2015 a Fény és Fényalapú Technológiák Nemzetközi Éve (IYL2015), amely egyben az az év, amikor az UNESCO Igazgatósága aláírta azt a határozatot, amely szerint minden év május 16-át a „Fény nemzetközi napjává” nyilvánították. A május 16-i választás oka...
2015-ben, a Fény és Fényalapú Technológiák Nemzetközi Évében (IYL2015) az UNESCO Igazgatósága aláírta azt a határozatot, hogy minden év május 16-át a Fény Nemzetközi Napjává nyilvánítja.
Május 16-ra esett a választás, mert 1960. május 16-án Meyman amerikai fizikus megalkotta az első lézersugarat az emberiség történetében.
Meyman és a rubinlézer.
Tehát mi is pontosan a lézer? És miért olyan fontos?
E két kérdés megválaszolásához meg kell értenünk Meyman munkájának okait és következményeit.
Miért bocsátanak ki fényt a tárgyak?
1912-ben a fizikusok még mindig megszállottan foglalkoztak azzal, hogyan néz ki az atom, a világ alapja.
Ebben az évben Bohr dán fizikus három tanulmánya jelent meg, amelyekben Bohr a kvantumelméletet alkalmazta Rutherford atommodelljére, és javasolta a híres Bohr-modellt.
Bohr modellje képes volt megmagyarázni olyan jelenségeket, amelyeket akkoriban más modellekkel nem lehetett megmagyarázni, illetve megjósolt néhány olyan eredményt, amelyet később kísérletek is megerősíthetnek, így utólag általánosan elfogadottá vált a tudományos közösség.
A Bohr-modell egy bolygómodell, ami azt jelenti, hogy a negatív töltésű elektronok egy pozitív töltésű atommag körül mozognak, mint egy bolygó.
A Bohr-modell finomsága abban rejlik, hogy ezen elektronok pályáját nem véletlenszerűen választják ki, hanem csak bizonyos értékekre.
A hidrogénatom Bohr-modellje.
A legbelső elektronpályát alapállapotnak, a külső rétegben lévő pályát első gerjesztett állapotnak, a külső réteget a második gerjesztett állapotnak és így tovább.
Észrevehetjük, hogy ezeknek a különböző pályáknak az elektronenergiái eltérőek, így ezeket a pályákat "lelapíthatjuk", és bizonyos energiaszinteket kapunk. Spontán sugárzási energiaszintek.
Az energiamegmaradás miatt az elektronok az alacsony energiaszintekről a magas energiaszintekre akarnak ugrani, a megfelelő energiát a külvilágból kell elnyelni, ezt a folyamatot hívjuk stimulált abszorpciónak. Hasonlóképpen, a magas energiaszintről az alacsony energiaszintre zuhanó elektron minden bizonnyal a megfelelő energiát is felszabadítja, bebizonyosodott, hogy ez a folyamat fotont bocsát ki, vagyis az elektron világító lesz, ezért ezt a folyamatot ún. spontán sugárzás.
Az életünkben elterjedt fényforrások lumineszcenciájának elve a spontán sugárzás.
Fénycsövek.
A fény "viselkedésre" késztetése
A spontán sugárzás által keltett fénnyel van néhány probléma: az atomokban sok energiaszint van, és ezek a fotonok az első energiaszinten spontán sugárzással, vagy a harmadik energiaszinten spontán sugárzással keletkezhetnek......
Ez e fotonok különböző energiáihoz vezet, és egyetlen foton energiája határozza meg a fény frekvenciáját, vagyis a spontán sugárzás által keltett fény frekvenciája véletlenszerű.
Egy másik szempont, hogy a spontán sugárzás időzítése a fotonok előállításához, valamint a fotonok mozgásának iránya szintén nem a mi ellenőrzésünk alatt áll, ami spontán sugárzáshoz vezet, amely fényt termel, a fázis is véletlenszerű.
Az itt említett frekvencia és fázis mind a fény elektromágneses hullám tulajdonságai. Frekvencia alatt a fényhullám rezgésének sebességét érthetjük, amely meghatározza a látott fény színét is; fázis alatt a fényhullám átvitel helyzetét érthetjük.
A fény mint elektromágneses hullám.
Röviden: a közönséges fényforrások által generált fény olyan, mint egy csomó ember tolongva a metróban, ők idősek és fiatalok, férfiak és nők, különböző színű ruhát viselnek a metróhoz, és nem járnak olyan gyorsan, néhányan már megkapták. a vonaton, miközben néhányan még a jegyeket ellenőrzik.
