2015-ieji yra Tarptautiniai šviesos ir šviesa pagrįstų technologijų metai (IYL2015), kuriais taip pat UNESCO Vykdomoji taryba pasirašė sprendimą kasmet gegužės 16-ąją paskelbti „Tarptautinė šviesos diena“. Priežastis, kodėl pasirinkote gegužės 16 d.,...
2015 m., Tarptautiniais šviesos ir šviesa pagrįstų technologijų metais (IYL2015), UNESCO Vykdomoji taryba pasirašė sprendimą kasmet gegužės 16 d. paskelbti Tarptautine šviesos diena.
Gegužės 16-oji pasirinkta todėl, kad 1960 metų gegužės 16 dieną amerikiečių fizikas Meymanas sukūrė pirmąjį lazerio spindulį žmonijos istorijoje.
Meyman ir rubino lazeris.
Taigi, kas tiksliai yra lazeris? Ir kodėl tai taip svarbu?
Norėdami atsakyti į šiuos du klausimus, turime suprasti Meymano darbo priežastis ir pasekmes.
Kodėl objektai skleidžia šviesą?
1912 m. fizikai vis dar buvo apsėsti to, kaip atrodo atomas, pasaulio pamatas.
Šiais metais buvo paskelbti trys danų fiziko Bohro straipsniai, kuriuose Bohras pritaikė kvantinę teoriją Rutherfordo atomo modeliui ir pasiūlė garsųjį Boro modelį.
Bohro modelis sugebėjo paaiškinti reiškinius, kurių tuo metu negalėjo paaiškinti kiti modeliai, ir numatė kai kuriuos rezultatus, kuriuos vėliau galėjo patvirtinti eksperimentai, todėl vėliau jis buvo visuotinai priimtas mokslo bendruomenės.
Bohro modelis yra planetinis modelis, o tai reiškia, kad neigiamo krūvio elektronai juda aplink teigiamai įkrautą branduolį kaip planeta.
Bohro modelio subtilumas yra tas, kad šių elektronų orbitos parenkamos ne atsitiktinai, o tik į tam tikras apibrėžtas reikšmes.
Bohro vandenilio atomo modelis.
Vidinė elektronų orbita vadinama pagrindine būsena, orbita išoriniame sluoksnyje – pirmąja sužadinta būsena, išorinis sluoksnis – antra sužadinta būsena ir t.t.
Galime pastebėti, kad šių skirtingų orbitų elektronų energijos yra skirtingos, todėl šias orbitales galime „išlyginti“ ir gauname tam tikrus energijos lygius. Spontaninės spinduliuotės energijos lygiai.
Dėl energijos taupymo elektronai nori peršokti nuo žemų energijos lygių į aukštus energijos lygius, jūs turite sugerti atitinkamą energiją iš išorinio pasaulio, šį procesą vadiname stimuliuojamu absorbcija. Panašiai elektronas iš aukšto energijos lygio nukris į žemos energijos lygį, tikrai taip pat išskirs atitinkamą energiją, įrodyta, kad šis procesas išskirs fotoną, tai yra, elektronas bus šviesus, todėl šis procesas vadinamas spontaniška spinduliuotė.
Įprastų šviesos šaltinių liuminescencijos principas mūsų gyvenime yra spontaniška spinduliuotė.
Liuminescencinės lempos.
Priversti šviesą „elgti“
Yra tam tikrų problemų, susijusių su spontaniškos spinduliuotės sukuriama šviesa: atomuose yra daug energijos lygių, ir šie fotonai gali atsirasti dėl spontaniškos spinduliuotės pirmojo energijos lygio arba savaiminės spinduliuotės trečiajame energijos lygyje ...
Tai lemia skirtingą šių fotonų energiją, o vieno fotono energija lemia šviesos dažnį, tai yra, spontaniškos spinduliuotės sukuriamos šviesos dažnis yra atsitiktinis.
Kitas dalykas yra tai, kad spontaniškos spinduliuotės laikas gaminti fotonus, taip pat fotonų judėjimo kryptis taip pat nėra mūsų kontroliuojamas, todėl spontaniška spinduliuotė sukuria šviesą, fazė taip pat yra atsitiktinė.
Čia paminėtas dažnis ir fazė yra visos šviesos kaip elektromagnetinės bangos savybės. Dažnis gali būti suprantamas kaip šviesos bangos virpesių greitis, nuo kurio priklauso ir mūsų matomos šviesos spalva; fazė gali būti suprantama kaip šviesos bangos perdavimo padėtis.
Šviesa kaip elektromagnetinė banga.
Trumpai tariant, įprastų šviesos šaltinių skleidžiama šviesa yra tarsi krūva žmonių, besigrūdančių metro, jie yra seni ir jauni, vyrai ir moterys, dėvi skirtingomis spalvomis važiuoti metro ir vaikšto ne taip greitai, kai kurie jau gavo. traukinyje, o kai kurie vis dar tikrina bilietus.
