2015 este Anul internațional al luminii și al tehnologiilor bazate pe lumină (IYL2015), care este și anul în care Consiliul executiv al UNESCO a semnat decizia de a stabili data de 16 mai în fiecare an drept „Ziua internațională a luminii”. Motivul alegerii zilei de 16 mai este...
În 2015, Anul Internațional al Luminii și al Tehnologiilor bazate pe Lumină (IYL2015), Consiliul Executiv al UNESCO a semnat decizia de a desemna data de 16 mai a fiecărui an drept Zi Internațională a Luminii.
16 mai a fost aleasă deoarece pe 16 mai 1960, fizicianul american Meyman a creat primul fascicul laser din istoria omenirii.
Meyman și laserul rubin.
Deci, ce este exact un laser? Și de ce este atât de important?
Pentru a răspunde la aceste două întrebări, trebuie să înțelegem cauzele și consecințele lucrării lui Meyman.
De ce obiectele emit lumină?
În 1912, fizicienii erau încă obsedați de cum arăta atomul, temelia lumii.
În acest an, au fost publicate trei lucrări ale fizicianului danez Bohr, în care Bohr a aplicat teoria cuantică modelului atomic al lui Rutherford și a propus celebrul model Bohr.
Modelul lui Bohr a fost capabil să explice fenomene care nu puteau fi explicate de alte modele la acel moment și a prezis unele rezultate care puteau fi confirmate prin experimente ulterior, așa că a fost acceptat în general de comunitatea științifică ulterior.
Modelul Bohr este un model planetar, ceea ce înseamnă că electronii încărcați negativ se mișcă în jurul unui nucleu încărcat pozitiv ca o planetă.
Subtilitatea modelului Bohr este că orbitele acestor electroni nu sunt alese la întâmplare, ci doar la niște valori definite.
Modelul lui Bohr al atomului de hidrogen.
Cel mai interior orbital de electroni se numește starea fundamentală, orbitalul din stratul exterior se numește prima stare excitată, stratul exterior este a doua stare excitată și așa mai departe.
Putem observa că energiile electronilor acestor orbitali diferiți sunt diferite, așa că putem „aplatiza” acești orbitali și obținem niște niveluri de energie. Nivelurile de energie ale radiațiilor spontane.
Din cauza conservării energiei, electronii vor să sară de la niveluri scăzute de energie la niveluri ridicate de energie, trebuie să absorbi energia corespunzătoare din lumea exterioară, acest proces îl numim absorbție stimulată. În mod similar, electronul de la nivelul de energie ridicat să cadă la nivelul de energie scăzut, cu siguranță va elibera și energia corespunzătoare, este dovedit că acest proces va emite un foton, adică electronul va fi luminos, așa că acest proces se numește radiatii spontane.
Principiul luminiscenței surselor de lumină comune din viața noastră este radiația spontană.
Lampă fluorescentă.
A face lumina să se „comporte”
Există unele probleme cu lumina produsă de radiații spontane: există multe niveluri de energie în atomi, iar acești fotoni pot fi produși de radiații spontane la primul nivel de energie sau de radiații spontane la al treilea nivel de energie ......
Acest lucru duce la diferite energii ale acestor fotoni, iar energia unui singur foton determină frecvența luminii, adică frecvența luminii produsă de radiația spontană este aleatorie.
Un alt punct este că momentul radiației spontane pentru a produce fotoni, precum și direcția mișcării fotonului nu este, de asemenea, sub controlul nostru, ceea ce va duce la radiația spontană pentru a produce lumină, faza fiind, de asemenea, aleatorie.
Frecvența și faza menționate aici sunt toate proprietățile luminii ca undă electromagnetică. Frecvența poate fi înțeleasă ca viteza de vibrație a undei luminoase, care determină și culoarea luminii pe care o vedem; faza poate fi înțeleasă ca poziția transmisiei undei luminoase.
Lumina ca o undă electromagnetică.
Pe scurt, lumina generată de sursele obișnuite de lumină este ca o grămadă de oameni care se înghesuie în metrou, sunt bătrâni și tineri, bărbați și femei, purtând culori diferite pentru a lua metroul și nu merg la fel de repede, unii au ajuns deja. în tren, în timp ce unii încă verifică biletele.
