Rok 2015 je Medzinárodným rokom svetla a technológií založených na svetle (IYL2015), čo je zároveň rok, kedy Výkonná rada UNESCO podpísala rozhodnutie vyhlásiť 16. máj každý rok za „Medzinárodný deň svetla“. Dôvodom výberu 16. mája je...
V roku 2015, v Medzinárodnom roku svetla a technológií založených na svetle (IYL2015), Výkonná rada UNESCO podpísala rozhodnutie vyhlásiť 16. máj každý rok za Medzinárodný deň svetla.
16. máj bol vybraný, pretože 16. mája 1960 vytvoril americký fyzik Meyman prvý laserový lúč v histórii ľudstva.
Meyman a rubínový laser.
Čo to teda ten laser vlastne je? A prečo je to také dôležité?
Aby sme mohli odpovedať na tieto dve otázky, musíme pochopiť príčiny a dôsledky Meymanovej práce.
Prečo predmety vyžarujú svetlo?
V roku 1912 boli fyzici stále posadnutí tým, ako vyzerá atóm, základ sveta.
V tomto roku boli publikované tri články dánskeho fyzika Bohra, v ktorých Bohr aplikoval kvantovú teóriu na Rutherfordov model atómu a navrhol slávny Bohrov model.
Bohrov model dokázal vysvetliť javy, ktoré sa v tom čase nedali vysvetliť inými modelmi, a predpovedal niektoré výsledky, ktoré by mohli byť neskôr potvrdené experimentmi, takže bol potom všeobecne akceptovaný vedeckou komunitou.
Bohrov model je planetárny model, čo znamená, že negatívne nabité elektróny sa pohybujú okolo kladne nabitého jadra ako planéta.
Jemnosť Bohrovho modelu spočíva v tom, že obežné dráhy týchto elektrónov nie sú vybrané náhodne, ale iba na určité určité hodnoty.
Bohrov model atómu vodíka.
Najvnútornejší elektrónový orbitál sa nazýva základný stav, orbitál vo vonkajšej vrstve sa nazýva prvý excitovaný stav, vonkajšia vrstva je druhý excitovaný stav atď.
Môžeme si všimnúť, že elektrónové energie týchto rôznych orbitálov sú rôzne, takže môžeme tieto orbitály „sploštiť“ a získame nejaké energetické hladiny. Energetické hladiny spontánneho žiarenia.
Kvôli zachovaniu energie chcú elektróny preskočiť z nízkych energetických hladín na vysoké energetické úrovne, musíte absorbovať zodpovedajúcu energiu z vonkajšieho sveta, tento proces nazývame stimulovaná absorpcia. Podobne elektrón z vysokej energetickej hladiny, aby spadol na nízku energetickú hladinu, určite tiež uvoľní zodpovedajúcu energiu, je dokázané, že tento proces vyžaruje fotón, to znamená, že elektrón bude svietiť, takže tento proces sa nazýva spontánne vyžarovanie.
Princípom luminiscencie bežných svetelných zdrojov v našom živote je spontánne vyžarovanie.
Žiarivky.
Aby sa svetlo „správalo“
So svetlom produkovaným spontánnym žiarením sú určité problémy: v atómoch je veľa energetických hladín a tieto fotóny môžu byť produkované spontánnym žiarením na prvej energetickej úrovni alebo spontánnym žiarením na tretej energetickej úrovni...
To vedie k rôznym energiám týchto fotónov a energia jedného fotónu určuje frekvenciu svetla, to znamená, že frekvencia svetla produkovaného spontánnym žiarením je náhodná.
Ďalším bodom je, že načasovanie spontánneho žiarenia na produkciu fotónov, ako aj smer pohybu fotónov tiež nie je pod našou kontrolou, čo povedie k spontánnemu žiareniu na produkciu svetla, fáza je tiež náhodná.
Tu uvedená frekvencia a fáza sú vlastnosti svetla ako elektromagnetickej vlny. Frekvencia môže byť chápaná ako rýchlosť vibrácie svetelnej vlny, ktorá tiež určuje farbu svetla, ktoré vidíme; fázu možno chápať ako polohu prenosu svetelných vĺn.
Svetlo ako elektromagnetická vlna.
Stručne povedané, svetlo generované bežnými svetelnými zdrojmi je ako skupina ľudí, ktorí sa tlačia v metre, sú to starí a mladí, muži a ženy, majú na sebe rôzne farby, aby mohli ísť metrom, a nechodia tak rýchlo, niektorí už dostali vo vlaku, kým niektorí ešte kontrolujú lístky.