Ez vezetett a közönséges fényforrásokhoz, bár a világítás élettartama során elég volt használni, de a tudományos kutatások területén, különösen a fény természetének tanulmányozásában, a harci erő valóban általános.
Végül 1917-ben a fény egy másik módja is felszínre került, vagyis Einstein javasolta a stimulált sugárzás elméletét.
Stimulált sugárzás.
A gerjesztett sugárzás elmélete azt jelenti, hogy most tegyük fel, hogy az első gerjesztett állapot az elektronon, amikor egy foton ütközik, és ennek a fotonnak az energiája pontosan megegyezik az első gerjesztett állapottal és az alapállapot közötti réssel, majd ezúttal az első gerjesztett állapotban az elektron lesz "kísértés", hogy befejezze az esetet a spontán sugárzás, kibocsátva A "azonos" foton felszabadul.
A „megkísértett foton” létezése miatt ezt a folyamatot gerjesztett sugárzásnak nevezzük.
Ha van elég nagy energiájú elektron, akkor ez a folyamat folytatódik, végül egy nagy csoportot alkotva "elcsábított" fotonoknak, ezt a folyamatot fényerősítési folyamatnak nevezzük, a legfontosabb, hogy ezeknek a fotonoknak a fázisa és frekvenciája pontosan a azonos. Mint egy takaros és rendezett hadsereg, és a fenti "nyomd a metrót" spontán sugárzás teljesen más.
Hány lépésből áll egy lézer megépítése?
Az első lépés a részecskeszám inverziója.
A gerjesztett sugárzás elméletével az emberek azon töprengenek, hogyan lehet ezt az elméletet felhasználni olyan fényforrás megalkotására, amely tiszta és rendezett fényt bocsát ki.
Egyes olvasók azt mondják: "Miért nem veszi a fényt, és világítja át? Mi olyan nehéz ebben?
Azok az olvasók, akiknek ilyen kétségei vannak, figyeljenek a korábban említett „elég” szóra, és ne feledkezzenek meg az izgatott felszívódás jelenségéről.
Ha nincs elegendő elektron magas energiaszinten, a gerjesztett sugárzás száma kisebb, mint a gerjesztett abszorpció száma, amikor egy fénysugár becsapódik, nem fényerősödik ki, hanem az alapállapotú elektron gerjesztett abszorpciója lesz. fényveszteségben.
Valójában természetes esetben az alapállapotú elektronok száma sokkal nagyobb, mint a gerjesztett elektronok száma, szobahőmérsékleten például egy kétenergiás rendszerben (vagyis csak az alapállapot és az első gerjesztett állapot). az energiarendszer) az alapállapotú elektronok száma körülbelül 10-szerese a gerjesztett elektronok számának 170-szerese!
Tehát ahhoz, hogy a gerjesztett sugárzás elvét fényforrás létrehozására használhassuk, az első megoldandó probléma az, hogy a magasabb energiaszintű részecskék számát nagyobbra tegyük, mint az alacsonyabb energiaszintű részecskék számát, vagyis a részecskeszámot érjük el. inverzió.
Hogyan lehet elérni a részecskeszám megfordítását?
Az alapötlet az, hogy a részecskéket az alapállapotból a nagy energiájú állapotba pumpáljuk, akár egy szivattyút.
Ezt könnyebb mondani, mint megtenni.
Vízszivattyúzó részecskék.
A második lépés az előd felépítése.
1951-ben Towns amerikai fizikus azon gondolkodott, hogyan lehetne elérni a részecskeszám inverzióját az ammónia molekulában.
Az ammónia molekula kétenergiás rendszer, és normál körülmények között lehetetlen részecskeszám-inverziót elérni, mivel a gerjesztett abszorpció és a gerjesztett sugárzás valószínűsége azonos, valamint a spontán sugárzás jelenléte is, ami arra vezet, hogy a magasabb energiaszintű részecskék számának kisebbnek kell lennie az alapállapotú részecskék számánál.
Towns megközelítése zseniális volt, mivel mágneses mező segítségével megkülönböztette az alapállapotú és a gerjesztett állapotú ammónia molekulákat, különválasztva a gerjesztett állapotú ammónia molekulákat, amelyeket mikrohullámú rezonáns üregbe kell helyezni, amelyben a részecskeszám megfordítását sikerült elérni.
