2015. aasta on rahvusvaheline valguse ja valguspõhiste tehnoloogiate aasta (IYL2015), mis on ühtlasi ka aasta, mil UNESCO juhatus allkirjastas otsuse määrata iga aasta 16. mai "Rahvusvaheliseks valguse päevaks". 16. mai valimise põhjuseks on...
2015. aastal, rahvusvahelisel valguse ja valguspõhiste tehnoloogiate aastal (IYL2015), kirjutas UNESCO juhatus alla otsusele kuulutada iga aasta 16. mai rahvusvaheliseks valguse päevaks.
16. mai valiti seetõttu, et 16. mail 1960 lõi Ameerika füüsik Meyman inimkonna ajaloo esimese laserkiire.
Meyman ja rubiinlaser.
Mis siis täpselt on laser? Ja miks see nii oluline on?
Nendele kahele küsimusele vastamiseks peame mõistma Meymani töö põhjuseid ja tagajärgi.
Miks objektid valgust kiirgavad?
Veel 1912. aastal olid füüsikud veel kinnisideeks sellest, milline näeb välja aatom, maailma alus.
Sel aastal avaldati kolm Taani füüsiku Bohri artiklit, milles Bohr rakendas kvantteooriat Rutherfordi aatomimudelile ja pakkus välja kuulsa Bohri mudeli.
Bohri mudel suutis seletada nähtusi, mida ei saanud sel ajal seletada teiste mudelitega, ning ennustas mõningaid tulemusi, mida võis hiljem katsetega kinnitada, nii et see oli hiljem ka teadusringkondades üldiselt aktsepteeritud.
Bohri mudel on planetaarmudel, mis tähendab, et negatiivselt laetud elektronid liiguvad ümber positiivselt laetud tuuma nagu planeedi.
Bohri mudeli peensus seisneb selles, et nende elektronide orbiidid ei ole valitud juhuslikult, vaid ainult teatud kindlate väärtusteni.
Bohri vesinikuaatomi mudel.
Siseimat elektronorbitaali nimetatakse põhiolekuks, väliskihis olevat orbitaali nimetatakse esimeseks ergastatud olekuks, välimist kihti teiseks ergastatud olekuks jne.
Võime märgata, et nende erinevate orbitaalide elektronide energiad on erinevad, seega saame need orbitaalid "tasastada" ja saame teatud energiatasemed. Spontaanse kiirguse energiatasemed.
Energiasäästu tõttu tahavad elektronid hüpata madalalt energiatasemelt kõrgele energiatasemele, sa pead neelama vastavat energiat välismaailmast, seda protsessi nimetame stimuleeritud neeldumiseks. Samamoodi vabastab kõrgelt energiatasemelt madalale langev elektron kindlasti ka vastava energia, on tõestatud, et see protsess kiirgab footoni ehk elektron on helendav, nii et seda protsessi nimetatakse nn. spontaanne kiirgus.
Meie elus levinud valgusallikate luminestsentsi põhimõte on spontaanne kiirgus.
Luminofoorlambid.
Valguse "käituma" panemine
Spontaanse kiirguse tekitatud valgusega on probleeme: aatomites on palju energiatasemeid ja need footonid võivad tekkida spontaanse kiirgusega esimesel energiatasemel või spontaansel kiirgusel kolmandal energiatasemel ......
See toob kaasa nende footonite erinevad energiad ja ühe footoni energia määrab valguse sageduse ehk spontaanse kiirguse tekitatud valguse sagedus on juhuslik.
Teine punkt on see, et spontaanse kiirguse ajastus footonite tekkeks, samuti footonite liikumise suund ei ole samuti meie kontrolli all, mis toob kaasa spontaanse kiirguse valguse tootmiseks, faas on samuti juhuslik.
Siin mainitud sagedus ja faas on kõik valguse kui elektromagnetlaine omadused. Sageduse all võib mõista valguslaine vibratsiooni kiirust, mis määrab ka meie nähtava valguse värvuse; faasi võib mõista kui valguslainete ülekande asukohta.
Valgus kui elektromagnetlaine.
Lühidalt, tavaliste valgusallikate tekitatud valgus on nagu hunnik inimesi, kes tunglevad metroos, nad on vanad ja noored, mehed ja naised, kannavad metrooga sõitmiseks erinevat värvi ja nad ei kõnni nii kiiresti, mõned on juba saanud. rongis, samal ajal kui mõned veel pileteid kontrollivad.
