Лазер – это процесс и инструмент генерации коллимированных, монохроматических, когерентных световых пучков посредством усиления стимулированного излучения и необходимой обратной связи. Для генерации лазерного излучения необходимы три основных элемента: резонатор, среда усиления 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 вызывает переход атома 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 вынужденное излучение). Эти движения происходят не изолированно, а часто параллельно. Когда мы создаем условия, например, используем подходящую среду, резонатор, достаточное внешнее электрическое поле, вынужденное излучение усиливается так, что больше, чем вынужденное поглощение, то в общем случае будут испускаться фотоны, что приводит к лазерному свету.
Б. Классификация
В зависимости от среды, создающей лазерное излучение, лазеры можно разделить на жидкостные, газовые и твердотельные. В настоящее время наиболее распространённым является полупроводниковый лазер, являющийся разновидностью твердотельного лазера.
C. Состав
Большинство лазеров состоят из трёх частей: системы возбуждения, лазерного материала и оптического резонатора. Системы возбуждения – это устройства, генерирующие световую, электрическую или химическую энергию. В настоящее время основными источниками возбуждения являются свет, электричество или химическая реакция. Лазерные вещества – это вещества, способные генерировать лазерное излучение, такие как рубины, бериллиевое стекло, неон, полупроводники, органические красители и т. д. Роль управления оптическим резонансом заключается в повышении яркости выходного лазерного излучения, регулировке и выборе длины волны и направления лазерного излучения.
D. Применение
Лазер широко используется, в основном, в волоконной связи, лазерной локации, лазерной резке, лазерном оружии, лазерных дисках и т. д.
Э. История
В 1958 году американские учёные Сяоло и Таунс открыли волшебное явление: если направить свет, излучаемый внутренней лампочкой, на кристалл редкоземельного элемента, молекулы кристалла будут излучать яркий, всегда сосредоточенный, сильный свет. Опираясь на это явление, они предложили «лазерный принцип»: при возбуждении вещества энергией, равной собственной частоте колебаний его молекул, оно будет генерировать сильный, нерасходящийся свет – лазер. Они опубликовали важные работы, подтверждающие это.
После публикации результатов исследований Сциоло и Таунса учёные из разных стран предлагали различные экспериментальные схемы, но они не увенчались успехом. 15 мая 1960 года Мейман, учёный из лаборатории Хьюза в Калифорнии, объявил о получении лазера с длиной волны 0,6943 мкм, что стало первым лазером, полученным человеком, и, таким образом, Мейман стал первым учёным в мире, применившим лазеры в практической сфере.
7 июля 1960 года Мейман объявил о создании первого в мире лазера. Его схема заключалась в использовании импульсной трубки 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 учёный Г.Г. Басов изобрел полупроводниковый лазер в 1960 году. Структура полупроводникового лазера обычно состоит из P-слоя, N-слоя и активного слоя, образующих двойной гетеропереход. Его характеристики: малые габариты, высокая эффективность связи, высокая скорость отклика, длина волны и её размер соответствуют размерам оптического волокна, возможность прямой модуляции, 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 — красный, жёлтый и зелёный. Однако все эти способы передачи информации с помощью обычного света ограничены лишь короткими расстояниями. Если вы хотите передавать информацию на дальние расстояния с помощью света, вы не можете использовать обычный свет, а только лазеры.
Итак, как же доставить лазер? Мы знаем, что электричество можно передавать по медным проводам, но свет по обычным металлическим проводам передать невозможно. Для этого учёные разработали нить, передающую свет, — оптоволокно, или просто оптоволокно. Оптоволокно изготавливается из специального стекла, его диаметр тоньше человеческого волоса, обычно 50–150 микрон, и оно очень мягкое.
Фактически, внутренняя сердцевина волокна изготовлена из прозрачного оптического стекла с высоким показателем преломления, а внешнее покрытие – из стекла или пластика с низким показателем преломления. Такая структура, с одной стороны, позволяет свету преломляться вдоль внутренней сердцевины, подобно тому, как вода течёт по водопроводной трубе, и электричество передаётся по проводу, даже если тысячи изгибов и поворотов не оказывают никакого эффекта. С другой стороны, покрытие с низким показателем преломления предотвращает утечку света, подобно тому, как водопроводная труба не пропускает свет, а изоляционный слой провода не проводит электричество.
Появление оптического волокна решает проблему передачи света, но это не означает, что с его помощью можно передавать любой свет на очень большие расстояния. Только лазер высокой яркости, чистого цвета и с хорошей направленностью является наиболее идеальным источником света для передачи информации. Он вводится с одного конца волокна практически без потерь и выводится с другого. Таким образом, оптическая связь по сути является лазерной связью, обладающей такими преимуществами, как большая пропускная способность, высокое качество, широкий выбор материалов, высокая конфиденциальность, долговечность и т.д., и учёные называют её революцией в области связи и одним из самых блестящих достижений технологической революции.
Время публикации: 29 июня 2023 г.