2015 on kansainvälinen valon ja valoon perustuvien tekniikoiden vuosi (IYL2015), jolloin Unescon johtokunta allekirjoitti päätöksen asettaa 16. toukokuuta joka vuosi "kansainväliseksi valon päiväksi". Syy valita 16. toukokuuta on...
Vuonna 2015, kansainvälisenä valon ja valoon perustuvien tekniikoiden vuonna (IYL2015), UNESCO:n johtokunta allekirjoitti päätöksen nimetä 16. toukokuuta joka vuosi kansainväliseksi valon päiväksi.
Toukokuun 16. päivä valittiin, koska 16. toukokuuta 1960 amerikkalainen fyysikko Meyman loi ensimmäisen lasersäteen ihmiskunnan historiassa.
Meyman ja rubiini laser.
Joten mikä laser oikein on? Ja miksi se on niin tärkeää?
Vastataksemme näihin kahteen kysymykseen meidän on ymmärrettävä Meymanin työn syyt ja seuraukset.
Miksi esineet säteilevät valoa?
Vuonna 1912 fyysikot olivat vielä pakkomielle siitä, miltä atomi, maailman perusta, näytti.
Tänä vuonna julkaistiin kolme tanskalaisen fyysikon Bohrin artikkelia, joissa Bohr sovelsi kvanttiteoriaa Rutherfordin atomimalliin ja ehdotti kuuluisaa Bohrin mallia.
Bohrin malli pystyi selittämään ilmiöitä, joita ei tuolloin pystytty selittämään muilla malleilla, ja ennusti joitakin tuloksia, jotka voitiin vahvistaa myöhemmin kokeilla, joten tiedeyhteisö hyväksyi sen jälkeenpäin yleisesti.
Bohrin malli on planeettamalli, mikä tarkoittaa, että negatiivisesti varautuneet elektronit liikkuvat positiivisesti varautuneen ytimen ympärillä kuten planeetta.
Bohrin mallin hienovaraisuus on, että näiden elektronien kiertoradat eivät ole sattumanvaraisia, vaan vain tiettyihin arvoihin.
Bohrin malli vetyatomista.
Sisintä elektronirataa kutsutaan perustilaksi, ulomman kerroksen kiertorataa kutsutaan ensimmäiseksi viritetyksi tilaksi, ulompaa kerrosta kutsutaan toiseksi viritetyksi tilaksi ja niin edelleen.
Voimme huomata, että näiden eri kiertoratojen elektronienergiat ovat erilaisia, joten voimme "tasoittaa" nämä kiertoradat ja saamme joitain energiatasoja. Spontaanit säteilyenergiatasot.
Energian säilymisen vuoksi elektronit haluavat hypätä matalalta energiatasolta korkeille energiatasoille, sinun on absorboitava vastaava energia ulkomaailmasta, tätä prosessia kutsumme sitä stimuloiduksi absorptioksi. Vastaavasti elektroni korkealta energiatasolta putoaa matalalle energiatasolle, vapauttaa varmasti myös vastaavan energian, on todistettu, että tämä prosessi lähettää fotonin, eli elektroni on valovoimainen, joten tämä prosessi on ns. spontaani säteily.
Elämämme yleisten valonlähteiden luminesenssin periaate on spontaani säteily.
Loistelamput.
Valon saaminen "käyttäytymään"
Spontaanin säteilyn tuottamassa valossa on joitain ongelmia: atomeissa on monia energiatasoja, ja nämä fotonit voivat syntyä spontaanilla säteilyllä ensimmäisellä energiatasolla tai spontaanilla säteilyllä kolmannella energiatasolla ......
Tämä johtaa näiden fotonien erilaisiin energioihin, ja yhden fotonin energia määrää valon taajuuden, eli spontaanin säteilyn tuottaman valon taajuus on satunnainen.
Toinen asia on, että spontaanin säteilyn ajoitus tuottaa fotoneja, samoin kuin fotonien liikkeen suunta, ei myöskään ole meidän hallinnassamme, mikä johtaa spontaaniin säteilyyn tuottamaan valoa, vaihe on myös satunnainen.
Tässä mainitut taajuus ja vaihe ovat kaikki valon ominaisuuksia sähkömagneettisena aaltona. Taajuus voidaan ymmärtää valoaallon värähtelyn nopeudeksi, joka myös määrittää näkemämme valon värin; vaihe voidaan ymmärtää valoaallon läpäisyn asemaksi.
Valo kuin sähkömagneettinen aalto.
Lyhyesti sanottuna tavallisten valonlähteiden tuottama valo on kuin joukko ihmisiä, jotka tungostavat metrossa, he ovat vanhoja ja nuoria, miehiä ja naisia, pukeutuvat eri väreihin mennäkseen metroon, eivätkä he kävele niin nopeasti, jotkut ovat jo saaneet. junassa, kun jotkut vielä tarkistavat lippuja.
