2015. je Međunarodna godina svjetlosti i svjetlosnih tehnologija (IYL2015), što je ujedno i godina u kojoj je Izvršni odbor UNESCO-a potpisao odluku da se 16. maj svake godine odredi kao "Međunarodni dan svjetlosti". Razlog za odabir 16. maja je...
U 2015. godini, Međunarodnoj godini svjetlosti i svjetlosnih tehnologija (IYL2015), Izvršni odbor UNESCO-a potpisao je odluku da se 16. maj svake godine proglasi Međunarodnim danom svjetlosti.
16. maj je izabran jer je 16. maja 1960. godine američki fizičar Meyman stvorio prvi laserski snop u ljudskoj istoriji.
Meyman i rubin laser.
Dakle, šta je zapravo laser? I zašto je to toliko važno?
Da bismo odgovorili na ova dva pitanja, moramo razumjeti uzroke i posljedice Meymanovog rada.
Zašto objekti emituju svetlost?
Davne 1912. fizičari su još uvijek bili opsjednuti kako je izgledao atom, temelj svijeta.
Ove godine objavljena su tri rada danskog fizičara Bohra u kojima je Bohr primijenio kvantnu teoriju na Rutherfordov model atoma i predložio poznati Borov model.
Bohrov model je bio u stanju da objasni pojave koje se u to vreme nisu mogle objasniti drugim modelima, a predvideo je i neke rezultate koji bi kasnije mogli da budu potvrđeni eksperimentima, pa je kasnije bio opšte prihvaćen od strane naučne zajednice.
Bohrov model je planetarni model, što znači da se negativno nabijeni elektroni kreću oko pozitivno nabijenog jezgra poput planete.
Suptilnost Borovog modela je da se orbite ovih elektrona ne biraju nasumično, već samo na neke određene vrijednosti.
Borov model atoma vodika.
Najnutarnja elektronska orbitala naziva se osnovno stanje, orbitala u vanjskom sloju naziva se prvo pobuđeno stanje, vanjski sloj je drugo pobuđeno stanje, itd.
Možemo primijetiti da su energije elektrona ovih različitih orbitala različite, tako da možemo "izravnati" ove orbitale i dobiti neke energetske nivoe. Nivoi energije spontanog zračenja.
Zbog očuvanja energije, elektroni žele skočiti sa niskih energetskih nivoa na visoke energetske nivoe, morate apsorbirati odgovarajuću energiju iz vanjskog svijeta, ovaj proces nazivamo stimuliranom apsorpcijom. Slično, elektron sa visokog energetskog nivoa da padne na niski energetski nivo, sigurno će takođe osloboditi odgovarajuću energiju, dokazano je da će ovaj proces emitovati foton, odnosno da će elektron biti svetao, pa se ovaj proces naziva spontano zračenje.
Princip luminiscencije uobičajenih izvora svjetlosti u našem životu je spontano zračenje.
Fluorescentne lampe.
Natjerati svjetlo da se "ponaša"
Postoje neki problemi sa svjetlom proizvedenim spontanim zračenjem: postoje mnogi energetski nivoi u atomima, a ti fotoni mogu biti proizvedeni spontanim zračenjem na prvom energetskom nivou ili spontanim zračenjem na trećem energetskom nivou ......
To dovodi do različitih energija ovih fotona, a energija jednog fotona određuje frekvenciju svjetlosti, odnosno frekvencija svjetlosti proizvedena spontanim zračenjem je nasumična.
Druga stvar je da vrijeme spontanog zračenja za proizvodnju fotona, kao i smjer kretanja fotona također nije pod našom kontrolom, što će dovesti do spontanog zračenja za proizvodnju svjetlosti, faza je također nasumična.
Frekvencija i faza spomenuta ovdje su sva svojstva svjetlosti kao elektromagnetnog talasa. Frekvencija se može shvatiti kao brzina vibracije svetlosnog talasa, koja takođe određuje boju svetlosti koju vidimo; faza se može shvatiti kao položaj prenosa svetlosnog talasa.
Svetlost kao elektromagnetski talas.
Ukratko, svjetlost koju stvaraju obični izvori svjetlosti je kao gomila ljudi koja se gomila u podzemnoj, stari su i mladi, muškarci i žene, nose različite boje da idu podzemnom, a ne hodaju tako brzo, neki su već dobili u vozu, dok neki još provjeravaju karte.
