оптики в течение долгого времени не позволяло проверить теоретические предсказания, реальное ''приглашение к эксперименту'' поступило от радиофизиков, которые в годы Второй мировой войны оказались вовлеченными в радиолокационный проект. Благодаря этим работам была создана СВЧ-техника, а также возникло новое научно-техническое направление - радиоспектроскопия как метод анализа квантовой структуры атомов и молекул, что потре6овало разработки способов получения атомно - молекулярньтх пучков в вакууме.

Первая попытка экспериментально обнаружить индуцированное излучение была только в 1928 году, когда Ланденбург, изучая отрицательную дисперсию света, сформулировал условия обнаружения индуцированного излучения как преобладание его над поглощением (условие инверсии), отметив, что для этого необходимо специальное избирательное возбуждение квантовой системы.

До 50-х годов были только предпосылки создания лазера. В 1952 г. Н.Г. Басов и А.М. Прохоров впервые в мире обосновали возможность создания усилителей и генераторов электромагнитного поля за счет индуцированного излучения квантовыми системами, находящимися в состоянии инверсной населенности.В 1955 году Николай Басов и Александр Прохоров разработали квантовый генератор - усилитель микроволн с помощью индуцированного излучения, активной средой которого является аммиак.Они же предложили эффективный метод получения инверсной населенности при селективной накачке трехуровневой системы, который теперь широко используется в лазерах и квантовых усилителях. В этот период были созданы принципиально новые приборы - квантовые генераторы (мазеры) и малошумящие усилители радиочастотного диапазона.

Изобретение лазера, использующего аммиак, позволило американским ученым Чарльзу Таунсу (выпускник школы Bell Labs, и Колумбийского университета в 1943 году) и Артуру Шавлову через два года начать разработку принципов лазера. Работая параллельно в том же направлении, Александр Прохоров в 1958-м использовал для создания лазера резонатор Фабри-Перо, представляющий собой два параллельных зеркала, одно из которых полупрозрачно.

За открытие нового принципа генерации и усиления электромагнитного излучения на основе квантовых систем в 1959 г. Н.Г. Басову и А.М. Прохорову была присуждена Ленинская премия. В 1964 г. им же совместно с американским ученым Ч. Таунсом присуждается Нобелевская премия по физике за фундаментальные исследования в области квантовой электроники, приведшие к созданию мазеров и лазеров

Разработав к 1956 г. первые приборы квантовой электроники - мазеры - и успешно использовав их для стандартов частоты, Н.Г. Басов выступает с инициативой создания квантовых генераторов света -лазеров. В качестве активных сред впервые в мире предлагается использовать полупроводники при различных методах возбуждения, в том числе при инжекции через р-n-переход (1961 г.). Этот метод привел к появлению самых распространенных и широко используемых в науке и технике инжекционных (диодных) лазеров.

В 60-е гг. Н.Г. Басов проводит обширный цикл исследований по лазерным стандартам частоты. Во многом благодаря работам Николая Геннадиевича и его учеников точность измерения частоты и длины волны атомных и молекулярных переходов была повышена на несколько порядков.

В мае 1960 г. сотрудник исследовательского центра фирмы Hughes, американский физик Теодор Мейман, основываясь на работах Н.Басова, А.Прохорова и Ч.Таунса, сконструировал первый лазер на рубине с длиной волны в 0,69 мкм. Спустя полгода в лабораториях корпорации IBM заработал инфракрасный лазер на фториде кальция с добавкой ионов урана, построенный Питером Сорокиным (PeterSorokin) и Миреком Стивенсоном (MirekStevenson). Это был уникальный прибор, который действовал лишь при температуре жидкого водорода и практического значения не приобрел.

Считая проблему создания мощных лазеров одной из важнейшей для лазерной физики, Н.Г. Басов в 1962 г. инициирует и впоследствии возглавляет обширный цикл исследований, в результате которых было создано целое семейство новых мощных лазеров - фотодиссоционных, эксимерных, электроионизационных, химических. Первыми в этом семействе стали фотодиссоционые йодные лазеры, в которых для возбуждения активной среды используется ударная волна. Уже в 1968 г. были созданы фотодиссоционые йодные лазеры взрывного типа, способные генерировать мегаджоульные импульсы. Для обеспечения максимальной концентрации лазерной энергии Николай Геннадиевич инициировал исследования, направленные на повышение яркости лазерных пучков путем их преобразования и когерентного суммирования методами вынужденного рассеяния света - комбинационного (ВКР) и Мандельштама - Бриллюэна (ВРМБ). В результате были созданы мощные ВКР-лазеры - когерентные сумматоры, а также успешно применено открытое в Отделении квантовой радиофизики ФИАНа явление обращения волнового фронта на ВРМБ для повышения яркости многоканальных лазеров. В 1971 г. в ФИАНе под руководством Николая Геннадиевича создается многоканальная установка, которая позволила осуществить сферическое облучение мишеней при плотности мощности 1014 Вт/см2. С целью уменьшения лазерной энергии, необходимой достижения энергетически выгодной термоядерной реакции, Н.Г. Басов с сотрудниками разрабатывают схемы тонкооболочечных мишеней, которые и сейчас лежат в основе эксперименталь­ных исследований по ЛТС во всех странах. Н.Г. Басов с сотрудниками ставит и развивает проблему создания лазерного термоядерного реактора. При этом был рассмотрен не только чисто термоядерный реактор, но и гибридный (с использованием расщепляющихся материалов). В 1982 г. также по его инициативе в ФИАНе была организована Межведомственная лаборатория по применению лазеров в хирургии. В настоящее время с помощью лазеров успешно проводятся операции на сердце. Заслуги Н.Г. Басова перед отечественной и мировой наукой получили всеобщее признание. Он был дважды Героем Социалистического Труда, лауреатом Нобелевской, Ленинской и Государственной премий, был награжден золотой медалью им. М.В. Ломоносова АН СССР. В 1962 г. он стал членом-корреспондентом, а в 1966 г. - действительным членом АН СССР; Николай Геннадиевич являлся также членом многих иностранных академий.