Acest lucru a condus la surse de lumină obișnuite, deși în viața de iluminat a fost suficient de utilizat, dar în domeniul cercetării științifice, în special studiul naturii luminii, puterea de luptă este cu adevărat generală.
În cele din urmă, în 1917, a apărut un alt mod de a lumina, adică Einstein a propus teoria radiației stimulate.
Radiații stimulate.
Teoria radiației excitate înseamnă că acum presupunem că prima stare excitată a unui electron, atunci când un foton a lovit, și energia acestui foton este exact egală cu prima stare excitată și decalajul dintre starea fundamentală, apoi de data aceasta, prima starea excitată pe electron va fi „tentată” să completeze cazul radiației spontane, emițând o Fotonul „identic” este eliberat.
Datorită existenței acestui „foton tentat”, numim acest proces radiație excitată.
Dacă există destui electroni de înaltă energie, acest proces va continua, formând în cele din urmă un grup mare de fotoni „seduși”, vom numi acest proces proces de amplificare a luminii, cel mai important lucru este că faza și frecvența acestor fotoni este exact la fel. Ca o armată îngrijită și ordonată, iar radiația spontană de mai sus „strânge metroul” este complet diferită.
Câți pași sunt necesari pentru a construi un laser?
Primul pas este inversarea numărului de particule.
Cu teoria radiațiilor excitate, oamenii se întreabă cum să folosească această teorie pentru a construi o sursă de lumină care poate emite o lumină îngrijită și ordonată.
Unii cititori ar putea spune: „De ce să nu luați lumina și să o străluciți? Ce este atât de dificil?
Cititorii care au astfel de îndoieli ar trebui să acorde atenție cuvântului „destul” menționat mai devreme și să nu uite fenomenul nostru de absorbție excitată.
Dacă nu există suficienți electroni la niveluri ridicate de energie, numărul de radiații excitate este mai mic decât numărul de absorbție excitată, atunci când un fascicul de lumină lovește, nu va fi emisă o amplificare a luminii, ci va fi absorbția excitată a electronilor din starea fundamentală, rezultând în pierderea luminii.
De fapt, în cazul natural, numărul de electroni de stare fundamentală este mult mai mare decât numărul de electroni excitați, la temperatura camerei, de exemplu, un sistem cu două energii (adică doar starea fundamentală și prima stare excitată a sistemul energetic) numărul de electroni de stare fundamentală este de aproximativ 10 din 170 de ori numărul de electroni excitați!
Deci, pentru a utiliza principiul radiației excitate pentru a crea o sursă de lumină, prima problemă de rezolvat este să faceți numărul de particule la niveluri de energie mai mari decât numărul de particule la niveluri mai mici de energie, adică să obțineți numărul de particule. inversiune.
Cum se realizează inversarea numărului de particule?
Ideea de bază este de a pompa particulele din starea fundamentală în starea de înaltă energie, la fel ca o pompă.
Acest lucru este mai ușor de spus decât de făcut.
Particule de pompare a apei.
Al doilea pas este construirea unui predecesor.
În 1951, fizicianul american Towns s-a gândit la modul de a realiza inversarea numărului de particule în molecula de amoniac.
Molecula de amoniac este un sistem cu două energii și este imposibil să se realizeze inversarea numărului de particule în circumstanțe normale, deoarece probabilitatea de absorbție excitată și radiația excitată sunt aceleași, precum și prezența radiațiilor spontane, ceea ce duce la faptul că numărul de particule la niveluri mai mari de energie trebuie să fie mai mic decât numărul de particule în starea fundamentală.
Abordarea lui Towns a fost ingenioasă, deoarece a folosit un câmp magnetic pentru a distinge între moleculele de amoniac în starea fundamentală și starea excitată, evidențiind moleculele de amoniac în starea excitată pentru a fi plasate într-o cavitate rezonantă de microunde, în care a fost realizată inversarea numărului de particule.
Trei ani mai târziu, folosind această idee, Towns a construit primul „MASER”. Ce este MASER?