Három évvel később, ezzel az ötlettel, Towns megépítette az első "MASER"-t. Mi az a MASER?
A MASER neve Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation, ami azt jelenti, hogy "mikrohullámok erősítését stimulált sugárzással". A lézer-lézert fényerősítésnek hívják stimulált sugárzáskibocsátással, ami azt jelenti, hogy "a fény erősítése stimulált sugárzással".
Fentebb említettük, hogy a fény egy elektromágneses hullám, a mikrohullámú pedig egy másik elektromágneses hullám.
Az elektromágneses hullámok frekvenciájuk szerint osztályozhatók: a mikrohullámok 300 MHz-től 300 GHz-ig terjednek, a látható fény pedig 3,9-7,5-szeres 10-től a 14. Hz-es teljesítményig.
A névből láthatjuk a különbséget a MASER és a LAZER között, főként a működési sávok különbségében, a MASER csak egy lépésre van a LASER-től.
Towns és az első MASER.
A harmadik lépés a lézer három fő összetevőjének befejezése.
A MASER bevezetése megoldotta a részecskeszám-inverzió problémáját. Mindössze három év alatt ez a technológia ugrásszerűen fejlődött, és ezen a ponton mindenki sietni akar, és egy lépéssel tovább akar lépni azáltal, hogy ezt a mikrohullámú erősítőt optikai erősítővé alakítja, és megalkotja álmai fényforrását, a lézert.
Eddig homályosan össze tudtuk foglalni a lézer három fő összetevőjének összetételét:
Az első az, hogy el kell érni az anyag részecskeszámának inverzióját, az ammónia molekulákhoz hasonlóan erősítő közegnek nevezzük; a második a megfelelő szivattyúzási mód, ezt nevezzük szivattyúzásnak; a harmadik a fent említett városok rezonáns üreggel, a rezonáns üreg szerepéről később lesz szó.
Towns és Shorro 1958-ban dolgozott együtt egy elméleti tanulmányon, amely elméleti szempontból először jósolta meg a lézerek megvalósíthatóságát. Ezen a ponton minden készen állt Towns számára, kivéve a szelet!
1960. május 16-án Meyman egy másik utat választott, és elsőként építette meg az első lézert az emberiség történetében.
A történet, hogy Meyman hogyan jutott először oda, lenyűgöző történet, sok fordulattal. De koncentráljunk itt a rubinlézerére.
A rubinlézer sematikus diagramja.
Ez a lézer nagyon jól mutatja a lézer három fő összetevőjét, ezeket sorra is bemutathatjuk.
Erősítés közepes:
A Meyman által választott erősítő közeg a rubin, amely krómmal adalékolt alumínium-trioxid.
A háromenergiás rendszer vázlata.
Ez az erősítőközeg egy háromenergiás rendszer, és ez a háromenergiás rendszer a részecskeszám-inverzió eléréséhez sokkal egyszerűbb, mint az előző kétszintű rendszer. A rubin háromszintű rendszernek van néhány különlegessége, és megérthetjük, hogyan éri el pumpálási folyamatával a részecskeszám-inverziót.
Először is, az alapállapotú részecskék megfelelő gerjesztéssel közvetlenül az E3 energiaszintre kerülnek, és az E3 és az E2 energiaszintek között sugárzásmentes ugrási folyamat zajlik, ami azt jelenti, hogy az E3-on lévő részecskék ütközések hatására gyorsan az E2-re futnak. , és a csökkentett energia lumineszcencia helyett hőmozgási energiává válik.
Emellett az E2 állapot szubstabil, vagyis az E3 energiaszintre eső részecskék sokáig az E2 energiaszinten maradhatnak. Ez egyenértékű azzal, mintha az E3 energiaszintet használnánk átmenetként a részecskék alapállapotból az E2-be történő szállítására, és hagyjuk a folyamatot továbbmenni, az E2-ben lévő részecskék száma meghaladja az alapállapotú részecskék számát, így elérjük a részecskeszámot. inverzió.
Valójában a rubinlézer hatásfoka nagyon alacsony, mindössze 0,1 százalék , aminek az erősítő közeg korlátozza, mivel a háromenergiás rendszernek nagyon nagy energiára van szüksége ahhoz, hogy az alapállapotú részecskéket a nagy energiájú állapot. Ráadásul ennek a lézernek a hullámhossza 694,3 nm, amit szintén az erősítő közeg határoz meg.