To je dovelo do običnih izvora svjetlosti, iako je u vijeku trajanja rasvjete bilo dovoljno za korištenje, ali na polju naučnih istraživanja, posebno proučavanja prirode svjetlosti, borbena moć je zaista opšta.
Konačno, 1917. godine pojavio se još jedan put do svjetlosti, odnosno Ajnštajn je predložio teoriju stimulisanog zračenja.
Stimulirano zračenje.
Teorija pobuđenog zračenja znači da sada pretpostavimo da je prvo pobuđeno stanje na elektronu, kada foton udari, i energija ovog fotona tačno jednaka prvom pobuđenom stanju i jazu između osnovnog stanja, tada ovog puta, prvog pobuđeno stanje na elektronu će biti "u iskušenju" da završi slučaj spontanog zračenja, emitujući "identičan" foton se oslobađa.
Zbog postojanja ovog "iskušanog fotona", ovaj proces nazivamo pobuđenim zračenjem.
Ako ima dovoljno visokoenergetskih elektrona, ovaj proces će se nastaviti, formirajući na kraju veliku grupu "zavedenih" fotona, ovaj proces ćemo nazvati procesom pojačanja svjetlosti, najvažnije je da je faza i frekvencija ovih fotona upravo ta isto. Kao uredna i uredna vojska, i gore navedeno "stisnite metro" spontano zračenje je potpuno drugačije.
Koliko koraka je potrebno da se napravi laser?
Prvi korak je inverzija broja čestica.
Sa teorijom pobuđenog zračenja, ljudi se pitaju kako iskoristiti ovu teoriju za izgradnju izvora svjetlosti koji može emitovati urednu i urednu svjetlost.
Neki čitaoci će možda reći: „Zašto jednostavno ne uzmete svjetlo i obasjate ga? Šta je tu tako teško?
Čitaoci koji imaju takve sumnje treba da obrate pažnju na reč „dovoljno“ pomenutu ranije, i ne zaborave naš fenomen uzbuđene apsorpcije.
Ako nema dovoljno elektrona na visokim energetskim nivoima, broj pobuđenog zračenja je manji od broja pobuđene apsorpcije, kada snop svjetlosti udari, neće se emitovati svjetlosno pojačanje, već će biti u osnovnom stanju pobuđena apsorpcija elektrona, što rezultira u gubitku svetlosti.
Zapravo, u prirodnom slučaju, broj elektrona osnovnog stanja je mnogo veći od broja pobuđenih elektrona, na sobnoj temperaturi, na primjer, dvoenergetski sistem (tj. samo osnovno stanje i prvo pobuđeno stanje energetski sistem) broj elektrona osnovnog stanja je oko 10 od 170 puta veći od broja pobuđenih elektrona!
Dakle, da bi se princip pobuđenog zračenja koristio za stvaranje izvora svjetlosti, prvi problem koji treba riješiti je učiniti da broj čestica na višim energetskim nivoima bude veći od broja čestica na nižim energetskim nivoima, odnosno da se postigne broj čestica inverzija.
Kako postići preokret broja čestica?
Osnovna ideja je pumpanje čestica iz osnovnog stanja u stanje visoke energije, baš kao pumpa.
Ovo je lakše reći nego učiniti.
Crpljenje vodenih čestica.
Drugi korak je izgradnja prethodnika.
Godine 1951. američki fizičar Towns razmišljao je o tome kako postići inverziju broja čestica u molekulu amonijaka.
Molekula amonijaka je dvoenergetski sistem i nemoguće je postići inverziju broja čestica u normalnim okolnostima, jer su vjerovatnoća pobuđene apsorpcije i pobuđenog zračenja iste, kao i prisustvo spontanog zračenja, što dovodi do toga da broj čestica na višim energetskim nivoima mora biti manji od broja čestica u osnovnom stanju.
Townsov pristup je bio genijalan, jer je koristio magnetno polje da razlikuje molekule amonijaka u osnovnom i pobuđenom stanju, izdvajajući molekule amonijaka u pobuđenom stanju koje se stavljaju u mikrotalasnu rezonantnu šupljinu, u kojoj je postignuto preokret broja čestica.
