Лазер — это процесс и инструмент генерации коллимированных, монохроматических, когерентных световых пучков посредством усиления стимулированного излучения и необходимой обратной связи. В основном, для генерации лазерного излучения необходимы три элемента: «резонатор», «усилительная 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, 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 (так называемое возбужденное поглощение); затем некоторые атомы, перешедшие на более высокие энергетические уровни, переходят на более низкие энергетические уровни и испускают фотоны (так называемое стимулированное излучение). Эти движения происходят не изолированно, а часто параллельно. Когда мы создаем условия, такие как использование соответствующей среды, резонатора, достаточного внешнего электрического поля, стимулированное излучение усиливается настолько, что его интенсивность превышает интенсивность стимулированного поглощения, тогда, как правило, происходит испускание фотонов, в результате чего возникает лазерный свет.
Б. Классификация
В зависимости от среды, из которой излучается лазерный луч, лазеры можно разделить на жидкостные, газовые и твердотельные. В настоящее время наиболее распространенным полупроводниковым лазером является твердотельный лазер.
C. Состав
Большинство лазеров состоят из трех частей: системы возбуждения, лазерного материала и оптического резонатора. Системы возбуждения — это устройства, которые производят световую, электрическую или химическую энергию. В настоящее время основными средствами возбуждения являются свет, электричество или химическая реакция. Лазерными веществами являются вещества, способные производить лазерный свет, 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.
Д. Применение
Лазеры широко используются в основном в волоконно-оптической связи, лазерной локации, лазерной резке, лазерном оружии, лазерных дисках и так далее.
Е. История
В 1958 году американские учёные Сяолуо и Таунс открыли удивительное явление: когда они направляли свет, излучаемый внутренней лампочкой, на кристалл редкоземельного элемента, молекулы кристалла начинали излучать яркий, всегда одновременный сильный свет. На основе этого явления они предложили «лазерный принцип», то есть, когда вещество возбуждается энергией, равной естественной частоте колебаний его молекул, оно производит этот сильный, нерасходящийся свет – лазер. Они опубликовали важные работы по этой теме.
После публикации результатов исследований Сциоло и Таунса ученые из разных стран предложили 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 микрона, который стал первым лазером, когда-либо полученным человеком, и таким образом Мейман стал первым ученым в мире, внедрившим лазеры в практическую деятельность.
7 июля 1960 года Мейман объявил о создании первого в мире лазера. Его замысел заключался в использовании высокоинтенсивной импульсной лампы для стимуляции атомов хрома в кристалле рубина, что приводило к образованию очень концентрированного тонкого столба красного света. При воздействии на определенную точку этот столб может достигать температуры выше, чем на поверхности Солнца.
Советский учёный Г.Г. Басов изобрёл полупроводниковый лазер в 1960 году. Структура полупроводникового лазера обычно состоит из P-слоя, N-слоя и активного слоя, образующих двойной гетеропереход. Его характеристики: малый размер, высокая эффективность связи, высокая скорость отклика, длина волны и размер соответствуют размеру оптического волокна, возможность прямой модуляции, хорошая когерентность.
Шесть, некоторые из основных направлений применения лазеров.
F. Лазерная связь
Использование света для передачи информации сегодня очень распространено. Например, корабли используют свет для связи, а светофоры — красный, желтый и зеленый. Но все эти способы передачи информации с помощью обычного света ограничены короткими расстояниями. Если вы хотите передавать информацию непосредственно в удаленные места с помощью света, вы не можете использовать обычный свет, а можете использовать только лазеры.
Итак, как же осуществляется передача лазерного излучения? Мы знаем, что электричество может передаваться по медным проводам, но свет не может передаваться по обычным металлическим проводам. Для этого ученые разработали нить, способную передавать свет, называемую оптическим волокном. Оптическое волокно изготавливается из специальных стеклянных материалов, его диаметр тоньше человеческого волоса, обычно от 50 до 150 микрон, и оно очень мягкое.
Фактически, внутренний сердечник волокна представляет собой прозрачное оптическое стекло с высоким показателем преломления, а внешнее покрытие изготовлено из стекла или пластика с низким показателем преломления. Такая структура, с одной стороны, позволяет свету преломляться вдоль внутреннего сердечника, подобно тому, как вода течет по водопроводной трубе, а электричество передается по проводу, даже если тысячи витков и поворотов не оказывают никакого эффекта. С другой стороны, покрытие с низким показателем преломления предотвращает утечку света, подобно тому, как водопроводная труба не пропускает воду, а изоляционный слой провода не проводит электричество.
Появление оптического волокна решило проблему передачи света, но это не означает, что с его помощью можно передавать свет на очень большие расстояния. Только высокояркий, чистый цвет и хорошо направленный лазер являются наиболее идеальным источником света для передачи информации; он поступает с одного конца волокна практически без потерь и выходит с другого конца. Поэтому оптическая связь по сути является лазерной связью, обладающей преимуществами большой пропускной способности, высокого качества, широкого выбора материалов, высокой конфиденциальности, долговечности и т. д., и признана учеными революцией в области связи, одним из самых блестящих достижений технологической революции.
Дата публикации: 29 июня 2023 г.