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L'histoire de la technologie laser et ce qu'elle peut faire aujourd'hui

L'histoire de la technologie laser et ce qu'elle peut faire aujourd'hui


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le laser ou, l'amplification de la lumière par émission stimulée de rayonnement pour lui donner son nom complet, a parcouru un long chemin depuis son développement dans les années 1960. Aujourd'hui technologie laser est omniprésente dans notre monde moderne avec des applications à des fins médicales, des télécommunications et même des systèmes d'armes.

Dans l'article suivant, nous ferons un tour très rapide des principaux événements qui ont conduit au développement du laser et examinerons certaines applications futures, en développement, pour lasers.

Ce qui suit est une liste de jalons sélectionnés dans le développement fascinant et passionnant de la technologie laser. Cette liste est loin d'être exhaustive et est par ordre chronologique.

1. Max Planck lance tout

L'importance de l'innovation ou du jalon laser:Max Planck, dans 1900, déduit la relation entre l'énergie et la fréquence du rayonnement. Il a été le premier à postuler que l'énergie pouvait être émise ou absorbée en morceaux discrets ou quanta.

C'était un tournant dans la physique.

Année de découverte / développement: 1900

Ingénieur ou scientifiques derrière le projet: Max Planck

Description du jalon: Bien que la théorie de Planck ait été révolutionnaire en elle-même, elle a eu un effet très important. La perspicacité de Planck inspirerait l'un des scientifiques les plus influents de notre époque - Albert Einstein.

Einstein s'appuierait sur la théorie de Planck pour publier son article sur l'effet photoélectrique. Il a proposé que la lumière délivre également de l'énergie en morceaux, ou particules quantiques discrètes, appelées photons.

Les bases ont été jetées pour le développement des lasers.

2. Concept et théorie d'Einstein de l'émission lumineuse stimulée

L'importance de l'innovation ou du jalon laser:La théorie d'Einstein ouvrirait la voie au développement éventuel des premiers lasers pratiques.

Année de découverte / développement: 1916-1917

Ingénieur ou scientifiques derrière le projet:Albert Einstein

Description du jalon: Albert a d'abord théorisé la stimulation de l'émission de lumière 1917. Dans son article,Zur Quantentheorie der Strahlung (Sur la théorie quantique du rayonnement), il a enregistré ses réflexions sur ce sujet.

Il a utilisé la loi du rayonnement de Planck pour décrire les coefficients de probabilité (coefficients d'Einstein) d'absorption et d'émission spontanée et stimulée de rayonnement EM, y compris la lumière.

Sa théorie a proposé que les électrons pourraient être stimulés en émettant de la lumière d'une longueur d'onde particulière. Cela deviendrait le principe fondamental de tous les lasers utilisés aujourd'hui. Il faudrait encore 40 ans environ avant que les scientifiques puissent lui donner raison.

3. L'invention de l'holographie

L'importance de l'innovation ou du jalon laser: La recherche en holographie a été bloquée jusqu'au développement des lasers dans les années 1960. Cela stimulerait, en partie, le développement des deux technologies par la suite.

L'holographie est le moyen de produire une image photographique unique sans l'utilisation d'un objectif. Les hologrammes consistent en une série de rayures et de spires méconnaissables qui, lorsqu'elles sont éclairées par une source de lumière cohérente, comme un laser, deviennent une représentation 3D de l'image / de l'objet d'origine.

Année de découverte / développement:1948

Ingénieur ou scientifiques derrière le projet:Dennis Gabor

Description du jalon:Dennis Gabor, un scientifique d'origine hongroise, a reçu le prix Nobel de physique pour son invention en 1971. Il tentait d'améliorer la résolution des microscopes électroniques en créant des hologrammes à l'aide du faisceau d'électrons, puis en les examinant avec une lumière cohérente.

Au moment de sa découverte, il avait peu ou pas d'utilisation pratique jusqu'au développement des lasers dans les années 1960. Cela conduirait soudainement à une explosion de l'utilisation des hologrammes aux États-Unis.

Aujourd'hui, cette explosion a conduit à une énorme industrie qui comprend les HUD. expositions de musée, VR, applications médicales et efficacité des panneaux solaires.