Tri godine kasnije, koristeći ovu ideju, Towns je napravio prvi "MASER". Šta je MASER?
MASER se zove Mikrovalna amplifikacija stimulisanim zračenjem, što u prevodu znači "pojačavanje mikrotalasa stimulisanim zračenjem". Laserski LASER se naziva pojačanje svjetlosti stimuliranom emisijom zračenja, što u prijevodu znači "pojačavanje svjetlosti stimuliranim zračenjem".
Gore smo spomenuli da je svjetlost elektromagnetski val, a mikrovalna pećnica drugi elektromagnetski val.
Elektromagnetni talasi se mogu klasifikovati prema njihovoj frekvenciji, sa mikrotalasima u rasponu od 300 MHz do 300 GHz, a vidljivom svetlošću u rasponu od 3,9 do 7,5 puta 10 do 14. snage Hz.
Iz naziva se vidi razlika između MASER-a i LAZER-a, uglavnom u razlici u radnim opsezima, MASER je samo jedan korak od LASER-a.
Gradovi i prvi MASER.
Treći korak je kompletiranje tri glavne komponente lasera.
Uvođenje MASER-a riješilo je problem inverzije broja čestica. Za samo tri godine ova tehnologija je napredovala velikim koracima i u ovom trenutku svi žele požuriti i napraviti korak dalje pretvarajući ovo mikrovalno pojačalo u optičko pojačalo i stvarajući izvor svjetlosti iz snova, laser.
Do sada smo bili u mogućnosti da nejasno sumiramo sastav lasera od tri glavne komponente:
Prvi je potreba da se postigne inverzija broja čestica supstance, poput molekula amonijaka, što nazivamo sredstvom za pojačavanje; druga je odgovarajuća metoda pumpanja, nazivamo je pumpanjem; treći su gore pomenuti Gradovi sa rezonantnom šupljinom, a o ulozi rezonantne šupljine biće reči kasnije.
Godine 1958. Towns i Shorro su sarađivali na teoretskom radu koji je po prvi put sa teorijske tačke gledišta predviđao izvodljivost lasera. U ovom trenutku, sve je bilo spremno za gradove, osim vjetra!
16. maja 1960. Meyman je krenuo drugim putem i prvi je napravio prvi laser u ljudskoj istoriji.
Priča o tome kako je Meyman prvi stigao tamo je fascinantna priča sa mnogo preokreta. Ali hajde da se fokusiramo na njegov rubin laser.
Šematski dijagram rubin lasera.
Ovaj laser vrlo jasno pokazuje tri glavne komponente lasera, možemo ih predstaviti i redom.
Srednji dobitak:
Medij za pojačanje koji je izabrao Meyman je rubin, koji je hromom dopiran aluminijum trioksid.
Šema troenergetskog sistema.
Ovaj medij za pojačavanje je troenergetski sistem, a ovaj troenergetski sistem za postizanje inverzije broja čestica je mnogo jednostavniji od prethodnog sistema na dva nivoa. Postoje neke posebne karakteristike rubin sistema na tri nivoa, i možemo razumjeti kako on postiže inverziju broja čestica svojim procesom pumpanja.
Prvo, čestice osnovnog stanja se transportuju direktno na energetski nivo E3 pomoću odgovarajuće pobude, a postoji proces skoka bez zračenja između energetskih nivoa E3 i E2, što znači da će čestice na E3 brzo trčati do E2 sudarima. , a smanjena energija postaje energija toplinskog kretanja umjesto luminiscencije.
Osim toga, E2 stanje je substabilno, odnosno čestice koje padaju na energetski nivo E3 mogu dugo ostati na energetskom nivou E2. Ovo je ekvivalentno korištenju energetskog nivoa E3 kao prijelaza za transport čestica iz osnovnog stanja u E2, i pustite da se proces nastavi, broj čestica u E2 će premašiti broj čestica u osnovnom stanju, postižući broj čestica inverzija.
U stvari, efikasnost rubin lasera je veoma niska, samo 0.1 posto, što je ograničeno medijumom pojačanja, jer troenergetski sistem zahteva veoma veliku energiju za pumpanje čestica osnovnog stanja u visokoenergetsko stanje. Pored toga, talasna dužina ovog lasera je 694,3 nm, što je takođe određeno sredstvom za pojačavanje.
