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El láser como dispositivo físico. Láser (generador cuántico óptico) (abreviatura de palabras frase en ingles: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation - amplificación de la luz como resultado de la emisión estimulada), una fuente de radiación óptica coherente, caracterizada por una alta directividad y una alta densidad de energía. Hay láseres de gas, líquidos y de estado sólido (sobre cristales dieléctricos, vidrios, semiconductores). El láser transforma varios tipos energía en energía láser. Hay láseres continuos y pulsados.Los láseres se utilizan ampliamente en la investigación científica (en física, química, biología, etc.), en la medicina práctica (cirugía, oftalmología, etc.) y también en tecnología (tecnología láser). Los láseres han permitido realizar comunicación óptica y localización, son prometedores para la implementación de la fusión termonuclear controlada.
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Emisión espontánea y forzada. 1917 A. Einstein: Mecanismos de emisión de luz por la materia Espontánea (incoherente) Estimulada (coherente)
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Láseres A.M. Projorov N.G. Basov C. Towns En 1954 se crearon los Generadores por primera vez radiación electromagnética utilizando el mecanismo de transición forzada. T. Meiman En 1960 creó un láser en el rango óptico que opera en rubí.
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Tipos de láseres Gas helio-neón argón criptón xenón nitrógeno sec-hidrógeno oxígeno-yodo dióxido de carbono (CO2) sobre monóxido de carbono (CO) excimer metal vapor -helio-cadmio -helio-mercurio -helio-selenio - en vapor cobre - sobre vapor de oro Estado sólido - rubí - aluminio-itrio - sobre itrio-fluoruro de litio - sobre vanadato de itrio - sobre vidrio de neodimio - titanio-zafiro - alejandrita - fibra óptica - sobre fluoruro de calcio Otros tipos - diodo láser semiconductor - sobre tintes - sobre electrones libres - pseudo-níquel-samario
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LÁSER DE RUBÍ El primer generador de luz cuántica fue creado en 1961 por Meiman (nacido en 1927) usando rubí. El rubí es un cristal sólido, cuya base es el corindón, es decir, un cristal de óxido de aluminio (Al2O3), en el que una pequeña parte de los átomos de aluminio (alrededor del 0,05%) se sustituye por iones de cromo Cr+++. Para crear una población inversa, se utiliza el bombeo óptico, es decir iluminación de un cristal de rubí con un potente destello de luz. Al rubí se le da la forma de una varilla cilíndrica, cuyos extremos están cuidadosamente pulidos, plateados y sirven como espejos para el láser. Para iluminar la barra de rubí, se utilizan lámparas de destello de descarga de gas de xenón pulsado, a través de las cuales se descargan baterías de condensadores de alto voltaje. La lámpara de destellos tiene la forma de un tubo en espiral envuelto alrededor de una varilla de rubí. Bajo la acción de un poderoso pulso de luz, se crea una población inversa en la barra de rubí y, debido a la presencia de espejos, se excita la generación de láser, cuya duración es ligeramente menor que la duración del destello del bombeo. lámpara.
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Láser de helio-neón. Un nuevo láser de helio-neo es un láser cuyo medio activo es una mezcla de helio y neón. Los láseres de helio-neón se utilizan a menudo en experimentos de laboratorio y óptica. Tiene una longitud de onda operativa de 632,8 nm, situada en la parte roja del espectro visible. Láser de helio-neón. El rayo resplandeciente en el centro no es en realidad un rayo láser, sino una descarga eléctrica que genera un brillo, similar a como sucede en las lámparas de neón. El haz se proyecta en la pantalla de la derecha como un punto rojo brillante.
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Todos los láseres constan de tres partes principales: - medio activo (de trabajo); - sistemas de bombeo (fuente de energía); - resonador óptico (puede estar ausente si el láser funciona en modo amplificador). Cada uno de ellos prevé el funcionamiento del láser para realizar sus funciones específicas. El medio de trabajo de un láser de helio-neón es una mezcla de helio y neón en una proporción de 5:1, ubicada en un frasco de vidrio a baja presión (generalmente alrededor de 300 Pa). La energía de la bomba se suministra desde dos descargadores eléctricos con un voltaje de aproximadamente 1000 voltios, ubicados en los extremos del matraz. El resonador de dicho láser generalmente consta de dos espejos: completamente opaco en un lado de la bombilla y el segundo, que pasa a través de sí mismo aproximadamente el 1% de la radiación incidente en el lado de salida del dispositivo. Los láseres de helio-neón son compactos, el tamaño típico de la cavidad es de 15 cm a 0,5 m, su potencia de salida varía de 1 a 100 mW.