4. La montée de MASER (Amplification micro-ondes des émissions stimulées de rayonnement)

L'importance de l'innovation ou du jalon laser: L'amplification micro-ondes par émission stimulée de rayonnement ou MASER, a été la première démonstration pratique des principes d'Einstein et a utilisé le rayonnement micro-ondes (au lieu de la lumière dans les lasers).

Année de découverte / développement: 1954

Ingénieur ou scientifiques derrière le projet:Charles Hard Townes, Arthur Schawlow, James P. Gordon, Herbert J. Zeiger

Description du jalon:Les MASER sont des appareils qui produisent et amplifient le rayonnement EM dans la partie micro-ondes du spectre EM.

Dans 1954 Townes et ses collègues de recherche ont pu présenter le premier MASER à l'Université de Columbia. Leur ammoniac MASER entrerait dans l'histoire comme le premier appareil à démontrer la prédiction d'Einstein à partir de 1917.

Il obtiendrait avec succès la première amplification et la première génération de rayonnement électromagnétique par émission stimulée. Le MASER rayonne à une longueur d'onde d'un peu plus de 1 cm et génère environ 10 nW de puissance.

Dans Mars 1959Townes et Schawlow ont obtenu le brevet pour leur invention.

La technologie MASER allait être utilisée pour amplifier les signaux radio et être utilisée comme détecteur ultra-sensible.

5. Le développement de la méthode de pompage

L'importance de l'innovation ou du jalon laser: Les lasers modernes dépendent fortement de la méthode de pompage pour stimuler et amplifier les sources de lumière.

Il a d'abord été développé par Nikolai Basov en 1955 à l'Institut de physique P. N. Lebedev à Moscou. Tout en essayant de trouver des moyens de déplacer des électrons autour des atomes dans des états d'énergie plus élevée et de rechercher des oscillateurs, il est tombé sur le concept d'absorption négative qui est communément appelé la méthode de pompage.

Cela implique le transfert d'énergie d'une source externe dans un milieu de gain au sein de l'assemblage laser.

Année de découverte / développement:1955

Ingénieur ou scientifiques derrière le projet: Nikolai G. Basov

Description du jalon: L'invention de Basov fournirait les moyens pour qu'un faisceau laser continu soit maintenu. Il a fourni un moyen de maintenir l'inversion de population requise du milieu laser en «pompant» des électrons dans un état métastable nécessaire pour libérer des photons.

Nikolai et Charles H. Townes ont reçu conjointement le Prix ​​Nobel 1964pour la physique pour le travail conjoint sur le développement du MASER.

6. Le terme laser est inventé

L'importance de l'innovation ou du jalon laser:Un étudiant diplômé de l'Université Columbia, Gordon Gould, écrit dans son cahier la première utilisation enregistrée du terme laser. Il a également noté ses idées sur la construction réelle d'un et a la prévoyance de le faire légaliser dans un magasin local du Bronx.

Peu de temps après, il quitte l'université pour rejoindre la société de recherche privée TRG (Technical Research Group).

Année de découverte / développement:1957

Ingénieur ou scientifiques derrière le projet: Gordon Gould

Description du jalon:Le cahier de Gordon serait la première fois que l'acronyme Laser était utilisé, mais il mentionnait également certains concepts de base pour en construire un. Ce cahier deviendrait le centre d'une bataille judiciaire de 30 ans pour les droits de brevet sur la technologie.

Gould a discuté de ses idées avec le physicien Charles Townes, qui lui a conseillé d'écrire ses pensées et de les faire notariser, ce qu'il a fait. Gould avait l'impression qu'il devrait avoir un modèle fonctionnel avant de demander un brevet et a été battu par Townes et le physicien Arthur Schawlow qui avait déposé une demande similaire, ce qui signifie que sa demande éventuelle a été rejetée.

Townes et Schawlow ont obtenu le numéro de brevet américainr 2.929.922 en mars 1960 tandis qu'ils travaillaient chez Bell Labs pour leur "Optical MASER". Gould gagnerait enfin sa cause en 1977 pour obtenir le premier brevet pour un laser.

