Кто изобрел лазер: Раскрытие 50-летней истории

Резка и технология соединения является важным технологическим кластером в промышленной системе.

Лазерная обработка - одна из самых ярких жемчужин в этом технологическом кластере.

Особенно в условиях современной "Индустрии 4.0" и "умного производства" некоторые даже считают лазерную обработку наиболее естественной связью с "умным производством" среди всех технологий резки и соединения.

Итак, давайте сегодня разберемся во всей этой лазерной индустрии и подведем систематический итог истории развития отрасли волоконных лазеров.

История индустрии и технологий - это важный справочный материал, который не должен быть упущен теми, кто впоследствии будет самостоятельно заниматься промышленностью и предпринимательством.

Прежде всего, давайте рассмотрим и подведем итоги основы лазеров.

Лазер называют "самым ярким светом, самым быстрым ножом, самой точной линейкой".

Он считается одним из главных научно-технических изобретений XX века, английское название "Laser", а именно Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (LASER).

Научный принцип лазера "Стимулированное излучение" был предложен Альбертом Эйнштейном в 1917 году, теория "спонтанного и стимулированного излучения" считается физикой, на которой основаны современные лазерные технологии.

Эйнштейн отмечал, что частица на высоком энергетическом уровне E2, когда с частотой V = (E2-E1) / h падает фотон (h - постоянная Планка), с некоторой вероятностью быстро перескочит с энергетического уровня E2 на энергетический уровень E1, излучая при этом посторонний фотон с той же частотой, фазой, состоянием поляризации и направлением распространения фотонов; это называется возбуждающим излучением.

Понимаете, что это значит?

Один фотон оказывается точно таким же, как и другой. Что эти два фотона будут делать дальше?

Верно, эти двое нашли другие частицы для огня, и их стало четыре.

Процесс похож на цепную реакцию ядерного взрыва: количество фотонов быстро увеличивается, что эквивалентно усилению исходного светового сигнала.

Лазер был создан только в 1960 году, через пять лет после смерти Эйнштейна, когда он предложил теорию "спонтанного и вынужденного излучения".

Почему это заняло так много времени?

Из-за "стимулированного поглощения", предложенного в работе Эйнштейна.

Фотон может попасть в частицу на энергетическом уровне E1, перевести ее на энергетический уровень E2, исчезнуть сам по себе, и так называемая цепная реакция будет потеряна.

Для обычных материалов стимулированных поглощенных частиц больше, чем возбужденных (больше E1, чем E2 на низких энергетических уровнях), поэтому интенсивность проходящего света не усиливается, а уменьшается.

Для создания лазера ключевым условием является "обратное число частиц", когда частиц с высокой энергией больше, чем частиц с низкой энергией.

Но это не так уж сложно, если вспомнить 1930-е годы, когда физики смогли это сделать.

Просто ученым не пришло в голову сделать это, потому что в 1930-е годы они недостаточно интегрировали оптическую теорию и технологию, ведь было много других значимых открытий.

Таким образом, изобретение лазера оказалось немного запутанным. Сначала был разработан "Мазер" (микроволновый усилитель), а затем был создан "Лазер".

Фотография выше - классическая: Таунс слева и его ученик Гордон справа перед мазером (микроволновым возбудителем).

Обратите внимание, что тот, кто на заднем плане крайний справа, - китаец Ван Тяньлян, который позже вернулся в Китай и основал лабораторию спектроскопии в Уханьском институте математической физики.

Это означает, что Таунс является создателем мазера, а также известен как изобретатель лазера.

Однако ученые также борются с позицией изобретателя лазера.

Таунс, работавший в Bell Labs во время Второй мировой войны, занимался разработкой принципов и конструкции радаров.

В результате Таунс заинтересовался созданием микроволн и молекулярной спектроскопии (радар использует микроволны, а теперь сотовые телефоны, Wi-Fi и другие беспроводные коммуникации используют микроволны).

После Второй мировой войны Таунс перешел в Колумбийский университет, и именно за создание первого в мире микроволнового возбудителя (Maser) Таунс получил Нобелевскую премию по физике в 1964 году.

Естественно, Таунс хотел создать коротковолновый микроволновый возбудитель (Maser).

