Το λέιζερ αναφέρεται στη διαδικασία και το όργανο παραγωγής ευθυγραμμισμένων, μονοχρωματικών, συνεκτικών δεσμών φωτός μέσω ενίσχυσης διεγερμένης ακτινοβολίας και της απαραίτητης ανάδρασης. 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 ένα υψηλό επίπεδο ενέργειας σε ένα χαμηλό επίπεδο ενέργειας, απελευθερώνει φωτόνια αντίστοιχης ενέργειας (η λεγόμενη αυθόρμητη ακτινοβολία). Ομοίως, όταν ένα φωτόνιο προσπίπτει σε ένα σύστημα ενεργειακών επιπέδων και απορροφάται από αυτό, θα προκαλέσει τη μετάβαση του ατόμου από ένα χαμηλό επίπεδο ενέργειας σε ένα υψηλό επίπεδο ενέργειας (η λεγόμενη διεγερμένη απορρόφηση). Στη συνέχεια, ορισμένα από τα άτομα που μεταβαίνουν σε υψηλότερα επίπεδα ενέργειας θα μεταβούν σε χαμηλότερα επίπεδα ενέργειας και θα εκπέμπουν φωτόνια (η λεγόμενη διεγερμένη ακτινοβολία). Αυτές οι κινήσεις δεν συμβαίνουν μεμονωμένα, αλλά συχνά παράλληλα. Όταν δημιουργούμε μια συνθήκη, όπως η χρήση του κατάλληλου μέσου, του συντονιστή, επαρκούς εξωτερικού ηλεκτρικού πεδίου, η διεγερμένη ακτινοβολία ενισχύεται έτσι ώστε περισσότερο από την διεγερμένη απορρόφηση, τότε γενικά, θα εκπέμπονται φωτόνια, με αποτέλεσμα το φως λέιζερ.
Β. Ταξινόμηση
Ανάλογα με το μέσο που παράγει το λέιζερ, το λέιζερ μπορεί να χωριστεί σε λέιζερ υγρού, λέιζερ αερίου και λέιζερ στερεού. Τώρα, το πιο συνηθισμένο λέιζερ ημιαγωγών είναι ένα είδος λέιζερ στερεάς κατάστασης.
Γ. Σύνθεση
Τα περισσότερα λέιζερ αποτελούνται από τρία μέρη: σύστημα διέγερσης, υλικό λέιζερ και οπτικό αντηχείο. Τα συστήματα διέγερσης είναι συσκευές που παράγουν φως, ηλεκτρική ή χημική ενέργεια. Σήμερα, τα κύρια μέσα κινήτρου που χρησιμοποιούνται είναι το φως, ο ηλεκτρισμός ή η χημική αντίδραση. Οι ουσίες λέιζερ είναι ουσίες που μπορούν να παράγουν φως λέιζερ, όπως ρουμπίνια, γυαλί βηρυλλίου, αέριο νέον, ημιαγωγοί, οργανικές χρωστικές ουσίες κ.λπ. 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. Αίτηση
Το λέιζερ χρησιμοποιείται ευρέως, κυρίως στην επικοινωνία με οπτικές ίνες, στην εύρεση ακτίνων λέιζερ, στην κοπή με λέιζερ, στα όπλα λέιζερ, στους δίσκους λέιζερ και ούτω καθεξής.
Ε. Ιστορία
Το 1958, οι Αμερικανοί επιστήμονες Xiaoluo και Townes ανακάλυψαν ένα μαγικό φαινόμενο: όταν έβαλαν το φως που εκπέμπεται από την εσωτερική λάμπα σε έναν 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 σημαντικές εργασίες για αυτό.
Μετά τη δημοσίευση των ερευνητικών αποτελεσμάτων των Sciolo και Townes, επιστήμονες από διάφορες χώρες πρότειναν διάφορα πειραματικά σχήματα, αλλά δεν ήταν επιτυχή. Στις 15 Μαΐου 1960, ο Mayman, επιστήμονας στο Εργαστήριο Hughes στην Καλιφόρνια, ανακοίνωσε ότι είχε αποκτήσει ένα λέιζερ με μήκος κύματος 0,6943 μικρά, το οποίο ήταν το πρώτο λέιζερ που κατασκεύασαν ποτέ άνθρωποι, και έτσι ο Mayman έγινε ο πρώτος επιστήμονας στον κόσμο που εισήγαγε τα λέιζερ στον πρακτικό τομέα.
Στις 7 Ιουλίου 1960, ο Mayman ανακοίνωσε τη γέννηση του πρώτου λέιζερ στον κόσμο. Το σχέδιο του Mayman είναι να χρησιμοποιήσει έναν σωλήνα λάμψης υψηλής έντασης για να διεγείρει άτομα χρωμίου σε έναν κρύσταλλο ρουμπινιού, παράγοντας έτσι μια πολύ συμπυκνωμένη λεπτή στήλη κόκκινου φωτός, η οποία όταν πυροδοτηθεί σε ένα συγκεκριμένο σημείο, μπορεί να φτάσει σε θερμοκρασία υψηλότερη από την επιφάνεια του ήλιου.