7. Le premier laser pratique est breveté

L'importance de l'innovation ou du jalon laser: Il s'agissait du premier assemblage réussi d'un appareil laser complet. Ce serait le premier de nombreux autres à venir.

Theodore, physicien au Hughes Research Laboratories à Malibu, en Californie, a construit le premier laser à l'aide d'un cylindre de rubis fabriqué à la main 1 cm de diamètre et 2 cm de long. Chaque extrémité a été enduite d'argent pour les rendre réfléchissantes et les aider à servir de résonateur Fabry-Pérot.

Son appareil utilisait des lampes flash photographiques pour la source de pompe du laser.

Année de découverte / développement:1960

Ingénieur ou scientifiques derrière le projet:Théodore H. Maiman

Description du jalon: Après avoir servi quelque temps dans la marine, Theodore a obtenu son B.Sc. En génie physique de l'Université du Colorado, puis a obtenu son M.Sc. en génie électrique et Ph.D. en physique de l'Université de Stanford.

Il a ensuite travaillé au Hughes Atomic Physics Department, en Californie, à la tête de son projet ruby ​​MASER. Après l'avoir terminé avec succès à l'été de 1959 il a tourné son attention vers le développement d'un laser.

Après avoir construit avec succès un laser fonctionnel, ses réalisations ont été publiées dans Nature à 1960 et a ensuite fondé la Korad Corporation pour développer et construire des équipements laser de haute puissance.

Cette société deviendrait un leader du marché et en 1969 a fourni son équipement a été utilisé comme équipement de télémétrie laser lunaire.

8. Développement du premier laser à faisceau continu

L'importance de l'innovation ou du jalon laser:Le laser Hélium-Néon (He-Ne) a été le premier laser à générer un faisceau lumineux continu à 1,15 um.

Ce laser trouverait de nombreuses applications dans les télécommunications, la transmission de données sur Internet, l'holographie, les scanners de codes à barres, les dispositifs médicaux et bien d'autres.

Année de découverte / développement: 1960

Ingénieur ou scientifiques derrière le projet:Ali Javan, William Bennett Junior et Donald Herriott

Description du jalon:Tout en travaillant aux laboratoires Bell, lui et ses collègues William Bennet et Donald Herriott ont passé deux ans à développer la nouvelle forme de laser - Ne-He.

«Le premier laser, le laser rubis de Ted Maiman, a utilisé le pompage optique pour créer l'inversion de population nécessaire pour atteindre une durée durable,» Irving Herman, Ph.D. l'étudiant sous Javan expliquerait plus tard.

«À l'époque, c'était difficile et ne s'appliquait pas à tous les systèmes. Javan a pu voir comment une inversion de population peut être créée dans une décharge de gaz par transfert d'énergie sélectif et résonnant. C'était la clé de son invention du premier laser à gaz, le laser He-Ne, qui était également le premier laser à onde continue.

9. Les lasers sont utilisés pour la première fois pour un traitement médical

L'importance de l'innovation ou du jalon laser:C'était la première fois que la technologie laser était utilisée pour traiter un patient humain. Cela ouvrirait la voie à une explosion de l'innovation future dans la technologie laser pour une utilisation en chirurgie et en traitement médical.

Année de découverte / développement:1961

Ingénieur ou scientifiques derrière le projet: Dr Charles J. Campbell et Charles J. Koester

Description du jalon:Dr Campbell de l'Institut d'ophtalmologie du Columbia-Presbyterian Medical Center et Charles J. Koester de l'American Optical Co. au Columbia-Presbyterian Hospital de Manhattan.

Le traitement a utilisé un laser Ruby optique américain pour détruire une tumeur rétinienne. Cette tumeur, un angiome, a été détruite avec l'utilisation d'une seule impulsion qui a duré un millième de seconde.

La procédure était incroyablement rapide et considérablement plus confortable pour le patient (par rapport au traitement conventionnel utilisant 1 000 watts Lampes à arc au xénon de l'époque).

Dans les années à venir, le laser rubis a été utilisé dans divers traitements médicaux.