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Aplicación de láseres Ciencia Armamento Medicina Industria y vida Espectroscopia Medición de distancias Fotoquímica Magnetización Interferometría Holografía Enfriamiento Fusión termonuclear Armas láser guerra de las Galaxias» Designadores de objetivos Visor láser Guía láser Bisturí Soldadura de punto tejido Cirugía Diagnóstico Extirpación de tumores Corte, soldadura, marcado, grabado Reproductores de CD, DVD, impresoras, pantallas Fotolitografía, lector de código de barras Comunicación óptica, sistemas de navegación (l. giroscopio) Manipulación de microobjetos
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Acompañamiento láser de actuaciones musicales (laser show) -Láseres de estado sólido y líquido.
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Láser semiconductor utilizado en la unidad de imágenes de una impresora Hewlett-Packard
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En la actualidad, es difícil imaginar el progreso de la medicina sin las tecnologías láser, que han abierto nuevas posibilidades en la solución de numerosos problemas médicos. El estudio de los mecanismos de acción de la radiación láser de varias longitudes de onda y niveles de energía en tejidos biológicos permite crear dispositivos médicos láser multifuncionales, cuyo rango de aplicación en la práctica clínica se ha vuelto tan amplio que es muy difícil responder la pregunta: ¿para qué enfermedades no se usan los láseres? El desarrollo de la medicina láser se desarrolla a lo largo de tres ramas principales: la cirugía láser, la terapia láser y el diagnóstico láser. Nuestro campo de actividad son los láseres para aplicaciones en cirugía y cosmetología, que tienen una potencia suficientemente alta para el corte, vaporización, coagulación y otros cambios estructurales en el tejido biológico. El uso de láseres en medicina.
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La palabra LASER es un acrónimo que significa amplificación de luz por emisión estimulada de radiación ((L) luz (A) amplificación (S) estimulada por la (E) emisión de (R) radiación) y describe cómo se genera la luz. Todos los láseres son amplificadores ópticos que funcionan bombeando (excitando) un medio activo colocado entre dos espejos, uno de los cuales transmite parte de la radiación. El medio activo es un conjunto de átomos, moléculas o iones especialmente seleccionados, que pueden encontrarse en estado gaseoso, líquido o sólido y que, al ser excitados por una acción de bombeo, generarán radiación láser, es decir, emiten radiación en forma de ondas de luz (llamadas fotones). El bombeo de líquidos y sólidos se logra irradiándolos con la luz de una lámpara de destellos, y los gases se bombean mediante una descarga eléctrica. ¿Qué es un láser?
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Propiedades de la luz láser El haz de luz está colimado, lo que significa que viaja en una dirección con muy poca divergencia incluso en distancias muy largas.La luz láser es monocromática y consiste en un solo color o en una gama estrecha de colores. La luz ordinaria tiene una gama muy amplia de longitudes de onda o colores. La luz láser es coherente, lo que significa que todas las ondas de luz se mueven juntas en fase tanto en el tiempo como en el espacio. Un láser es un dispositivo que crea y amplifica un haz estrecho e intenso de luz coherente.
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Hoy en día, los láseres se utilizan ampliamente en medicina, fabricación, industria de la construcción, geodesia, electrónica de consumo, equipos científicos y sistemas militares. Hay literalmente miles de millones de láseres en uso hoy en día. Forman parte de dispositivos comunes como lectores de códigos de barras utilizados en supermercados, lectores, impresoras láser y reproductores de CD. Aplicación de láseres
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Desde la invención del láser rubí de Maiman en 1960, se han propuesto muchas aplicaciones potenciales. En el campo de la medicina, las posibilidades de los láseres comenzaron a desarrollarse rápidamente después de 1964, cuando se inventó el láser de dióxido de carbono, que pronto les dio a los cirujanos la capacidad de realizar operaciones muy complejas utilizando fotones en lugar de un bisturí para realizar operaciones. La luz láser puede penetrar en el interior del cuerpo, realizando operaciones que eran casi imposibles de realizar hace unos años, con un mínimo riesgo o incomodidad para el paciente. Los láseres más cortos (verdes) se usan para "soldar" la retina desprendida y se usan para estirar las moléculas de proteína para medir su fuerza, etc. El uso de láseres en medicina.