Ο Σοβιετικός επιστήμονας H.Γ. Basov εφηύρε το ημιαγωγικό λέιζερ το 1960. Η δομή του ημιαγωγικού λέιζερ αποτελείται συνήθως από στρώμα P, στρώμα N και ενεργό στρώμα, τα οποία σχηματίζουν διπλή ετεροεπαφή. Τα χαρακτηριστικά του είναι: μικρό μέγεθος, υψηλή απόδοση σύζευξης, γρήγορη ταχύτητα απόκρισης, μήκος κύματος και μέγεθος που ταιριάζουν με το μέγεθος της οπτικής ίνας, μπορούν να διαμορφωθούν άμεσα, καλή συνοχή.
Έξι, μερικές από τις κύριες κατευθύνσεις εφαρμογής του λέιζερ
ΣΤ. Επικοινωνία με λέιζερ
Η χρήση φωτός για τη μετάδοση πληροφοριών είναι πολύ συνηθισμένη σήμερα. Για παράδειγμα, τα πλοία χρησιμοποιούν φώτα για επικοινωνία και τα φανάρια χρησιμοποιούν κόκκινο, κίτρινο και πράσινο. Αλλά όλοι αυτοί οι τρόποι μετάδοσης πληροφοριών χρησιμοποιώντας συνηθισμένο φως μπορούν να περιοριστούν μόνο σε μικρές αποστάσεις. Εάν θέλετε να μεταδώσετε πληροφορίες απευθείας σε μακρινά μέρη μέσω του φωτός, δεν μπορείτε να χρησιμοποιήσετε συνηθισμένο φως, αλλά μόνο λέιζερ.
Πώς, λοιπόν, μεταφέρεται το λέιζερ; Γνωρίζουμε ότι η ηλεκτρική ενέργεια μπορεί να μεταφερθεί μέσω χάλκινων καλωδίων, αλλά το φως δεν μπορεί να μεταφερθεί μέσω 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 ίνα. Η οπτική ίνα είναι κατασκευασμένη από ειδικά γυάλινα υλικά, η διάμετρος της είναι λεπτότερη από μια ανθρώπινη τρίχα, συνήθως 50 έως 150 μικρά, και πολύ μαλακή.
Στην πραγματικότητα, ο εσωτερικός πυρήνας της ίνας είναι κατασκευασμένος από διαφανές οπτικό γυαλί υψηλού δείκτη διάθλασης και η εξωτερική επίστρωση είναι κατασκευασμένη από γυαλί ή πλαστικό χαμηλού δείκτη διάθλασης. Μια τέτοια δομή, αφενός, μπορεί να κάνει το φως να διαθλάται κατά μήκος του εσωτερικού πυρήνα, ακριβώς όπως το νερό που ρέει προς τα εμπρός στον σωλήνα νερού, με ηλεκτρική ενέργεια που μεταδίδεται προς τα εμπρός στο σύρμα, ακόμη και αν χιλιάδες στροφές και στροβιλοειδείς κινήσεις δεν έχουν καμία επίδραση. Από την άλλη πλευρά, η επίστρωση χαμηλού δείκτη διάθλασης μπορεί να αποτρέψει τη διαρροή φωτός, ακριβώς όπως ο σωλήνας νερού δεν διαρρέει και το μονωτικό στρώμα του σύρματος δεν άγει ηλεκτρική ενέργεια.
Η εμφάνιση της οπτικής ίνας λύνει τον τρόπο μετάδοσης του φωτός, αλλά αυτό δεν σημαίνει ότι με αυτήν, οποιοδήποτε φως μπορεί να μεταδοθεί σε πολύ μεγάλη απόσταση. Μόνο η υψηλή φωτεινότητα, το καθαρό χρώμα, το καλό κατευθυντικό λέιζερ, είναι η πιο ιδανική πηγή φωτός για τη μετάδοση πληροφοριών, καθώς εισάγεται από το ένα άκρο της ίνας, σχεδόν χωρίς απώλειες και εξέρχεται από το άλλο άκρο. Επομένως, η οπτική επικοινωνία είναι ουσιαστικά επικοινωνία λέιζερ, η οποία έχει τα πλεονεκτήματα της μεγάλης χωρητικότητας, της υψηλής ποιότητας, της ευρείας πηγής υλικών, της ισχυρής εμπιστευτικότητας, της ανθεκτικότητας κ.λπ., και χαιρετίζεται από τους επιστήμονες ως επανάσταση στον τομέα της επικοινωνίας και είναι ένα από τα πιο λαμπρά επιτεύγματα στην τεχνολογική επανάσταση.
Ώρα δημοσίευσης: 29 Ιουνίου 2023