See viis tavaliste valgusallikate juurde, kuigi valgustite kasutusea jooksul on sellest piisanud, kuid teadusliku uurimistöö, eriti valguse olemuse uurimise vallas on võitlusjõud tõesti üldine.
Lõpuks, 1917. aastal kerkis pinnale veel üks viis valguse saamiseks, see tähendab, et Einstein pakkus välja stimuleeritud kiirguse teooria.
Stimuleeritud kiirgus.
Ergastatud kiirguse teooria eeldab nüüd, et esimene elektroni ergastatud olek, kui footon tabas, ja selle footoni energia on täpselt võrdne esimese ergastatud oleku ja põhioleku vahelise tühimikuga, siis seekord esimene. ergastatud olekus elektronil on "kiusatus" viia lõpule spontaanse kiirguse juhtum, kiirgades "Identne" footon vabaneb.
Selle "kiusatud footoni" olemasolu tõttu nimetame seda protsessi ergastatud kiirguseks.
Kui suure energiaga elektrone on piisavalt, siis see protsess jätkub, moodustades lõpuks suure rühma "võrgutatud" footoneid, me nimetame seda protsessi valguse võimendamise protsessiks, kõige tähtsam on see, et nende footonite faas ja sagedus on täpselt sama. Nagu korralik ja korras armee ja ülaltoodud "pigistage metroo" spontaanne kiirgus on täiesti erinev.
Mitu sammu kulub laseri ehitamiseks?
Esimene samm on osakeste arvu inversioon.
Ergastatud kiirguse teooriaga mõtlevad inimesed, kuidas seda teooriat kasutada valgusallika ehitamiseks, mis suudab kiirata puhast ja korralikku valgust.
Mõned lugejad võivad öelda: "Miks mitte lihtsalt võtta valgust ja valgustada see läbi? Mis selles nii rasket on?
Lugejad, kellel on selliseid kahtlusi, peaksid pöörama tähelepanu varem mainitud sõnale "piisavalt" ja ärge unustage meie erutatud neeldumise fenomeni.
Kui kõrgel energiatasemel ei ole piisavalt elektrone, on ergastatud kiirguse arv väiksem kui ergastatud neeldumise arv, kui valguskiir tabab, ei kiirgata valguse võimendust, vaid see on põhiseisundi elektronide ergastatud neeldumine, mille tulemuseks on valguse kadudes.
Tegelikult on loomulikul juhul põhioleku elektronide arv palju suurem kui ergastatud elektronide arv, toatemperatuuril, näiteks kahe energiaga süsteemis (st ainult põhioleku ja esimese ergastatud olek). energiasüsteem) põhioleku elektronide arv on umbes 10 170-kordsest ergastatud elektronide arvust!
Nii et selleks, et kasutada valgusallika loomiseks ergastatud kiirguse põhimõtet, on esimene probleem, mis tuleb lahendada, muuta kõrgemal energiatasemel osakeste arv suuremaks kui madalama energiatasemega osakeste arv, st saavutada osakeste arv. inversioon.
Kuidas saavutada osakeste arvu ümberpööramine?
Põhiidee on pumbata osakesed põhiolekust kõrge energiaga olekusse, täpselt nagu pump.
Seda on lihtsam öelda kui teha.
Vett pumpavad osakesed.
Teine samm on eelkäija loomine.
1951. aastal mõtles Ameerika füüsik Towns, kuidas saavutada ammoniaagi molekulis osakeste arvu inversioon.
Ammoniaagi molekul on kaheenergia süsteem ja osakeste arvu inversiooni on tavatingimustes võimatu saavutada, kuna ergastatud neeldumise ja ergastatud kiirguse tõenäosus on sama, samuti spontaanse kiirguse olemasolu, mis toob kaasa asjaolu, et kõrgemal energiatasemel osakeste arv peab olema väiksem kui põhiolekus olevate osakeste arv.
Townsi lähenemine oli geniaalne, kuna ta kasutas magnetvälja, et teha vahet põhioleku ja ergastatud ammoniaagi molekulide vahel, eristades ergastatud oleku ammoniaagi molekulid, mis paigutati mikrolaine resonantsõõnde, milles saavutati osakeste arvu ümberpööramine.
Kolm aastat hiljem ehitas Towns seda ideed kasutades esimese "MASERi". Mis on MASER?
