Laser odnosi się do procesu i urządzenia generującego skolimowane, monochromatyczne, spójne wiązki światła poprzez stymulowane wzmocnienie promieniowania i niezbędne sprzężenie zwrotne. Zasadniczo, generowanie laserowe wymaga trzech elementów: „rezonatora”, „ośrodka wzmocnienia” i „źródła pompującego”.
A. Zasada
Stan ruchu atomu można podzielić na różne poziomy energetyczne, a gdy atom przechodzi z wysokiego poziomu energetycznego na niski, uwalnia fotony o odpowiadającej mu energii (tzw. promieniowanie spontaniczne). Podobnie, gdy foton pada na układ poziomów energetycznych i jest przez niego absorbowany, powoduje przejście atomu z niskiego poziomu energetycznego na wysoki (tzw. absorpcja wzbudzona); następnie niektóre atomy, które przechodzą na wyższe poziomy energetyczne, przechodzą na niższe poziomy energetyczne i emitują fotony (tzw. promieniowanie stymulowane). Ruchy te nie zachodzą w izolacji, ale często równolegle. Gdy stworzymy warunki, takie jak użycie odpowiedniego ośrodka, rezonatora, wystarczającego zewnętrznego pola elektrycznego, stymulowane promieniowanie jest wzmacniane tak, że przekracza ono stymulowaną absorpcję, a następnie na ogół emitowane są fotony, co skutkuje światłem laserowym.
B. Klasyfikacja
Ze względu na medium, w którym powstaje laser, lasery można podzielić na lasery cieczowe, gazowe i stałe. Obecnie najpopularniejszym laserem półprzewodnikowym jest laser półprzewodnikowy.
C. Skład
Większość laserów składa się z trzech części: układu wzbudzenia, materiału laserowego i rezonatora optycznego. Układy wzbudzenia to urządzenia, które wytwarzają światło, energię elektryczną lub chemiczną. Obecnie głównymi środkami pobudzającymi są światło, elektryczność lub reakcja chemiczna. Substancje laserowe to substancje, które mogą wytwarzać światło laserowe, takie jak rubiny, szkło berylowe, neon, półprzewodniki, barwniki organiczne itp. Rolą sterowania rezonansem optycznym jest zwiększenie jasności lasera wyjściowego oraz regulacja i wybór długości fali i kierunku wiązki laserowej.
D. Zastosowanie
Laser jest szeroko stosowany, głównie w komunikacji światłowodowej, w dalmierzach laserowych, w cięciu laserowym, w broni laserowej, w dyskach laserowych i tak dalej.
E. Historia
W 1958 roku amerykańscy naukowcy Xiaoluo i Townes odkryli magiczne zjawisko: gdy skierowali światło emitowane przez wewnętrzną żarówkę na kryształ ziem rzadkich, cząsteczki kryształu emitowały jasne, zawsze połączone, silne światło. Zgodnie z tym zjawiskiem zaproponowali „zasadę lasera”, która głosiła, że gdy substancja jest pobudzana energią równą naturalnej częstotliwości drgań jej cząsteczek, wytwarza silne, nierozbieżne światło – laser. Znaleźli ważne publikacje na ten temat.
Po opublikowaniu wyników badań Sciolo i Townesa, naukowcy z różnych krajów zaproponowali różne schematy eksperymentów, ale nie przyniosły one sukcesu. 15 maja 1960 roku Mayman, naukowiec z Hughes Laboratory w Kalifornii, ogłosił, że uzyskał laser o długości fali 0,6943 mikrona, co było pierwszym laserem kiedykolwiek skonstruowanym przez człowieka. Mayman stał się tym samym pierwszym naukowcem na świecie, który wprowadził lasery do praktycznego zastosowania.
7 lipca 1960 r. Mayman ogłosił narodziny pierwszego na świecie lasera. Plan Maymana polegał na wykorzystaniu lampy błyskowej o dużej intensywności do stymulacji atomów chromu w krysztale rubinu. W ten sposób powstawała bardzo skoncentrowana, cienka, czerwona kolumna światła. Po wystrzeleniu w określonym punkcie mogła ona osiągnąć temperaturę wyższą niż powierzchnia Słońca.
Radziecki naukowiec H.G. Basow wynalazł laser półprzewodnikowy w 1960 roku. Struktura lasera półprzewodnikowego zazwyczaj składa się z warstwy P, warstwy N i warstwy aktywnej, które tworzą podwójne heterozłącze. Jego cechy charakterystyczne to: mały rozmiar, wysoka wydajność sprzężenia, szybka reakcja, długość fali i rozmiar dopasowane do rozmiaru włókna światłowodowego, możliwość bezpośredniej modulacji oraz dobra spójność.
Sześć, niektóre z głównych kierunków zastosowań lasera
F. Komunikacja laserowa
Wykorzystanie światła do przesyłania informacji jest dziś bardzo powszechne. Na przykład statki używają świateł do komunikacji, a sygnalizacja świetlna używa kolorów czerwonego, żółtego i zielonego. Jednak wszystkie te sposoby przesyłania informacji za pomocą zwykłego światła mogą być ograniczone jedynie do krótkich odległości. Jeśli chcesz przesłać informacje bezpośrednio do odległych miejsc za pomocą światła, nie możesz użyć zwykłego światła, a jedynie laserów.
Jak więc dostarczyć laser? Wiemy, że prąd elektryczny może być przesyłany przewodami miedzianymi, ale światło nie może być przesyłane zwykłymi przewodami metalowymi. W tym celu naukowcy opracowali włókno, które może przesyłać światło, zwane światłowodem. Włókno światłowodowe jest wykonane ze specjalnych materiałów szklanych, o średnicy cieńszej niż ludzki włos, zazwyczaj od 50 do 150 mikronów, i jest bardzo miękkie.
W rzeczywistości, wewnętrzny rdzeń światłowodu wykonany jest z przezroczystego szkła optycznego o wysokim współczynniku załamania światła, a zewnętrzna powłoka ze szkła lub tworzywa sztucznego o niskim współczynniku załamania światła. Taka struktura, z jednej strony, pozwala na załamanie światła wzdłuż wewnętrznego rdzenia, niczym woda płynąca w rurze wodociągowej, a elektryczność jest przesyłana w przewodzie, nawet jeśli tysiące skrętów i zakrętów nie przynoszą żadnego efektu. Z drugiej strony, powłoka o niskim współczynniku załamania światła zapobiega jego wydostawaniu się na zewnątrz, podobnie jak w rurze wodociągowej nie dochodzi do przeciekania, a warstwa izolacyjna przewodu nie przewodzi prądu.
Pojawienie się światłowodów zmienia sposób transmisji światła, ale nie oznacza to, że za ich pomocą można przesyłać dowolne światło na bardzo duże odległości. Tylko wysoka jasność, czyste kolory i dobry laser kierunkowy stanowią idealne źródło światła do przesyłania informacji. Sygnał wejściowy jest przesyłany z jednego końca światłowodu, praktycznie bez strat, a wyjściowy z drugiego. Dlatego komunikacja optyczna to w istocie komunikacja laserowa, która charakteryzuje się dużą pojemnością, wysoką jakością, szerokim zakresem materiałów, wysoką poufnością, trwałością itp. Jest ona okrzyknięta przez naukowców rewolucją w dziedzinie komunikacji i jednym z najwspanialszych osiągnięć rewolucji technologicznej.
Czas publikacji: 29-06-2023