Литература:

1. Ю.Носов, А. Сметанов. Страсти по лазеру // Фотоника, №6 (36) 2012. С. 50-60. http://www.metalform.ru/article/lazer_hishory/

2. МИФИ 2008 Кафедра Лазерной Физики.

http://lphys.mephi.ru/history_laser.html

4. Создание нелинейной оптики. Понятие о нелинейных оптических явлениях. Основные нелинейные эффекты.

5. ЭПР парадокс. «Кот Шредингера».

1. ЭПР парадокс

Парадокс ЭПР получил такое название в честь его авторов: Альберта Эйнштейна, Бориса Подольского и Натана Розена. В 1935г. они впервые обратили внимание на очень странное свойство квантовых объектов, проведя мысленный эксперимент, состоявший в следующем. Пусть некая частица распалась, и родившиеся при этом два протона разлетелись из единого центра. (рис 5.1).Согласно квантовой механике, при условии отсутствия наблюдения за протонами, их свойства остаются неопределенными и могут быть представлены как суперпозиция всех возможных состояний. (Это означает, что каждый отдельный протон движется во всех возможных направлениях. Какие-то определенные свойства частица приобретает только в момент эксперимента над ней.)

Рис. 5.1

Из-за общего происхождения протонов, их свойства тесно взаимосвязаны друг с другом. Например, благодаря закону сохранения импульса известно, что если один протон направился к северу, то другой обязательно направится к югу. В силу этой закономерности, измерив импульс одного протона, мы сразу узнаем значение импульса второго, даже если он успел улететь на противоположный конец Вселенной. Как утверждает квантовая механика, до момента измерения каждый из протонов одновременно находился во всех доступных ему состояниях. Предположим, что эксперимент проводится над первым протоном. В момент измерения он обретает конкретное направление движения. Что касается второго протона, то для того, чтобы привести свое состояние в соответствие с законом сохранения импульса, он должен мгновенно узнать о результате измерения и так же мгновенно подстроить собственное состояние под ожидаемый результат. Суть этой подстройки заключается в том, что из бесконечного множества доступных ему направлений движения, в которых он одновременно пребывал до момента проведения эксперимента, он выбирает одно, и этот выбор происходит мгновенно, в момент проведения опыта. Но как совместить это мгновенное «осознание» с ограниченной скоростью распространения сигнала в нашем мире? Специальная теория относительности утверждает, что в наблюдаемом мире сообщения, посланные в любой форме, не могут идти со скоростью, превышающей скорость света. Скорость света велика, но не бесконечна. Если протоны разлетелись на разные концы Вселенной, то «письмо», отправленное первой частицей и идущее со скоростью света, достигнет адресата – второго протона, через многие и многие тысячи лет. Это значит, что именно такое время необходимо для того, чтобы второй протон узнал об эксперименте.

Эйнштейн решил, что картина процесса, которую рисует квантовая механики и в которой частицы мгновенно оповещают друг друга о происходящем с ними, никак не вяжется с наблюдаемой реальностью. Поэтому свойства каждого из протонов должны быть зафиксированы уже с момента разлета частиц. С момента рождения протонов, они должны лететь в противоположных направлениях. Исходя из такой оценки результатов мысленного эксперимента, Эйнштейн пришел к заключению, что предсказание квантовой теории, в соответствии с которым выбор направления происходит только в момент измерения, следует считать ошибочным. [5.1].

Предполагалось, что мнение Эйнштейна должна была подтвердить, созданная Джоном С. Беллом объективная локальная теория, в соответствии с которой свойства квантовой системы существуют объективно, т.е. независимо от измерения. Применительно к ситуации, обсуждаемой в парадоксе ЭПР, вывод объективной локальной теории звучит следующим образом: протоны, в соответствии с законом сохранения импульса, летят в противоположных направлениях уже с момента разлета. Разница теории Белла с квантовой механикой состоит в том, что последняя требует конкретизации состояния микрообъекта только в момент опыта. [5.2]

2. «Кот Шредингера».

2.1 Суть эксперимента:

В закрытый ящик помещён кот. Внутри счётчика Гейгера находится крохотное количество радиоактивного вещества, столь небольшое, что в течение часа может распасться только один атом, но с такой же вероятностью может и не распасться; если же это случится, считывающая трубка разряжается и срабатывает реле, спускающее молот, который разбивает колбочку с синильной кислотой. (рис 5.2.1)

Параметры эксперимента подобраны так, что вероятность того, что ядро распадётся за 1 час, составляет 50 %. Если ядро распадается, оно приводит механизм в действие - открывается емкость с газом, и кот умирает.

Рис. 5.2.1

Согласно квантовой механике, если над ядром не производится наблюдения, то его состояние описывается суперпозицией (смешением) двух состояний - распавшегося ядра и не распавшегося ядра, следовательно, кот, сидящий в ящике, и жив, и мертв одновременно. Если же ящик открыть, то экспериментатор обязан увидеть только какое-нибудь одно конкретное состояние: "ядро распалось, кот мёртв", или "ядро не распалось, кот жив".

Получается, что на выходе мы имеем живого или мертвого кота, однако в потенциале, кот и жив и мертв одновременно. Таким образом, Шрёдингер пытался доказать ограниченность квантовой механики, без применения к ней определенных правил. [5.3].