To viedlo k bežným svetelným zdrojom, ktorých síce v živote osvetlenia bolo dosť na použitie, no v oblasti vedeckého výskumu, najmä štúdia podstaty svetla, je bojová sila naozaj všeobecná.
Nakoniec sa v roku 1917 objavila ďalšia cesta k svetlu, teda Einstein navrhol teóriu stimulovaného žiarenia.
Stimulované žiarenie.
Teória excitovaného žiarenia má povedať, teraz predpokladajme, že prvý excitovaný stav na elektróne, keď fotón zasiahne, a energia tohto fotónu sa presne rovná prvému excitovanému stavu a medzere medzi základným stavom, potom tentoraz prvým excitovaný stav na elektróne bude "v pokušení" dokončiť prípad spontánneho žiarenia, vyžarujúceho "identický" fotón sa uvoľní.
Kvôli existencii tohto „pokušeného fotónu“ tento proces nazývame excitované žiarenie.
Ak je dostatok vysokoenergetických elektrónov, tento proces bude pokračovať, prípadne vytvorí veľkú skupinu „zvedených“ fotónov, tento proces nazveme procesom zosilnenia svetla, najdôležitejšie je, že fáza a frekvencia týchto fotónov je presne tá rovnaký. Ako úhľadná a uprataná armáda, a vyššie uvedené "stlačenie metra" spontánne žiarenie je úplne iné.
Koľko krokov je potrebných na vytvorenie lasera?
Prvým krokom je inverzia počtu častíc.
S teóriou excitovaného žiarenia sa ľudia pýtajú, ako použiť túto teóriu na vytvorenie svetelného zdroja, ktorý dokáže vyžarovať čisté a upratané svetlo.
Niektorí čitatelia si možno povedia: „Prečo jednoducho nezobrať svetlo a nepresvietiť ho? Čo je na tom také ťažké?
Čitatelia, ktorí majú takéto pochybnosti, by mali venovať pozornosť skôr uvedenému slovu „dosť“ a nezabúdať ani na náš fenomén vzrušenej absorpcie.
Ak nie je dostatok elektrónov na vysokých energetických hladinách, počet excitovaných žiarení je menší ako počet excitovaných absorpcií, keď lúč svetla zasiahne, nebude vyžarované zosilnenie svetla, ale bude to základná elektrónová excitovaná absorpcia, čo má za následok pri strate svetla.
V skutočnosti je v prirodzenom prípade počet elektrónov v základnom stave oveľa väčší ako počet excitovaných elektrónov, napríklad pri izbovej teplote dvojenergetický systém (to znamená iba základný stav a prvý excitovaný stav energetický systém) počet elektrónov v základnom stave je asi 10 zo 170-násobku počtu excitovaných elektrónov!
Aby sa teda použil princíp excitovaného žiarenia na vytvorenie zdroja svetla, prvým problémom, ktorý treba vyriešiť, je zvýšiť počet častíc na vyšších energetických hladinách ako počet častíc na nižších energetických hladinách, to znamená dosiahnuť počet častíc. inverzia.
Ako dosiahnuť zvrátenie počtu častíc?
Základnou myšlienkou je pumpovať častice zo základného do vysokoenergetického stavu, rovnako ako pumpa.
To sa ľahšie povie, ako urobí.
Častice čerpania vody.
Druhým krokom je postaviť predchodcu.
V roku 1951 amerického fyzika Townsa napadlo, ako dosiahnuť inverziu počtu častíc v molekule amoniaku.
Molekula amoniaku je dvojenergetický systém a za normálnych okolností nie je možné dosiahnuť inverziu počtu častíc, pretože pravdepodobnosť excitovanej absorpcie a excitovaného žiarenia je rovnaká a tiež prítomnosť spontánneho žiarenia, čo vedie k tomu, že počet častíc na vyšších energetických hladinách musí byť menší ako počet častíc v základnom stave.
Townsov prístup bol dômyselný, pretože použil magnetické pole na rozlíšenie medzi základným a excitovaným stavom molekúl amoniaku, pričom vyčlenil molekuly amoniaku v excitovanom stave, ktoré sa umiestnili do mikrovlnnej rezonančnej dutiny, v ktorej sa dosiahol obrat počtu častíc.