MASERit nimetatakse mikrolainevõimenduseks stimuleeritud kiirguse abil, mis tähendab "mikrolainete võimendamist stimuleeritud kiirgusega". Laser-LASERit nimetatakse valguse võimendamiseks stimuleeritud kiirguse abil, mis tähendab "valguse võimendamist stimuleeritud kiirgusega".
Eespool mainisime, et valgus on elektromagnetlaine ja mikrolaine on teine elektromagnetlaine.
Elektromagnetlaineid saab liigitada nende sageduse järgi: mikrolained on vahemikus 300 MHz kuni 300 GHz ja nähtav valgus vahemikus 3,9 kuni 7,5 korda 10 kuni 14. võimsusega Hz.
Nimest näeme erinevust MASERi ja LAZERi vahel, peamiselt tööribade erinevuses, MASER on LASERist vaid ühe sammu kaugusel.
Linnad ja esimene MASER.
Kolmas samm on laseri kolme peamise komponendi lõpuleviimine.
MASERi kasutuselevõtt lahendas osakeste arvu inversiooni probleemi. Vaid kolme aastaga on see tehnoloogia hüppeliselt arenenud ning praegu tahavad kõik kiirustada ja astuda sammu edasi, muutes selle mikrolainevõimendi optiliseks võimendiks ja luues selle unistuste valgusallika, laseri.
Seni oleme suutnud laseri kolme põhikomponendi koostise ebamääraselt kokku võtta:
Esimene on vajadus saavutada aine osakeste arvu inversioon, nagu ammoniaagi molekule, mida me nimetame võimenduskeskkonnaks; teine on sobiv pumpamismeetod, me nimetame seda pumpamiseks; kolmandaks on ülalmainitud resonantsõõnsusega linnad, resonantsõõnsuse rollist räägime hiljem.
1958. aastal koostasid Towns ja Shorro koostööd teoreetilise tööga, mis ennustas esimest korda laserite teostatavust teoreetilisest vaatenurgast. Sel hetkel oli kõik Townsi jaoks valmis, välja arvatud tuul!
16. mail 1960 läks Meyman teisele teele ja oli esimene, kes ehitas inimkonna ajaloos esimese laseri.
Lugu sellest, kuidas Meyman sinna esimesena jõudis, on põnev lugu paljude keerdkäikudega. Kuid keskendume siin tema rubiinlaserile.
Rubiinlaseri skemaatiline diagramm.
See laser näitab väga selgelt laseri kolme põhikomponenti, sama hästi võime neid omakorda tutvustada.
Kasvu keskmine:
Meymani valitud võimendusmeedium on rubiin, mis on kroomiga legeeritud alumiiniumtrioksiid.
Kolme energia süsteemi skeem.
See võimenduskeskkond on kolmeenergia süsteem ja see kolme energiaga süsteem osakeste arvu inversiooni saavutamiseks on palju lihtsam kui eelmine kahetasandiline süsteem. Rubiini kolmetasandilisel süsteemil on mõned eripärad ja me saame aru, kuidas see pumpamisprotsessi abil saavutab osakeste arvu inversiooni.
Esiteks transporditakse põhioleku osakesed sobiva ergastusega otse E3 energiatasemele ning E3 ja E2 energiatasemete vahel toimub kiirgusvaba hüppeprotsess, mis tähendab, et E3 peal olevad osakesed jooksevad kokkupõrgete tagajärjel kiiresti E2-le. ja vähendatud energiast saab luminestsentsi asemel soojusliikumise energia.
Lisaks on E2 olek alamstabiilne ehk E3 energiatasemele langevad osakesed võivad jääda E2 energiatasemele pikaks ajaks. See võrdub E3 energiataseme kasutamisega üleminekuna osakeste transportimiseks põhiolekust E2-sse ja kui protsess jätkub, siis E2-s olevate osakeste arv ületab põhiolekus olevate osakeste arvu, saavutades osakeste arvu inversioon.
Tegelikult on rubiinlaseri efektiivsus väga madal, ainult 0,1 protsenti , mida piirab võimenduskeskkond, kuna kolme energiaga süsteem vajab väga palju energiat, et pumbata põhioleku osakesi kõrge energiaga olek. Lisaks on selle laseri lainepikkus 694,3 nm, mille määrab samuti võimenduskeskkond.