Tämä johti tavallisiin valonlähteisiin, vaikka valaistuksen käyttöiässä on ollut tarpeeksi käyttöä, mutta tieteellisen tutkimuksen, erityisesti valon luonteen tutkimuksessa, taisteluvoima on todella yleinen.
Lopulta vuonna 1917 ilmaantui toinen tapa saada valoa, eli Einstein ehdotti stimuloidun säteilyn teoriaa.
Stimuloitu säteily.
Kiihtyneen säteilyn teoria tarkoittaa, että oletetaan nyt, että elektronin ensimmäinen viritetty tila, kun fotoni osui, ja tämän fotonin energia täsmälleen yhtä suuri kuin ensimmäinen viritetty tila ja perustilan välinen rako, sitten tällä kertaa ensimmäinen kiihtynyt tila elektronissa on "kiusaus" suorittaa spontaani säteily, joka lähettää "identtinen" fotoni vapautuu.
Tämän "kiusatun fotonin" olemassaolon vuoksi kutsumme tätä prosessia kiihtyneeksi säteilyksi.
Jos korkeaenergisiä elektroneja on tarpeeksi, tämä prosessi jatkuu, muodostaen lopulta suuren ryhmän "vietoitettuja" fotoneja, kutsumme tätä prosessia valon vahvistusprosessiksi, tärkeintä on, että näiden fotonien vaihe ja taajuus ovat täsmälleen sama. Kuten siisti ja siisti armeija, ja edellä "purista metro" spontaani säteily on täysin erilainen.
Kuinka monta vaihetta laserin rakentamiseen tarvitaan?
Ensimmäinen vaihe on hiukkasluvun inversio.
Kiihtyneen säteilyn teorian avulla ihmiset ihmettelevät, kuinka tätä teoriaa voidaan käyttää rakentamaan valonlähde, joka voi lähettää siistiä ja siistiä valoa.
Jotkut lukijat saattavat sanoa: "Miksi ei vain ota valoa ja loistaa sitä läpi? Mikä siinä on niin vaikeaa?
Lukijoiden, joilla on tällaisia epäilyksiä, tulisi kiinnittää huomiota aiemmin mainittuun sanaan "riittävästi", äläkä unohda innostunutta imeytymistämme.
Jos elektroneja ei ole tarpeeksi suurilla energiatasoilla, virittyneen säteilyn määrä on pienempi kuin virittyneen absorption määrä, kun valonsäteen osuma, ei säteile valon vahvistusta, vaan se on perustilan elektronin virittynyt absorptio, mikä johtaa valohäviössä.
Itse asiassa luonnollisessa tapauksessa perustilaelektronien lukumäärä on paljon suurempi kuin virittyneiden elektronien lukumäärä huoneenlämpötilassa, esimerkiksi kaksienergiajärjestelmässä (eli vain perustila ja ensimmäinen viritetty tila). energiajärjestelmä) perustilaelektronien lukumäärä on noin 10 170 kertaa virittyneiden elektronien lukumäärästä!
Joten jotta voidaan käyttää virittyneen säteilyn periaatetta valonlähteen luomiseen, ensimmäinen ratkaistava ongelma on saada hiukkasten lukumäärä korkeammilla energiatasoilla suurempi kuin hiukkasten lukumäärä alhaisemmilla energiatasoilla, eli hiukkasten lukumäärän saavuttaminen inversio.
Kuinka saada hiukkasluvun käänteinen?
Perusideana on pumpata hiukkaset perustilasta korkean energian tilaan, aivan kuten pumppu.
Tämä on helpommin sanottu kuin tehty.
Vettä pumppaavat hiukkaset.
Toinen vaihe on edeltäjän rakentaminen.
Vuonna 1951 amerikkalainen fyysikko Towns ajatteli, kuinka saada aikaan hiukkasluvun inversio ammoniakkimolekyylissä.
Ammoniakkimolekyyli on kaksienergiajärjestelmä, eikä hiukkasluvun inversiota ole mahdollista saavuttaa normaaleissa olosuhteissa, koska virittyneen absorption ja virittyneen säteilyn todennäköisyys on sama, ja myös spontaanin säteilyn esiintyminen, mikä johtaa siihen, että korkeammilla energiatasoilla olevien hiukkasten lukumäärän on oltava pienempi kuin perustilassa olevien hiukkasten lukumäärä.
Townsin lähestymistapa oli nerokas, sillä hän käytti magneettikenttää erottaakseen perustilan ja virittyneen tilan ammoniakkimolekyylit erottamalla viritetyssä tilassa olevat ammoniakkimolekyylit, jotka sijoitettiin mikroaaltoresonanssionteloon, jossa saavutettiin hiukkasten lukumäärän kääntyminen.
