2015 is het Internationale Jaar van Licht en op Licht gebaseerde Technologieën (IYL2015), wat ook het jaar is waarin de Uitvoerende Raad van UNESCO het besluit ondertekende om 16 mei elk jaar uit te roepen tot de "Internationale Dag van het Licht". De reden om voor 16 mei te kiezen is...
In 2015, het internationale jaar van het licht en op licht gebaseerde technologieën (IYL2015), ondertekende de raad van bestuur van UNESCO het besluit om elk jaar 16 mei uit te roepen tot de internationale dag van het licht.
Er werd gekozen voor 16 mei omdat op 16 mei 1960 de Amerikaanse natuurkundige Meyman de eerste laserstraal in de menselijke geschiedenis creëerde.
Meyman en de robijnlaser.
Dus wat is een laser precies? En waarom is het zo belangrijk?
Om deze twee vragen te beantwoorden, moeten we de oorzaken en gevolgen van Meymans werk begrijpen.
Waarom stralen objecten licht uit?
In 1912 waren natuurkundigen nog steeds geobsedeerd door hoe het atoom, het fundament van de wereld, eruit zag.
In dit jaar verschenen drie artikelen van de Deense natuurkundige Bohr, waarin Bohr de kwantumtheorie toepaste op Rutherfords model van het atoom en het beroemde Bohr-model voorstelde.
Het model van Bohr was in staat fenomenen te verklaren die op dat moment niet door andere modellen konden worden verklaard, en voorspelde enkele resultaten die later door experimenten konden worden bevestigd, dus werd het daarna algemeen aanvaard door de wetenschappelijke gemeenschap.
Het Bohr-model is een planetair model, wat betekent dat negatief geladen elektronen als een planeet rond een positief geladen kern bewegen.
De subtiliteit van het Bohr-model is dat de banen van deze elektronen niet willekeurig worden gekozen, maar alleen tot bepaalde bepaalde waarden.
Bohr's model van het waterstofatoom.
De binnenste elektron-orbitaal wordt de grondtoestand genoemd, de orbitaal in de buitenste laag wordt de eerste aangeslagen toestand genoemd, de buitenste laag is de tweede aangeslagen toestand, enzovoort.
We kunnen opmerken dat de elektronenenergieën van deze verschillende orbitalen verschillend zijn, dus we kunnen deze orbitalen "afvlakken" en we krijgen wat energieniveaus. Spontane stralingsenergieniveaus.
Vanwege het behoud van energie willen elektronen van lage energieniveaus naar hoge energieniveaus springen, je moet de bijbehorende energie van de buitenwereld absorberen, dit proces noemen we gestimuleerde absorptie. Evenzo zal het elektron van het hoge energieniveau om naar het lage energieniveau te vallen, zeker ook de overeenkomstige energie vrijgeven. Het is bewezen dat dit proces een foton zal uitzenden, dat wil zeggen, het elektron zal lichtgevend zijn, dus dit proces wordt genoemd spontane straling.
Het principe van luminescentie van gewone lichtbronnen in ons leven is spontane straling.
Fluorescentielampen.
Licht "gedraagt"
Er zijn enkele problemen met licht geproduceerd door spontane straling: er zijn veel energieniveaus in atomen, en deze fotonen kunnen worden geproduceerd door spontane straling op het eerste energieniveau, of door spontane straling op het derde energieniveau......
Dit leidt tot verschillende energieën van deze fotonen, en de energie van een enkel foton bepaalt de frequentie van licht, dat wil zeggen, de frequentie van licht geproduceerd door spontane straling is willekeurig.
Een ander punt is dat de timing van spontane straling om fotonen te produceren, evenals de richting van fotonbeweging ook niet onder onze controle staat, wat zal leiden tot spontane straling om licht te produceren, de fase is ook willekeurig.
De hier genoemde frequentie en fase zijn allemaal eigenschappen van licht als een elektromagnetische golf. Frequentie kan worden opgevat als de snelheid van de trilling van de lichtgolf, die ook de kleur bepaalt van het licht dat we zien; fase kan worden opgevat als de positie van de lichtgolftransmissie.
Licht als een elektromagnetische golf.
Kortom, het licht dat door gewone lichtbronnen wordt gegenereerd, is als een stel mensen die de metro verdringen, ze zijn oud en jong, mannelijk en vrouwelijk, dragen verschillende kleuren om de metro te nemen, en ze lopen niet zo snel, sommigen hebben al in de trein, terwijl sommigen nog de kaartjes controleren.