A lézer fejlődésével fokozatosan nőtt az erősítőközeg típusa, beleértve a gázt, szilárd anyagot, folyadékot, szálat, félvezetőt stb., például az osztályteremben általánosan használt lézermutató félvezető lézer.
Röviden, nem számít, melyik erősítési közeg, annak olyan módszerrel kell rendelkeznie, amely képes elérni a részecskeszám inverzióját.
Szivattyúzás:
Az első rubinlézer pumpás lámpája.
A Meynman lézerének legszembetűnőbb tulajdonsága, hogy pumpaforrása egy spirális xenon lámpa, a spirálforma biztosítja, hogy a rubin rúd a lámpák közé kerüljön. Ezenkívül ez a lámpa továbbra is pulzáló fényt használ a pumpáláshoz, ami azt jelenti, hogy a kibocsátott fény nem folyamatos, hanem sorozatos. Ez a Meynman legfontosabb kialakítása, hogy a folyamatos nagy energiájú pumpáló fény ne károsítsa a kristályt.
Rezonáns üreg:
A rezonáns üreg sematikus diagramja.
A rubinrúd két végére Meyman két tükröt helyezett el, és egy kis lyukat ásott a jobb oldalon, hogy a gerjesztett sugárzásból származó fény oda-vissza tudjon haladni az erősítő közegen keresztül, hogy további fotonokat "csaljon". bizonyos intenzitás mellett a lézerfényt a kis lyukon keresztül bocsátják ki.
Mire jó a lézer?
Mayman a lézer feltalálása után sajtótájékoztatót tartott, melyen egy riporter feltette ezt a kérdést, Mayman 5 javaslatot adott: 1:
1. fény erősítésére használják, például nagy teljesítményű lézerek készítésekor optikai erősítőket használnak a gyengébb fény erősítésére;
2. tud lézert használni az anyag tanulmányozására;
3. nagy teljesítményű lézersugarak használata űrkommunikációhoz;
4. a kommunikációs csatornák számának növelésére szolgál (ez később száloptikás kommunikációként alakult ki);
5. a sugár fókuszálása ultra-nagy fényintenzitású anyagok vágásához vagy hegesztéséhez az iparban, vagy műtétek elvégzéséhez az orvostudományban stb.
Csodálnunk kell Mehman éles tudományos érzékét, és ezek a javaslatai később be is váltak.
Emlékszel a gerjesztett sugárzás által termelt fotonok jellemzőire?
Ugyanolyan frekvenciájúak és fázisúak, a lézer pedig lényegében a gerjesztett sugárzásból származó fény felerősítése, így a lézer két legfontosabb jellemzője a jó monokromatikusság és a nagy energia. Ez a két jellemző határozza meg a lézerek felhasználását, és ez a lézerfejlesztés két iránya.
A jó monokromatikusság azt jelenti, hogy a lézer spektruma nagyon keskeny, és könnyen hullámként tudja megmutatni a fény tulajdonságait, majd ezt követően fázisinformációkat rögzíthetünk.
Például a holografikus fotótechnológia, amelyet Dennis Gerber brit fizikus 1947-ben talált fel, lényegében a fény fázisának felhasználása az objektumról szóló információk teljes körének rögzítésére, így a háromdimenziós fényképezés hatását keltheti.
A holografikus fényképek nemcsak elülső, hanem oldalsó információkat is rögzíthetnek.
Ez a technológia csak a lézer feltalálása után vált elérhetővé, és 1971-ben megkapta a fizikai Nobel-díjat.
A nagy energia jól ismert, használhatunk lézereket CD-k égetésére, magfúzió lehetővé tételére, anyagok vágására stb. Nemcsak folyamatos nagyenergiájú lézereket állíthatunk elő, hanem nagyon rövid impulzusú nagyenergiájú lézereket is előállíthatunk. időtartamokat a locked-film technikával és a csiripelés erősítésével.
Az impulzusgenerálás diagramja filmreteszelő technológiával.
A femtoszekundumos lézerek ma már széles körben elérhetőek, és egyetlen impulzus időtartama csak femtoszekundum nagyságrendű (mínusz 15 másodperc a 10-ből).
Ezzel a lézerrel precíz ütéseket tudunk leadni egy anyagra anélkül, hogy nagy károsodást okoznánk, például rövidlátást javító műtét, anyag felületének megváltoztatása, antiszeptikus tulajdonságainak fokozása stb.
