Лазер относится к процессу и инструменту генерации коллимированных, монохроматических, когерентных световых пучков посредством усиления стимулированного излучения и необходимой обратной связи. В основном, для генерации лазера требуются три элемента: «резонатор», «усиливающая среда» и «источник накачки».
А. Принцип
Состояние движения атома можно разделить на различные энергетические уровни, и когда атом переходит с высокого энергетического уровня на низкий энергетический уровень, он испускает фотоны соответствующей энергии (так называемое спонтанное излучение). Аналогично, когда фотон падает на систему энергетических уровней и поглощается ею, он заставляет атом перейти с низкого энергетического уровня на высокий энергетический уровень (так называемое возбужденное поглощение); Затем некоторые из атомов, которые переходят на более высокие энергетические уровни, перейдут на более низкие энергетические уровни и испускают фотоны (так называемое стимулированное излучение). Эти движения происходят не изолированно, а часто параллельно. Когда мы создаем условие, например, используя соответствующую среду, резонатор, достаточное внешнее электрическое поле, стимулированное излучение усиливается так, что больше, чем стимулированное поглощение, тогда в общем случае будут испускаться фотоны, что приводит к лазерному свету.
Б. Классификация
В зависимости от среды, которая производит лазер, лазеры можно разделить на жидкостные, газовые и твердотельные. В настоящее время наиболее распространенным полупроводниковым лазером является разновидность твердотельного лазера.
С. Состав
Большинство лазеров состоят из трех частей: системы возбуждения, лазерного материала и оптического резонатора. Системы возбуждения — это устройства, которые производят свет, электрическую или химическую энергию. В настоящее время основными средствами возбуждения являются свет, электричество или химическая реакция. Лазерные вещества — это вещества, которые могут производить лазерный свет, такие как рубины, бериллиевое стекло, неоновый газ, полупроводники, органические красители и т. д. Роль управления оптическим резонансом заключается в повышении яркости выходного лазера, настройке и выборе длины волны и направления лазера.
D. Применение
Лазер широко используется, в основном, в волоконной связи, лазерной локации, лазерной резке, лазерном оружии, лазерных дисках и так далее.
Э. История
В 1958 году американские ученые Сяолуо и Таунс открыли волшебное явление: когда они помещают свет, излучаемый внутренней лампочкой, на редкоземельный кристалл, молекулы кристалла будут излучать яркий, всегда вместе сильный свет. Согласно этому явлению, они предложили «лазерный принцип», то есть, когда вещество возбуждается той же энергией, что и собственная частота колебаний его молекул, оно будет производить этот сильный свет, который не расходится – лазер. Они нашли важные статьи для этого.
После публикации результатов исследований Сциоло и Таунса ученые из разных стран предлагали различные экспериментальные схемы, но они не увенчались успехом. 15 мая 1960 года Мейман, ученый из лаборатории Хьюза в Калифорнии, объявил, что получил лазер с длиной волны 0,6943 мкм, что стало первым лазером, когда-либо полученным человеком, и таким образом Мейман стал первым ученым в мире, внедрившим лазеры в практическую сферу.
7 июля 1960 года Мейман объявил о создании первого в мире лазера. Его схема заключалась в использовании импульсной лампы высокой интенсивности для стимуляции атомов хрома в кристалле рубина, в результате чего получался очень концентрированный тонкий столб красного света, который при подаче в определенную точку мог достигать температуры, превышающей температуру поверхности Солнца.
Советский ученый Х.Г. Басов изобрел полупроводниковый лазер в 1960 году. Структура полупроводникового лазера обычно состоит из слоя P, слоя N и активного слоя, которые образуют двойной гетеропереход. Его характеристики: малый размер, высокая эффективность связи, высокая скорость отклика, длина волны и размер соответствуют размеру оптического волокна, могут быть напрямую модулированы, хорошая когерентность.
Шесть, некоторые из основных направлений применения лазера
F. Лазерная связь
Использование света для передачи информации сегодня очень распространено. Например, корабли используют огни для связи, а светофоры используют красный, желтый и зеленый цвета. Но все эти способы передачи информации с использованием обычного света могут быть ограничены только короткими расстояниями. Если вы хотите передавать информацию напрямую в отдаленные места с помощью света, вы не можете использовать обычный свет, а только лазеры.
Так как же доставить лазер? Мы знаем, что электричество можно передавать по медным проводам, но свет нельзя передавать по обычным металлическим проводам. Для этого ученые разработали нить, которая может передавать свет, называемую оптоволокном, называемую волокном. Оптоволокно изготавливается из специальных стеклянных материалов, его диаметр тоньше человеческого волоса, обычно 50–150 микрон, и оно очень мягкое.
Фактически, внутренний сердечник волокна представляет собой высокопреломляющее прозрачное оптическое стекло, а внешнее покрытие выполнено из стекла или пластика с низким показателем преломления. Такая структура, с одной стороны, может заставить свет преломляться вдоль внутреннего сердечника, как вода, текущая вперед в водопроводной трубе, электричество, передаваемое вперед в проводе, даже если тысячи изгибов и поворотов не оказывают никакого эффекта. С другой стороны, покрытие с низким показателем преломления может предотвратить утечку света, так же как водопроводная труба не просачивается, а изоляционный слой провода не проводит электричество.
Появление оптического волокна решает вопрос способа передачи света, но это не означает, что с его помощью любой свет может передаваться на очень большие расстояния. Только высокая яркость, чистый цвет, хорошо направленный лазер является самым идеальным источником света для передачи информации, он вводится с одного конца волокна, почти без потерь и выводится с другого конца. Таким образом, оптическая связь по сути является лазерной связью, которая имеет преимущества большой емкости, высокого качества, широкого источника материалов, сильной конфиденциальности, долговечности и т. д., и приветствуются учеными как революция в области связи, и является одним из самых блестящих достижений в технологической революции.
Время публикации: 29 июня 2023 г.