Η αρχή του λέιζερ και η εφαρμογή του

Το λέιζερ αναφέρεται στη διαδικασία και στο όργανο της παραγωγής διασωματωμένων, μονοχρωματικών, συνεκτικών φωτεινών δοκών μέσω της διεγερμένης ενίσχυσης της ακτινοβολίας και της απαραίτητης ανατροφοδότησης. Βασικά, η παραγωγή λέιζερ απαιτεί τρία στοιχεία: έναν "συντονιστή", ένα "μέσο κέρδους" και μια "πηγή άντλησης".

Α. Αρχή

Η κατάσταση κίνησης ενός ατόμου μπορεί να χωριστεί σε διαφορετικά επίπεδα ενέργειας και όταν το άτομο μεταβαίνει από υψηλό επίπεδο ενέργειας σε χαμηλό επίπεδο ενέργειας, απελευθερώνει φωτόνια αντίστοιχης ενέργειας (λεγόμενη αυθόρμητη ακτινοβολία). Ομοίως, όταν ένα φωτόνιο είναι συμβάν σε ένα σύστημα ενεργειακής στάθμης και απορροφάται από αυτό, θα προκαλέσει τη μετάβαση του ατόμου από χαμηλό επίπεδο ενέργειας σε υψηλό επίπεδο ενέργειας (λεγόμενη διεγερμένη απορρόφηση). Στη συνέχεια, μερικά από τα άτομα που μεταβαίνουν σε υψηλότερα επίπεδα ενέργειας θα μεταβαίνουν σε χαμηλότερα επίπεδα ενέργειας και θα εκπέμπουν φωτόνια (λεγόμενη διεγερμένη ακτινοβολία). Αυτές οι κινήσεις δεν εμφανίζονται μεμονωμένα, αλλά συχνά παράλληλα. Όταν δημιουργούμε μια κατάσταση, όπως η χρήση του κατάλληλου μέσου, του συντονιστή, αρκετού εξωτερικού ηλεκτρικού πεδίου, η διεγερμένη ακτινοβολία ενισχύεται έτσι ώστε να εκπέμπεται περισσότερο από την διεγερμένη απορρόφηση, τότε γενικά, θα εκπέμπονται φωτόνια, με αποτέλεσμα το φως λέιζερ.

Β. Ταξινόμηση

Σύμφωνα με το μέσο που παράγει το λέιζερ, το λέιζερ μπορεί να χωριστεί σε υγρό λέιζερ, λέιζερ αερίου και στερεό λέιζερ. Τώρα το πιο κοινό λέιζερ ημιαγωγών είναι ένα είδος λέιζερ στερεάς κατάστασης.

Γ. Σύνθεση

Τα περισσότερα λέιζερ αποτελούνται από τρία μέρη: σύστημα διέγερσης, υλικό λέιζερ και οπτικό συντονιστή. Τα συστήματα διέγερσης είναι συσκευές που παράγουν φως, ηλεκτρική ή χημική ενέργεια. Επί του παρόντος, τα βασικά μέσα κινήτρων που χρησιμοποιούνται είναι το φως, η ηλεκτρική ενέργεια ή η χημική αντίδραση. Οι ουσίες λέιζερ είναι ουσίες που μπορούν να παράγουν φως λέιζερ, όπως ρουμπίνια, γυαλί βηρυλλίου, αέριο νέον, ημιαγωγούς, οργανικές βαφές κλπ. Ο ρόλος του ελέγχου οπτικού συντονισμού είναι η ενίσχυση της φωτεινότητας του λέιζερ εξόδου, η ρύθμιση και η επιλογή του μήκους κύματος και της κατεύθυνσης του λέιζερ.

Δ. Εφαρμογή

Το λέιζερ χρησιμοποιείται ευρέως, κυρίως επικοινωνία ινών, κυματοειδές λέιζερ, κοπή λέιζερ, όπλα λέιζερ, δίσκο λέιζερ και ούτω καθεξής.

Ε. Ιστορικό

Το 1958, οι Αμερικανοί επιστήμονες Xiaoluo και Townes ανακάλυψαν ένα μαγικό φαινόμενο: όταν έβαλαν το φως που εκπέμπεται από τον εσωτερικό λαμπτήρα σε ένα κρύσταλλο σπάνιων γαιών, τα μόρια του κρυστάλλου θα εκπέμπουν φωτεινό, πάντα μαζί ισχυρό φως. Σύμφωνα με αυτό το φαινόμενο, πρότειναν την "αρχή του λέιζερ", δηλαδή όταν η ουσία διεγείρεται από την ίδια ενέργεια με τη φυσική συχνότητα ταλάντωσης των μορίων της, θα παράγει αυτό το ισχυρό φως που δεν αποκλίνει - λέιζερ. Βρήκαν σημαντικά έγγραφα για αυτό.

Μετά τη δημοσίευση των ερευνητικών αποτελεσμάτων του Sciolo και του Townes, οι επιστήμονες από διάφορες χώρες πρότειναν διάφορα πειραματικά προγράμματα, αλλά δεν ήταν επιτυχείς. Στις 15 Μαΐου 1960, ο Mayman, επιστήμονας στο Hughes Laboratory στην Καλιφόρνια, ανακοίνωσε ότι είχε πάρει ένα λέιζερ με μήκος κύματος 0,6943 μικρά, που ήταν το πρώτο λέιζερ που έλαβε ποτέ ο άνθρωπος και ο Mayman έγινε έτσι ο πρώτος επιστήμονας στον κόσμο για να εισαγάγει λέιζερ στον πρακτικό τομέα.