Если шаг за шагом, то это миллиметровые волны, субмиллиметровые волны, дальний инфракрасный, средний инфракрасный, ближний инфракрасный, видимый свет, ультрафиолетовый свет.

Таунс также работает в этом направлении.

Однако с миллиметровыми и субмиллиметровыми волнами возникли трудности, и в любом случае добиться успеха было непросто, поэтому было решено пока отказаться от этой затеи и обратиться сначала к видимому свету, который может оказаться более простым и значимым.

Вместе со своим шурином Шолохом Таунс разработал теорию о том, как реализовать этот микроволновый возбудитель (мазер) в видимом диапазоне, которая оказалась очень влиятельной.

Они светили неоновой лампой на кристалл редкоземельных металлов, и кристалл излучал яркий, всегда собирающий свет.

Фактически, микроволновый возбудитель видимого света (мазер) и есть лазер.

Это послужило основой для изобретения лазера.

В это время с дороги вышел молодой человек, а именно Майман, он очень заинтересовался и тоже связался с Таунсом для создания лазера.

К сожалению, его не приняли в революционную команду. Тем не менее Майман основал собственную кухню и в 1960 году создал лазер.

На картинке выше изображен рубиновый лазер, изготовленный компанией Mayman.

Для возбуждения рубина Майман использует высокоинтенсивную лампу-вспышку. Ключевым моментом здесь является наличие "полости оптического резонанса", когда свет проходит через кристалл с небольшим увеличением, но если к обоим концам прикреплен отражатель и свет постоянно увеличивается туда-сюда, то получается потрясающее зрелище.

Кусочек отражателя, на который нанесено чуть меньше серебряного покрытия, пропускает часть света, и из него выходит знакомый однонаправленный превосходный лазер.

Мерман - один из тех, кто быстро собирает персики.

Таунс и другие были, конечно, очень неубедительны, и Таунс получил Нобелевскую премию в 1964 году, и его уровень был признан.

Таким образом, были посеяны семена споров о том, кто же является изобретателем лазера.

Как Эдисон боролся с Теслой и Вестингаузом за электрический ток, так и научное сообщество не испытывает недостатка в ссорах и соперничестве.

Именно это соперничество и стало двигателем человеческого прогресса.

В 1960-е годы, когда мир был расколот на два лагеря, социализм и капитализм, лазерное сообщество, естественно, не развивалось бы без советского.

В 1964 году за лазер премию получили два советских физика, получивших Нобелевскую премию одновременно с Таунсом, - Николай Басов и Александр Прохоров.

Все мы знаем историю о том, как советский лидер Хрущев снял ботинки и стукнул ими по столу на заседании ГА ООН в 1960 году.

Мы должны знать: за силой и господством политиков стоит всеобъемлющая национальная мощь.

В то время Советский Союз был лучшим в мире не только в области ядерного оружия и аэрокосмической промышленности, но и в фундаментальной науке, например, в лазерах.

Это была уверенность Хрущева.

Советский физик Басов предложил полупроводниковые лазеры которая разработала более поздний артефакт - волоконный лазер.

Басов (справа) и Прохоров (слева) ведут Таунса (в центре) в свою лабораторию

Как и команда Таунса, Басов и Прохоров в 1955 году тоже придумали "Мазер" - микроволновой возбудитель молекулярного пучка аммиака, и, естественно, подумали о лазерах.

Вклад Басова состоит в том, что в 1958 году он опубликовал статью, в которой выдвинул идею использования полупроводников для создания лазеров (теоретическое описание "инверсии числа частиц" в полупроводниках), а в 1961 году опубликовал "инжекцию носителей" PN-перехода. Статья, а в 1963 году создал полупроводниковый лазер на PN-переходе (американцы первыми создали его по предложенному им принципу).

Полупроводниковые лазеры не так известны, как рубиновые, о которых пишут в учебниках, но специалисты четко осознают теоретическую значимость полупроводниковых лазеров и гораздо больший потенциал, поэтому Нобелевская премия с тремя ничьими досталась двум советским и одному американскому.

Преимущества полупроводниковых лазеров многочисленны:

• Электроны непосредственно в фотоны, с эффективностью электрооптического преобразования более 50%, что намного выше, чем у других. типы лазеров.
• Длительный срок службы - более 100 000 часов, что намного дольше, чем у других типов ламп;
• Полупроводники также могут модулировать выход, чего не могут делать другие типы.
• Маленькие, легкие и экономичные полупроводники дешевле таких материалов, как рубин.

