2015. gads ir Starptautiskais Gaismas un uz gaismu balstītu tehnoloģiju gads (IYL2015), kas ir arī gads, kad UNESCO Valde parakstīja lēmumu ik gadu 16.maiju noteikt par "Starptautisko gaismas dienu". Iemesls 16. maija izvēlei ir...
2015. gadā, Starptautiskajā gaismas un uz gaismu balstītu tehnoloģiju gadā (IYL2015), UNESCO Valde parakstīja lēmumu katra gada 16. maiju noteikt par Starptautisko gaismas dienu.
16. maijs tika izvēlēts, jo 1960. gada 16. maijā amerikāņu fiziķis Meimans radīja pirmo lāzera staru cilvēces vēsturē.
Meimens un rubīna lāzers.
Tātad, kas īsti ir lāzers? Un kāpēc tas ir tik svarīgi?
Lai atbildētu uz šiem diviem jautājumiem, mums ir jāsaprot Meimana darba cēloņi un sekas.
Kāpēc objekti izstaro gaismu?
Vēl 1912. gadā fiziķi bija apsēsti ar to, kā izskatās atoms, pasaules pamats.
Šajā gadā tika publicēti trīs dāņu fiziķa Bora raksti, kuros Bors pielietoja kvantu teoriju Raterforda atoma modelim un ierosināja slaveno Bora modeli.
Bora modelis spēja izskaidrot parādības, kuras tajā laikā nevarēja izskaidrot ar citiem modeļiem, un paredzēja dažus rezultātus, kurus vēlāk varēja apstiprināt ar eksperimentiem, tāpēc zinātnieku aprindās to pēc tam vispār pieņēma.
Bora modelis ir planētu modelis, kas nozīmē, ka negatīvi lādēti elektroni pārvietojas ap pozitīvi lādētu kodolu kā planēta.
Bora modeļa smalkums ir tāds, ka šo elektronu orbītas nav izvēlētas nejauši, bet tikai uz dažām noteiktām vērtībām.
Bora ūdeņraža atoma modelis.
Iekšējo elektronu orbitāli sauc par pamatstāvokli, orbitāli ārējā slānī sauc par pirmo ierosināto stāvokli, ārējo slāni sauc par otro ierosināto stāvokli utt.
Mēs varam pamanīt, ka šo dažādo orbitāļu elektronu enerģijas ir atšķirīgas, tāpēc mēs varam šīs orbitāles "saplacināt", un mēs iegūstam dažus enerģijas līmeņus. Spontāna starojuma enerģijas līmenis.
Enerģijas saglabāšanas dēļ elektroni vēlas pārlēkt no zema enerģijas līmeņa uz augstu enerģijas līmeni, jums ir jāuzņem atbilstošā enerģija no ārpasaules, šo procesu mēs to saucam par stimulētu absorbciju. Tāpat elektrons no augstā enerģijas līmeņa nokrīt uz zemo enerģijas līmeni, noteikti arī atbrīvos attiecīgo enerģiju, ir pierādīts, ka šis process izstaros fotonu, tas ir, elektrons būs gaismas, tāpēc šo procesu sauc spontāns starojums.
Mūsu dzīvē izplatīto gaismas avotu luminiscences princips ir spontāns starojums.
Luminiscences spuldzes.
Liec gaismai "uzvesties"
Ir dažas problēmas ar gaismu, ko rada spontāns starojums: atomos ir daudz enerģijas līmeņu, un šos fotonus var radīt spontāns starojums pirmajā enerģijas līmenī vai spontāns starojums trešajā enerģijas līmenī ......
Tas noved pie dažādām šo fotonu enerģijām, un viena fotona enerģija nosaka gaismas frekvenci, tas ir, spontāna starojuma radītās gaismas frekvence ir nejauša.