O tri roky neskôr, s použitím tejto myšlienky, Towns postavil prvý "MASER". Čo je MASER?
MASER sa nazýva Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation, čo v preklade znamená "zosilnenie mikrovĺn stimulovaným žiarením". Laserový LASER sa nazýva zosilnenie svetla stimulovanou emisiou žiarenia, čo v preklade znamená "zosilnenie svetla stimulovaným žiarením".
Vyššie sme spomenuli, že svetlo je elektromagnetická vlna a mikrovlnná rúra je ďalšia elektromagnetická vlna.
Elektromagnetické vlny možno klasifikovať podľa ich frekvencie, pričom mikrovlny sa pohybujú v rozsahu od 300 MHz do 300 GHz a viditeľné svetlo v rozsahu od 3,9 do 7,5 krát 10 až 14 Hz.
Už podľa názvu vidíme rozdiel medzi MASER a LAZER, hlavne v rozdiele v prevádzkových pásmach, MASER je od LASERU len krôčik.
Mestá a prvý MASER.
Tretím krokom je dokončenie troch hlavných komponentov lasera.
Zavedenie MASER vyriešilo problém inverzie počtu častíc. Len za tri roky táto technológia pokročila míľovými krokmi a v tomto bode sa chce každý poponáhľať a posunúť to o krok ďalej tým, že premení tento mikrovlnný zosilňovač na optický zosilňovač a vytvorí ten vysnívaný svetelný zdroj, laser.
Doteraz sme boli schopní nejasne zhrnúť zloženie lasera do troch hlavných komponentov:
Prvým je potreba dosiahnuť inverziu počtu častíc látky, ako sú molekuly amoniaku, ktoré nazývame ziskové médium; druhý je vhodný spôsob čerpania, nazývame ho čerpanie; treťou sú vyššie spomínané mestá s rezonančnou dutinou, o úlohe rezonančnej dutiny si povieme neskôr.
V roku 1958 Towns a Shorro spolupracovali na teoretickej práci, ktorá po prvýkrát predpovedala realizovateľnosť laserov z teoretického hľadiska. V tejto chvíli bolo pre Towns všetko pripravené, okrem vetra!
16. mája 1960 sa Meyman vydal inou cestou a ako prvý zostrojil prvý laser v histórii ľudstva.
Príbeh o tom, ako sa tam Meyman dostal ako prvý, je fascinujúci príbeh s mnohými zvratmi. Ale zamerajme sa tu na jeho rubínový laser.
Schematický diagram rubínového lasera.
Tento laser veľmi jasne ukazuje tri hlavné zložky lasera, môžeme ich tiež postupne predstaviť.
Stredný zisk:
Meymanom zvoleným médiom zosilnenia je rubín, čo je oxid hlinitý dopovaný chrómom.
Schéma trojenergetického systému.
Toto médium zisku je trojenergetický systém a tento trojenergetický systém na dosiahnutie inverzie počtu častíc je oveľa jednoduchší ako predchádzajúci dvojúrovňový systém. Rubínový trojúrovňový systém má niektoré špeciálne vlastnosti a môžeme pochopiť, ako procesom čerpania dosahuje inverziu počtu častíc.
Po prvé, častice základného stavu sú transportované priamo na energetickú hladinu E3 vhodnou excitáciou a medzi energetickými hladinami E3 a E2 prebieha proces bez žiarenia, čo znamená, že častice na E3 pri zrážkach rýchlo prebehnú na E2. a znížená energia sa namiesto luminiscencie stáva energiou tepelného pohybu.
Okrem toho je stav E2 substabilný, to znamená, že častice spadajúce na energetickú hladinu E3 môžu zostať na energetickej úrovni E2 dlhú dobu. To je ekvivalentné použitiu úrovne energie E3 ako prechodu na transport častíc zo základného stavu do E2 a nech proces pokračuje, počet častíc v E2 prekročí počet častíc v základnom stave, čím sa dosiahne počet častíc. inverzia.
V skutočnosti je účinnosť rubínového lasera veľmi nízka, iba 0,1 percenta, čo je obmedzené médiom zosilnenia, pretože trojenergetický systém vyžaduje veľmi vysokú energiu na pumpovanie častíc základného stavu do vysokoenergetický stav. Vlnová dĺžka tohto lasera je navyše 694,3 nm, čo je tiež určené zosilňovacím médiom.