Лазер - редкая технология, которая сразу же получила практическое применение, когда была изобретена и использована в хирургии в 1961 году.

Поскольку характеристики лазера слишком выдающиеся, все фотоны когерентны, направлены в одну сторону, энергия, приложенная к точке, может быть в миллион раз ярче, чем у солнца.

Лазер с большей мощностью можно использовать для резки и обработки.

Резка, сварка, измерения и маркировка находят множество применений. Они используются в бесчисленных отраслях, таких как связь, промышленная обработка, медицина и красота, постоянно заменяя традиционные процессы.

В этот момент мы должны упомянуть Китай.

В этом году исполняется 40 лет со дня начала китайских реформ и открытости, и 40 лет достижений - это не замок на воздухе с нуля.

Новый Китай заложил полный промышленный фундамент и инвестировал в фундаментальные науки в первые 30 лет, что стало основой для экономических реформ и взлета в последние 40 лет.

Через год после создания лазера в США, осенью 1961 года, Ван Чжицзян, молодой исследователь из Чанчуньского института оптики и механики, под руководством своего учителя, академика Ван Дахэна, построил первый в Китае лазер.

Отец китайской оптики - академик Ван Дахэн

Отец китайских лазеров - Ван Чжицзян и Рубиновый лазер

Первый китайский лазер уже доступен, но его название пока не сообщается.

Как и молодая пара, родившая своего первого ребенка, они всегда надеются найти уважаемого старца, чтобы дать ему имя.

В октябре 1964 года редакция журнала "Optical Stimulated Emission Intelligence" (ранее известного как "Light Quantum Amplification Special"), спонсируемого Чанчуньским институтом оптики и механики Китайской академии наук, обратилась к Цянь Сюэсену с просьбой дать LASER китайское название, и Цянь Сюэсен предложил китайское название "激光".

В декабре того же года в Шанхае прошла 3-я научная конференция по оптическим квантовым усилителям под председательством Янь Цзици. После обсуждения предложение Цянь Сюэсена было официально принято, а английская аббревиатура LASER от "light amplification by stimulated emission of radiation" была официально переведена как "激光".

Впоследствии журнал "Optical Stimulated Emission Intelligence" также изменил свое название на "Laser Intelligence".

Развитие науки и техники идет по ступенчатой схеме - от формулирования базовых понятий, создания основных теорий до появления лабораторных продуктов.

На самом деле, только после индустриализации он сможет служить человечеству и омолодиться.

Это касается лазерной технологии.

На промышленном рынке самыми первыми промышленными лазерами, используемыми для обработки материалов, были в основном газовые и кристаллические лазеры.

Газовый лазерТипичным представителем является CO₂ лазер.

Представителем кристаллических лазеров является YAG-лазер, YAG означает иттриево-алюминиевый гранат с добавлением неодима или иттербия.

Сегодня CO компании Rofin Laser₂ Лазерная плита по-прежнему занимает большую долю рынка.

СО₂ Лазерный станок использует CO₂ в качестве рабочего материала для создания лазерное излучениеВ разрядную трубку также подаются вспомогательные газы - азот и гелий.

Когда на электрод подается высокое напряжение, в разрядной трубке возникает тлеющий разряд, заставляющий молекулы газа испускать лазерное излучение, и энергия усиливается, образуя лазерный луч.

В качестве "лампы накачки" для YAG-лазера используется криптоновая или ксеноновая трубка, которая излучает свет на кристалл Nd:YAG для генерации лазерного излучения.

Спектр излучения лампы накачки представляет собой широкополосный непрерывный спектр. Только несколько спектральных пиков поглощаются ионами Nd, а большая часть непоглощенной спектральной энергии преобразуется в тепловую энергию, поэтому коэффициент использования энергии низкий.

CO₂ и YAG-лазеры имеют различные недостатки, но у каждого из них есть и свои преимущества.

Например, производимые мощные лазеры до сих пор очень полезны в промышленности.

У полупроводникового лазера много преимуществ, но есть и фатальная слабость: качество излучаемого лазером света оставляет желать лучшего!