Vēl viens jautājums ir tas, ka spontāna starojuma laiks, lai radītu fotonus, kā arī fotonu kustības virziens arī nav mūsu kontrolē, kas novedīs pie spontāna starojuma, kas rada gaismu, fāze arī ir nejauša.
Šeit minētā frekvence un fāze ir visas gaismas kā elektromagnētiskā viļņa īpašības. Ar frekvenci var saprast gaismas viļņu vibrācijas ātrumu, kas arī nosaka gaismas krāsu, ko mēs redzam; fāzi var saprast kā gaismas viļņu pārraides pozīciju.
Gaisma kā elektromagnētiskais vilnis.
Īsāk sakot, parasto gaismas avotu radītā gaisma ir kā cilvēku bars, kas drūzmējas metro, viņi ir veci un jauni, vīrieši un sievietes, valkā dažādas krāsas, lai dotos metro, un viņi neiet tik ātri, daži jau ir ieguvuši. vilcienā, kamēr daži vēl pārbauda biļetes.
Tas noveda pie parastajiem gaismas avotiem, lai gan apgaismojuma lietošanas laikā ir bijis pietiekami daudz izmantot, taču zinātniskās izpētes jomā, īpaši gaismas rakstura izpētē, kaujas spēks ir patiešām vispārīgs.
Visbeidzot, 1917. gadā parādījās vēl viens gaismas iegūšanas veids, tas ir, Einšteins ierosināja stimulētā starojuma teoriju.
Stimulēts starojums.
Uzbudinātā starojuma teorija nozīmē, ka tagad pieņemsim, ka pirmais elektrona ierosinātais stāvoklis, kad trāpa fotons, un šī fotona enerģija ir tieši vienāda ar pirmo ierosināto stāvokli un atstarpi starp pamatstāvokli, tad šoreiz pirmais Uzbudinātais elektrona stāvoklis tiks "kārdināts" pabeigt spontāna starojuma gadījumu, izstarojot "identisku" fotonu.
Šī "kārdinātā fotona" pastāvēšanas dēļ mēs šo procesu saucam par ierosināto starojumu.
Ja būs pietiekami daudz augstas enerģijas elektronu, šis process turpināsies, galu galā veidojot lielu "savaldzināto" fotonu grupu, šo procesu sauksim par gaismas pastiprināšanas procesu, galvenais, lai šo fotonu fāze un frekvence būtu tieši tas pats. Tāpat kā kārtīga un kārtīga armija, un iepriekš minētais "izspied metro" spontānais starojums ir pavisam savādāks.
Cik soļu ir nepieciešams, lai izveidotu lāzeru?
Pirmais solis ir daļiņu skaitļu inversija.
Izmantojot ierosinātā starojuma teoriju, cilvēki domā, kā izmantot šo teoriju, lai izveidotu gaismas avotu, kas var izstarot kārtīgu un sakoptu gaismu.
Daži lasītāji var teikt: "Kāpēc gan vienkārši nepaņemt gaismu un izstarot to cauri? Kas tajā ir tik grūts?
Lasītājiem, kuriem ir šādas šaubas, vajadzētu pievērst uzmanību iepriekš minētajam vārdam "pietiekami daudz" un neaizmirstiet mūsu satrauktās absorbcijas fenomenu.
Ja elektronu pie augstiem enerģijas līmeņiem nav pietiekami daudz, ierosinātā starojuma skaits ir mazāks par ierosinātās absorbcijas skaitu, kad trāpīs gaismas staram, netiks izstarots gaismas pastiprinājums, bet gan būs pamata stāvokļa elektronu ierosinātā absorbcija, kā rezultātā. gaismas zudumā.
Faktiski dabiskā gadījumā pamata stāvokļa elektronu skaits ir daudz lielāks nekā ierosināto elektronu skaits, piemēram, divu enerģiju sistēmā (tas ir, tikai pamata stāvoklis un pirmais ierosinātais stāvoklis) istabas temperatūrā. enerģētikas sistēma) pamatstāvokļa elektronu skaits ir aptuveni 10 no 170 reizēm lielāks par ierosināto elektronu skaitu!
