100 знаменитых изобретений

Первым лазером, работавшим в оптическом диапазоне, стал аппарат, созданный в 1960 г. американцем Т. Мейманом. В качестве рабочего вещества в нем использовался монокристалл искусственного рубина. В качестве отражающих зеркал резонатора служили отполированные и посеребренные торцы этого кристалла. Источником накачки служили две газоразрядные лампы-вспышки. На их электроды поступал импульс высокого напряжения с основного и вспомогательного конденсаторов блока запуска. Это напряжение составляло примерно 40 000 вольт. Импульс вызывал кратковременную (примерно 10^-3 с) и мощную вспышку ламп. Благодаря такой накачке кристалл рубина может дать в импульсе энергию до 1000 Дж и мощность до 10⁶ Вт.

Позже были созданы твердотельные лазеры в которых в качестве активного вещества применяются стекло с примесью неодима, флюорит кальция CaF₂ с примесью диспрозия и др. Рубиновые лазеры и лазеры на стеклянной основе дают рекордные энергии и мощности. Их недостатком является трудность выращивания больших монокристаллов и варка больших образцов однородного и прозрачного стекла.

Вскоре после рубинового лазера в 1960 г. американскими учеными А. Джаваном, У. Беннеттом, Д. Гарриотом был разработан первый газовый лазер. Он представлял собой газоразрядную трубку, заполненную смесью неона и гелия, заключенную в оптический резонатор. Он генерировал излучение в красной области спектра. Возбуждение достигалось за счет сильного электрического поля и газовых разрядов. Этот лазер имел низкий КПД (0,01 %). Его преимуществами были простота и надежность конструкции, высокая монохроматичность и направленность излучения.

В 1964 г. был создан лазер, работавший на углекислом газе. Он обладал высокой мощностью (до 9 кВт) и КПД (15–20 %).

В начале 1960-х годов появились полупроводниковые лазеры. В них в качестве рабочего вещества применяется полупроводниковый кристалл. В этих лазерах используются излучательные квантовые переходы не между изолированными уровнями атомов, молекул и ионов, а между разрешенными энергетическими зонами кристалла. Если на полупроводники воздействовать электрическим или световым импульсом, часть электронов покинет свои орбиты и образуются дырки с положительными зарядами. При одновременном возвращении электронов на первоначальные орбиты произойдет излучение фотонов. Особенностью такого лазера являются малые размеры. КПД полупроводникового лазера достигает 30–50 %.

Практическое применение лазеров началось с их появлением. Благодаря им стали возможными исследования простейших бактерий. Возможность формировать импульсы света продолжительностью 10"11–10"12 с применяется в скоростной фотографии. На основе гелий-неонового лазера с высокой стабильностью частоты созданы стандарты длины и времени.

Благодаря высокой эффективной температуре излучения и возможности концентрировать энергию в очень малом объеме появились уникальные возможности испарения и нагрева вещества.

С помощью лазеров производится сварка, резка и сверление материалов. Она отличается высокой точностью и отсутствием механических напряжений. Большое значение приобрели лазерная хирургия и терапия.

Рубиновые лазеры применялись для локации Луны, что позволило измерить расстояние до спутника Земли с точностью до нескольких миллиметров.

Полупроводниковые лазеры применяются в оптической связи, оптоэлектронике, голографии.

Ледокол

Люди издавна стремились проникнуть в полярные моря и освоить их. Русские поморы и норвежские китобои плавали в Арктике летом, добираясь при благоприятных условиях до сравнительно высоких широт.

В 1733 г. в России была организована Великая северная экспедиция, перед которой стояла задача нанести на карту все побережье Северного Ледовитого океана и собрать разнообразные сведения о северных морях. Позже мореплаватели прилагали немало усилий, чтобы найти Северо-западный и Северо-восточный проходы в южные моря или достичь Северного полюса. Но все эти экспедиции терпели неудачу.

Одной из причин неудач было отсутствие кораблей, способных противостоять разрушающей силе льдов. При движении ледяных полей на судно наступает огромный ледяной вал, достигающий огромной высоты. Он может превратить корабль в груду смятого железа.

Активная борьба со льдом стала возможной, когда появились корабли со стальным корпусом и паровым двигателем.

В 1864 г. сообщение между Кронштадтом и Ораниенбаумом поддерживалось небольшими пароходами. Их владелец, промышленник Бритнев, изменил форму носа у одного из них, «Пайлота», как бы подрезав его. В результате пароход стал налезать на льдины и расталкивать их. Это позволило продлить на несколько недель сообщение, обычно прерывавшееся с началом ледостава.

Бритнев не преследовал цель создать специальное судно для плавания во льдах и продал чертежи своего изобретения немцам.