Выходной луч кристаллического лазера отличается высоким качеством и высокой временной и пространственной когерентностью. Он претендует на то, чтобы излучать лазерный луч на Луну с пятном всего в 2 километра.

Ширина спектра и угол расходимости луча полупроводниковых лазеров на несколько порядков выше, чем у кристаллических лазеров.

Поэтому ранние полупроводниковые лазеры обычно используются в качестве источников света накачки. Например, пусть полупроводниковый лазер будет накачкой кристаллического лазера и объединит преимущества обоих.

Свет, излучаемый полупроводниковым лазером, после "оптимизации" кристаллическим лазером формирует высококачественный луч и затем излучает его.

Например. дисковый лазер разработанная компанией TRUMPF, пошла по этому пути.

Дисковые лазеры серии TruDisk обладают преимуществами как твердотельных, так и диодных лазеров.

Его диск обеспечивает качество луча полупроводниковый лазерА в качестве источника накачки используется диодный лазер, обладающий высокой энергией и эффективностью.

Кстати говоря, я сравню базовые характеристики четырех распространенных промышленных лазеров (включая сегодняшнего главного героя - волоконный лазер).

Всеобъемлющая сила волоконных лазеров поистине восхитительна и ошеломляюща.

Таблица1 Сравнение основных характеристик 4 распространенных промышленных лазеров

В индустрии есть множество примеров.

Старое поколение продуктов завоевывает рынок, процесс переключается, а затем новое поколение продуктов добивается повышения эффективности.

Волоконные лазеры появились в этом сценарии для повышения эффективности.

С изобретением волоконного лазера и выходом его на рынок некоторые люди удвоили свою стоимость и стали знаменитыми.

Это так называемая техническая фурма, и первым человеком, который сделал эту фурму и сел в эту фурму, был русский Валентин Гапонцев.

Валентин Гапонцев

Почему Гапенчев делает фурму и садится на фурму?

Гапенчев родился в 1939 году. Он является ведущим ученым в области физики лазерных материалов и руководителем Научно-исследовательской лаборатории радиотехники и электроники Академии наук СССР. Имеет подлинное советское техническое образование.

Советский Союз и русские после распада кажутся сложными для ведения бизнеса, но Гапенчев справится!

В 1990-х годах, когда Советский Союз распался, вся экономика страны начала испытывать разрушительный удар и даже распалась. Ковбои потому и ковбои, что они всегда могут выскочить из подводных камней истории.

Поскольку цель борьбы за социализм в течение 50 лет исчезла с распадом Советского Союза, Нагапенчеву придется столкнуться с новыми историческими условиями и историческим процессом.

В 1990 году он основал компанию IPG Photonics.

В 2006 году компания была зарегистрирована на бирже Nasdaq (IPGP). В 2017 году выручка составила 1,4 миллиарда долларов США, а текущая рыночная стоимость - 6 миллиардов долларов США. Это самая известная компания в отрасли волоконных лазеров.

Штаб-квартира IPG находится в штате Массачусетс, а производственные предприятия расположены в США, Германии, России и Италии.

Гапенчев владеет почти половиной акций IPG и является миллиардером, хотя в свои 79 лет он по-прежнему занимает пост председателя совета директоров компании.

В 2009 году Гапенчев в сопровождении президента Медведева и министра транспорта Соколова посетил производственную базу IPG в России

В 2009 году Гапенчев получил награду Артура Шоло от Американской лазерной ассоциации, которая является отраслевым признанием его научных достижений.

В 2010 году Гапенчев стал лауреатом Российской национальной премии в области науки и техники - высшей награды российской науки и техники.

На самом деле Гапенчев имеет двойное гражданство - США и России.

Его можно назвать гениальным ученым, ловко соединившим гены советских ученых с американским рынком капитала в условиях изменения мировой истории.

Как же Гапенчеву удалось сделать состояние на волоконных лазерах за всю историю и при этом заслужить почетное звание?

Мы должны вернуться к кристаллическому лазеру с полупроводниковым лазером в качестве источника света накачки, о котором говорилось ранее.

В общем случае объемные кристаллы поглощают высокоэнергетические фотоны с короткими длинами волн и преобразуют их в низкоэнергетические фотоны с более длинными длинами волн. Часть энергии всегда преобразуется в тепловую энергию при нерадиационном переходе.