Tātad, lai izmantotu ierosinātā starojuma principu gaismas avota radīšanai, pirmā problēma, kas jāatrisina, ir panākt, lai daļiņu skaits augstākos enerģijas līmeņos būtu lielāks par daļiņu skaitu zemākos enerģijas līmeņos, tas ir, lai sasniegtu daļiņu skaitu. inversija.
Kā panākt daļiņu skaita maiņu?
Pamatideja ir sūknēt daļiņas no pamatstāvokļa uz augstas enerģijas stāvokli, tāpat kā sūkni.
To ir vieglāk pateikt nekā izdarīt.
Ūdens sūknēšanas daļiņas.
Otrais solis ir izveidot priekšgājēju.
1951. gadā amerikāņu fiziķis Taunss izdomāja, kā panākt daļiņu skaita inversiju amonjaka molekulā.
Amonjaka molekula ir divu enerģiju sistēma, un normālos apstākļos nav iespējams panākt daļiņu skaita inversiju, jo ierosinātās absorbcijas un ierosinātā starojuma iespējamība ir vienāda, kā arī spontāna starojuma klātbūtne, kas noved pie tā, ka daļiņu skaitam augstākos enerģijas līmeņos jābūt mazākam par daļiņu skaitu pamatstāvoklī.
Taunsa pieeja bija ģeniāla, jo viņš izmantoja magnētisko lauku, lai atšķirtu pamatstāvokļa un ierosinātā stāvokļa amonjaka molekulas, izceļot ierosinātā stāvokļa amonjaka molekulas, kas jāievieto mikroviļņu rezonanses dobumā, kurā tika panākta daļiņu skaita maiņa.
Trīs gadus vēlāk, izmantojot šo ideju, Taunss uzbūvēja pirmo "MASER". Kas ir MASER?
MASER sauc par mikroviļņu pastiprināšanu ar stimulētu starojuma emisiju, kas tulkojumā nozīmē "mikroviļņu pastiprināšana ar stimulētu starojumu". Lāzera lāzeru sauc par gaismas pastiprināšanu ar stimulētu starojuma emisiju, kas tulkojumā nozīmē "gaismas pastiprināšana ar stimulētu starojumu".
Iepriekš mēs minējām, ka gaisma ir elektromagnētiskais vilnis, bet mikroviļņi ir vēl viens elektromagnētiskais vilnis.
Elektromagnētiskos viļņus var klasificēt pēc to frekvences, ar mikroviļņiem diapazonā no 300 MHz līdz 300 GHz un redzamo gaismu diapazonā no 3,9 līdz 7,5 reiz 10 līdz 14. jaudai Hz.
No nosaukuma mēs varam redzēt atšķirību starp MASER un LAZER, galvenokārt darbības diapazonu atšķirībām, MASER ir tikai viena soļa attālumā no LASER.
Towns un pirmais MASER.
Trešais solis ir pabeigt trīs galvenās lāzera sastāvdaļas.
MASER ieviešana atrisināja daļiņu skaitļu inversijas problēmu. Tikai trīs gadu laikā šī tehnoloģija ir attīstījusies ar lēcieniem un robežām, un šajā brīdī ikviens vēlas steigties un spert soli tālāk, pārvēršot šo mikroviļņu pastiprinātāju par optisko pastiprinātāju un radot sapņu gaismas avotu – lāzeru.
Līdz šim mēs esam spējuši neskaidri apkopot trīs galveno lāzera komponentu sastāvu:
Pirmā ir nepieciešamība panākt vielas daļiņu skaita inversiju, piemēram, amonjaka molekulas, mēs saucam par pastiprināšanas vidi; otrā ir atbilstošā sūknēšanas metode, mēs to saucam par sūknēšanu; trešais ir augstākminētie Towns ar rezonanses dobumu, par rezonanses dobuma lomu mēs runāsim vēlāk.