S rozvojom lasera sa postupne zväčšovali typy zosilňovacích médií, vrátane plynu, tuhej látky, kvapaliny, vlákna, polovodiča atď., Napríklad laserové ukazovátko bežne používané v triede je polovodičový laser.
Stručne povedané, bez ohľadu na to, ktoré médium zisku, musí mať metódu, ktorá dokáže dosiahnuť inverziu počtu častíc.
Čerpanie:
Čerpadlová lampa prvého rubínového lasera.
Najzrejmejšou vlastnosťou Meynmanovho lasera je, že jeho zdrojom pumpy je špirálová xenónová výbojka, špirálový tvar zaisťuje, že rubínová lišta je umiestnená medzi výbojkami. Okrem toho táto lampa stále používa na pumpovanie pulzné svetlo, čo znamená, že svetlo, ktoré vyžaruje, nie je nepretržité, ale nárazovo. Toto je najdôležitejší dizajn Meynmana, takže nepretržité vysokoenergetické čerpacie svetlo nepoškodí kryštál.
Rezonančná dutina:
Schematický diagram rezonančnej dutiny.
Na dva konce rubínovej lišty Meyman umiestnil dve zrkadlá a vykopal malú dieru na pravej strane, aby svetlo z excitovaného žiarenia mohlo putovať tam a späť cez médium zosilnenia, aby „nalákalo“ viac fotónov a po dosiahnutí pri určitej intenzite by laserové svetlo bolo vyžarované cez malý otvor.
Aké je použitie lasera?
Mayman usporiadal tlačovú konferenciu po vynáleze lasera, na ktorej reportér položil túto otázku, Mayman dal 5 návrhov: 1:
1. používa sa na zosilnenie svetla, napríklad pri výrobe vysokovýkonných laserov používajú optické zosilňovače na zosilnenie slabšieho svetla;
2. dokáže používať lasery na štúdium hmoty;
3. používať vysokovýkonné laserové lúče na vesmírnu komunikáciu;
4. používa sa na zvýšenie počtu komunikačných kanálov (toto sa neskôr objavilo ako komunikácia z optických vlákien);
5. na zaostrenie lúča na produkciu ultra vysokej intenzity svetla na rezanie alebo zváranie materiálov v priemysle alebo na vykonávanie chirurgických zákrokov v medicíne atď.
Musíme obdivovať Mehmanov horlivý vedecký zmysel a všetky tieto návrhy, ktoré vyslovil, sa neskôr splnili.
Pamätáte si vlastnosti fotónov produkovaných excitovaným žiarením?
Majú rovnakú frekvenciu a fázu a laser je v podstate zosilnením svetla z excitovaného žiarenia, takže dve najdôležitejšie vlastnosti lasera sú dobrá monochromatickosť a vysoká energia. Tieto dve charakteristiky určujú použitie laserov a to sú dva smery vývoja laserov.
Dobrá monochromatickosť znamená, že laserové spektrum je veľmi úzke a môže ľahko vykazovať charakteristiky svetla ako vlny a môžeme ho potom použiť na zaznamenávanie fázových informácií.
Napríklad technológia holografickej fotografie, ktorú vynašiel britský fyzik Dennis Gerber v roku 1947, je v podstate využívaním fázy svetla na zaznamenanie celého rozsahu informácií o objekte, aby sa dosiahol efekt trojrozmernej fotografie.
Holografické fotografie dokážu zaznamenať nielen čelné informácie, ale aj bočné informácie.
Až po vynáleze lasera sa táto technológia stala dostupnou a v roku 1971 získala Nobelovu cenu za fyziku.
Vysoká energia je dobre pochopená, lasery môžeme použiť na napaľovanie CD, na umožnenie jadrovej fúzie, na rezanie materiálov atď. Nielenže môžeme generovať kontinuálne vysokoenergetické lasery, ale môžeme tiež získať vysokoenergetické lasery s veľmi krátkym pulzom trvanie pomocou techniky uzamknutého filmu a amplifikácie cvrlikání.
Schéma generovania impulzov technológiou uzamykania filmu.
Femtosekundové lasery sú teraz široko dostupné a trvanie jedného impulzu je rádovo len vo femtosekundách (mínus 15 sekúnd z 10).
S týmto laserom dokážeme dodať látke presné údery bez toho, aby sme spôsobili veľké škody, ako je operácia na opravu krátkozrakosti, zmena povrchu látky, zlepšenie jej antiseptických vlastností atď.
