100 знаменитых изобретений - Владислав Пристинский

В 1954 г. Басов и Прохоров создали в СССР первый квантовый генератор. Почти одновременно такой прибор, названный мазером, был создан в США Ч. Таунсом, Дж. Гордоном, Г. Зейгером. Эти приборы генерировали не световые, а радиоволны длиной 1,27 см.

В 1964 г. Басов, Прохоров и Таунс за фундаментальные исследования в области квантовой электроники, приведшие к созданию квантовых генераторов и усилителей, были удостоены Нобелевской премии по физике.

Для создания лазера, генерирующего излучение в видимом диапазоне спектра, было необходимо: найти активное вещество, способное переходить в возбужденное состояние; создать источник возбуждения, способный сообщать активному веществу дополнительную энергию и переводить его в возбужденное состояние; найти источник энергии для подпитки источника возбуждения.

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.

Немецкие инженеры построили суда с ложкообразной формой носа. Самое крупное из них имело водоизмещение около 900 тонн, самое маленькое – 90 тонн. Впоследствии все они получили название «гамбургских ледоколов». Они расчищали заторы на реке Эльба и восстанавливали сообщение с портом Гамбург. Они хорошо работали в ровном льду без торосистых нагромождений. Но для ледовых условий на морях и океанах такая форма носа оказалась малоподходящей: ложкообразные обводы носа способствовали скоплению снега и льда перед форштевнем, ледокол сильно рыскал на ходу, а иногда застревал во льдах.

В 1893 г. норвежский ученый Ф. Нансен построил специальное судно «Фрам». Корпус этого судна имел округлую яйцеобразную форму, поэтому льды не могли разрушить его, выжимая вверх. Нансен преследовал цель достичь Северного плюса, дрейфуя вместе со льдом. Это ему не удалось, но в течение всего путешествия, длившегося три года, «Фрам» оставался невредимым.

К концу XIX в. было построено немало ледоколов, но все они могли работать лишь в слабых ледяных полях и были бессильны против мощных льдов и торосистых нагромождений.

Русский адмирал и ученый С. О. Макаров решил создать новый мощный ледокол, способный плавать в арктических льдах. Для этого Макаров изучил опыт «Фрама», знакомился с работой ледяных паромов на американских озерах Гурон, Мичиган и Эри, изучал летние условия плавания в Карском море. Благодаря этому он понял, каким должен быть будущий ледокол.

Детище Макарова было построено в Ньюкасле на верфях фирмы «Армстронг и Витворт». Ледокол получил название «Ермак».

В марте 1899 г. «Ермак» подошел к Кронштадту. В это время льды в Финском заливе достигают наибольшей толщины. Несмотря на это, «Ермак» пробил канал во льдах, сковавших Большой Кронштадтский рейд, и вошел в гавань. До него ни одно судно в это время года не могло войти в Кронштадт.

Летом того же года «Ермак» совершил первое арктическое плавание. Во время плавания возникла течь, и ледокол вернулся на ремонт в Ньюкасл. Летом того же года «Ермак» вновь вернулся в Арктику, но испытания завершились пробоиной в носу.

В 1901 г. ледокол исследовал район севернее Шпицбергена. Спустя несколько дней после выхода из порта Тромсе он попал в сплошной лед и остановился у побережья Новой Земли. Около месяца «Ермак» был зажат льдами. В конце июля ледовая обстановка улучшилась, и «Ермак» весь август работал в Арктике. За время плавания он прошел свыше 200 миль в условиях, где любой другой корабль погиб бы. Расчеты адмирала Макарова оказались правильными.

Долгие годы «Ермак» плавал на Балтике. За первые 12 лет он провел в Финском заливе свыше 1000 судов. В феврале 1918 г. в порту Ревеля (ныне Таллинн) были скованы льдом корабли Балтийского флота. Портовые ледоколы не могли разбить лед, а в это время на Ревель надвигались немецкие войска. На помощь эскадре пришел «Ермак». Он взломал лед и вывел большую часть кораблей из гавани. 25 февраля они ушли в Гельсингфорс (Хельсинки). Но и из Гельсингфорса вскоре пришлось уйти. 12 марта эскадра направилась в Кронштадт. Ей предстояло пройти 200 миль. Дорогу кораблям прокладывали «Ермак» и вспомогательный ледокол «Волынец».