Ahora que conocemos las características del láser, veamos cómo se descubrió.
Hay que empezar por Arquímedes. Arquímedes fue un gran erudito y su historia circula ampliamente. Inventó el método de pesar la corona mientras se baña. Nadie podía olvidarlo, pero ciertamente no estaba familiarizado con sus intenciones al fabricar el arma. La ciudad natal del antiguo erudito griego Arquímedes es un hermoso lugar en la costa del mar Mediterráneo. Según la leyenda, en el siglo III a.C., este lugar era rico en productos y contaba con gente destacada. La gente defiende la ciencia, presta atención a la civilización, vive una vida próspera, vive y trabaja en paz y satisfacción y presenta un escenario pacífico y tranquilo en todas partes. Pero el Imperio Romano al otro lado del Mediterráneo estaba muy celoso de esto. Durante mucho tiempo habían sido agresivos y codiciaban esta rica tierra. Sin embargo, debido a años de lucha, no había tiempo para ocuparme de ello y aún no había llegado el momento, así que no actué precipitadamente.
Los inteligentes griegos también sabían que su hermosa tierra estaba en peligro de ser invadida en cualquier momento. Están preparados para el peligro en tiempos de paz y estudian contramedidas. En ese momento, el rey de Grecia también emitió un edicto para todo el país, movilizando a la gente de todo el país para estudiar buenas estrategias para hacer frente a la invasión.
Los griegos que defendían la ciencia naturalmente dirigieron su atención a la ciencia, con la esperanza de que la ciencia pudiera salvar al país. Debido a que la ciudad natal de Arquímedes estaba en el Mediterráneo y fue el primer lugar invadido por el Imperio Romano, el peso de la historia recayó sobre los hombros de Arquímedes. Prometió a los ancianos de su ciudad natal que desarrollaría un arma secreta para derrotar a los ejércitos del Imperio Romano. Pero nadie sabe qué arma utilizó.
De repente un día, un día soleado, una enorme flota romana apareció en el mar Mediterráneo y se dirigió a Grecia, la ciudad natal de Arquímedes, al ver que esta hermosa tierra estaba a punto de ser pisoteada por los invasores.
Alguien le informó a Arquímedes que Arquímedes pidió a todos que fueran a la playa para ver la emoción. Quería destruir la flota romana solo. La gente se mostrará escéptica. Vi a Arquímedes montando un caballo veloz, corriendo rápidamente hacia la montaña.
Es más, la flota romana, poderosa y agresiva, venía directa hacia ellos.
El barco que iba delante informó al comandante y descubrió que muchas personas en la orilla se detenían a mirar sin mucho miedo, como si estuvieran observando el ejercicio de la flota romana. El comandante estaba muy contento y pensó: no estaban preparados en absoluto, definitivamente obtendremos una gran victoria.
En ese momento, una luz brillante atravesó el cielo como una espada. Pronto, los buques de guerra de madera de la flota romana se incendiaron uno tras otro. Por un momento, vieron un humo espeso ondeando y llamas que se elevaban hacia el cielo. Gritos, crepitar del fuego, sonido de correr hacia el agua...
La poderosa flota romana fue derrotada sin luchar.
La gente miró a lo largo de la luz brillante y vio un enorme espejo cóncavo brillando en la cima de la montaña. Arquímedes está ordenando a sus asistentes que se pongan a trabajar.
Arquímedes derrotó a la flota romana con armas ligeras.
Aunque esta leyenda es apasionante, no resiste el escrutinio.
En el siglo XVIII, un francés llamado Pierre, quizás inspirado en Arquímedes, también diseñó un "cañón ligero". Consta de 168 espejos, cada espejo mide 15 cm de largo y 20 cm de ancho. El área total de estos 168 espejos es de aproximadamente 50.000 centímetros cuadrados, lo que equivale al área de un espejo hemisférico con un radio de 0,9 metros.
La luz del sol concentrada por este espejo de luz puede hacer que una tabla de pino a 47 metros de distancia arda en unos minutos. Sin embargo, si las tablas de pino se movieran un poco más, el número de espejos aumentaría significativamente. Si se quiere quemar una tabla de pino a 1 km de distancia en medio minuto, entonces el radio del reflector debería aumentarse a aproximadamente 1 km. Un espejo tan grande, sin mencionar que no se podía fabricar en las condiciones técnicas de la época, sigue siendo una tarea difícil, incluso con la tecnología altamente desarrollada de hoy. Incluso si se construye un espejo tan grande, no se puede utilizar en el campo de batalla porque una bala puede romperlo. Imagínese el tamaño del espejo que habría tenido que diseñar Arquímedes para quemar un barco enemigo. La tragedia de Arquímedes es que los seres humanos sólo pueden hacer el espejo cada vez más grande según su propia revelación.