Sa razvojem lasera, vrste medija za pojačanje postepeno su se povećavale, uključujući gas, čvrstu, tečnu, vlakna, poluprovodničku, itd., kao što je laserski pokazivač koji se obično koristi u učionici je poluprovodnički laser.
Ukratko, bez obzira koji medij pojačanja, on mora imati metodu koja može postići inverziju broja čestica.
Pumpanje:
Lampa pumpe prvog rubin lasera.
Najočiglednija karakteristika Meynmanovog lasera je da je njegov izvor pumpe spiralna ksenonska lampa, a spiralni oblik osigurava da se rubinska šipka postavi između lampi. Osim toga, ova lampa i dalje koristi pulsno svjetlo za pumpanje, što znači da svjetlost koju emituje nije kontinuirana, već u naletima. Ovo je najvažniji dizajn Meynmana, tako da kontinuirano visokoenergetsko pumpanje svjetlosti ne ošteti kristal.
Rezonantna šupljina:
Šematski dijagram rezonantne šupljine.
Na dva kraja rubinske šipke, Meyman je postavio dva ogledala i iskopao malu rupu na desnoj strani kako bi svjetlost pobuđenog zračenja mogla putovati naprijed-nazad kroz medij za pojačavanje kako bi "namamila" više fotona, a nakon što je dosegla određenog intenziteta, laserska svjetlost bi se emitovala kroz malu rupu.
Koja je upotreba lasera?
Mayman je nakon izuma lasera održao konferenciju za novinare, na kojoj je novinar postavio ovo pitanje, Mayman je dao 5 prijedloga: 1:
1. koristi se za pojačavanje svjetlosti, na primjer, kada se prave laseri velike snage, koriste optička pojačala za pojačavanje slabije svjetlosti;
2. mogu koristiti lasere za proučavanje materije;
3. koristiti laserske zrake velike snage za svemirske komunikacije;
4. koristi se za povećanje broja kanala za komunikaciju (to je ono što se kasnije pojavilo kao komunikacija optičkim vlaknima);
5. za fokusiranje zraka za proizvodnju ultra-visokog intenziteta svjetlosti za rezanje ili zavarivanje materijala u industriji, ili za izvođenje operacija u medicini, itd.
Moramo se diviti Mehmanovom oštrom naučnom smislu, a svi ovi prijedlozi koje je on dao kasnije su ispunjeni.
Sjećate li se karakteristika fotona proizvedenih pobuđenim zračenjem?
Imaju istu frekvenciju i fazu, a laser je u suštini pojačanje svjetlosti od pobuđenog zračenja, tako da su dvije najvažnije karakteristike lasera dobra monokromatičnost i visoka energija. Ove dvije karakteristike određuju upotrebu lasera, a to su dva pravca razvoja lasera.
Dobra monohromatičnost znači da je laserski spektar veoma uzak i da lako može pokazati karakteristike svetlosti kao talasa, a zatim ga možemo koristiti za snimanje informacija o fazi.
Na primjer, holografska fotografska tehnologija koju je izumio britanski fizičar Dennis Gerber 1947. u suštini je korištenje faze svjetlosti za snimanje cijelog spektra informacija o objektu, kako bi se proizveo efekat trodimenzionalne fotografije.
Holografske fotografije mogu zabilježiti ne samo prednje, već i sporedne informacije.
Tek nakon izuma lasera ova tehnologija je postala dostupna i dobila je Nobelovu nagradu za fiziku 1971. godine.
Visoka energija je dobro poznata, možemo koristiti lasere za snimanje CD-a, za nuklearnu fuziju, za rezanje materijala, itd. Ne samo da možemo generirati kontinuirane visokoenergetske lasere, već možemo dobiti i visokoenergetske lasere s vrlo kratkim impulsom trajanja pomoću tehnike zaključanog filma i chirp amplifikacije.
Dijagram generiranja impulsa s tehnologijom zaključavanja filma.
Femtosekundni laseri su sada široko dostupni, a trajanje jednog impulsa je samo reda femtosekundi (minus 15 sekundi od 10).
Ovim laserom možemo zadati precizne udarce u supstancu bez nanošenja veće štete, kao što je operacija za popravku miopije, mijenjanje površine supstance, poboljšanje njenih antiseptičkih svojstava itd.