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En 1964 se sugirió la posibilidad de utilizar un láser de rubí para el tratamiento de la caries, lo que atrajo la atención de todo el mundo. En 1967, al intentar eliminar la caries y preparar la cavidad con un láser de rubí, no pudo evitar dañar la pulpa dental, a pesar de los buenos resultados obtenidos en los dientes extraídos. Posteriormente, estudios básicos similares con el láser de CO2 también se encontraron con este problema. Para minimizar la acumulación de calor, se utilizaron láseres pulsados en lugar de radiación continua. Otros estudios han demostrado que el láser puede producir un pequeño efecto anestésico local. Otros desarrollos han llevado a la creación de un láser que perfora completamente el esmalte y la dentina. Al mismo tiempo, el láser salva más tejido dental sano. Con los láseres de hoy en día, prácticamente no hay calor no deseado, ni ruido ni vibraciones. Al dejar el sillón dental, la mayoría de los pacientes no sintieron dolor, no tuvieron que esperar a que la anestesia y el entumecimiento desaparecieran, y casi no experimentaron molestias posoperatorias. Los láseres son precisos y prácticamente indoloros y pueden hacerte cambiar de opinión acerca de ir al dentista. Pueden cambiarlo todo. El uso de láseres en odontología.
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Los láseres son un avance significativo en la odontología, tanto para las encías y otros tejidos blandos como para los propios dientes. Hoy en día, se utilizan ampliamente un número significativo de tecnologías y tratamientos con láser. Hoy en día, los láseres se utilizan en las siguientes áreas de la odontología: Prevención Periodoncia Estética dental Endodoncia Cirugía Implantología
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Actualmente, los láseres se usan ampliamente en la industria de la madera y, en los últimos años, el área de su distribución se ha expandido significativamente. El uso de láseres facilita el posicionamiento de piezas de trabajo (videoclip), la alineación de los patrones externos de dos piezas de trabajo, la minimización de residuos, la instalación de elementos estructurales complejos de edificios y estructuras. Los láseres utilizados en la carpintería pueden producir una línea, una intersección de líneas (que indica un centro) o una imagen 2D o 3D (proyectores). Sistemas láser en carpintería
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como elementos lógicos para entrada y lectura de dispositivos de memoria en computadoras impresora láser transmisión óptica de información Láseres en Ciencias de la Computación
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El láser también se puede utilizar para la medición sin contacto de dimensiones geométricas (espacio, longitud, anchura, espesor, altura, profundidad, diámetro). Con la ayuda de un láser, también es posible obtener medidas complejas: desviación de la verticalidad; valor de planitud superficial; precisión del perfil; Es posible obtener cantidades derivadas como la deflexión y la convexidad. Los sistemas de medición láser le permiten controlar automáticamente los parámetros de los productos y cambiar inmediatamente los parámetros de la línea de producción si se produce alguna desviación. El producto es exclusivo en esta área porque tiene las siguientes propiedades: Alta precisión Le permite controlar la calidad y las características de piezas geométricamente complejas No daña ni destruye la superficie del producto Funciona en cualquier condición en cualquier superficie Se integra fácilmente en un línea de producción Láseres en medidas
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Clasificación de los láseres Láseres de clase I No representan un peligro bajo observación continua o están diseñados para evitar la exposición humana a la radiación láser (por ejemplo, impresoras láser) Láseres visibles de clase 2 (400 a 700 nm) Láseres que emiten luz visible, que debido a efectos adversos Las reacciones no suelen ser peligrosas, pero pueden serlo si mira directamente a la luz del láser durante un período de tiempo prolongado. Láseres de clase 3a que normalmente no causan daño con un breve contacto visual, pero que pueden ser peligrosos cuando se observan con una óptica colectora (lupa de fibra óptica o telescopio) Láseres de clase 3b que representan un riesgo para los ojos y la piel cuando se exponen directamente a la luz láser. Los láseres de clase 3b no generan reflejos difusos peligrosos excepto a corta distancia. Láseres de clase 4 Láseres que representan un riesgo para los ojos a través de reflejos directos, especulares y difusos. Además, dichos láseres pueden ser inflamables y causar quemaduras en la piel.