Если эту часть тепловой энергии не удастся рассеять в массивном кристалле, это будет фатально и через некоторое время он сгорит, поэтому проблема рассеивания тепла очень важна.

Если объемный кристалл сделать в виде тонкой полоски, то площадь рассеивания тепла будет очень большой, что может решить проблему. Так выглядит оптическое волокно.

В 1964 году кто-то сделал стеклянный лазер. В кристалле использовалось оптическое волокно, хотя источник света не был полупроводниковым лазером.

Однако само оптическое волокно в то время еще не было разработано, дефекты были очень большими, а источник света было сложно сфокусировать на оптическом волокне, поэтому более 20 лет не было никакого прогресса на этом пути.

К 1980-м годам полупроводниковые лазеры в качестве насосов достигли большого прогресса, а оптические волокна также достигли большого прогресса с развитием сетевых коммуникаций, и технические условия для волоконных лазеров постепенно созрели.

В 1987 году Саутгемптонский университет (Великобритания) и Bell Laboratories (США) доказали возможность создания волоконного усилителя на основе легированного эрбием волокна и совершили ключевой научный прорыв.

Но промышленный прорыв был достигнут после долгих лет настойчивой работы ИПГ, основанной Гапенчевым в 1990 году.

Волоконные лазеры - это очень высокотехнологичная технология, в которой задействовано множество дисциплин.

Необходимо увеличить мощность полупроводникового лазера с накачкой и постоянно улучшать характеристики усиления оптоволокна.

Хитрость улучшения оптического волокна заключается в добавлении в него различных редкоземельных элементов.

IPG является типичным высокотехнологичным предприятием в западных странах, его исследования и разработки не являются простыми, а норма прибыли от продукции достигает 50-60%.

Волоконные лазеры обладают рядом преимуществ полупроводниковых лазеров и преимуществ высокого качества луча кристаллических лазеров.

С промышленной точки зрения преимущества волоконных лазеров очевидны с первого взгляда по сравнению с CO₂ лазеры и YAG-лазеры, и преимущества настолько велики, что ни с чем не сравнимы.

Волоконные лазеры имеют абсолютно идеальное качество луча, а также сверхвысокую эффективность преобразования полупроводниковых лазеров, и совершенно не требуют обслуживания, как оптические волокна и светодиодные лампы, с высокой стабильностью и небольшими размерами. Это действительно идеальный продукт.

Конечно, у новых высокотехнологичных продуктов есть один недостаток - дороговизна.

В этом мире, пока любой товар может найти рынок в Китае, он обязательно будет хорошо продаваться.

Каким бы дорогим ни был продукт, пока он может быть произведен в Китае, его стоимость всегда будет низкой.

На этом этапе мы должны упомянуть еще одного китайца, который держит руку на пульсе индустрии волоконных лазеров, - это Гао Юньфэн.

В 1996 году Гао Юньфэн основал компанию Han's Laser.

Чтобы выйти на рынок, волоконные лазеры производства IPG должны быть интегрированы в различное оборудование для лазерной обработки, такое как различные "лазерные маркировочные машины" и "станки лазерной резки.”

Компания Han's Laser нашла модель сотрудничества с IPG и приобрела волоконные лазеры для производства обрабатывающих машин.

Хотя IPG-лазеры дорогостоящие, после интеграции системы вся машина разбавит стоимость и будет работать хорошо.

Поэтому применение волоконных лазеров в Китае процветает, а вся промышленная цепочка развивается по нарастающей.

В 2018 году IPG и Han's Laser были избраны руководящими подразделениями Лазерного общества Америки.

Лазерное общество Америки (LIA) провело трансляцию на цифровом экране всемирно известного здания Thomson Reuters на Таймс-сквер в США: "По случаю своего 50-летия LIA благодарит компании Coherent, Han's Laser, IPG Photonics и TRUMPF за их поддержку. ."

Даже сейчас основной рынок для IPG по-прежнему находится в Китае.

В 2018 году 49% продаж IPG пришлось на китайский рынок.

В 2017 году рыночная стоимость IPG достигла более 6 миллиардов долларов США, а рыночная стоимость Han's Laser - 55 миллиардов юаней.

Эти двое - просто пара братьев.

Конечно, сегодняшняя китайско-американская торговая война отразилась на акциях высокотехнологичных компаний.