Στις 7 Ιουλίου 1960, ο Mayman ανακοίνωσε τη γέννηση του πρώτου λέιζερ του κόσμου, το σχέδιο του Mayman είναι να χρησιμοποιήσει έναν σωλήνα φλας υψηλής έντασης για να διεγείρει τα άτομα χρωμίου σε ένα Ruby Crystal, παράγοντας έτσι μια πολύ συμπυκνωμένη στήλη λεπτού κόκκινου φωτός, όταν πυροδοτείται σε ένα συγκεκριμένο σημείο, μπορεί να φτάσει σε μια θερμοκρασία υψηλότερη από την επιφάνεια του ήλιου.

Ο σοβιετικός επιστήμονας H.γ BASOV εφευρέθηκε το λέιζερ ημιαγωγού το 1960. Τα χαρακτηριστικά του είναι: το μικρό μέγεθος, η υψηλή απόδοση σύζευξης, η ταχύτητα γρήγορης απόκρισης, το μήκος κύματος και το μέγεθος που ταιριάζουν με το μέγεθος των οπτικών ινών, μπορούν να διαμορφωθούν άμεσα, καλή συνοχή.

Έξι, μερικές από τις κύριες οδηγίες εφαρμογής του λέιζερ

F. Επικοινωνία λέιζερ

Η χρήση του φωτός για τη μετάδοση των πληροφοριών είναι πολύ συνηθισμένη σήμερα. Για παράδειγμα, τα πλοία χρησιμοποιούν φώτα για να επικοινωνούν και τα φανάρια χρησιμοποιούν κόκκινο, κίτρινο και πράσινο. Αλλά όλοι αυτοί οι τρόποι μετάδοσης πληροφοριών που χρησιμοποιούν το συνηθισμένο φως μπορούν να περιοριστούν μόνο σε μικρές αποστάσεις. Εάν θέλετε να μεταδώσετε πληροφορίες απευθείας σε απομακρυσμένα μέρη μέσω του φωτός, δεν μπορείτε να χρησιμοποιήσετε το συνηθισμένο φως, αλλά χρησιμοποιείτε μόνο λέιζερ.

Λοιπόν, πώς παραδίδετε το λέιζερ; Γνωρίζουμε ότι η ηλεκτρική ενέργεια μπορεί να μεταφερθεί κατά μήκος των καλωδίων χαλκού, αλλά το φως δεν μπορεί να μεταφερθεί κατά μήκος των συνηθισμένων μεταλλικών καλωδίων. Για το σκοπό αυτό, οι επιστήμονες έχουν αναπτύξει ένα νήμα που μπορεί να μεταδώσει φως, που ονομάζεται οπτική ίνα, που αναφέρεται ως ίνες. Η οπτική ίνα είναι κατασκευασμένη από ειδικά υλικά υλικά, η διάμετρος είναι λεπτότερη από τα ανθρώπινα μαλλιά, συνήθως 50 έως 150 μικρά και πολύ μαλακά.

Στην πραγματικότητα, ο εσωτερικός πυρήνας της ίνας είναι ένας υψηλός δείκτης διάθλασης του διαφανούς οπτικού γυαλιού και η εξωτερική επικάλυψη είναι κατασκευασμένη από γυαλί ή πλαστικό χαμηλού δείκτη διάθλασης. Μια τέτοια δομή, αφενός, μπορεί να κάνει το φως διαθλασμένο κατά μήκος του εσωτερικού πυρήνα, ακριβώς όπως το νερό που ρέει προς τα εμπρός στον σωλήνα νερού, η ηλεκτρική ενέργεια που μεταδίδεται προς τα εμπρός στο σύρμα, ακόμη και αν χιλιάδες ανατροπές δεν έχουν καμία επίδραση. Από την άλλη πλευρά, η επίστρωση δείκτη χαμηλής ανατροπής μπορεί να αποτρέψει τη διαρροή του φωτός, ακριβώς όπως ο σωλήνας νερού δεν διαρρέει και το στρώμα μόνωσης του καλωδίου δεν διεξάγει ηλεκτρική ενέργεια.

Η εμφάνιση οπτικών ινών επιλύει τον τρόπο μετάδοσης φωτός, αλλά δεν σημαίνει ότι με αυτό, οποιοδήποτε φως μπορεί να μεταδοθεί σε πολύ μακριά. Μόνο η υψηλή φωτεινότητα, το καθαρό χρώμα, το καλό κατευθυντικό λέιζερ, είναι η πιο ιδανική πηγή φωτός για τη μετάδοση πληροφοριών, εισάγεται από το ένα άκρο της ίνας, σχεδόν καμία απώλεια και απόδοση από το άλλο άκρο. Ως εκ τούτου, η οπτική επικοινωνία είναι ουσιαστικά η επικοινωνία με λέιζερ, η οποία έχει τα πλεονεκτήματα της μεγάλης χωρητικότητας, της υψηλής ποιότητας, της ευρείας πηγής υλικών, της ισχυρής εμπιστευτικότητας, της ανθεκτικότητας κλπ. Και χαιρετίζεται από τους επιστήμονες ως επανάσταση στον τομέα της επικοινωνίας και είναι ένα από τα πιο λαμπρά επιτεύγματα στην τεχνολογική επανάσταση.