MASER se numește Amplificare cu microunde prin emisie stimulată de radiații, ceea ce se traduce prin „amplificarea microundelor prin radiație stimulată”. Laser LASER se numește amplificare a luminii prin emisie stimulată de radiații, ceea ce se traduce prin „amplificarea luminii prin radiație stimulată”.
Am menționat mai sus că lumina este o undă electromagnetică, iar microundele este o altă undă electromagnetică.
Undele electromagnetice pot fi clasificate în funcție de frecvența lor, cu microunde variind de la 300 MHz până la 300 GHz, iar lumina vizibilă variind de la 3,9 până la 7,5 ori 10 până la a 14-a putere Hz.
Din denumire se vede diferenta dintre MASER si LAZER, in principal in diferenta de benzi de operare, MASER este la doar un pas de LASER.
Orașe și primul MASER.
Al treilea pas este finalizarea celor trei componente majore ale laserului.
Introducerea MASER a rezolvat problema inversării numărului de particule. În doar trei ani, această tehnologie a progresat cu salturi și în acest moment toată lumea vrea să se grăbească și să facă un pas mai departe, transformând acest amplificator cu microunde într-un amplificator optic și creând acea sursă de lumină de vis, laserul.
Până acum am reușit să rezumăm vag compoziția laserului a trei componente majore:
Prima este necesitatea de a realiza inversarea numărului de particule a substanței, la fel ca moleculele de amoniac, numim mediu de câștig; a doua este metoda adecvată de pompare, o numim pompare; al treilea este Orașele menționate mai sus cu cavitate rezonantă, cât despre rolul cavității rezonante vom vorbi mai târziu.
În 1958, Towns și Shorro au colaborat la o lucrare teoretică care a prezis pentru prima dată fezabilitatea laserelor din punct de vedere teoretic. În acest moment, totul era pregătit pentru Orașe, cu excepția vântului!
Pe 16 mai 1960, Meyman a luat o cale diferită și a fost primul care a construit primul laser din istoria omenirii.
Povestea cum a ajuns Meyman acolo primul este o poveste fascinantă, cu multe întorsături. Dar să ne concentrăm aici pe laserul lui rubin.
Schema schematică a laserului rubin.
Acest laser arată foarte clar cele trei componente majore ale laserului, la fel de bine le putem introduce pe rând.
Câștigă mediu:
Mediul de câștig ales de Meyman este rubinul, care este trioxid de aluminiu dopat cu crom.
Schema sistemului cu trei energii.
Acest mediu de câștig este un sistem cu trei energii, iar acest sistem cu trei energii pentru a obține inversarea numărului de particule este mult mai simplu decât sistemul anterior cu două niveluri. Există câteva caracteristici speciale ale sistemului rubin cu trei niveluri și putem înțelege cum realizează inversarea numărului de particule prin procesul său de pompare.
În primul rând, particulele de stare fundamentală sunt transportate direct la nivelul de energie E3 printr-o excitație adecvată și există un proces de salt fără radiații între nivelurile de energie E3 și E2, ceea ce înseamnă că particulele de pe E3 vor alerga rapid la E2 prin ciocniri. , iar energia redusă devine energie termică de mișcare în loc de luminiscență.
În plus, starea E2 este substabilă, adică particulele care cad la nivelul de energie E3 pot rămâne la nivelul de energie E2 mult timp. Acest lucru este echivalent cu utilizarea nivelului de energie E3 ca o tranziție pentru a transporta particulele de la starea fundamentală la E2 și lăsați procesul să continue, numărul de particule din E2 va depăși numărul de particule din starea fundamentală, obținând numărul de particule. inversiune.
De fapt, eficiența laserului rubin este foarte scăzută, doar 0,1 la sută, care este limitată de mediul de câștig, deoarece sistemul cu trei energii necesită energie foarte mare pentru a pompa particulele de stare fundamentală către stare de înaltă energie. În plus, lungimea de undă a acestui laser este de 694,3 nm, care este determinată și de mediul de câștig.
Odată cu dezvoltarea laserului, tipurile de mediu de câștig au crescut treptat, inclusiv gaz, solid, lichid, fibre, semiconductor etc., cum ar fi indicatorul laser utilizat în mod obișnuit în sala de clasă este un laser semiconductor.