Этот вопрос относится к общей среде и выходит за рамки данной статьи.

Если более 20 лет назад, на фоне распада Советского Союза, экономической глобализации и взлета китайского производства, в отрасли волоконных лазеров появились компании IPG и Han's Laser.

И вот теперь, 20 лет спустя, где находится индустрия волоконных лазеров?

В Китае, если говорят, что самый отвратительный IPG - это Ухань. Raycus.

Основанная доктором Мин Дапенгом, врачом, оставшимся в США, компания Raycus выпустила первый набор импульсных волоконных лазеров мощностью 10 Вт в 2008 году и 20 кВт в 2018 году.

С точки зрения IPG, Raycus безумно разрушил рынок.

Они снижали и снижали цены, работая в пределах небольшой нормы прибыли, что подрывало рыночные цены.

Каждый год цена Ruike падает почти на 50% или даже больше, что просто невероятно.

В 2010 году IPG могла продать 20-ваттный волоконный лазер более чем за 150 000. Теперь Raycus предлагает 8 800, и IPG не может конкурировать.

Наконец, даже добрый брат IPG, Han's Laser, начинает использовать.

Говорят, что этот трюк очень прост. Попросите у отечественного производителя несколько волоконных лазеров для использования, дайте им открыть определение интерфейса, найдите несколько человек, которые скопируют успех, а потом перестанут покупать.

Поэтому, по мнению IPG, китайцы фактически уничтожили рынок.

Конечно, если ягодицы находятся в разных положениях, они будут говорить по-разному.

В те времена развитие передовых лазерных технологий занимало треть мирового уровня в Китае.

С точки зрения Китая, китайские компании действительно могут резко сократить расходы под предлогом обеспечения определенной прибыли, не убивая при этом рынок. Фактический эффект заключается в быстром продвижении приложения.

На самом деле, популярность промышленных лазеров зависит от того, насколько яростно Китай снижает цены и продвигает их применение.

Такие страны, как Индия и Вьетнам, с определенным масштабом производственного спроса, также используют недорогое промышленное лазерное оборудование китайского производства, и они вполне признаны продукцией Raycus.

На заводе Samsung во Вьетнаме используется много оборудования китайской компании.

Кроме того, причина, по которой китайские компании могут безумно сокращать расходы, заключается в том, что крупномасштабная промышленная цепочка является полной.

Например, оптические линзы стоят 10 000 в Германии и 1 000 в Китае.

Такие детали, как направляющие цилиндров, производятся внутри страны, а основных деталей, не требующих локализации, немного.

С развитием локализации стоимость быстро снизилась. В 2015 году 3-ваттный ультрафиолетовый лазер продавался за 90 000, а сейчас - за 20 000.

Более того, большое количество китайского персонала, занимающегося исследованиями и разработками, превратило конкуренцию в отрасли в соревнование по быстрому удовлетворению потребностей клиентов.

Когда Laser Хана конкурировал с южнокорейским EO во Вьетнаме, продукты с одинаковой конфигурацией стоили более чем на 100 000 дешевле, потому что детали IPG были дешевыми, а большое количество молодых инженеров было отправлено на вьетнамский завод Samsung для отладки днем и ночью.

Есть несколько корейских инженеров, присланных EO, и у них седые волосы.

Автоматическое лазерное оборудование американской компании занимает полгода, а китайская компания напрямую котирует 30%, и срок строительства составляет один месяц.

А в США этим занимаются старые инженеры, которым скоро на пенсию. Никто не будет заниматься этим после выхода на пенсию.

На протяжении всей истории развития лазеров полупроводниковая лазерная технология, переданная из бывшего Советского Союза, превратилась в волоконный лазер благодаря огромному спросу в Китае и содействию снижению затрат.

В настоящее время Raycus - не единственная китайская компания, производящая волокна. производитель лазеровНо рынок, похоже, образовал красное море.

Никто не знает, каким станет этот рынок в будущем.

Анализируя что-либо, нам иногда приходится выходить за пределы существующих силосов. Например, благодаря развитию технологии соединения полупроводниковых лазеров в последние годы, мощные полупроводниковые лазеры постепенно начали широкомасштабное применение в промышленной обработке.

См. также:

История лазера: 1960 - 2019 гг.