Tai atvedė prie įprastų šviesos šaltinių, nors apšvietimo pakako naudoti, tačiau mokslinių tyrimų srityje, ypač tiriant šviesos prigimtį, kovinė galia yra tikrai bendra.
Galiausiai, 1917 m., atsirado kitas šviesos būdas, tai yra, Einšteinas pasiūlė stimuliuojamos spinduliuotės teoriją.
Stimuliuota spinduliuotė.
Sužadintos spinduliuotės teorija reiškia, dabar tarkime, kad pirmoji sužadinta elektrono būsena, kai pataikė fotonas, ir šio fotono energija tiksliai lygi pirmajai sužadintai būsenai ir tarpui tarp pagrindinės būsenos, tada šį kartą pirmoji Sužadinta elektrono būsena bus "gundoma" užbaigti spontaniškos spinduliuotės atvejį, išspinduliuojant "identišką" fotoną.
Dėl šio „gundomo fotono“ egzistavimo šį procesą vadiname sužadinta spinduliuote.
Jei bus pakankamai didelės energijos elektronų, šis procesas tęsis, galiausiai suformuodamas didelę „suviliotų“ fotonų grupę, šį procesą vadinsime šviesos stiprinimo procesu, svarbiausia, kad šių fotonų fazė ir dažnis būtų būtent tas pats. Kaip tvarkinga ir tvarkinga kariuomenė, o aukščiau minėta „išspausk metro“ spontaniška spinduliuotė yra visiškai kitokia.
Kiek žingsnių reikia norint sukurti lazerį?
Pirmasis žingsnis yra dalelių skaičiaus inversija.
Turėdami sužadintos spinduliuotės teoriją, žmonės stebisi, kaip šią teoriją panaudoti kuriant šviesos šaltinį, galintį skleisti tvarkingą ir tvarkingą šviesą.
Kai kurie skaitytojai gali pasakyti: „Kodėl tiesiog nepaėmus šviesos ir neprašvietus jos? Kas čia tokio sudėtingo?
Tokių abejonių turintys skaitytojai turėtų atkreipti dėmesį į anksčiau minėtą žodį „pakankamai“ ir nepamiršti mūsų susijaudinusio sugėrimo fenomeno.
Jei nėra pakankamai elektronų esant dideliam energijos lygiui, sužadintos spinduliuotės skaičius yra mažesnis nei sužadintos sugerties skaičius, kai šviesos pluoštas pataiko, nebus išspinduliuojamas šviesos stiprinimas, o bus pagrindinės būsenos elektronų sužadinta absorbcija, todėl šviesos praradime.
Tiesą sakant, natūraliu atveju pagrindinės būsenos elektronų skaičius yra daug didesnis nei sužadintų elektronų skaičius kambario temperatūroje, pavyzdžiui, dviejų energijų sistemoje (tai yra tik pagrindinė ir pirmoji sužadinta būsena). energijos sistema) pagrindinės būsenos elektronų skaičius yra maždaug 10 iš 170 kartų didesnis už sužadintų elektronų skaičių!
Taigi, norint panaudoti sužadintos spinduliuotės principą šviesos šaltiniui sukurti, pirmoji problema, kurią reikia išspręsti, yra padidinti dalelių skaičių aukštesniuose energijos lygiuose nei dalelių skaičių žemesniuose energijos lygiuose, ty pasiekti dalelių skaičių. inversija.
Kaip pasiekti dalelių skaičiaus pasikeitimą?
Pagrindinė idėja yra siurbti daleles iš pagrindinės būsenos į didelės energijos būseną, kaip ir siurblį.
Tai lengviau pasakyti nei padaryti.
Vandenį siurbiančios dalelės.
Antras žingsnis – sukurti pirmtaką.
1951 m. amerikiečių fizikas Townsas sumanė, kaip pasiekti dalelių skaičiaus inversiją amoniako molekulėje.
Amoniako molekulė yra dviejų energijų sistema ir įprastomis aplinkybėmis neįmanoma pasiekti dalelių skaičiaus inversijos, nes sužadintos absorbcijos ir sužadintos spinduliuotės tikimybė yra vienoda, taip pat yra spontaninės spinduliuotės buvimas, o tai lemia tai, kad dalelių skaičius aukštesniuose energijos lygiuose turi būti mažesnis už dalelių skaičių pradinėje būsenoje.
Townso požiūris buvo išradingas, nes jis naudojo magnetinį lauką, kad atskirtų pradinės būsenos ir sužadintos būsenos amoniako molekules, išskirdamas sužadintos būsenos amoniako molekules, kurios turi būti dedamos į mikrobangų rezonansinę ertmę, kurioje buvo pasiektas dalelių skaičiaus pasikeitimas.