10. Le laser à semi-conducteurs (injection de semi-conducteurs) est né

L'importance de l'innovation ou du jalon laser: Le laser à injection de semi-conducteurs était une révolution dans la technologie laser à l'époque. Il est encore utilisé dans de nombreux appareils électroniques et systèmes de communication aujourd'hui.

Année de découverte / développement:1962

Ingénieur ou scientifiques derrière le projet: Salle Robert Noel

Description du jalon:Hall a été inspiré par les nouvelles au début des années 60 du développement du premier laser par Theodore H.Maiman et al pour tenter de simplifier la conception et de les rendre plus stables.

Il a décidé d'essayer de se passer des modèles de «pompage» existants et de se concentrer sur une alternative à l'état solide. Robert a pris conscience des propriétés optiques des diodes à l'arséniure de gallium et de la façon dont elles peuvent émettre d'énormes quantités de rayonnement infrarouge.

Il a immédiatement remarqué le potentiel et a commencé à développer son désormais célèbre laser à semi-conducteurs. Avant trop longtemps, Robert et son équipe chez GE avaient un modèle fonctionnel qui avait besoin d'azote liquide pour le refroidir et il ne pouvait fonctionner qu'en mode pulsé.

Hall a continué à travailler chez GE jusqu'à sa retraite. Il a accumulé 43 brevets et 81 publications tout au long de sa carrière estimée.

11. Le laser au dioxyde de carbone est développé

L'importance de l'innovation ou du jalon laser: Le laser au dioxyde de carbone a été l'un des premiers lasers à gaz à être développé et est toujours utilisé aujourd'hui. Il s'est avéré être l'un des lasers à onde continue les plus puissants actuellement disponibles.

Contrairement à d'autres lasers, ils sont également assez efficaces avec un rapport de sortie à la puissance de pompe allant jusqu'à 20%. Ces lasers produisent un faisceau de lumière IR entre 9,4 et 10,6 micromètres.

Année de découverte / développement:1964

Ingénieur ou scientifiques derrière le projet: Kumar Patel

Description du jalon: Kumar a développé le laser au dioxyde de carbone alors qu'il travaillait chez Bell Labs en 1964. Ces types de laser fonctionnent en utilisant le dioxyde de carbone comme milieu de gain principal qui peut également contenir de l'hélium, de l'azote, de l'hydrogène, de l'eau et du xénon.

Ces types de laser sont pompés électriquement par décharge de gaz.

Pendant le fonctionnement, les molécules d'azote sont excitées par la décharge dans un état métastable par lequel elles transfèrent cette énergie supplémentaire dans les molécules de dioxyde de carbone lors des collisions. L'hélium a tendance à être inclus dans le mélange gazeux pour dépeupler le niveau laser inférieur et agir comme un puits thermique.

D'autres constituants tels que l'hydrogène ou la vapeur d'eau peuvent aider (en particulier dans les lasers à tube scellé) à réoxyder le monoxyde de carbone (formé dans la décharge) en dioxyde de carbone.

Ces types de laser ont tendance à générer des faisceaux avec un 10,6 micromètres longueur d'onde mais peut fonctionner entre 9 et 11 micromètres. Ils ont également tendance à avoir des rendements de conversion de puissance plus élevés par rapport aux autres lasers à gaz et peuvent être plus efficaces que les lasers à semi-conducteurs à pompe.

Ils sont cependant moins efficaces que les lasers à diode.

12. Premier laser à électrons libres à l'Université de Stanford

L'importance de l'innovation ou du jalon laser: Le laser à électrons libres utilise des électrons à très grande vitesse se déplaçant à travers une structure magnétique comme milieu laser. Ce type de laser est accordable et possède la fréquence la plus large de toutes les technologies laser.

Année de découverte / développement:1977

Ingénieur ou scientifiques derrière le projet: John Madley / Université de Stanford

Description du jalon:Les lasers à électrons libres sont capables de générer des longueurs d'onde allant des micro-ondes jusqu'aux rayons X. John Madley a d'abord développé ce type de laser en 1971 à l'Université de Stanford en s'appuyant sur les travaux de Hans Motz et al qui ont développé un onduleur à Stanford en 1953.