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PROTECCIÓN DE LOS OJOS: todas las personas en el quirófano deben usar gafas protectoras. La luz emitida por el láser puede dañar gravemente la córnea y la retina de los ojos desprotegidos. Las gafas deben tener protección lateral y usarse sobre las gafas normales. Todo el personal que se encuentre dentro del área clasificada como peligrosa para láser Clase 3b y Clase 4 debe tener acceso a las gafas de protección contra láser, donde pueden ocurrir exposiciones que excedan el Máximo permitido. El coeficiente de absorción de la densidad óptica de las gafas de seguridad láser para cada longitud de onda del láser lo determina el LaserSafetyOfficer (LSO). Todas las gafas de seguridad láser están claramente etiquetadas con la densidad óptica y la longitud de onda contra las que están destinadas a proteger. Las gafas de seguridad láser deben revisarse para detectar daños antes de su uso. REFLEJO: la luz láser se refleja fácilmente y se debe tener cuidado de no dirigir el haz sobre superficies pulidas. PELIGRO ELÉCTRICO: las partes internas del láser son de alto voltaje y emiten rayos láser invisibles sin protección. Solo los especialistas capacitados en seguridad eléctrica y láser están autorizados para realizar el mantenimiento interno. Medidas de seguridad
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- un tipo de arma de energía dirigida basada en el uso de radiación electromagnética de láseres de alta energía. El efecto llamativo de LO está determinado principalmente por el efecto termomecánico y de pulso de choque del rayo láser sobre el objetivo. Dependiendo de la densidad del flujo de radiación láser, estos impactos pueden provocar el cegamiento temporal de una persona o la destrucción del cuerpo de un cohete, avión, etc. En este último caso, como consecuencia del efecto térmico del láser. haz, el caparazón del objeto objetivo se derrite o se evapora. A una densidad de energía suficientemente alta en el modo pulsado, junto con el efecto térmico, se lleva a cabo un efecto de choque, debido a la aparición de un plasma. Actualmente, se está trabajando en los Estados Unidos para crear complejo de aviación armas láser Inicialmente, está previsto elaborar un modelo de demostración para el avión de transporte Boeing-747 y, una vez finalizados los estudios preliminares, pasar a 2004. a la etapa de pleno desarrollo. A mediados de la década de 1990, las armas láser tácticas se consideraban las más desarrolladas, lo que aseguraba la destrucción de medios optoelectrónicos y órganos de visión humanos. armas láser
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La historia de la creación de generadores cuánticos; El principio de funcionamiento de los láseres; tipos de láseres; Solicitud.
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Planck Max
1900 - M. Planck propuso la idea de que la materia emite y absorbe luz en porciones separadas - cuantos.
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niels bohr
1913 - N. Bohr demostró que la energía de un átomo está cuantizada, es decir, puede tomar varios valores discretos. Cuando un átomo se mueve de un nivel de energía a otro, se emite un fotón
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Albert Einstein
1917 - A. Einstein predijo la posibilidad de emisión inducida (forzada) de luz por parte de los átomos.
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V. A. Fabrikant
1940 - V. A. Fabrikant señaló la posibilidad de utilizar el fenómeno de la emisión estimulada para amplificar las ondas electromagnéticas.
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A. M. Prokhorov, N. G. Basov, C. Townes
1954: los académicos soviéticos N. G. Basov y A. M. Prokhorov y el físico estadounidense C. Towns desarrollaron un "máser", un poderoso emisor de ondas de radio. este sobresaliente trabajo científico fue galardonado con el Premio Nobel de Física en 1960. El primer láser en el rango visible del espectro fue creado en los Estados Unidos. Actualmente, se está trabajando para crear láseres en los rangos de rayos X y gamma, que permitirán utilizar láseres para la fusión termonuclear controlada.
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El principio de funcionamiento de los láseres.
Los láseres producen radiación coherente de muy alta potencia. Condición necesaria radiación coherente - creando una inversión de las poblaciones de niveles de energía (hay más átomos en el nivel que en el nivel)
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láser rubí
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La lámpara de la bomba es una lámpara de descarga de xenón con luz azul-verde, que se utiliza para excitar los iones de cromo.
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Un cristal de rubí (con una mezcla de cromo - 0,05%) le permite darse cuenta del estado de inversión. Los extremos de la varilla de rubí son 2 espejos paralelos entre sí, uno es translúcido, actúan como un resonador óptico. La dirección del eje de la barra de rubí es la dirección a lo largo de la cual se generará la radiación láser.
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Tipos de láseres
Hablando de láseres, suelen mencionar el modo de funcionamiento (láser pulsado, láser continuo), el tipo de sustancia de trabajo (láser de estado sólido, líquido o de gas), su material (láser de helio-neón, rubí, láser sobre vidrio) o el color de su radiación (láser azul, rojo, infrarrojo).