Po trejų metų, pasinaudodamas šia idėja, Townsas pastatė pirmąjį „MASER“. Kas yra MASER?
MASER vadinamas mikrobangų stiprinimas stimuliuojama spinduliuote, o tai reiškia "mikrobangų stiprinimą stimuliuojama spinduliuote". Lazerinis LASER vadinamas šviesos stiprinimas stimuliuojamos spinduliuotės būdu, o tai reiškia "šviesos stiprinimą stimuliuojama spinduliuote".
Aukščiau minėjome, kad šviesa yra elektromagnetinė banga, o mikrobangos yra kita elektromagnetinė banga.
Elektromagnetinės bangos gali būti klasifikuojamos pagal jų dažnį: mikrobangų dažnis yra nuo 300 MHz iki 300 GHz, o matoma šviesa - nuo 3,9 iki 7,5 karto nuo 10 iki 14 galios Hz.
Iš pavadinimo matome skirtumą tarp MASER ir LAZER, daugiausia veikimo dažnių skirtumu, MASER nuo LASER yra tik vienas žingsnis.
Miestai ir pirmasis MASER.
Trečias žingsnis – užbaigti tris pagrindinius lazerio komponentus.
MASER įdiegimas išsprendė dalelių skaičiaus inversijos problemą. Vos per trejus metus ši technologija pažengė į priekį, ir šiuo metu visi nori paskubėti ir žengti žingsnį toliau, paversdami šį mikrobangų stiprintuvą optiniu stiprintuvu ir sukurdami tą svajonių šviesos šaltinį – lazerį.
Iki šiol mums pavyko neaiškiai apibendrinti trijų pagrindinių lazerio komponentų sudėtį:
Pirmasis yra poreikis pasiekti medžiagos dalelių skaičiaus inversiją, kaip ir amoniako molekules, vadiname stiprinimo terpe; antrasis yra tinkamas siurbimo būdas, mes jį vadiname siurbimu; trečia – aukščiau paminėti miestai su rezonansine ertme, o apie rezonansinės ertmės vaidmenį pakalbėsime vėliau.
1958 m. Townsas ir Shorro bendradarbiavo kurdami teorinį dokumentą, kuriame pirmą kartą teoriniu požiūriu buvo numatytas lazerių pagrįstumas. Šiuo metu Townsui viskas buvo paruošta, išskyrus vėją!
1960 m. gegužės 16 d. Meymanas pasuko kitu keliu ir pirmasis žmonijos istorijoje pastatė pirmąjį lazerį.
Istorija apie tai, kaip Meyman ten pirmą kartą pateko, yra žavi istorija su daugybe vingių. Bet sutelkime dėmesį į jo rubino lazerį.
Rubino lazerio schema.
Šis lazeris labai aiškiai parodo tris pagrindinius lazerio komponentus, taip pat galime juos pristatyti paeiliui.
Vidutinis pelnas:
Meyman pasirinkta stiprinimo terpė yra rubinas, kuris yra chromu legiruotas aliuminio trioksidas.
Trijų energijų sistemos schema.
Ši stiprinimo terpė yra trijų energijų sistema, o ši trijų energijų sistema dalelių skaičiaus inversijai pasiekti yra daug paprastesnė nei ankstesnė dviejų lygių sistema. Yra keletas ypatingų rubino trijų lygių sistemos ypatybių, ir mes galime suprasti, kaip ji pasiekia dalelių skaičiaus inversiją pumpavimo procesu.
Pirma, pagrindinės būsenos dalelės tinkamu sužadinimu perkeliamos tiesiai į E3 energijos lygį, o tarp E3 ir E2 energijos lygių vyksta be spinduliuotės šuolio procesas, o tai reiškia, kad E3 dalelės susidūrimo metu greitai nubėgs į E2. , o sumažinta energija vietoj liuminescencijos tampa šiluminio judėjimo energija.
Be to, E2 būsena yra substabili, tai yra, dalelės, patenkančios į E3 energijos lygį, ilgą laiką gali išlikti E2 energijos lygyje. Tai prilygsta E3 energijos lygio naudojimui kaip perėjimui dalelėms pernešti iš pradinės būsenos į E2, ir leiskite procesui tęsti, dalelių skaičius E2 viršys pradinės būsenos dalelių skaičių ir pasieksite dalelių skaičių. inversija.
Tiesą sakant, rubino lazerio efektyvumas yra labai mažas, tik 0,1 proc., kurį riboja stiprinimo terpė, nes trijų energijų sistemai reikia labai daug energijos, kad pagrindinės būsenos dalelės būtų pumpuojamos į didelės energijos būsena. Be to, šio lazerio bangos ilgis yra 694,3 nm, kurį taip pat lemia stiprinimo terpė.