Dit leidde tot gewone lichtbronnen, hoewel in het leven van de verlichting genoeg was om te gebruiken, maar op het gebied van wetenschappelijk onderzoek, vooral de studie van de aard van licht, is de gevechtskracht echt algemeen.
Eindelijk, in 1917, dook er een andere manier van licht op, dat wil zeggen dat Einstein de theorie van gestimuleerde straling voorstelde.
Gestimuleerde straling.
Opgewonden stralingstheorie wil zeggen, neem nu aan dat de eerste aangeslagen toestand op een elektron, wanneer een foton raakt, en de energie van dit foton exact gelijk is aan de eerste aangeslagen toestand en de opening tussen de grondtoestand, dan is deze keer de eerste aangeslagen toestand op het elektron zal "verleid" worden om het geval van spontane straling te voltooien, waarbij een "identiek" foton wordt uitgezonden.
Vanwege het bestaan van dit "verleid foton", noemen we dit proces opgewonden straling.
Als er voldoende hoogenergetische elektronen zijn, zal dit proces doorgaan en uiteindelijk een grote groep "verleide" fotonen vormen, we zullen dit proces lichtversterkingsproces noemen, het belangrijkste is dat de fase en frequentie van deze fotonen precies de dezelfde. Als een netjes en opgeruimd leger, en de bovenstaande "knijp in de metro" spontane straling is totaal anders.
Hoeveel stappen zijn er nodig om een laser te bouwen?
De eerste stap is de inversie van het deeltjesaantal.
Met de theorie van aangeslagen straling vragen mensen zich af hoe ze deze theorie kunnen gebruiken om een lichtbron te bouwen die netjes en opgeruimd licht kan uitstralen.
Sommige lezers zullen misschien zeggen: "Waarom niet gewoon het licht nemen en er doorheen schijnen? Wat is er zo moeilijk aan?
Lezers die zulke twijfels hebben, moeten letten op het eerder genoemde woord 'genoeg' en ons fenomeen van opgewonden absorptie niet vergeten.
Als er niet genoeg elektronen op hoge energieniveaus zijn, is het aantal aangeslagen straling kleiner dan het aantal aangeslagen absorptie, wanneer een lichtstraal raakt, zal er geen lichtversterking worden uitgezonden, maar zal de grondtoestand elektronen aangeslagen absorptie zijn, resulterend bij licht verlies.
In feite is in het natuurlijke geval het aantal elektronen in de grondtoestand veel groter dan het aantal aangeslagen elektronen, bij kamertemperatuur, bijvoorbeeld, een systeem met twee energieën (dat wil zeggen, alleen de grondtoestand en de eerste aangeslagen toestand van het energiesysteem) is het aantal elektronen in de grondtoestand ongeveer 10 van de 170 keer het aantal aangeslagen elektronen!
Dus om het principe van aangeslagen straling te gebruiken om een lichtbron te creëren, is het eerste probleem dat moet worden opgelost, het aantal deeltjes met hogere energieniveaus groter te maken dan het aantal deeltjes met lagere energieniveaus, dat wil zeggen, het aantal deeltjes bereiken inversie.
Hoe omkering van het aantal deeltjes te bereiken?
Het basisidee is om de deeltjes van de grondtoestand naar de hoge energietoestand te pompen, net als een pomp.
Dit is makkelijker gezegd dan gedaan.
Water pompende deeltjes.
De tweede stap is het bouwen van een voorganger.
In 1951 bedacht de Amerikaanse natuurkundige Towns hoe hij deeltjesaantalinversie in het ammoniakmolecuul kon bereiken.
Het ammoniakmolecuul is een systeem met twee energieën en het is onmogelijk om onder normale omstandigheden omkering van het aantal deeltjes te bereiken, omdat de kans op aangeslagen absorptie en aangeslagen straling hetzelfde is, en ook de aanwezigheid van spontane straling, wat ertoe leidt dat het aantal deeltjes bij hogere energieniveaus moet kleiner zijn dan het aantal deeltjes in de grondtoestand.
De benadering van Towns was ingenieus, aangezien hij een magnetisch veld gebruikte om onderscheid te maken tussen de ammoniakmoleculen in de grondtoestand en de aangeslagen toestand, waarbij hij de ammoniakmoleculen in de aangeslagen toestand uitkoos om in een microgolfresonantieholte te plaatsen, waarin de omkering van het aantal deeltjes werd bereikt.