Kolme vuotta myöhemmin, käyttäen tätä ideaa, Towns rakensi ensimmäisen "MASERin". Mikä on MASER?
MASER on nimeltään Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation, mikä tarkoittaa "mikroaaltojen vahvistamista stimuloidulla säteilyllä". Laser LASER kutsutaan valon vahvistukseksi stimuloidulla säteilyemissiolla, mikä tarkoittaa "valon vahvistamista stimuloidulla säteilyllä".
Mainitsimme edellä, että valo on sähkömagneettinen aalto ja mikroaalto on toinen sähkömagneettinen aalto.
Sähkömagneettiset aallot voidaan luokitella taajuutensa mukaan: mikroaallot vaihtelevat välillä 300 MHz - 300 GHz ja näkyvä valo 3,9 - 7,5 kertaa 10 - 14. teho Hz.
Nimestä näemme eron MASERin ja LAZERin välillä, lähinnä toimintataajuuksien erossa, MASER on vain askeleen päässä LASERISTA.
Kaupungit ja ensimmäinen MASER.
Kolmas vaihe on suorittaa laserin kolme pääkomponenttia.
MASERin käyttöönotto ratkaisi hiukkasluvun inversio-ongelman. Vain kolmessa vuodessa tämä tekniikka on kehittynyt harppauksin, ja tässä vaiheessa kaikki haluavat kiirehtiä ja ottaa askeleen pidemmälle muuttamalla tästä mikroaaltouunivahvistimesta optinen vahvistin ja luomalla unelmavalonlähteen, laserin.
Toistaiseksi olemme pystyneet tiivistämään epämääräisesti laserin kolme pääkomponenttia:
Ensimmäinen on tarve saavuttaa aineen hiukkasluvun inversio, kuten ammoniakkimolekyylejä, me kutsumme vahvistusväliaineeksi; toinen on sopiva pumppausmenetelmä, kutsumme sitä pumppaamiseksi; Kolmas on edellä mainitut kaupungit, joissa on resonanssiontelo, koska resonanssiontelon roolista puhumme myöhemmin.
Vuonna 1958 Towns ja Shorro tekivät yhteistyötä teoreettisen paperin parissa, joka ennusti lasereiden toteutettavuuden ensimmäistä kertaa teoreettisesta näkökulmasta. Tässä vaiheessa kaikki oli valmista Townsia varten, paitsi tuuli!
16. toukokuuta 1960 Meyman valitsi toisen polun ja rakensi ensimmäisenä laserin ihmiskunnan historiassa.
Tarina siitä, kuinka Meyman pääsi sinne ensin, on kiehtova tarina, jossa on monia käänteitä. Mutta keskitytään tässä hänen rubiinilaseriinsa.
Rubiinilaserin kaavio.
Tämä laser näyttää erittäin selkeästi laserin kolme pääkomponenttia, voimme yhtä hyvin esitellä ne vuorotellen.
Saavuta keskipitkä:
Meymanin valitsema vahvistusväliaine on rubiini, joka on kromiseostettua alumiinitrioksidia.
Kaavio kolmen energian järjestelmästä.
Tämä vahvistusväliaine on kolmen energian järjestelmä, ja tämä kolmen energian järjestelmä hiukkasluvun inversion saavuttamiseksi on paljon yksinkertaisempi kuin edellinen kaksitasoinen järjestelmä. Rubiinin kolmitasoisessa järjestelmässä on joitain erityispiirteitä, ja voimme ymmärtää, kuinka se saavuttaa hiukkasluvun inversion pumppausprosessillaan.
Ensinnäkin perustilahiukkaset kuljetetaan sopivalla virityksellä suoraan E3-energiatasolle ja E3- ja E2-energiatasojen välillä tapahtuu säteilytön hyppyprosessi, mikä tarkoittaa, että E3:lla olevat hiukkaset juoksevat nopeasti E2:lle törmäyksissä. , ja vähennetystä energiasta tulee lämpöliikeenergiaa luminesenssin sijaan.
Lisäksi E2-tila on alistabiili, eli E3-energiatasolle putoavat hiukkaset voivat pysyä E2-energiatasolla pitkään. Tämä vastaa E3-energiatason käyttöä siirtymänä hiukkasten siirtämiseksi perustilasta E2:een, ja prosessin annetaan jatkua, hiukkasten määrä E2:ssa ylittää perustilassa olevien hiukkasten määrän, mikä saavuttaa hiukkasten määrän inversio.
Itse asiassa rubiinilaserin hyötysuhde on hyvin alhainen, vain 0,1 prosenttia, jota vahvistusväliaine rajoittaa, koska kolmen energian järjestelmä vaatii erittäin paljon energiaa perustilahiukkasten pumppaamiseen korkean energian tila. Lisäksi tämän laserin aallonpituus on 694,3 nm, jonka määrää myös vahvistusväliaine.
