Лазерът се отнася до процеса и инструмента за генериране на колимирани, монохроматични, кохерентни светлинни лъчи чрез усилване на стимулирано лъчение и необходима обратна връзка. По принцип, генерирането на лазер изисква три елемента: „резонатор“, „усилваща среда“ и „източник на напомпване“.
А. Принцип
Състоянието на движение на един атом може да бъде разделено на различни енергийни нива и когато атомът преминава от високо енергийно ниво към ниско енергийно ниво, той освобождава фотони със съответната енергия (т.нар. спонтанно излъчване). По подобен начин, когато фотон попадне върху система от енергийни нива и се абсорбира от нея, това ще накара атома да премине от ниско енергийно ниво към високо енергийно ниво (т.нар. възбудено поглъщане); след това някои от атомите, които преминават към по-високи енергийни нива, ще преминат към по-ниски енергийни нива и ще излъчват фотони (т.нар. стимулирано излъчване). Тези движения не се случват изолирано, а често паралелно. Когато създадем условие, например използвайки подходяща среда, резонатор, достатъчно външно електрическо поле, стимулираното излъчване се усилва, така че стимулираното поглъщане е по-силно, като цяло ще има излъчвани фотони, което ще доведе до лазерна светлина.
Б. Класификация
Според средата, която произвежда лазера, лазерите могат да бъдат разделени на течни лазери, газови лазери и твърдотелни лазери. В днешно време най-разпространеният полупроводников лазер е вид твърдотелен лазер.
В. Състав
Повечето лазери са съставени от три части: възбуждаща система, лазерен материал и оптичен резонатор. Възбуждащите системи са устройства, които произвеждат светлинна, електрическа или химическа енергия. В момента основните използвани средства за стимулиране са светлина, електричество или химическа реакция. Лазерните вещества са вещества, които могат да произвеждат лазерна светлина, като рубини, берилиево стъкло, неонов газ, полупроводници, органични багрила и др. Ролята на оптичния резонансен контрол е да подобри яркостта на изходния лазер, да регулира и избере дължината на вълната и посоката на лазера.
Г. Заявление
Лазерът се използва широко, главно за оптична комуникация, лазерно измерване на разстояние, лазерно рязане, лазерни оръжия, лазерни дискове и т.н.
Д. История
През 1958 г. американските учени Сяолуо и Таунс откриват магическо явление: когато насочат светлината, излъчвана от вътрешната крушка, към кристал от рядкоземен елемент, молекулите на кристала ще излъчват ярка, винаги заедно силна светлина. Според това явление те предлагат „лазерния принцип“, т.е. когато веществото се възбужда със същата енергия като естествената честота на трептене на неговите молекули, то ще произведе тази силна светлина, която не се разсейва – лазер. Те откриват важни статии за това.
След публикуването на резултатите от изследванията на Скиоло и Таунс, учени от различни страни предлагат различни експериментални схеми, но те не са успешни. На 15 май 1960 г. Мейман, учен в лабораторията „Хюз“ в Калифорния, обявява, че е получил лазер с дължина на вълната 0,6943 микрона, което е първият лазер, получен някога от хората, и по този начин Мейман става първият учен в света, който въвежда лазерите в практическата област.
На 7 юли 1960 г. Мейман обявява раждането на първия в света лазер. Схемата на Мейман е да използва високоинтензивна светкавична тръба, за да стимулира хромови атоми в рубинен кристал, като по този начин произвежда много концентрирана тънка червена светлинна колона. Когато се изстреля в определена точка, тя може да достигне температура, по-висока от тази на повърхността на слънцето.
Съветският учен Х.Г. Басов изобретява полупроводниковия лазер през 1960 г. Структурата на полупроводниковия лазер обикновено се състои от P слой, N слой и активен слой, които образуват двоен хетеропреход. Характеристиките му са: малък размер, висока ефективност на свързване, бърза скорост на реакция, дължина на вълната и размер, съответстващи на размера на оптичното влакно, възможност за директно модулиране и добра кохерентност.
Шесто, някои от основните насоки на приложение на лазера
F. Лазерна комуникация
Използването на светлина за предаване на информация е много разпространено днес. Например, корабите използват светлини за комуникация, а светофарите използват червено, жълто и зелено. Но всички тези начини за предаване на информация с помощта на обикновена светлина могат да бъдат ограничени само до къси разстояния. Ако искате да предавате информация директно до отдалечени места чрез светлина, не можете да използвате обикновена светлина, а само лазери.
И така, как се предава лазерът? Знаем, че електричеството може да се пренася по медни проводници, но светлината не може да се пренася по обикновени метални проводници. За тази цел учените са разработили нишка, която може да предава светлина, наречена оптично влакно, наричано още fiber. Оптичното влакно е изработено от специални стъклени материали, диаметърът му е по-тънък от човешки косъм, обикновено от 50 до 150 микрона, и е много меко.
Всъщност, вътрешната сърцевина на оптичното влакно е изработена от прозрачно оптично стъкло с висок коефициент на пречупване, а външното покритие е изработено от стъкло или пластмаса с нисък коефициент на пречупване. Такава структура, от една страна, може да накара светлината да се пречупва по вътрешната сърцевина, точно както водата, течаща напред във водопровода, и електричеството, предавано напред в проводника, дори хиляди усуквания и навивки да нямат ефект. От друга страна, покритието с нисък коефициент на пречупване може да предотврати изтичането на светлина, точно както водопроводът не просмуква, а изолационният слой на проводника не провежда електричество.
Появата на оптични влакна решава проблема с начина на предаване на светлина, но това не означава, че с тях всяка светлина може да бъде предавана на много големи разстояния. Само високата яркост, чистият цвят и добрият насочен лазер са най-идеалният източник на светлина за предаване на информация, като входът е от единия край на влакното, почти няма загуби и изходът е от другия край. Следователно, оптичната комуникация е по същество лазерна комуникация, която има предимствата на голям капацитет, високо качество, широк източник на материали, силна поверителност, издръжливост и др. и е приветствана от учените като революция в областта на комуникациите и е едно от най-блестящите постижения в технологичната революция.
Време на публикуване: 29 юни 2023 г.