En el desarrollo de la sociedad humana, las personas siempre han mantenido una relación muy estrecha con la luz. Además de aprovechar al máximo las fuentes de luz natural, los seres humanos también han inventado y creado muchas fuentes de luz artificiales, desde antiguas lámparas de leña, lámparas de aceite y velas hasta las diversas lámparas eléctricas actuales.
Pero se trata de lámparas normales, su finalidad principal es la iluminación y es difícil que desempeñen un papel más importante. Debido a las frecuentes guerras del pasado, la gente ha fantaseado durante mucho tiempo con utilizar la luz como arma y ha hecho grandes esfuerzos para lograrlo.
La fantasía es sólo fantasía después de todo. Por mucho que lo intentes, no podrás utilizar la luz del sol como arma para matar a tus enemigos. Los láseres son aún más impensables.
Cuando se desarrolló la historia en 1916, el famoso físico Einstein propuso la teoría de la radiación láser, que sentó las bases teóricas para la invención del láser. Sin embargo, debido a limitaciones tecnológicas de la época, el láser no se inventó.
Posteriormente, con el desarrollo de la tecnología de radio, se desarrollaron nuevas bandas de ondas, especialmente para obtener haces electromagnéticos direccionales de alta calidad. Sin embargo, los requisitos de ingeniería requieren que la antena que emite ondas de radio no sea demasiado grande (porque cuanto más larga es la longitud de onda, mayor es el tamaño de la antena) y solo puede desarrollarse en la dirección de ondas cortas. La longitud de onda de las microondas es la más corta entre las ondas de radio, por lo que se desarrolla rápidamente. En 1954, el físico estadounidense Towns y otros desarrollaron con éxito el primer amplificador cuántico maestro de microondas de gas molecular de amoníaco con una longitud de onda de 1,25 cm, que se traduce como "maser". En 1957 se introdujo el amplificador cuántico de microondas de estado sólido. Debido a las ventajas de un ruido extremadamente bajo y una alta sensibilidad, este tipo de dispositivo tiene un enorme potencial de aplicación en la ciencia y la tecnología modernas, como radares de microondas de largo alcance, satélites artificiales, radioastronomía, comunicaciones, telemetría y control remoto. Por lo tanto, se desarrolló muy rápidamente en teoría y tecnología, y rápidamente entró en la etapa práctica desde el laboratorio. Dado que los láseres son en realidad amplificadores cuánticos en la banda óptica, la invención y el desarrollo de amplificadores cuánticos de microondas sentaron una base material sólida para la llegada de los láseres.
La fundamentación material y la fundamentación teórica ya están establecidas. Siempre que alguien los combine, puede que se invente, pero no es tan sencillo.
En 1958, Townes, el ex académico soviético Basov y otros propusieron la teoría de extender la tecnología de amplificación cuántica de microondas a la banda de ondas de luz. Dos años más tarde, en julio de 1960, el académico estadounidense Maiman probó con éxito el primer amplificador cuántico óptico de rubí sólido en el laboratorio. En aquella época utilizó como material de trabajo cristales de corindón dopados con iones de cromo (es decir, cristales de rubí). Maiman también dudó a la hora de elegir este material. En ese momento, un artículo señaló que no se puede esperar que el cristal de rubí se utilice como material de trabajo para láseres, porque según su estructura y características de nivel de energía, la intensidad de bombeo requerida es extremadamente alta, lo que no es fácil de lograr. técnicamente. Otros artículos señalan que la eficiencia cuántica de luminiscencia del rubí es baja, sólo alrededor de 1. Por lo tanto, Maiman también consideró usar vapor de metal alcalino como fluido de trabajo, pero después del análisis y comparación, se descubrió que era difícil usar este vapor como fluido de trabajo. Maiman utilizó cristales de rubí al desarrollar máseres y tenía cierto conocimiento de sus propiedades ópticas, por lo que decidió probar primero los cristales de rubí para comprender los requisitos específicos de los materiales de trabajo y luego cooperó con los científicos de materiales para desarrollar nuevos materiales de trabajo.
Volvió a medir la eficiencia cuántica del cristal de rubí y descubrió que no era 1 como en la literatura, sino tan alta como 75 (alcanzó 100 en experimentos posteriores). También analizó las condiciones para lograr la inversión del nivel de energía de las partículas en cristales de rubí y descubrió que siempre que haya una fuente de radiación de cuerpo negro equivalente a 5000 K y la temperatura de color de la lámpara de xenón pueda alcanzar 8000, se puede lograr la inversión del nivel de energía de las partículas. Por lo tanto, técnicamente, se puede hacer. Después de estos análisis, Maiman eligió firmemente el cristal de rubí como material de trabajo para su amplificador. La fuente de bombeo utilizada en este amplificador, una lámpara de xenón pulsada, tiene forma de espiral. La varilla de rubí tiene un diámetro de 1 cm y una longitud de 2 cm. Coincide exactamente con las películas recubiertas de plata en ambos extremos de la lámpara de xenón en espiral. para formar una cavidad resonante. De esta forma se fabricó el primer láser. Maiman encendió la corriente, encendió el interruptor y se encendió una deslumbrante luz roja mágica. Maiman lo consiguió: fabricó el primer amplificador cuántico óptico del mundo. De hecho, el amplificador cuántico óptico es un láser. Esta luz mágica se llama "láser", que significa amplificación óptica de la emisión estimulada. Su abreviatura es "láser", que los círculos académicos de la provincia de Taiwán traducen como "láser". "Laser" y "Xiaoer" son nombres populares en China.