Drie jaar later bouwde Towns met dit idee de eerste "MASER". Wat is MASER?
MASER wordt Microgolfversterking door Stimulated Emission of Radiation genoemd, wat zich vertaalt naar "versterking van microgolven door gestimuleerde straling". Laser LASER wordt lichtversterking door gestimuleerde emissie van straling genoemd, wat zich vertaalt naar "versterking van licht door gestimuleerde straling".
We vermeldden hierboven dat licht een elektromagnetische golf is, en microgolven is een andere elektromagnetische golf.
Elektromagnetische golven kunnen worden geclassificeerd op basis van hun frequentie, met microgolven van 300 MHz tot 300 GHz en zichtbaar licht van 3,9 tot 7,5 maal 10 tot de 14e macht Hz.
Aan de naam kunnen we het verschil zien tussen MASER en LAZER, voornamelijk in het verschil in operationele banden, MASER is slechts één stap verwijderd van LASER.
Steden en de eerste MASER.
De derde stap is het voltooien van de drie belangrijkste componenten van de laser.
De introductie van MASER loste het probleem van de inversie van het aantal deeltjes op. In slechts drie jaar tijd is deze technologie met grote sprongen vooruitgegaan, en op dit punt wil iedereen opschieten en een stap verder gaan door van deze microgolfversterker een optische versterker te maken en die gedroomde lichtbron, de laser, te creëren.
Tot nu toe hebben we de samenstelling van de laser drie hoofdcomponenten vaag kunnen samenvatten:
De eerste is de noodzaak om deeltjesaantalinversie van de stof te bereiken, zoals ammoniakmoleculen, die we het versterkingsmedium noemen; de tweede is de geschikte pompmethode, we noemen het pompen; ten derde zijn de bovengenoemde steden met trilholte, wat betreft de rol van trilholte zullen we het later hebben.
In 1958 werkten Towns en Shorro samen aan een theoretisch artikel dat voor het eerst vanuit theoretisch oogpunt de haalbaarheid van lasers voorspelde. Op dat moment was alles klaar voor Towns, behalve de wind!
Op 16 mei 1960 sloeg Meyman een andere weg in en bouwde als eerste de eerste laser in de menselijke geschiedenis.
Het verhaal van hoe Meyman daar als eerste aankwam, is een fascinerend verhaal met veel wendingen. Maar laten we ons concentreren op zijn robijnlaser.
Het schematische diagram van de robijnlaser.
Deze laser laat heel duidelijk de drie belangrijkste componenten van de laser zien, we kunnen ze net zo goed achtereenvolgens introduceren.
Winst medium:
Het door Meyman gekozen versterkingsmedium is robijn, wat met chroom gedoteerd aluminiumtrioxide is.
Schema van het drie-energiesysteem.
Dit versterkingsmedium is een systeem met drie energieën en dit systeem met drie energieën om inversie van het aantal deeltjes te bereiken is veel eenvoudiger dan het vorige systeem met twee niveaus. Er zijn enkele speciale kenmerken van het robijnrode systeem met drie niveaus, en we kunnen begrijpen hoe het de inversie van het deeltjesaantal bereikt door het pompproces.
Ten eerste worden de grondtoestanddeeltjes door een geschikte excitatie rechtstreeks naar het E3-energieniveau getransporteerd en vindt er een stralingsvrij sprongproces plaats tussen de E3- en E2-energieniveaus, wat betekent dat de deeltjes op E3 door botsingen snel naar E2 zullen rennen , en de gereduceerde energie wordt thermische bewegingsenergie in plaats van luminescentie.
Bovendien is de E2-toestand substabiel, dat wil zeggen dat de deeltjes die op het E3-energieniveau vallen, lange tijd op het E2-energieniveau kunnen blijven. Dit komt overeen met het gebruik van het E3-energieniveau als een overgang om de deeltjes van de grondtoestand naar E2 te transporteren, en laat het proces doorgaan, het aantal deeltjes in E2 zal het aantal deeltjes in de grondtoestand overschrijden, waardoor het aantal deeltjes wordt bereikt inversie.
In feite is de efficiëntie van de robijnlaser erg laag, slechts 0.1 procent , wat wordt beperkt door het versterkingsmedium, omdat het drie-energiesysteem zeer veel energie nodig heeft om de grondtoestanddeeltjes naar de hoogenergetische toestand. Bovendien is de golflengte van deze laser 694,3 nm, wat ook wordt bepaald door het versterkingsmedium.