Pe scurt, indiferent de mediu de câștig, trebuie să aibă o metodă care să poată realiza inversarea numărului de particule.
Pompare:
Lampa pompă a primului laser rubin.
Cea mai evidentă caracteristică a laserului Meynman este că sursa sa de pompă este o lampă cu xenon în spirală, forma spirală asigură că bara de rubin este plasată între lămpi. În plus, această lampă folosește în continuare lumină pulsată pentru pompare, ceea ce înseamnă că lumina pe care o emite nu este continuă, ci în rafale. Acesta este cel mai important design al lui Meynman, astfel încât lumina de pompare continuă de înaltă energie să nu deterioreze cristalul.
Cavitatea rezonantă:
Schema de schema a cavitatii rezonante.
La cele două capete ale barei de rubin, Meyman a plasat două oglinzi și a săpat o mică gaură în partea dreaptă, astfel încât lumina din radiația excitată să poată călători înainte și înapoi prin mediul de câștig pentru a „atrage” mai mulți fotoni, iar după ce a ajuns la un cu o anumită intensitate, lumina laser ar fi emisă prin gaura mică.
La ce folosește laserul?
Mayman a susținut o conferință de presă după inventarea laserului, în care un reporter a pus această întrebare, Mayman a dat 5 sugestii: 1:
1. este folosit pentru a amplifica lumina, de exemplu, la fabricarea laserelor de mare putere, se folosesc amplificatoare optice pentru a amplifica lumina mai slaba;
2. poate folosi lasere pentru a studia materia;
3. să utilizeze fascicule laser de mare putere pentru comunicațiile spațiale;
4. folosit pentru a crește numărul de canale de comunicare (aceasta a apărut ulterior ca comunicație prin fibră optică);
5. să focalizeze fasciculul pentru a produce intensitate luminoasă ultra-înalta pentru tăierea sau sudarea materialelor în industrie, sau pentru efectuarea unei intervenții chirurgicale în medicină etc.
Trebuie să admirăm simțul științific acut al lui Mehman și toate aceste sugestii pe care le-a făcut au fost ulterior îndeplinite.
Vă amintiți caracteristicile fotonilor produși de radiația excitată?
Au aceeași frecvență și fază, iar laserul este în esență o amplificare a luminii din radiația excitată, astfel încât cele mai importante două caracteristici ale laserului sunt monocromaticitatea bună și energia ridicată. Aceste două caracteristici determină utilizările laserului și acestea sunt cele două direcții de dezvoltare a laserului.
Monocromaticitatea bună înseamnă că spectrul laserului este foarte îngust și poate arăta cu ușurință caracteristicile luminii ca undă, iar apoi îl putem folosi pentru a înregistra informații despre fază.
De exemplu, tehnologia foto holografică inventată de fizicianul britanic Dennis Gerber în 1947 este, în esență, utilizarea fazei luminii pentru a înregistra întreaga gamă de informații despre obiect, astfel încât să producă efectul fotografiei tridimensionale.
Fotografiile holografice pot înregistra nu numai informații frontale, ci și informații laterale.
Abia după inventarea laserului, această tehnologie a devenit disponibilă și a fost distinsă cu Premiul Nobel pentru Fizică în 1971.
Energia mare este bine înțeleasă, putem folosi lasere pentru a arde CD-uri, pentru a permite fuziunea nucleară, pentru a tăia materiale etc. Nu numai că putem genera lasere continue de înaltă energie, dar putem obține și lasere de mare energie cu puls foarte scurt. durate prin tehnica filmului blocat și amplificarea ciripitului.
Diagrama generarii impulsurilor cu tehnologia de blocare a filmului.
Laserele cu femtosecunde sunt acum disponibile pe scară largă, iar durata unui singur impuls este doar de ordinul femtosecundelor (minus 15 secunde din 10).
Cu acest laser, putem oferi lovituri precise unei substanțe fără a provoca prea multe daune, cum ar fi operația de reparare a miopiei, modificarea suprafeței unei substanțe, îmbunătățirea proprietăților sale antiseptice etc.