1958. gadā Taunss un Šoro sadarbojās teorētiskā dokumentā, kurā pirmo reizi tika prognozēta lāzeru iespējamība no teorētiskā viedokļa. Šajā brīdī Taunsam viss bija gatavs, izņemot vēju!
1960. gada 16. maijā Meyman izvēlējās citu ceļu un bija pirmais, kas uzbūvēja pirmo lāzeru cilvēces vēsturē.
Stāsts par to, kā Meyman tur nokļuva pirmais, ir aizraujošs stāsts ar daudziem pavērsieniem. Bet pievērsīsimies viņa rubīna lāzeram.
Rubīna lāzera shematiskā diagramma.
Šis lāzers ļoti skaidri parāda trīs galvenās lāzera sastāvdaļas, mēs varam arī tās ieviest pēc kārtas.
Iegūt vidēju:
Meyman izvēlētā pastiprināšanas vide ir rubīns, kas ir ar hromu leģēts alumīnija trioksīds.
Trīs enerģiju sistēmas shēma.
Šī pastiprinājuma vide ir trīs enerģiju sistēma, un šī trīs enerģiju sistēma, lai panāktu daļiņu skaita inversiju, ir daudz vienkāršāka nekā iepriekšējā divu līmeņu sistēma. Rubīna trīs līmeņu sistēmai ir dažas īpašas iezīmes, un mēs varam saprast, kā tā panāk daļiņu skaita inversiju sūknēšanas procesā.
Pirmkārt, pamatstāvokļa daļiņas ar piemērotu ierosmi tiek transportētas tieši uz E3 enerģijas līmeni, un starp E3 un E2 enerģijas līmeņiem notiek bezstarojuma lēciena process, kas nozīmē, ka E3 daļiņas sadursmju rezultātā ātri nokļūs uz E2. , un samazinātā enerģija kļūst par siltuma kustības enerģiju luminiscences vietā.
Turklāt E2 stāvoklis ir substabils, tas ir, daļiņas, kas nokrīt uz E3 enerģijas līmeņa, var ilgstoši palikt uz E2 enerģijas līmeņa. Tas ir līdzvērtīgs E3 enerģijas līmeņa izmantošanai kā pārejai daļiņu transportēšanai no pamatstāvokļa uz E2, un ļaujiet procesam turpināties, daļiņu skaits E2 pārsniegs daļiņu skaitu pamatstāvoklī, sasniedzot daļiņu skaitu. inversija.
Faktiski rubīna lāzera efektivitāte ir ļoti zema, tikai 0,1 procents, ko ierobežo pastiprināšanas vide, jo trīs enerģiju sistēmai ir nepieciešama ļoti liela enerģija, lai sūknētu pamatstāvokļa daļiņas uz augstas enerģijas stāvoklis. Turklāt šī lāzera viļņa garums ir 694,3 nm, ko arī nosaka pastiprināšanas vide.
Attīstoties lāzeram, pakāpeniski palielinājās pastiprināšanas vides veidi, tostarp gāzes, cietie, šķidrie, šķiedras, pusvadītāji utt., Piemēram, klasē parasti izmantotais lāzera rādītājs ir pusvadītāju lāzers.
Īsāk sakot, neatkarīgi no pastiprināšanas vides, tai ir jābūt metodei, kas var panākt daļiņu skaita inversiju.
Sūknēšana:
Pirmā rubīna lāzera sūkņa lampa.
Acīmredzamākā Meynman lāzera iezīme ir tā, ka tā sūkņa avots ir spirālveida ksenona lampa, spirālveida forma nodrošina rubīna stieņa novietošanu starp lampām. Turklāt šī lampa sūknēšanai joprojām izmanto impulsu gaismu, kas nozīmē, ka gaisma, ko tā izstaro, nav nepārtraukta, bet gan sērijveida. Šis ir vissvarīgākais Meynman dizains, lai nepārtraukta augstas enerģijas sūknēšanas gaisma nesabojātu kristālu.