Met de ontwikkeling van laser zijn de soorten versterkingsmedia geleidelijk toegenomen, waaronder gas, vaste stof, vloeistof, vezel, halfgeleider, enz., Zoals de laseraanwijzer die gewoonlijk in de klas wordt gebruikt, een halfgeleiderlaser is.
Kortom, het maakt niet uit welk versterkingsmedium het is, het moet een methode hebben die inversie van het aantal deeltjes kan bereiken.
pompen:
De pomplamp van de eerste robijnlaser.
Het meest voor de hand liggende kenmerk van de laser van Meynman is dat de pompbron een spiraalvormige xenonlamp is, de spiraalvorm zorgt ervoor dat de robijnrode staaf tussen de lampen wordt geplaatst. Bovendien gebruikt deze lamp nog steeds gepulseerd licht om te pompen, wat betekent dat het licht dat hij uitzendt niet continu is, maar in bursts. Dit is het belangrijkste ontwerp van Meynman, zodat het continue hoogenergetische pompende licht het kristal niet beschadigt.
Resonante holte:
Schematisch diagram van de resonantieholte.
Aan de twee uiteinden van de robijnstaaf plaatste Meyman twee spiegels en groef een klein gaatje in de rechterkant zodat het licht van de geëxciteerde straling heen en weer kon gaan door het versterkingsmedium om meer fotonen te "lokken". bepaalde intensiteit, zou het laserlicht door het kleine gaatje worden uitgestraald.
Wat is het nut van laser?
Mayman hield een persconferentie na de uitvinding van de laser, waarin een verslaggever deze vraag stelde, Mayman deed 5 suggesties: 1:
1. het wordt gebruikt om licht te versterken, bijvoorbeeld bij het maken van krachtige lasers gebruiken ze optische versterkers om het zwakkere licht te versterken;
2. kan lasers gebruiken om materie te bestuderen;
3. krachtige laserstralen gebruiken voor ruimtecommunicatie;
4. gebruikt om het aantal communicatiekanalen te vergroten (dit is wat later ontstond als glasvezelcommunicatie);
5. om de straal te focussen om ultrahoge lichtintensiteit te produceren voor het snijden of lassen van materialen in de industrie, of voor het uitvoeren van chirurgische ingrepen in de geneeskunde, enz.
We moeten Mehmans scherpe wetenschappelijke gevoel bewonderen, en al deze suggesties die hij deed werden later vervuld.
Herinner je je de kenmerken van fotonen geproduceerd door aangeslagen straling?
Ze hebben dezelfde frequentie en fase, en de laser is in wezen een versterking van het licht van de geëxciteerde straling, dus de twee belangrijkste kenmerken van de laser zijn goede monochromaticiteit en hoge energie. Deze twee kenmerken bepalen het gebruik van lasers, en dit zijn de twee richtingen van laserontwikkeling.
Goede monochromaticiteit betekent dat het laserspectrum erg smal is en gemakkelijk de kenmerken van licht als een golf kan weergeven, en we kunnen het dan gebruiken om fase-informatie vast te leggen.
De holografische fototechnologie die in 1947 door de Britse natuurkundige Dennis Gerber is uitgevonden, is bijvoorbeeld in wezen het gebruik van de lichtfase om het volledige scala aan informatie over het object vast te leggen, om zo het effect van driedimensionale fotografie te produceren.
Holografische foto's kunnen niet alleen frontale informatie vastleggen, maar ook zij-informatie.
Pas na de uitvinding van de laser kwam deze technologie beschikbaar en werd in 1971 bekroond met de Nobelprijs voor natuurkunde.
De hoge energie is goed begrepen, we kunnen lasers gebruiken om cd's te branden, kernfusie mogelijk te maken, materialen te snijden, enz. We kunnen niet alleen continue hoogenergetische lasers genereren, maar we kunnen ook hoogenergetische lasers verkrijgen met zeer korte puls duur door middel van de gesloten-filmtechniek en chirp-versterking.
Diagram van pulsopwekking met filmvergrendelingstechnologie.
Femtosecondelasers zijn nu overal verkrijgbaar en de duur van een enkele puls is slechts in de orde van femtoseconden (min 15 seconden van 10).
Met deze laser kunnen we precieze slagen toedienen aan een stof zonder veel schade aan te richten, zoals bijziendheidshersteloperaties, het veranderen van het oppervlak van een stof, het verbeteren van de antiseptische eigenschappen, enz.