Tobulėjant lazeriui, palaipsniui didėjo stiprinimo terpės tipai, įskaitant dujinį, kietąjį, skystąjį, pluoštą, puslaidininkį ir kt., pavyzdžiui, klasėje dažniausiai naudojamas lazerinis žymeklis yra puslaidininkinis lazeris.
Trumpai tariant, nesvarbu, kuri stiprinimo terpė, ji turi turėti metodą, kuris gali pasiekti dalelių skaičiaus inversiją.
Siurbimas:
Pirmojo rubino lazerio siurblio lempa.
Akivaizdžiausias Meynman lazerio bruožas yra tai, kad jo siurblio šaltinis yra spiralinė ksenono lempa, spiralės forma užtikrina, kad rubino juosta būtų tarp lempų. Be to, ši lempa siurbimui vis dar naudoja impulsinę šviesą, o tai reiškia, kad jos skleidžiama šviesa yra ne nuolatinė, o pliūpsniais. Tai yra svarbiausia Meynman konstrukcija, kad nuolatinė didelės energijos siurbimo šviesa nepažeistų kristalo.
Rezonansinė ertmė:
Rezonansinės ertmės schema.
Dviejuose rubino juostos galuose Meyman padėjo du veidrodžius ir dešinėje pusėje iškasė nedidelę skylę, kad sužadintos spinduliuotės šviesa galėtų judėti pirmyn ir atgal per stiprinimo terpę, kad „priviliotų“ daugiau fotonų, o pasiekęs Tam tikro intensyvumo lazerio šviesa būtų išspinduliuojama per mažą skylę.
Kuo naudojamas lazeris?
Maymanas surengė spaudos konferenciją po lazerio išradimo, kurioje žurnalistas uždavė šį klausimą, Maymanas pateikė 5 pasiūlymus: 1:
1. naudojamas šviesai stiprinti, pvz., gaminant didelės galios lazerius, silpnesnei šviesai sustiprinti naudojami optiniai stiprintuvai;
2. gali naudoti lazerius medžiagai tirti;
3. kosminėms komunikacijoms naudoti didelės galios lazerio spindulius;
4. naudojamas komunikacijos kanalų skaičiui padidinti (tai vėliau atsirado kaip šviesolaidinis ryšys);
5. sufokusuoti spindulį, kad būtų sukurtas itin didelis šviesos intensyvumas, skirtas medžiagoms pjauti ar suvirinti pramonėje arba chirurginėms operacijoms medicinoje ir pan.
Turime žavėtis puikiu Mehmano moksliniu jausmu, ir visi šie jo pasiūlymai vėliau buvo įgyvendinti.
Prisimenate sužadintos spinduliuotės sukurtų fotonų ypatybes?
Jie turi tą patį dažnį ir fazę, o lazeris iš esmės yra sužadintos spinduliuotės šviesos stiprinimas, todėl dvi svarbiausios lazerio charakteristikos yra geras monochromatiškumas ir didelė energija. Šios dvi charakteristikos lemia lazerių panaudojimą, ir tai yra dvi lazerių kūrimo kryptys.
Geras monochromatiškumas reiškia, kad lazerio spektras yra labai siauras ir gali lengvai parodyti šviesos, kaip bangos, charakteristikas, ir mes galime jį panaudoti fazės informacijai įrašyti.
Pavyzdžiui, holografinė foto technologija, kurią 1947 m. išrado britų fizikas Dennisas Gerberis, iš esmės yra šviesos fazės naudojimas, norint įrašyti visą informacijos apie objektą spektrą, kad būtų sukurtas trimatės fotografijos efektas.
Holografinėse nuotraukose galima įrašyti ne tik priekinę, bet ir šoninę informaciją.
Tik išradus lazerį ši technologija tapo prieinama ir 1971 metais buvo apdovanota Nobelio fizikos premija.
Didelė energija yra gerai suprantama, mes galime naudoti lazerius įrašyti kompaktinius diskus, įgalinti branduolių sintezę, pjaustyti medžiagas ir tt Mes galime ne tik generuoti nuolatinius didelės energijos lazerius, bet ir gauti didelės energijos lazerius su labai trumpu impulsu. trukmės naudojant užrakinto filmo techniką ir čirpimo stiprinimą.
Impulsų generavimo diagrama su plėvelės fiksavimo technologija.
Femtosekundiniai lazeriai dabar yra plačiai prieinami, o vieno impulso trukmė yra tik femtosekundės (atėmus 15 sekundžių iš 10).
Šiuo lazeriu galime atlikti tikslius smūgius į medžiagą nepadarydami didelės žalos, pvz., trumparegystės taisymo operacijos, medžiagos paviršiaus pakeitimo, antiseptinių savybių sustiprinimo ir pan.