Ces types de lasers ont de nombreux types d'applications allant de la cristallographie et de la biologie cellulaire à la chirurgie, à l'élimination des graisses et, plus récemment, ont été utilisés pour développer des armes anti-missiles à énergie dirigée.

13. L'avenir de la technologie laser: les armes à laser à capacité thermique à semi-conducteurs (SSHCL)

L'importance de l'innovation ou du jalon laser: Les lasers à capacité thermique à semi-conducteurs (SSHCL) sont actuellement en cours de développement au Lawrence Livermore National Laboratory. Le plan est d'améliorer cette technologie pour produire des sorties de puissance moyenne de 100 kW ou plus.

Ce type de laser est une configuration à semi-conducteurs pompée par diode conçue pour des armes militaires potentielles.

"Les applications militaires potentielles d'un tel système comprennent le ciblage et la destruction de roquettes à courte portée, de missiles guidés, de tirs d'artillerie et de mortier, de véhicules aériens sans pilote et d'engins explosifs improvisés, ou EEI." - Laboratoire national Lawrence Livermore.

Année de découverte / développement: À partir de 2001

Ingénieur ou scientifiques derrière le projet: Lawrence Livermore National Laboratory / U.S. Armée

Description du jalon:Dans 2006, le laboratoire a pu accomplir 67 kilowatts de puissance marquant un Augmentation de 50% le niveau de puissance record du monde atteint l'année précédente. Ceci a été réalisé en utilisant cinq plaques de support à gain laser en grenat d'yttrium aluminium dopées au néodyme en céramique.

La vision ultime est un laser à semi-conducteurs alimenté électriquement qui peut être déployé sur un véhicule hybride électrique.

14. L'avenir de la technologie laser: applications de l'informatique quantique

L'importance de l'innovation ou du jalon laser:Les lasers pourraient être la solution pour rendre les ordinateurs un million de fois plus rapides qu'aujourd'hui en aidant à l'informatique quantique.

En utilisant des impulsions de lumière laser, un peu pourrait basculer entre marche et arrêt 1 quadrillion de fois par seconde.

Année de découverte / développement: 2017

Ingénieur ou scientifiques derrière le projet: Université de Regensburg, Allemagne

Description du jalon:Des expériences récentes ont montré que l'utilisation d'impulsions laser infrarouges tirées dans un réseau en forme de nid d'abeille de tungstène et de sélénium peut produire une vitesse de calcul étonnante.

«À long terme, nous voyons une chance réaliste d'introduire des dispositifs d'information quantique qui effectuent des opérations plus rapidement qu'une seule oscillation d'une onde lumineuse», a déclaré l'auteur principal de l'étude Rupert Huber (professeur de physique à l'Université de Ratisbonne), dans un communiqué.

15. L'avenir de la technologie laser: la fusion par confinement inertiel

L'importance de l'innovation ou du jalon laser:L'utilisation de lasers haute puissance pourrait rendre la fusion par confinement inertiel (ICF) possible à l'avenir.

Année de découverte / développement: À partir de 1962

Ingénieur ou scientifiques derrière le projet: Installation nationale d'allumage / Laboratoire national Lawrence Livermore

Description du jalon:L'ICF est un type de recherche sur la fusion nucléaire qui tente d'initier une réaction de fusion en chauffant et en comprimant la source de combustible. Il s'agit généralement d'une pastille de deutérium et de tritium.

L'idée est de comprimer et de chauffer la pastille en dirigeant l'énergie vers la couche externe de la cible. La plupart des recherches à ce sujet, à ce jour, ont impliqué l'utilisation de lasers de haute puissance.

La couche externe chauffée explose alors vers l'extérieur, produisant ainsi une force de réaction contre le reste de la cible, l'accélérant vers l'intérieur, comprimant la cible. Ce processus génère des ondes de choc qui se déplacent vers l'intérieur à travers la pastille cible.

Si ces ondes peuvent être suffisamment puissantes, elles comprimeront et chaufferont davantage le combustible au centre à un point tel que la fusion nucléaire devrait être réalisable.


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