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Láser dinámico de gas
En un potente láser dinámico de gas, la luz es generada por un chorro de gas caliente a una presión de decenas de atmósferas.
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láser semiconductor
En un láser semiconductor, emite una capa entre dos semiconductores de tipo P y n. Todo el láser, junto con los contactos eléctricos, es un poco más grande que un botón.
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Láseres de colorante
La sustancia de trabajo de un láser de colorante es un líquido: una solución de colorantes orgánicos o sales de metales raros.
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Aplicación de láseres
El láser es un gran invento del siglo XX, que ha encontrado aplicación en muchas áreas de la actividad humana.
Estudiante Abaluev Egor 11 "b"
Los generadores cuánticos ópticos cuya radiación se encuentra en las regiones visible e infrarroja del espectro se denominan láseres.
Un láser es un dispositivo en el que la energía, como la energía térmica, química y eléctrica, se convierte en energía de campo electromagnético: un rayo láser.
Un átomo está en un estado excitado durante unos 10 -8 s, después de lo cual pasa espontáneamente (espontáneamente) al estado fundamental, mientras emite un cuanto de luz.
La emisión espontánea ocurre en ausencia de acción externa sobre el átomo y se explica por la inestabilidad de su estado excitado.
Si el átomo se somete a una acción externa, su tiempo de vida en el estado excitado se reduce y la radiación ya estará estimulada o inducida. El concepto de emisión estimulada fue introducido en 1916 por A. Einstein.
Se entiende por emisión estimulada la emisión de átomos excitados bajo la acción de la luz incidente. Emisión estimulada.
1940 V. A. Fabrikant (posibilidad de utilizar el fenómeno de emisión estimulada) 1954 N. G. Basov, A. M. Prokhorov y C. Towns (desarrollo de un generador de microondas) 1963 N. G. Basov, A. M Prokhorov y C. Towns reciben el Premio Nobel de Historia de la invención del láser.
Directividad Monocromaticidad Coherencia Intensidad Propiedades de la radiación láser.
Cuando se usa un láser, a menudo se usa un sistema de tres niveles de energía de un átomo, el segundo de los cuales es metaestable con una vida útil del átomo de hasta 10 -3 s.
Esquema de bomba óptica de tres niveles Se indica la "vida útil" de los niveles E2 y E3. El nivel E2 es metaestable. La transición entre los niveles E3 y E2 no es radiativa. La transición láser se realiza entre los niveles E2 y E1.
El láser generalmente consta de tres elementos principales: * Fuente de energía (mecanismo de bombeo) * Fluido de trabajo; * Sistema de espejos ("resonador óptico").
La parte principal de un láser de rubí es una varilla de rubí. El rubí está compuesto de átomos de Al y O con una mezcla de átomos de Cr. Son los átomos de cromo los que le dan al rubí su color y tienen un estado metaestable.
Los láseres son capaces de producir haces de luz con un ángulo de divergencia muy pequeño. Todos los fotones de la radiación láser tienen la misma frecuencia (monocromaticidad) y la misma dirección (consistencia). Los láseres son fuentes de luz potentes (hasta 10 9 W, es decir, más que la potencia de una gran planta de energía).
Procesamiento de materiales (corte, soldadura, perforación); En cirugía en lugar de un bisturí; en oftalmología; Holografía; Comunicación mediante fibra óptica; localización láser; El uso de un rayo láser como portador de información.
¿Qué es un láser? LASER (generador cuántico óptico) es un dispositivo que convierte la energía de bombeo (luminosa, eléctrica, térmica, química, etc.) en la energía de un flujo de radiación coherente, monocromático, polarizado y de dirección estrecha. La palabra "láser" es una abreviatura de las palabras de la frase en inglés "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation" - amplificación de luz por emisión estimulada.
Cuento aparición del láser 1916 - A. Einstein predice la existencia del fenómeno de emisión estimulada de la base física para el funcionamiento de cualquier láser d.- justificación teórica de este fenómeno por P. Dirac d.- confirmación experimental del fenómeno de estimulación emisión de R. Ladenburg y G. Kopfermann D. - el primer generador de microondas (máser de amoníaco), los creadores de Ch. Towns e independientemente de él A. Prokhorov y N. Basov, el Sr. T. Meiman demostró el funcionamiento del primer generador de láser cuántico óptico. En los años siguientes, se produce un rápido desarrollo y se inventan más y más nuevos tipos de láseres (láseres químicos, semiconductores, colorantes y otros).
