Laser hänvisar till processen och instrumentet för att generera kollimerade, monokromatiska, koherenta ljusstrålar genom stimulerad strålningsförstärkning och nödvändig återkoppling. I grund och botten kräver lasergenerering tre element: en "resonator", ett "förstärkningsmedium" och en "pumpkälla".
A. Princip
En atoms rörelsetillstånd kan delas in i olika energinivåer, och när atomen övergår från en hög energinivå till en låg energinivå, frigör den fotoner med motsvarande energi (så kallad spontan strålning). På liknande sätt, när en foton infaller på ett energinivåsystem och absorberas av det, kommer det att orsaka att atomen övergår från en låg energinivå till en hög energinivå (så kallad exciterad absorption). Då kommer några av de atomer som övergår till högre energinivåer att övergå till lägre energinivåer och avge fotoner (så kallad stimulerad strålning). Dessa rörelser sker inte isolerat, utan ofta parallellt. När vi skapar ett tillstånd, såsom att använda lämpligt medium, resonator, tillräckligt externt elektriskt fält, förstärks den stimulerade strålningen så att mer än den stimulerade absorptionen, då kommer det generellt sett att avges fotoner, vilket resulterar i laserljus.
B. Klassificering
Beroende på vilket medium lasern produceras i kan den delas in i flytande laser, gaslaser och fastfaslaser. Numera är den vanligaste halvledarlasern en typ av fastfaslaser.
C. Sammansättning
De flesta lasrar består av tre delar: excitationssystem, lasermaterial och optisk resonator. Excitationssystem är anordningar som producerar ljus, elektrisk eller kemisk energi. För närvarande är de huvudsakliga incitamentsmedlen som används ljus, elektricitet eller kemisk reaktion. Lasersubstanser är ämnen som kan producera laserljus, såsom rubiner, berylliumglas, neongas, halvledare, organiska färgämnen etc. Den optiska resonanskontrollens roll är att öka ljusstyrkan hos den utgående lasern, justera och välja laserns våglängd och riktning.
D. Tillämpning
Laser används ofta, främst fiberkommunikation, laseravståndsmätning, laserskärning, laservapen, laserskivor och så vidare.
E. Historia
År 1958 upptäckte de amerikanska forskarna Xiaoluo och Townes ett magiskt fenomen: när de placerar ljuset som avges från den inre glödlampan på en sällsynt jordartsmetallkristall, avger kristallens molekyler ett starkt, alltid tillsammans starkt ljus. Enligt detta fenomen föreslog de "laserprincipen", det vill säga att när ett ämne exciteras av samma energi som dess molekylers naturliga oscillationsfrekvens, producerar det detta starka ljus som inte divergerar – laser. De fann viktiga artiklar om detta.
Efter publiceringen av Sciolo och Townes forskningsresultat föreslog forskare från olika länder olika experimentella system, men de lyckades inte. Den 15 maj 1960 meddelade Mayman, en forskare vid Hughes Laboratory i Kalifornien, att han hade erhållit en laser med en våglängd på 0,6943 mikron, vilket var den första lasern som någonsin erhållits av människor, och Mayman blev därmed den första forskaren i världen att introducera lasrar i praktiken.
Den 7 juli 1960 tillkännagav Mayman födelsen av världens första laser. Maymans plan går ut på att använda ett högintensivt blixtrör för att stimulera kromatomer i en rubinkristall, vilket producerar en mycket koncentrerad tunn röd ljuspelare. När den avfyras vid en viss punkt kan den nå en temperatur högre än solens yta.
Den sovjetiska vetenskapsmannen H.Γ Basov uppfann halvledarlasern år 1960. Halvledarlaserns struktur består vanligtvis av ett P-lager, ett N-lager och ett aktivt lager som bildar en dubbel heteroövergång. Dess egenskaper är: liten storlek, hög kopplingseffektivitet, snabb responshastighet, våglängd och storlek anpassas till den optiska fiberns storlek, kan moduleras direkt och har god koherens.
Sex, några av de viktigaste tillämpningsriktningarna för laser
F. Laserkommunikation
Att använda ljus för att överföra information är mycket vanligt idag. Till exempel använder fartyg ljus för att kommunicera, och trafikljus använder rött, gult och grönt. Men alla dessa sätt att överföra information med vanligt ljus kan bara begränsas till korta avstånd. Om du vill överföra information direkt till avlägsna platser genom ljus kan du inte använda vanligt ljus, utan bara använda lasrar.
Så hur levererar man lasern? Vi vet att elektricitet kan ledas längs koppartrådar, men ljus kan inte ledas längs vanliga metalltrådar. För detta ändamål har forskare utvecklat ett filament som kan överföra ljus, kallat optisk fiber, även kallad fiber. Optisk fiber är tillverkad av speciella glasmaterial, diametern är tunnare än ett mänskligt hårstrå, vanligtvis 50 till 150 mikron, och mycket mjuk.
Faktum är att fiberns inre kärna är tillverkad av transparent optiskt glas med högt brytningsindex, och den yttre beläggningen är gjord av glas eller plast med lågt brytningsindex. En sådan struktur kan å ena sidan göra att ljuset bryts längs den inre kärnan, precis som vatten som rinner framåt i vattenröret, och elektricitet som överförs framåt i tråden, även om tusentals vridningar och vändningar inte har någon effekt. Å andra sidan kan beläggningen med lågt brytningsindex förhindra att ljus läcker ut, precis som vattenröret inte sipprar ut och trådens isoleringsskikt inte leder elektricitet.
Utseendet på optiska fibrer löser problemet med ljusöverföring, men det betyder inte att vilket ljus som helst kan överföras till ett mycket långt avstånd. Endast hög ljusstyrka, ren färg och bra riktad laser är den mest ideala ljuskällan för att överföra information. Den matas in från ena änden av fibern, nästan utan förlust, och den matas ut från den andra änden. Därför är optisk kommunikation i huvudsak laserkommunikation, som har fördelarna med stor kapacitet, hög kvalitet, bred materialkälla, stark konfidentialitet, hållbarhet etc., och hyllas av forskare som en revolution inom kommunikationsområdet och är en av de mest briljanta prestationerna i den tekniska revolutionen.
Publiceringstid: 29 juni 2023