Un año después, los científicos chinos también crearon un láser. Fue durante el período de tres años de desastres naturales en China y la vida de la gente era extremadamente difícil.
Los científicos chinos llevaron adelante el espíritu de trabajo duro y construyeron el primer láser de China con pasión patriótica e ingenio sin equipo. Fue desarrollado con éxito por el Instituto de Óptica y Mecánica de Precisión de Changchun de la Academia de Ciencias de China. El material utilizado en aquella época también fue cristal de rubí, con un diámetro de 0,5 cm y una longitud de 3 cm. La fuente de bombeo utilizada es una lámpara de xenón de pulso recto en lugar de una lámpara de xenón en espiral. Los diseñadores creen que la eficiencia de bombeo de las lámparas de xenón rectas puede ser la misma que la de las lámparas de xenón en espiral, pero el proceso de fabricación es más sencillo.
Tan pronto como apareció el primer láser, inmediatamente atrajo gran atención por parte de científicos de todo el mundo, y se inventaron muchos tipos diferentes de láser, uno tras otro. Los láseres de gas He-Ne aparecieron en 1961, los láseres semiconductores de galio y arsénico en 1962, los láseres líquidos en 1963 y los láseres químicos en 1965. Desde entonces, han surgido varios láseres. Actualmente existen miles de sustancias activas que pueden producir láseres. El rango de longitudes de onda de los láseres continúa expandiéndose: la dirección de onda larga se extiende hasta el infrarrojo lejano, conectada a ondas milimétricas de ondas de radio, y la dirección de onda corta se extiende desde el ultravioleta hasta los rayos X. Debido a que los láseres tienen muchas características excelentes, varios campos científicos y tecnológicos utilizan los láseres como un medio poderoso, formando una tecnología interdisciplinaria y aplicada emergente. Han surgido tecnologías de procesamiento láser, detección láser, comunicaciones láser, medicina láser, química láser y holografía láser. y la aplicación de la tecnología láser han convertido a la tecnología láser en una nueva fuerza importante en el campo moderno de la alta tecnología.
El láser consta básicamente de tres partes: la primera parte es el material de trabajo que se utiliza para generar la emisión estimulada. La sustancia de trabajo puede ser un sólido, como cristales y vidrio, o un gas, como gases inertes y dióxido de carbono, o un líquido. La segunda parte se llama dispositivo de excitación de energía (también conocido como fuente de bomba), que introduce energía en el medio de trabajo de cierta manera, de modo que el medio de trabajo se encuentra en un estado de inversión del número de partículas. La tercera parte se llama cavidad resonante óptica, que está compuesta por dos espejos ópticos combinados de cierta manera. La sustancia de trabajo se coloca entre dos espejos. La función de la cavidad resonante es hacer que el láser emitido por el medio de trabajo vaya y venga entre los dos espejos varias veces, formando así una oscilación continua en la cavidad. El dispositivo de excitación de energía transfiere energía al material de trabajo, provocando que el material de trabajo esté en un estado de inversión del número de partículas, produciendo así una emisión estimulada de luz. Inicialmente, la intensidad de esta emisión estimulada es muy débil. Debido a la existencia de la cavidad resonante óptica, la luz láser en una determinada dirección viaja hacia adelante y hacia atrás entre los dos espejos varias veces, pasa a través del fluido de trabajo muchas veces y excita algunos fluidos de trabajo para que emitan luz láser, es decir, experimenta amplificación de luz causada por la emisión estimulada. Después de ir y venir suficientes veces para hacer que la amplificación de la luz sea igual o mayor que las diversas pérdidas en la cavidad, se puede establecer una oscilación de luz coherente estable y continua en la cavidad, y parte de la luz oscilante sale fuera de la cavidad. a través de un reflector con cierta transmitancia formar el láser que necesitamos es el proceso básico de generación de láser. Debido a los diferentes materiales, métodos de trabajo y longitudes de onda de trabajo de las fuentes de excitación óptica, los láseres se pueden dividir en muchos tipos. Los más comunes incluyen láseres de estado sólido, láseres de gas, láseres semiconductores, láseres químicos, láseres de electrones libres, etc. , además de láseres de colorantes, láseres líquidos, láseres excimer, láseres de rayos X y otros láseres. Actualmente, estos láseres han formado una gran familia. Debido a sus propiedades mágicas, el láser tiene un amplio valor de aplicación en muchos campos y se ha convertido en un verdadero todoterreno.