Rezonanses dobums:
Rezonanses dobuma shematiska diagramma.
Abos rubīna stieņa galos Meimans novietoja divus spoguļus un labajā pusē izraka nelielu caurumu, lai ierosinātā starojuma gaisma varētu virzīties uz priekšu un atpakaļ caur pastiprināšanas vidi, lai "pievilinātu" vairāk fotonu, un pēc tam, kad tika sasniegts noteiktu intensitāti, lāzera gaisma tiktu izstarota caur mazo caurumu.
Kāda ir lāzera izmantošana?
Meimens pēc lāzera izgudrošanas sarīkoja preses konferenci, kurā reportieris uzdeva šo jautājumu, Meimens sniedza 5 ieteikumus: 1:
1. izmanto gaismas pastiprināšanai, piemēram, izgatavojot lieljaudas lāzerus, vājākās gaismas pastiprināšanai izmanto optiskos pastiprinātājus;
2. var izmantot lāzerus, lai pētītu vielu;
3. izmantot lielas jaudas lāzera starus kosmosa sakariem;
4. izmanto, lai palielinātu saziņas kanālu skaitu (tas ir tas, kas vēlāk parādījās kā optiskās šķiedras komunikācija);
5. fokusēt staru, lai radītu īpaši augstu gaismas intensitāti materiālu griešanai vai metināšanai rūpniecībā, vai operāciju veikšanai medicīnā utt.
Mums ir jāapbrīno Mehmana asā zinātniskā izpratne, un visi šie viņa ieteikumi vēlāk tika izpildīti.
Atcerieties ierosinātā starojuma radīto fotonu īpašības?
Tiem ir vienāda frekvence un fāze, un lāzers būtībā ir ierosinātā starojuma gaismas pastiprinājums, tāpēc divi svarīgākie lāzera raksturlielumi ir laba vienkrāsainība un augsta enerģija. Šie divi raksturlielumi nosaka lāzeru lietojumu, un tie ir divi lāzera attīstības virzieni.
Laba vienkrāsainība nozīmē, ka lāzera spektrs ir ļoti šaurs un var viegli parādīt gaismas īpašības kā viļņu, un mēs varam to izmantot, lai ierakstītu fāzes informāciju.
Piemēram, hologrāfiskā foto tehnoloģija, ko 1947. gadā izgudroja britu fiziķis Deniss Gerbers, būtībā ir gaismas fāzes izmantošana, lai ierakstītu visu informāciju par objektu, tādējādi radot trīsdimensiju fotogrāfijas efektu.
Hologrāfiskās fotogrāfijas var ierakstīt ne tikai frontālo, bet arī sānu informāciju.
Tikai pēc lāzera izgudrošanas šī tehnoloģija kļuva pieejama un 1971. gadā tai tika piešķirta Nobela prēmija fizikā.
Augsta enerģija ir labi saprotama, mēs varam izmantot lāzerus, lai ierakstītu kompaktdiskus, lai nodrošinātu kodolsintēzi, grieztu materiālus utt. Mēs varam ne tikai ģenerēt nepārtrauktus augstas enerģijas lāzerus, bet arī iegūt augstas enerģijas lāzerus ar ļoti īsu impulsu. ilgumu, izmantojot bloķētās filmas tehniku un čirkstēšanas pastiprināšanu.
Impulsu ģenerēšanas diagramma ar plēves bloķēšanas tehnoloģiju.
Femtosekundes lāzeri tagad ir plaši pieejami, un viena impulsa ilgums ir tikai femtosekundes (mīnus 15 sekundes no 10).
Ar šo lāzeru mēs varam veikt precīzus sitienus vielai, neradot lielus bojājumus, piemēram, tuvredzības labošanas operācijas, vielas virsmas mainīšanu, antiseptisko īpašību uzlabošanu utt.