Laserin kehityksen myötä vahvistusvälineiden tyypit lisääntyivät vähitellen, mukaan lukien kaasu, kiinteä aine, neste, kuitu, puolijohde jne., kuten luokkahuoneessa yleisesti käytetty laserosoitin on puolijohdelaser.
Lyhyesti sanottuna, riippumatta siitä, mikä vahvistusväline, sillä on oltava menetelmä, jolla voidaan saavuttaa hiukkasluvun inversio.
Pumppaus:
Ensimmäisen rubiinilaserin pumppulamppu.
Meynmanin laserin ilmeisin ominaisuus on, että sen pumppulähde on spiraali xenonlamppu, spiraalimuoto varmistaa, että rubiinitanko sijoittuu lamppujen väliin. Lisäksi tämä lamppu käyttää edelleen pulssivaloa pumppaamiseen, mikä tarkoittaa, että sen lähettämä valo ei ole jatkuvaa, vaan purskeittain. Tämä on Meynmanin tärkein muotoilu, jotta jatkuva korkean energian pumppausvalo ei vahingoita kristallia.
Resonanssiontelo:
Resonanssiontelon kaavio.
Rubiinitangon molempiin päihin Meyman asetti kaksi peiliä ja kaivoi pienen reiän oikealle puolelle, jotta virittyneen säteilyn valo voisi kulkea edestakaisin vahvistusväliaineen läpi "houkutellakseen" lisää fotoneja, ja saavutettuaan Tietyllä intensiteetillä laservalo säteilisi pienen reiän läpi.
Mikä on laserin käyttö?
Mayman piti laserin keksimisen jälkeen lehdistötilaisuuden, jossa toimittaja kysyi tämän kysymyksen, Mayman antoi 5 ehdotusta: 1:
1. käytetään valon vahvistamiseen, esim. suuritehoisia lasereita valmistettaessa käytetään optisia vahvistimia heikomman valon vahvistamiseen;
2. osaa käyttää lasereita aineen tutkimiseen;
3. käyttää suuritehoisia lasersäteitä avaruusviestintään;
4. käytetään lisäämään viestintäkanavien määrää (tämä syntyi myöhemmin valokuituviestinnäksi);
5. säteen fokusoiminen erittäin korkean valon intensiteetin tuottamiseksi materiaalien leikkaamiseen tai hitsaukseen teollisuudessa tai kirurgian suorittamiseen lääketieteessä jne.
Meidän täytyy ihailla Mehmanin terävää tieteellistä järkeä, ja kaikki nämä hänen ehdotuksensa toteutuivat myöhemmin.
Muistatko virittyneen säteilyn tuottamien fotonien ominaisuudet?
Niillä on sama taajuus ja vaihe, ja laser on pohjimmiltaan virittyneen säteilyn valon vahvistus, joten laserin kaksi tärkeintä ominaisuutta ovat hyvä monokromaattisuus ja korkea energia. Nämä kaksi ominaisuutta määrittävät laserien käytön, ja nämä ovat laserin kehittämisen kaksi suuntaa.
Hyvä monokromaattisuus tarkoittaa, että laserspektri on hyvin kapea ja pystyy helposti näyttämään valon ominaisuudet aallona, ja voimme sitten käyttää sitä vaihetietojen tallentamiseen.
Esimerkiksi brittiläisen fyysikon Dennis Gerberin vuonna 1947 keksimä holografinen valokuvatekniikka on pohjimmiltaan valon vaiheen käyttöä kohteen kaiken tiedon tallentamiseen, jotta saadaan aikaan kolmiulotteisen valokuvauksen vaikutus.
Holografiset valokuvat voivat tallentaa paitsi etuosaa myös sivutietoja.
Tämä tekniikka tuli saataville vasta laserin keksimisen jälkeen ja sille myönnettiin fysiikan Nobel-palkinto vuonna 1971.
Korkea energia ymmärretään hyvin, voimme käyttää lasereita CD-levyjen polttamiseen, ydinfuusion mahdollistamiseen, materiaalien leikkaamiseen jne. Voimme tuottaa jatkuvia korkean energian lasereita, mutta voimme myös saada korkean energian lasereita erittäin lyhyellä pulssilla kestoja locked-film-tekniikan ja chirp-vahvistuksen avulla.
Kaavio pulssin generoinnista kalvolukitustekniikalla.
Femtosekuntilasereita on nyt laajalti saatavilla, ja yksittäisen pulssin kesto on vain femtosekuntien luokkaa (miinus 15 sekuntia 10:stä).
Tällä laserilla voimme antaa tarkkoja iskuja aineeseen aiheuttamatta suurta vahinkoa, kuten likinäköisyyskorjausleikkaus, aineen pinnan muuttaminen, sen antiseptisten ominaisuuksien parantaminen jne.