Laseri väljatöötamisega suurenes järk-järgult võimendusmeediumi tüüp, sealhulgas gaas, tahke, vedel, kiudaine, pooljuht jne, näiteks klassiruumis tavaliselt kasutatav laserkursor on pooljuhtlaser.
Lühidalt, olenemata võimenduskandjast peab sellel olema meetod, mis võimaldab saavutada osakeste arvu inversiooni.
Pumpamine:
Esimese rubiinlaseri pumplamp.
Meynmani laseri kõige ilmsem omadus on see, et selle pumba allikaks on spiraalne ksenoonlamp, spiraalne kuju tagab rubiiniriba paigutamise lampide vahele. Lisaks kasutab see lamp pumpamiseks endiselt impulssvalgust, mis tähendab, et valgus ei ole pidev, vaid katkendlik. See on Meynmani kõige olulisem disain, et pidev suure energiaga pumpav valgus ei kahjustaks kristalli.
Resonantsõõnsus:
Resonantsõõnsuse skemaatiline diagramm.
Rubiiniriba kahte otsa asetas Meyman kaks peeglit ja kaevas paremale küljele väikese augu, et ergastatud kiirgusest tulenev valgus saaks liikuda edasi-tagasi läbi võimenduskeskkonna, et "meelitada" rohkem footoneid, ja kui jõudis teatud intensiivsusega kiirgatakse laservalgus läbi väikese augu.
Mis on laseri kasutamine?
Mayman pidas pärast laseri leiutamist pressikonverentsi, kus reporter esitas selle küsimuse, Mayman andis 5 soovitust: 1:
1. kasutatakse valguse võimendamiseks, näiteks suure võimsusega laserite valmistamisel kasutatakse nõrgema valguse võimendamiseks optilisi võimendeid;
2. oskab kasutada lasereid aine uurimiseks;
3. kasutada kosmosekommunikatsiooniks suure võimsusega laserkiiri;
4. kasutatakse sidekanalite arvu suurendamiseks (see on see, mis hiljem tekkis fiiberoptilise sidena);
5. teravustada kiiret ülikõrge valgustugevuse tootmiseks materjalide lõikamiseks või keevitamiseks tööstuses või kirurgiliste operatsioonide tegemiseks meditsiinis jne.
Peame imetlema Mehmani teravat teaduslikku meelt ja kõik need tema ettepanekud said hiljem täidetud.
Kas mäletate ergastatud kiirguse tekitatud footonite omadusi?
Neil on sama sagedus ja faas ning laser on sisuliselt ergastatud kiirguse valguse võimendus, seega on laseri kaks kõige olulisemat omadust hea monokromaatilisus ja kõrge energia. Need kaks omadust määravad laserite kasutusalad ja need on laseri arendamise kaks suunda.
Hea monokromaatsus tähendab seda, et laseri spekter on väga kitsas ja suudab hõlpsasti näidata valguse omadusi lainetena ning seejärel saame seda kasutada faasiteabe salvestamiseks.
Näiteks Briti füüsiku Dennis Gerberi 1947. aastal leiutatud holograafiline fototehnoloogia seisneb põhiliselt valgusfaasi kasutamises objekti kohta kogu teabe salvestamiseks, et tekitada kolmemõõtmelise fotograafia efekt.
Holograafilised fotod võivad salvestada mitte ainult esiosa, vaid ka kõrvalteavet.
Alles pärast laseri leiutamist sai see tehnoloogia kättesaadavaks ja pälvis 1971. aastal Nobeli füüsikaauhinna.
Kõrge energia on hästi mõistetav, me saame kasutada lasereid CD-de põletamiseks, tuumasünteesi võimaldamiseks, materjalide lõikamiseks jne. Me ei saa mitte ainult genereerida pidevaid suure energiaga lasereid, vaid saame ka väga lühikese impulsiga suure energiaga lasereid kestused lukustatud filmi tehnika ja säutsu võimenduse abil.
Kileluku tehnoloogiaga impulsi genereerimise skeem.
Femtosekundilised laserid on nüüd laialdaselt saadaval ja ühe impulsi kestus on vaid femtosekundite suurusjärgus (miinus 15 sekundit 10-st).
Selle laseriga saame anda ainele täpseid lööke ilma suuremat kahju tekitamata, nagu lühinägelikkuse parandamise operatsioon, aine pinna muutmine, selle antiseptiliste omaduste tugevdamine jne.
